CN110579997A - 基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统及方法，该系统包括基于可编程逻辑器件实现的FIFO单元、数字靠模单元和安全逻辑单元；其中，所述数字靠模单元和所述安全逻辑单元均通过FIFO单元与外部主机通信连接，所述安全逻辑单元与所述数字靠模单元通信连接；所述数字靠模单元用于完成主轴和从动轴的控制输出和状态信息读取，实现主轴和从动轴联动控制；所述安全逻辑单元用于采集并处理机床安全相关的信息，实现安全控制。本发明利用现场可编程逻辑器件，采用硬件控制的方式实现主轴和从动轴的联动控制，同时对主轴和从动轴的限位信号和急停信号等安全信号进行采集及处理，实现了紧急停机、断电等控制，提高靠模的稳定性和可靠性。

Description

基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统及方法

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，具体涉及基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统及方法。

背景技术

目前在等壁厚石油螺杆钻具、内齿圈、内花键槽等两个进给轴有一定的联动关系的机械加工领域，多采用机械靠模或软件分别控制两个进给轴的方式。

靠模加工方式通过严格的机械电气控制来保证两个进给轴的比例关系，从而保证所加工的产品的轨迹曲线满足设计要求。一种轨迹曲线必须要设计一种靠模，换轨迹曲线必须换靠模，并进行非常烦琐复杂的机械调整。而模具制作周期长、成本高，保管不变、更换产品调整麻烦，致使生产准备周期长；另一方面，机床磨损或传动异常造成质量问题，且无法从根本上追溯质量原因。

而软件单独控制两个进给轴的方式，由于两个轴的机械惯量不同导致加减速时间和响应时间不同，以及软件本身导致的实时性问题，可能造成两个进给轴的联动关系不能精准保证。

发明内容

本发明提供了基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统，本发明采用基于可编程逻辑器件的数字靠模控制，由可编程逻辑器件从硬件上实现主轴和从动轴的联动控制，保证主轴和从动轴的联动关系及安全保护，可靠性高。

本发明通过下述技术方案实现：

基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统及方法，该系统包括基于可编程逻辑器件实现的FIFO单元、数字靠模单元和安全逻辑单元；其中，所述数字靠模单元和所述安全逻辑单元均通过FIFO单元与外部主机通信连接，所述安全逻辑单元与所述数字靠模单元通信连接；所述数字靠模单元用于完成主轴和从动轴的控制输出和状态信息读取，实现主轴和从动轴联动控制；所述安全逻辑单元用于采集并处理机床安全相关的信息，实现安全控制。

优选的，所述数字靠模单元实现主轴和从动轴的联动具体过程如下：

在自动加工时，由数字靠模单元控制主轴运动，主轴进给的瞬时位移增量被位移传感器检测到并传送到数字靠模单元，所述数字靠模单元根据位移传感器传送的数据以及主机传送的参数计算出从动轴的运动增量和速度，进而控制从动轴运动，即实现从动轴跟随主轴运动；所述主机只需要对主轴实施平稳的速度控制，同时根据轨迹曲线的参数设定适时修改从动轴与主轴的比率，即可完成对从动轴速度和位置的平稳控制，达到联动控制目的。

优选的，所述安全逻辑单元实现安全控制具体过程如下：

在自动加工过程中，由安全逻辑单元采集主轴和从动轴的限位信号、急停信号并进行处理，输出控制信号实现紧急停机和断电控制。

优选的，还包括上位机，所述上位机与主机进行通信连接。

另一方面，本发明还提出了基于可编程逻辑器件的数字靠模控制方法，该方法包括：在可编程逻辑器件中构建了FIFO单元实现外部主机与可编程逻辑器件内部数据交换；可编程逻辑器件完成主轴和从动轴的控制输出和状态信息读取，实现主轴和从动轴联动控制；可编程逻辑器件采集并处理机床安全相关的信息，实现安全控制。

优选的，可编程逻辑器件实现主轴和从动轴联动控制具体为：

在自动加工时，由可编程逻辑器件控制主轴运动，主轴进给的瞬时位移增量被位移传感器检测到并传送到可编程逻辑器件，所述可编程逻辑器件根据位移传感器传送的数据以及主机传送的参数计算出从动轴的运动增量和速度，进而控制从动轴运动，即实现从动轴跟随主轴运动；所述主机只需要对主轴实施平稳的速度控制，同时根据轨迹曲线的参数设定适时修改从动轴与主轴的比率，即可完成对从动轴速度和位置的平稳控制，达到联动控制目的。

优选的，可编程逻辑器件实现安全控制具体为：

在自动加工过程中，由安全逻辑单元采集主轴和从动轴的限位信号、急停信号并进行处理，输出控制信号实现紧急停机和断电控制。

优选的，所述主机与上位机通信连接。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明利用现场可编程逻辑器件，采用硬件控制的方式实现主轴和从动轴的联动控制，同时对主轴和从动轴的限位信号和急停信号等安全信号进行采集及处理，实现了紧急停机、断电等控制，提高了靠模的稳定性和可靠性。

2、本发明通过在可编程逻辑器件内部设计FIFO通道，实现外部主机与可编程逻辑器件间的数据交换，具有数据交换速度快、占用系统地址资源少和可靠性高等特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的系统原理框图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提出了基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统，如图1所示，该系统包括基于可编程逻辑器件实现的FIFO单元、数字靠模单元和安全逻辑单元。

其中，所述数字靠模单元和所述安全逻辑单元均通过FIFO单元与外部主机(CPU)通信连接，实现主、从机数据交换通道，具有数据交换速度快、占用系统地址资源少、可靠性高等特点。所述安全逻辑单元与所述数字靠模单元通信连接；所述数字靠模单元用于完成主轴和从动轴的控制输出和状态信息读取，实现主轴和从动轴联动控制；所述安全逻辑单元用于采集并处理机床安全相关的信息，实现安全控制。

本实施例的系统还包括上位机，所述上位机与主机(CPU)通信连接。

在本实施例中，主轴和从动轴联动控制过程具体为：

在自动加工时，由可编程逻辑器件内的数字靠模单元首先控制主轴运动(如图1所示数字靠模单元输出控制信号给主轴驱动器，主轴驱动器驱动主轴电机，主轴电机通过控制主轴运动机构运动进而带动主轴运动)，由于可编程逻辑器件已经保证了主轴的位移传感器的输出信号连接到从动轴的控制输入信号，因此，主轴进给的瞬时位移增量被位移传感器检测到并传递到可编程逻辑器件(数字靠模单元)，可编程逻辑门阵列芯片内的数字靠模单元根据主机(CPU)传送的参数以及位移传感器传输的数据计算出从动轴的运动增量和速度，并控制从动轴运动。这样，从动轴的运动跟随主轴的运动，二者当前位置的比率和轨迹曲线密切相关，修改二者比率也就修改了轨迹曲线。因此主机上的软件程序只需要对主轴实施平稳的速度控制，同时根据轨迹曲线的参数设定适时修改从动轴与主轴的比率，也就完成了对从动轴速度和位置的平稳控制，达到了联动控制目的，包括升降速过程。这样就减少了系统机械形变、扰动、惯性等对联动控制造成的影响。轨迹曲线的正确与否完全由可编程逻辑器件硬件电路保证。

在本实施例中，安全控制具体为：

由可编程逻辑器件内的安全逻辑单元采集急停信号、主轴和从动轴的限位信号等安全信号并进行处理，输出控制信号实现紧急停机、断电等控制。

本实施例通过基于可编程逻辑器件硬件电路来实现主轴和从动轴的联动控制以及安全保护，提高了靠模可靠性。

实施例2

基于上述实施例1的控制系统，本实施例还提出了基于可编程逻辑器件的数字靠模控制方法，该方法具体包括：

在可编程逻辑器件中构建了FIFO单元实现外部主机与可编程逻辑器件内部数据交换，具有数据交换速度快、占用系统地址资源少、可靠性高等特点。

可编程逻辑器件完成主轴和从动轴的控制输出和状态信息读取，实现主轴和从动轴联动控制。具体为：

在自动加工时，由可编程逻辑器件控制主轴运动，主轴进给的瞬时位移增量被位移传感器检测到并传送到可编程逻辑器件，所述可编程逻辑器件根据位移传感器传送的数据以及主机传送的参数计算出从动轴的运动增量和速度，进而控制从动轴运动，即实现从动轴跟随主轴运动；所述主机只需要对主轴实施平稳的速度控制，同时根据轨迹曲线的参数设定适时修改从动轴与主轴的比率，即可完成对从动轴速度和位置的平稳控制，达到联动控制目的。

可编程逻辑器件采集并处理机床安全相关的信息，实现安全控制。具体为：

在自动加工过程中，由安全逻辑单元采集主轴和从动轴的限位信号、急停信号并进行处理，输出控制信号实现紧急停机和断电控制。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统，其特征在于，该系统包括基于可编程逻辑器件实现的FIFO单元、数字靠模单元和安全逻辑单元；其中，所述数字靠模单元和所述安全逻辑单元均通过FIFO单元与外部主机通信连接，所述安全逻辑单元与所述数字靠模单元通信连接；所述数字靠模单元用于完成主轴和从动轴的控制输出和状态信息读取，实现主轴和从动轴联动控制；所述安全逻辑单元用于采集并处理机床安全相关的信息，实现安全控制。

2.根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统，其特征在于，所述数字靠模单元实现主轴和从动轴的联动具体过程如下：

在自动加工时，由数字靠模单元控制主轴运动，主轴进给的瞬时位移增量被位移传感器检测到并传送到数字靠模单元，所述数字靠模单元根据位移传感器传送的数据以及主机传送的参数计算出从动轴的运动增量和速度，进而控制从动轴运动，即实现从动轴跟随主轴运动；所述主机只需要对主轴实施平稳的速度控制，同时根据轨迹曲线的参数设定适时修改从动轴与主轴的比率，即可完成对从动轴速度和位置的平稳控制，达到联动控制目的。

3.根据权利要求2所述的基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统，其特征在于，所述安全逻辑单元实现安全控制具体过程如下：

在自动加工过程中，由安全逻辑单元采集主轴和从动轴的限位信号、急停信号并进行处理，输出控制信号实现紧急停机和断电控制。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于可编程逻辑器件的数字靠模控制系统，其特征在于，还包括上位机，所述上位机与主机进行通信连接。

5.基于可编程逻辑器件的数字靠模控制方法，其特征在于，该方法包括：在可编程逻辑器件中构建了FIFO单元实现外部主机与可编程逻辑器件内部数据交换；可编程逻辑器件完成主轴和从动轴的控制输出和状态信息读取，实现主轴和从动轴联动控制；可编程逻辑器件采集并处理机床安全相关的信息，实现安全控制。

6.根据权利要求5所述的基于可编程逻辑器件的数字靠模控制方法，其特征在于，可编程逻辑器件实现主轴和从动轴联动控制具体为：

在自动加工时，由可编程逻辑器件控制主轴运动，主轴进给的瞬时位移增量被位移传感器检测到并传送到可编程逻辑器件，所述可编程逻辑器件根据位移传感器传送的数据以及主机传送的参数计算出从动轴的运动增量和速度，进而控制从动轴运动，即实现从动轴跟随主轴运动；所述主机只需要对主轴实施平稳的速度控制，同时根据轨迹曲线的参数设定适时修改从动轴与主轴的比率，即可完成对从动轴速度和位置的平稳控制，达到联动控制目的。

7.根据权利要求5所述的基于可编程逻辑器件的数字靠模控制方法，其特征在于，可编程逻辑器件实现安全控制具体为：

在自动加工过程中，由安全逻辑单元采集主轴和从动轴的限位信号、急停信号并进行处理，输出控制信号实现紧急停机和断电控制。

8.根据权利要求5-7任一项所述的基于可编程逻辑器件的数字靠模控制方法，其特征在于，所述主机与上位机通信连接。