CN104750029A - 五轴运动控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种五轴运动控制器及其控制方法包括处理器(10)和与该处理器(10)相连接的外围设备(20)、驱动模块(30)、操作系统(40)及应用模块(50)，所述驱动模块(30)及应用模块(50)分别装设于所述操作系统(40)上，所述外围设备(20)分别通过驱动模块(30)与操作系统(40)和应用模块(50)连接和通信，且在所述外围设备(20)上编写程序,将编写的程序发送至五轴运动控制卡上,运动控制器根据编写的程序输出特定的模拟量或脉冲，并将该模拟量或脉冲输入到伺服驱动器中，从而驱动电机完成特定的动作。本发明具有易于实施及调试、可靠性高且成本低廉等特点。

Description

五轴运动控制器及其控制方法
【技术领域】
本发明涉及数控技术领域，特别是涉及一种五轴运动控制器及其控制方法。
【背景技术】
随着国内自动化水平的提高，对各种自动化设备的需求也越来越大。自动化设备的核心是伺服系统的运动控制。通常伺服系统包括电机、伺服驱动器、运动控制卡和PLC。其中，伺服驱动器作为其执行机构，功能较为单一。而运动控制卡则集成有多种运动控制功能诸如：电子齿轮、电子凸轮、轴叠加、虚拟轴控制、插补等。PLC则用于实现了各种不同现场所特定的逻辑控制功能。为了兼顾通用的运动控制功能和专用的逻辑控制功能，市场上出现了一种集运动控制功能与逻辑控制功能于一体的五轴运动控制卡。传统的运动控制器无法用梯形图编程，编写逻辑功能较难，一般需要搭配PLC来构建系统，因此导致接线复杂、成本高、不易调试且可靠性低。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题，而提供一种易于实施及调试、可靠性高且成本低廉的五轴运动控制器及其控制方法。
为实现上述目的，本发明提供一种五轴运动控制器，其包括处理器和与该处理器相连接的外围设备、驱动模块、操作系统及应用模块，所述驱动模块及应用模块分别装设于所述操作系统上，所述外围设备分别通过驱动模块与操作系统和应用模块连接和通信，且在所述外围设备上编写程序,将编写的程序发送至五轴运动控制卡上,运动控制器根据编写的程序输出特定的模拟量或脉冲，并将该模拟量或脉冲输入到伺服驱动器中，从而驱动电机完成特定的动作。
所述外围设备包括FPGA模块、RS232接口、RS485接口、网络接口、CAN总线接口、NAND Flash模块、DDR内存、SD卡接口、模拟输入接口、运动轴卡、扩展单元、数字输入/输出接口、模拟输出接口、伺服驱动器、上位机软件平台、EEPROM芯片及电机，其中，所述处理器分别与FPGA模块、RS232接口、RS485接口、网络接口、NAND Flash模块、DDR内存、SD卡接口、模拟输入接口及EEPROM芯片相连接，所述FPGA模块的输出端则分别与CAN总线接口、扩展单元、数字输入/输出接口及模拟输出接口相连接,所述模拟输出接口与运动控制器输出的模拟量连接，模拟量的输出端与伺服驱动器相连接，伺服驱动器则与电机相连接。
所述DDR内存的内存空间为512M字节，所述NAND Flash模块的程序空间为2G字节，所述SD卡接口与外部SD卡连接，用于存储应用程序。
所述驱动模块包括DDR驱动单元、定时器驱动单元、输入/输出驱动单元、IIC总线驱动单元、NAND Flash驱动单元、SD卡驱动单元、网口驱动单元及异步循环串口驱动单元，其中，所述DDR内存通过DDR驱动单元被所述操作系统识别并彼此连接和通信，所述处理器上设有定时器，该定时器通过定时器驱动单元被操作系统识别并彼此连接和通信，所述数字输入/输出接口通过输入/输出驱动单元被操作系统识别并彼此连接和通信，所述EEPROM芯片通过IIC总线驱动单元被操作系统识别并彼此连接和通信，所述NAND Flash模块通过NAND Flash驱动单元被操作系统识别并彼此连接和通信，所述SD卡接口通过SD卡驱动单元被操作系统识别并彼此连接和通信，所述网络接口通过网口驱动单元被操作系统识别并彼此连接和通信，所述RS232接口和RS485接口分别通过异步循环串口驱动单元被操作系统识别并彼此连接和通信。
所述操作系统采用微内核ucosII操作系统。
所述应用模块包括运动控制功能模块和PLC逻辑控制功能模块和多个虚轴，所述运动控制功能模块、PLC逻辑控制功能模块和多个虚轴模块分别装设于所述操作系统上，所述运动控制功能模块包括电子齿轮单元、电子凸轮单元、点位运动单元、位置闭环单元、运动叠加单元、轮切单元、追剪单元及自动对位单元。
所述电机上设有多个主轴和多个从轴，所述从轴和主轴相互啮合并随主轴的转动而转动，所述多个虚轴模块可与一个或多个主轴进行叠加，从而实现电子齿轮单元、电子凸轮单元、点位运动单元、位置闭环单元、运动叠加单元、轮切单元、追剪单元及自动对位单元所对应的各种功能。
所述特定的动作为针对某种应用的一系列动作的组合，该动作的组合由公用的基本动作所提取而组合成为运动控制功能模块，并针对各种应用通过调用运动控制功能模块中的相应动作来编写程序。
该方法包括如下步骤：
a、所有任务初始化；
b、操作系统初始化；
c、任务调度.
在所述步骤c中，所述应用模块调用运动控制功能模块和PLC逻辑控制功能模块中的函数，从而生成多个任务，这些任务的运行采用操作系统进行调度，任务最终调用驱动模块操控各外围设备从而完成所需的任务。
本发明的贡献在于，其有效克服了传统的五轴运动控制器接线复杂、成本高、不易调试且可靠性低等缺陷。本发明通过将伺服系统的运动控制功能与逻辑控制功能集合于一体，使用户基于五轴运动控制器，并通过在上位机软件平台上编写的PLC梯形图或功能图，就可以灵活地搭建各种不同的伺服系统。此外，本发明由于使运动控制器的各功能模块化，从而使得复杂的运动变得十分容易实现，并使成本显著降低，本发明还具有易于实施及调试等特点。
【附图说明】
图1是本发明的处理器与外围设备的连接结构示意图。
图2是本发明的驱动模块、操作系统及应用模块的结构示意图。
图3是本发明的运动控制功能模块的结构框图。
图4是本发明的流程框图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
如图1～图4所示，本发明的五轴运动控制器包括处理器10、外围设备20、驱动模块30、操作系统40及应用模块50。在本实施例中，所述处理器10采用型号为AM3354的32位的Contex-A8处理器。所述操作系统40采用精简的微内核ucosII操作系统，该操作系统任务调度快，实时性高。所述处理器10分别与外围设备20、驱动模块30、操作系统40及应用模块50连接和通信。所述驱动模块30及应用模块50分别设于操作系统40上，所述外围设备20则分别通过驱动模块30与操作系统40和应用模块50连接和通信。
如图1所示，所述外围设备20与所述处理器10相连接。所述外围设备20包括FPGA模块201、RS232接口202、RS485接口203、网络接口204、CAN总线接口205、NAND Flash模块206、DDR内存207、SD卡接口208、模拟输入接口209、运动轴卡210、扩展单元211、数字输入/输出接口212、模拟输出接口213、伺服驱动器214、上位机软件平台215、EEPROM芯片216及电机217。其中，所述扩展单元211可为该控制卡扩展出更多外设，如数字输入/输出接口212、模拟输入接口209、模拟输出接口213等。所述DDR内存207可为运动控制器提供512M字节的内存空间，所述NAND Flash模块206可为运动控制器提供2G字节的程序空间，所述SD卡接口208与外部SD卡连接，用于存储用户的应用程序。所述处理器10分别与FPGA模块201、RS232接口202、RS485接口203、网络接口204、NAND Flash模块206、DDR内存207、SD卡接口208、模拟输入接口209及EEPROM芯片216相连接，所述FPGA模块18的输出端则分别与CAN总线接口205、扩展单元211、数字输入/输出接口212及模拟输出接口213相连接,所述模拟输入接口213与上位机软件平台215连接，所述模拟输出接口213与运动控制器输出的模拟量连接，模拟量的输出端则与伺服驱动器214相连接，伺服驱动器214的输出端则与电机217相连接。
如图2，所述驱动模块30装设于所述操作系统40上。所述驱动模块30包括DDR驱动单元31、定时器驱动单元32、输入/输出驱动单元33、IIC总线驱动单元34、NAND Flash驱动单元35、SD卡驱动单元36、网口驱动单元37及异步循环串口驱动单元38。其中，所述DDR内存207通过DDR驱动单元被所述操作系统40识别并彼此连接和通信，该DDR内存207可为运动控制器提供512M字节的内存空间。所述NAND Flash模块206通过NAND Flash驱动单元35被操作系统40识别并彼此连接和通信，该NAND Flash模块206可为运动控制器提供2G字节的程序空间。所述处理器10上设有定时器11，该定时器11通过定时器驱动单元32被操作系统40识别并彼此连接和通信。所述数字输入/输出接口212通过输入/输出驱动单元33被操作系统40识别并彼此连接和通信。所述EEPROM芯片216通过IIC总线驱动单元34被操作系统40识别并彼此连接和通信，该EEPROM芯片216用来存储一些掉电不丢失的参数。所述SD卡接口208通过SD卡驱动单元36被操作系统40识别并彼此连接和通信，该SD卡接口208与外部SD卡连接，用于存储用户的应用程序。所述网络接口16通过网口驱动单元37被操作系统40识别并彼此连接和通信，该网络接口16与有线或无线网络相连接并用于提供网络连接。所述RS232接口202和RS485接口203分别通过异步循环串口驱动单元38被操作系统40识别并彼此连接和通信。
如图2，所述应用模块50包括运动控制功能模块51和逻辑控制功能模块52和多个虚轴53。所述运动控制功能模块51、逻辑控制功能模块52和多个虚轴模块53分别装设于所述操作系统40上。如图3所示，所述运动控制功能模块51包括电子齿轮单元511、电子凸轮单元512、点位运动单元513、位置闭环单元514、运动叠加单元515、轮切单元516、追剪单元517及自动对位单元518。如图1，图3所示，所述五轴运动控制器上设有多个主轴和多个从轴(图中未示出)，所述从轴和主轴可以相互啮合并随主轴的转动而转动。所述多个虚轴模块53可与一个或多个主轴进行叠加，从而实现电子齿轮单元511、电子凸轮单元512、点位运动单元513、位置闭环单元514、运动叠加单元515、轮切单元516、追剪单元517及自动对位单元518所对应的各种功能。
如图4所示，所述五轴运动控制器的控制方法包括如下步骤：
a、所有任务初始化；
b、操作系统初始化；
c、任务调度。
在任务C中，所述应用模块50调用运动控制功能模块51和逻辑控制功能模块52中的函数，从而生成多个任务，这些任务的运行采用操作系统40进行调度，任务最终调用驱动模块30操控各外围设备20从而完成所需的任务。在本实施例中，首先通过在上位机软件平台上编写PLC梯形图或功能图,将编写的程序下载到五轴运动控制卡上,运动控制器根据编写的程序输出特定的模拟量或脉冲，并将该模拟量或脉冲输入到伺服驱动器中，从而驱动电机完成特定的动作。该特定的动作为针对某种应用的一系列动作的组合，该动作的组合由公用的基本动作所提取而组合成为运动控制功能模块41，并针对各种应用通过调用运动控制功能模块41中的相应动作来编写程序。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但是本发明的范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构件可用所属技术领域人员了解的相似或等同元件来替换。

Claims (10)

1.一种五轴运动控制器，其特征在于，其包括处理器(10)和与该处理器(10)相连接的外围设备(20)、驱动模块(30)、操作系统(40)及应用模块(50)，所述驱动模块(30)及应用模块(50)分别装设于所述操作系统(40)上，所述外围设备(20)分别通过驱动模块(30)与操作系统(40)和应用模块(50)连接和通信，且在所述外围设备(20)上编写程序,将编写的程序发送至五轴运动控制卡上,运动控制器根据编写的程序输出特定的模拟量或脉冲，并将该模拟量或脉冲输入到伺服驱动器中，从而驱动电机完成特定的动作。
2.如权利要求1所述的五轴运动控制器，其特征在于，所述外围设备(20)包括FPGA模块(201)、RS232接口(202)、RS485接口(203)、网络接口(204)、CAN总线接口(205)、NAND Flash模块(206)、DDR内存(207)、SD卡接口(208)、模拟输入接口(209)、运动轴卡(210)、扩展单元(211)、数字输入/输出接口(212)、模拟输出接口(213)、伺服驱动器(214)、上位机软件平台(215)、EEPROM芯片(216)及电机(217)，其中，所述处理器(10)分别与FPGA模块(201)、RS232接口(202)、RS485接口(203)、网络接口(204)、NAND Flash模块(206)、DDR内存(207)、SD卡接口(208)、模拟输入接口(209)及EEPROM芯片(216)相连接，所述FPGA模块(18)的输出端则分别与CAN总线接口(205)、扩展单元(211)、数字输入/输出接口(212)及模拟输出接口(213)相连接,所述模拟输出接口(213)与运动控制器输出的模拟量连接，模拟量的输出端与伺服驱动器(214)相连接，伺服驱动器(214)则与电机(217)相连接。
3.如权利要求2所述的五轴运动控制器，其特征在于，所述DDR内存(207)的内存空间为512M字节，所述NAND Flash模块(206)的程序空间为2G字节，所述SD卡接口(208)与外部SD卡连接，用于存储应用程序。
4.如权利要求1所述的五轴运动控制器，其特征在于，所述驱动模块(30)包括DDR驱动单元(31)、定时器驱动单元(32)、输入/输出驱动单元(33)、IIC总线驱动单元(34)、NAND Flash驱动单元(35)、SD卡驱动单元(36)、网口驱动单元(37)及异步循环串口驱动单元(38)，其中，所述DDR内存(207)通过DDR驱动单元被所述操作系统(40)识别并彼此连接和通信，所述处理器(10)上设有定时器(11)，该定时器(11)通过定时器驱动单元(32)被操作系统(40)识别并彼此连接和通信，所述数字输入/输出接口(212)通过输入/输出驱动单元(33)被操作系统(40)识别并彼此连接和通信，所述EEPROM芯片(216)通过IIC总线驱动单元(34)被操作系统(40)识别并彼此连接和通信，所述NANDFlash模块(206)通过NAND Flash驱动单元(35)被操作系统(40)识别并彼此连接和通信，所述SD卡接口(208)通过SD卡驱动单元(36)被操作系统(40)识别并彼此连接和通信，所述网络接口(16)通过网口驱动单元(37)被操作系统(40)识别并彼此连接和通信，所述RS232接口(202)和RS485接口(203)分别通过异步循环串口驱动单元(38)被操作系统(40)识别并彼此连接和通信。
5.如权利要求4所述的五轴运动控制器，其特征在于，所述操作系统(40)采用微内核ucosII操作系统。
6.如权利要求1所述的五轴运动控制器，其特征在于，所述应用模块(50)包括运动控制功能模块(51)和逻辑控制功能模块(52)和多个虚轴(53)，所述运动控制功能模块(51)、逻辑控制功能模块(52)和多个虚轴模块(53)分别装设于所述操作系统(40)上，所述运动控制功能模块(51)包括电子齿轮单元(511)、电子凸轮单元(512)、点位运动单元(513)、位置闭环单元(514)、运动叠加单元(515)、轮切单元(516)、追剪单元(517)及自动对位单元(518)。
7.如权利要求7所述的五轴运动控制器，其特征在于，所述五轴运动控制器上设有多个主轴和多个从轴，所述从轴和主轴可相互啮合并随主轴的转动而转动，所述多个虚轴模块(53)可与一个或多个主轴进行叠加，从而实现电子齿轮单元(511)、电子凸轮单元(512)、点位运动单元(513)、位置闭环单元(514)、运动叠加单元(515)、轮切单元(516)、追剪单元(517)及自动对位单元(518)所对应的各种功能。
8.如权利要求1所述的五轴运动控制器，其特征在于，所述特定的动作为针对某种应用的一系列动作的组合，该动作的组合由公用的基本动作所提取而组合成为运动控制功能模块(41)，并针对各种应用通过调用运动控制功能模块(41)中的相应动作来编写程序。
9.如权利要求1所述的五轴运动控制器的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a、所有任务初始化；
b、操作系统初始化；
c、任务调度。
10.如权利要求9所述的五轴运动控制器的控制方法，其特征在于，在步骤c中，所述应用模块(50)调用运动控制功能模块(51)和逻辑控制功能模块(52)中的函数，从而生成多个任务，这些任务的运行采用操作系统(40)进行调度，任务最终调用驱动模块(30)操控各外围设备(20)从而完成所需的任务。
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