CN104391483A - 基于pc机的坡口切割机数字控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于PC机的坡口切割机数字控制系统，包括工业控制计算机和输入输出接口卡。工业控制计算机设有运动控制卡、PCI总线及通用外设接口。运动控制卡安装于工业控制计算机的PCI总线上，输入输出接口卡通过运动控制卡连接于工业控制计算机的PCI总线上，并与所述三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及输入接口和输出接口相连接。运动控制卡包括DSP和FPGA，工作在Windows系统平台上。其优点在于：适应于用户通常的操作习惯，而且各组成部分相对独立，部分硬件可直接采购市售商品为组成部分，与现行的控制系统相比，不仅性能得到提高，成本得到降低，而且装配、使用、升级极为简单。

Description

基于PC机的坡口切割机数字控制系统

技术领域

本发明涉及控制系统，尤其是一种基于PC机的坡口切割机数字控制系统。

背景技术

根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽，就叫坡口。坡口是主要为了焊接工件，保证焊接度,普通情况下用机加工方法加工出的型面。

目前坡口切割机数字控制器主要是基于嵌入式的封闭数控系统，采用单片机或ARM芯片为主控芯片实现运动控制算法，虽然其成本较低，一般来说体积也较小，但是其目前存在以下不足：

(1)嵌入式系统运算能力较差，以ARM Cortex-A8为例，720MHz主频的CPU其运算能力仅为Intel Atom N2701.6GHz CPU的1/20，运动控制插补运算的计算强度是比较大的，运算能力成为了限制嵌入式发展的最大瓶颈；

(2)嵌入式系统的操作习惯支持不如PC机系统，传统PC早已走入家家户户，用户非常熟悉和接受PC机的操作方式；

(3)嵌入式系统上较难集成第三方工具，例如和数控系统配套的CAM软件，在PC上可以正常运行，而在嵌入式上则难以实现；

(4)嵌入式系统开发难度大于PC机上软件开发，由于开发是在普通PC上进行的，所以嵌入式的开发需要进行交叉编译，这对于软件的调试纠错会带来很大的麻烦，进而影响开发速度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有效提高性能，基于PC机系统，装配、使用、升级极为简单的基于PC机的坡口切割机数字控制系统。

为达到上述目的，本发明提供的基于PC机的坡口切割机数字控制系统，包括坡口切割机的三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及与坡口切割机相连的输入接口和输出接口，还包括工业控制计算机和输入输出接口卡，所述的工业控制计算机设有运动控制卡、PCI总线及通用外设接口，其中所述运动控制卡安装于所述工业控制计算机的PCI总线上，所述输入输出接口卡通过所述运动控制卡连接于所述工业控制计算机的PCI总线上，并与所述三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及输入接口和输出接口相连接；所述人机交互设备连接于所述工业控制计算机的通用外设接口；所述运动控制卡包括DSP和FPGA，用于完成读入坡口切割机的三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及输入接口的数据信息，并经输出接口输出轨迹、速度、插补及伺服周期控制信号；所述运动控制卡工作在Windows系统平台上，其人机显示界面下方和右侧各设有用于状态显示、参数修改、加工代码编辑、输入/输出模块测试和运行控制的8个操作按钮，用于显示当前各轴的坐标位置及运行速度、加工代码的平面轨迹及当前所处位置和各个接口的信息，调整加工速度、切割模式、切割参数的参数，设置坡口切割机精度、回零控制、回零方向、软限位设置、加速度设置、最大运行速度，在线编辑处理加工代码，测试输入、输出信号和故障处理。

本发明基于PC机的坡口切割机数字控制系统，其中所述的人机交互设备包括触摸屏显示器、鼠标、键盘、移动存储设备。

本发明基于PC机的坡口切割机数字控制系统，其中所述的通用外设接口包括LCD/VGA、USB、PS/2和/或软盘驱动器接口。

本发明基于PC机的坡口切割机数字控制系统，其中所述工业控制计算机连接有UPS电源。

本发明基于PC机的坡口切割机数字控制系统的优点在于：由于采用通用PC作为操作平台，适应于用户通常的操作习惯，而且各组成部分相对独立，部分硬件可直接采购市售商品为组成部分，与现行的控制系统相比，不仅性能得到提高，成本得到降低，而且装配、使用、升级极为简单。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明基于PC机的坡口切割机数字控制系统的方框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于PC机的坡口切割机数字控制系统，包括坡口切割机的三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及与坡口切割机相连的输入接口和输出接口，以及工业控制计算机和输入输出接口卡。

工业控制计算机1设有运动控制卡、PCI总线及通用外设接口，其中运动控制卡2安装于工业控制计算机1的PCI总线上，输入输出接口卡3通过运动控制卡2连接于工业控制计算机1的PCI总线上，并与三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及输入接口和输出接口相连接。图中X轴41、Y轴42、Z轴43为三维平移轴，所述的轴A 44为旋转轴，所述的轴B 45为摇摆轴，X轴41和Y轴42是水平平移轴，Z轴43是升降轴。

人机交互设备，连接于工业控制计算机的通用外设接口。输入输出接口卡3还连接有输入接口31和输出接口32。

人机交互设备包括触摸屏显示器51、鼠标、键盘52、移动存储设备，在图中未逐一示出。人机交互设备采用电阻式单点触摸屏，耐油污、耐粉尘、耐湿，更符合工业现场的恶劣环境。通用外设接口包括LCD/VGA、USB、PS/2和/或软盘驱动器接口。工业控制计算机连接有UPS电源。

运动控制卡包括DSP和FPGA，用于完成读入坡口切割机的三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及输入接口的数据信息，并经输出接口输出轨迹、速度、插补及伺服周期控制信号；运动控制卡工作在Windows系统平台上，其人机显示界面下方和右侧各设有用于状态显示、参数修改、加工代码编辑、输入/输出模块测试和运行控制的8个操作按钮，包括显示当前各轴的坐标位置及运行速度、加工代码的平面轨迹及当前所处位置和各个接口的信息，调整加工速度、切割模式、切割参数的参数，设置坡口切割机精度、回零控制、回零方向、软限位设置、加速度设置、最大运行速度，在线编辑处理加工代码，测试输入、输出信号和故障处理。

本发明基于PC机的坡口切割机数字控制系统在工作时，工业控制计算机1中装有电子硬盘，用来安装Windows Embedded Standard 2009操作系统，且拥有优于传统机械硬盘的抗震、抗低温、抗高温性能。工业控制计算机1中拥有不小于2条的PCI插槽，来容纳运动控制卡2。输入输出接口卡3设备上通过光耦隔离后，将控制信号传输至坡口切割机执行硬件并将外部坡口切割机信号传送给控制卡。运动控制卡上由DSP和FPGA来实现所有的插补运算功能，DSP完成轨迹规划、速度前瞻、速度规划，FPGA来完成插补运算及伺服周期控制；所述的轨迹规划是指运动控制卡根据上位机提供的轨迹值，运用正向运动学方程计算出各个轴的目标位置。

为了提高加工效率，在允许的误差范围内提高转角速度，在运动控制卡中，使用速度前瞻来计算各个轴运动段的末点运行速度。坡口切割机在运行过程中，根据用户能接受的公差范围、坡口切割机的惯量以及轨迹段的夹角就可以计算得到所允许的末点运行速度。为了提高脉冲发送的实时性，运动控制卡内设有8K字节大小的缓冲区，这样当上位机不能及时响应向下位机运动控制卡写入运动轨迹数据时，运动控制卡可以自动从缓冲区中获取下一段的运行数据，保证连续运动。

为了提高稳定性，本发明采用了断电保护措施，对工业控制计算机加装UPS电源6。在突然断电时，系统可以检测到断电信号，并自动完成现场数据的保存，以供恢复供电时的现场恢复。以此来实现系统的可靠运行。

为了提高可操作性，提供了触摸屏和键盘输入两种形式，另外还提供了多路USB口来满足不同USB设备与控制主机连接的需求。

本发明采用Windows Embedded Standard 2009多任务操作系统，大大简化了系统设计，使得系统可以同时兼顾用户人机界面的响应和运动控制卡的操作，并保证了系统运行的稳定性和开放性，该操作系统大小仅为600M，可以安装在绝大多数电子硬盘上使用。操作系统可以使用在开发机器上的编译代码无缝移植到目标控制系统上，而windows平台上便捷成熟的配套开发工具使软件的开发周期大大缩短且易于掌握，使研发人员将精力集中投入与控制系统本身的开发。

在本发明基于PC机的坡口切割机数字控制系统的实施例中，升降轴Z轴43使用编码器检测高度来控制下落高度，由于坡口切割中需要时刻保持高度的精确跟踪使切割交点保持固定，因此使用编码器来检测高度并使用PID算法控制实时跟踪是非常必要的，实际使用效果较好。

在本发明基于PC机的坡口切割机数字控制系统实施例中，所有人机显示界面使用相同风格的操作界面，菜单式操作方法使用户直观了解各个按键的功能特征，在每个界面下方为F1-F8操作按钮，而在右侧同样为8个操作按钮，整体软件界面功能可分为如下几类：

(1)状态显示：可显示当前各轴的坐标位置及运行速度；可显示加工代码的平面轨迹及当前所处位置；坡口切割机的各个IO口信息也在界面右侧得到显示；

(2)参数修改：可修改坡口切割机的运行参数，分为普通用户参数和重要坡口切割机参数。普通用户参数是操作人员在日常使用中经常需要调整的参数如加工速度、切割模式、切割参数等；重要坡口切割机参数是坡口切割机生产厂家调试坡口切割机的参数，例如坡口切割机精度、回零控制、回零方向、软限位设置、加速度设置、最大运行速度设置等等。

(3)加工代码编辑：系统提供了对加工代码的在线编辑处理功能，用户可以对代码做任意的修改变动，代码的编辑可以使用键盘操作也可以使用触摸屏进行操作。

(4)输入/输出模块测试：系统提供了测试输入输出模块的界面，使得当故障发生时，可以快速判断故障原因。

(5)运行控制：系统提供了手动运行和自动运行两种运行模式，分别执行日常运动和加工代码运行功能。在运行过程中，用户可以任意调节速度倍率来实现平滑加减速运动。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (4)

1.一种基于PC机的坡口切割机数字控制系统，包括坡口切割机的三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及与坡口切割机相连的输入接口和输出接口，其特征在于：还包括工业控制计算机和输入输出接口卡，所述的工业控制计算机设有运动控制卡、PCI总线及通用外设接口，其中所述运动控制卡安装于所述工业控制计算机的PCI总线上，所述输入输出接口卡通过所述运动控制卡连接于所述工业控制计算机的PCI总线上，并与所述三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及输入接口和输出接口相连接；所述人机交互设备连接于所述工业控制计算机的通用外设接口；所述运动控制卡包括DSP和FPGA，用于完成读入坡口切割机的三维平移轴、旋转轴、摇摆轴以及输入接口的数据信息，并经输出接口输出轨迹、速度、插补及伺服周期控制信号；所述运动控制卡工作在Windows系统平台上，其人机显示界面下方和右侧各设有用于状态显示、参数修改、加工代码编辑、输入/输出模块测试和运行控制的8个操作按钮，用于显示当前各轴的坐标位置及运行速度、加工代码的平面轨迹及当前所处位置和各个接口的信息，调整加工速度、切割模式、切割参数的参数，设置坡口切割机精度、回零控制、回零方向、软限位设置、加速度设置、最大运行速度，在线编辑处理加工代码，测试输入、输出信号和故障处理。

2.如权利要求1所述的基于PC机的坡口切割机数字控制系统，其特征在于：所述的人机交互设备包括触摸屏显示器、鼠标、键盘、移动存储设备。

3.如权利要求1或2所述的基于PC机的坡口切割机数字控制系统，其特征在于：所述的通用外设接口包括LCD/VGA、USB、PS/2和/或软盘驱动器接口。

4.如权利要求3所述的基于PC机的坡口切割机数字控制系统，其特征在于：所述工业控制计算机连接有UPS电源。