CN1287241C - 可重构数字控制模块 - Google Patents

Abstract

一种可重构数字控制模块，用于计算机数字控制技术领域。本发明由可重构接口模块，状态协调器模块和控制模块构成了一种模块式开放结构，可重构接口模块与状态协调器模块和控制模块通过共享内存联接，而状态协调器模块与控制模块则通过各自的组件对象模型接口保持相互间的通讯。使用本发明可重构数控模块，在硬件和软件功能上都能很容易的实现重构以满足不同类型数控产品的具体要求。而且数控产品在具体使用过程中，在整个制造过程中的加工顺序以及加工过程也能够很容易地实现重构。本发明已转化为产品，取得了良好的经济效益。

Description

可重构数字控制模块

技术领域

本发明涉及一种计算机数字控制模块，特别是一种可重构的计算机控制模块。用于计算机数字控制技术领域。

背景技术

计算机数控技术是20世纪70年代发展起来的机床控制技术，它是综合了计算机、微电子、自动控制、传感测试、机械制造等技术于一体，是现代制造技术的基础。现代数控技术在经历了电子管NC，晶体管NC，采用小规模集成电路的NC，小型计算机NC，微处理器NC等五代后现在正在向开放式第六代发展。

一个开放结构的数控系统，应具备强大的适应性和灵活重构配置能力，它应该能够通过对于硬件设备的更换和控制软件的相应扩展，在较短时间内方便地对计算机数控系统进行重新配置从而构造出不同的计算机数控系统，以满足不同用户对于数控产品不同的特殊的要求，快速适应千变万化的市场需求，在激烈的竞争中占据优势。模块化的设计就能够满足这样的要求。模块化易实现开放的硬件结构，可以连接不同的硬件设备；易实现开放的软件结构，可以扩展不同的功能。通过硬件设备不同的组合以及软件的扩展构建成符合用户需求的数控产品。目前国内的数控系统大多还是采用封闭式的，不同的软硬件不能互相替换，缺乏兼容性，阻碍了数控系统的升级换代，造成了人力、物力和财力的巨大浪费。但也有人开始了对于开放式数控系统的研究。经文献搜索发现，王文等人在《计算机辅助设计与图形学学报》2001(8)：718-723上撰文“基于COM(组件对象模型)标准的可重构数控系统研究”，该文提出了采用复用技术解决数控系统的开放性和可靠性问题，应用COM(组件对象模型)标准研制数控软构件。他们将软件系统分为多个模块，通过改变模块的功能，实现了对于软件系统功能的部分重构。但是它们对于硬件系统的模块化并没有提出解决的方案，不能真正解决系统完全开放性的问题。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中的不足，提供一种可重构性数字控制模块，使数控系统能实现可重构性。通过对于硬件设备的重构配置以及软件功能的扩展实现数控系统功能上的重构，具备网络功能，易实现制造过程的集成。

本发明是通过以下的技术方案实现的，本发明由可重构接口模块、状态协调器模块和控制模块构成了一种模块式开放结构，可重构接口模块与状态协调器模块和控制模块通过共享内存连接，而状态协调器模块与控制模块则通过各自的COM(组件对象模型)接口保持相互间的联系。

可重构接口模块起到了上层管理计算机与本发明相联系的纽带功能。通过可重构接口模块，上层控制计算机可将不同的可重构数字控制模块之间的加工顺序关系以及加工控制代码等信息传递给各可重构数字控制模块，实现可重构数字控制模块在加工顺序以及加工过程的重构，提高灵活性。可重构接口模块设有D组件对象模型接口，利用此接口可重构接口模块接收来自上层管理计算机的加工顺序关系以及加工控制代码信息。可重构接口模块通过其与状态协调器模块之间的共享内存将加工顺序关系信息传递给状态协调器模块，而通过其与控制模块之间的共享内存将加工控制代码信息传递给控制模块，实现其基本功能。

状态协调器模块是本发明可重构数字控制模块与外界进行信息交互的通道。它在整个模块中起着感知器和信号器的作用。与此相对应它包含着接收器与发送器两部分。状态协调器模块通过共享内存与可重构接口模块保持连接，从中得到加工顺序关系信息，以确定接收器的消息接收对象和发送器的消息发送对象。接收器与发送器遵循网络通讯协议，分别被用来感知外界发送来的信号和向其它可重构数字控制模块发送消息。可重构数字控制模块根据传递的消息确定自身在整个制造过程中所处的位置。而状态协调器模块通过COM(组件对象模型)接口与控制模块保持着联系。接收器接收到消息后通过控制模块上的接口通知控制模块进行相应的操作。发送器上设有COM(组件对象模型)接口，当它接受控制模块的指令向外界可重构数字控制模块发送指定的消息。

控制模块是可重构数字控制模块的核心部分。控制模块又分为工控PC机模块、基于DSP的运动控制器模块和模拟信号输入输出模块三个模块。三个模块通过总线连接的方式相互连接在一起。通过所安装的功能可扩展的开放式软件完成设备的各种功能，它是本发明可重构数字控制模块主要功能的实施者。

工控PC机模块采用了目前流行的集成了显卡、网卡的全长工业主板的PC工控机以及彩色显示器和键盘鼠标输入输出设备。该模块主要完成系统管理、人机界面、网络通讯和状态监控功能。操作用户通过统一的友好的人机界面则可以实现对数控机床的控制，并通过的显示器上显示的运动速度等状态数据信息，监控系统运行的状况。

模拟信号输入输出模块采用信号输入输出I/O板，利用它可以控制数控系统的主轴运行停止以及改变转速。同时它可以接收控制面板上的信号，并通知系统做出相应动作。

基于DSP的运动控制器模块的主要特点是它的集成化、兼容性和高速性。它可实现对多轴的伺服控制，每轴的伺服刷新频率高达2.26MHz。利用其实时、高性能的伺服更新和多任务执行+能力可以完成对于轨迹的位置插补以及直接控制各轴的协调运动或独立运动。

基于DSP的运动控制器模块和模拟信号输入输出模块都是通过总线方式与工控PC机模块连接的。由于基于DSP的运动控制器模块采用PC104总线构造，而本发明所选用的工控机配置了PCI总线与ISA总线。因此本发明在两个模块间的加了一块传接卡实现ISA总线与PC104总线之间的转换。模拟信号输入输出模块通过ISA总线与工控PC机模块连接。

基于DSP的运动控制器是采用了Motorola的40MHZ DSP56301数字信号处理器设计而成的遵循开放式系统体系结构标准的开放式运动控制器。这种运动控制器具有极强的处理能力，能适应多种电机类型、多种反馈元件、多种命令数据结构。利用它处理底层的实时控制，可大大减轻上位机的负担。本发明充分利用DSP芯片的强大的运算能力和处理能力，通过这种开放式的运动控制器进行数控系统的底层实时控制。实现对于加工曲线的插补计算，精确的描述出几乎所有的曲线和曲面，然后根据插补结果驱动各轴上的电机联合运动，从而实现对于自由曲面的精确加工。本发明通过该运动控制器同时直接控制多个(具体数目由需求而定)电机驱动器以驱动各轴的运动，而与此同时各轴的位置信号由电机编码器反馈给该运动控制器，该运动控制器根据反馈得到的位置信息实现对轴位置的精确控制，从而可形成闭环的伺服系统，提高了加工精度，实现对于位置的精确控制。而各轴的行程零位和限位开关信号也将由该运动控制器接收并进行相应的处理。该运动控制器自身设计了良好的安全策略，可防止在加工过程中意外事故的发生。该运动控制器具有很高的通用型，可以根据用户对产品的具体要求选择不同类型和数量的驱动器与电机等底层设备，组成不同的数控产品。

工控PC机模块与模拟信号输入输出模块也通过总线保持通信。系统向I/O板发送命令，可通过它发出模拟信号给变频器，控制主轴电机的启停和调整运转速度。同时，I/O板模块也可将数控系统控制面板上的按钮指令转换为数字信号传送给PC工控机，再由PC工控机转换成相应的指令交由运动控制器执行。

本发明充分发挥了工控PC机与基于DSP的运动控制器的各自优势，利用基于DSP的运动控制器模块的强大的运算和处理能力，进行数控系统的底层实时控制，而利用PC工控机模块的运算能力和兼容性处理数控系统中对实时性要求不是很高的任务和实现友好人机对话界面和系统管理。本发明在结构上采用了的模块化结构，具备着可重构的性能。使用本发明可重构数字控制模块，在硬件和软件功能上都能很容易的实现重构以满足不同类型数控产品的具体要求。而且数控产品在具体使用过程中，利用可重构接口模块和状态协调器模块在整个制造过程中的加工顺序以及加工过程也能够很容易地实现重构。利用本发明通过在硬件和软件上的适当重构所实现的三自由度的数控雕刻机系统和五自由度的相贯线切割机都转化为产品，取得了良好的经济效益。

附图说明

图1是本发明模块结构图

图2是本发明控制模块的模块结构图

图3是本发明的系统结构框图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1所示，本发明可重构数字控制模块分为可重构接口模块，状态协调器模块和控制模块三个模块。其中可重构接口模块为一个DCOM(分布式组件对象模型)组件。上层的管理计算机通过调用该组件上的COM(组件对象模型)接口向组件传递新的有关加工顺序以及加工过程的信息，可重构接口模块通过与状态协调器模块和控制模块之间的共享内存将这些信息分别传递给状态协调器模块和控制模块。本发明可重构数字控制模块根据这些信息可对于其在制造系统中的加工顺序及加工过程进行重构。状态协调器模块负责可重构数字控制模块与外界的通信。它包含接收器和发送器两个部分，分别用来接收来自指定可重构数字控制模块的消息和向指定目标可重构数字控制模块发送消息。本发明通过这种可重构数字控制模块间消息的传递实现了可重构数字控制模块对于其在制造过程中所处的位置的确认。当状态协调器接收到消息后，在做了必要的过滤分析后，通过COM(组件对象模型)接口传递给控制模块，控制模块根据该消息就可开始相应的加工，而控制模块在加工了一定阶段后也会通过发送器通知指定的其它可重构数字控制模块开始加工。为此也为控制模块中设计了一个COM(组件对象模型)接口，以供状态协调器模块传递消息之用。

如图2所示，控制模块主要由工控PC机模块、基于DSP的运动控制器模块和模拟信号输入输出模块组成。工控PC机模块内部包含网卡、显卡、内存。它们都集成在同一块主板上，显示器通过显卡与工控机传递图像显示的数据。基于DSP的运动控制器模块和模拟信号输入输出模块是通过系统总线与工控PC机模块相连接。其中模拟信号输入输出模块有符合ISA总线标准的接口可以直接连接到工控PC机模块的ISA插槽上，而基于DSP的运动控制器模块的接口是符合PC104总线标准的，因此需要一块PC104传接卡，实现PC104总线与ISA总线的转换后再与工控PC机相连。

如图3所示，本发明通过网络与其它PC机相连。鼠标键盘和显示器通过专用接口与工控PC主机相连。基于DSP的运动控制器与输入输出I/O板通过总线和工控PC机连接在一起。基于DSP的运动控制器接收行程零位和限位开关信号及编码器反馈的信号，同时控制驱动器驱动各轴上的电机协调运动。输入输出I/O板接收控制面板上传来的输入信号，接受工控PC机的控制变频器传出控制信号，控制主轴电机启停，改变转动速度。这是一个开放式的硬件结构。为本发明可重构数字控制模块配置不同类型和数量的底层硬件设备和对于软件功能的适当的扩展就能重构出符合不同要求的数字控制产品。

Claims (7)

1、一种可重构数字控制模块，其特征在于，由可重构接口模块，状态协调器模块和控制模块构成了一种模块式开放结构，可重构接口模块与状态协调器模块和控制模块通过共享内存联接，而状态协调器模块与控制模块则通过各自的组件对象模型接口保持相互间的通讯。

2、根据权利要求1所述的可重构数字控制模块，其特征是，控制模块由工控PC机模块、基于DSP的运动控制器模块和模拟信号输入输出模块三个模块组成，这三个模块通过总线连接的方式相互连接在一起。

3、根据权利要求2所述的可重构数字控制模块，其特征是，模拟信号输入输出模块采用信号输入输出I/O板。

4、根据权利要求2所述的可重构数字控制模块，其特征是，基于DSP的运动控制器模块采用PC104总线构造，工控PC机配置PCI总线与ISA总线，在基于DSP的运动控制器模块、工控PC机模块间加一块传接卡实现ISA总线与PC104总线之间的转换，模拟信号输入输出模块通过ISA总线与工控PC机模块连接。

5、根据权利要求1所述的可重构数字控制模块，其特征是，可重构接口模块设有分布式组件对象模型接口，通过此接口可重构接口模块接收来自上层管理计算机的加工顺序关系以及加工控制代码信息。

6、根据权利要求1所述的可重构数字控制模块，其特征是，状态协调器模块是可重构数字控制模块与外界进行信息交互的通道，它包含接收器和发送器两个部分，分别用来接收来自指定可重构数字控制模块的消息和向指定目标可重构数字控制模块发送消息。

7、根据权利要求6所述的可重构数字控制模块，其特征是，发送器上设有组件对象模型接口，它接受控制模块的指令向外界的可重构数字控制模块发送指定的消息。

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