CN1624612A - 模块化嵌入式数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化嵌入式数控系统装置，包括标准PLC输入/输出接口模块和与外部设备连接的外部接口，其特征在于还包括内部固化模块化可重构嵌入式数控操作系统软件库的CPU管理控制模块，内部固化模块化嵌入式1轴，2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴，2轴或4轴的驱动控制模块，和内部固化模块嵌入式PLC控制软件库的PLC管理控制模块以及前述各模块间实现网络连接的数控内部串行网络总线和多通道(路径)管理控制软件包。该系统应用数控内部CAN串行网络总线和数控多通道技术，采用模块化的数控硬件控制模块，使数控系统可以按用户要求进行模块化组合，具有高效率，高精度，高性价比的优势，适用于设备制造业的各种数控设备中。

Description

模块化嵌入式数控系统

技术领域

本发明涉及数控机床的数控系统，尤其涉及一种模块化嵌入式数控系统装置。

背景技术

从所周知，工业是国民经济的基础，机床是工业的基础，而数控系统又是数控机床的核心。目前我国的国产数控系统同进口数控系统比较，无论从性能方面，还是质量方面都存在着相当大的差距，以至于中国数控机床行业所使用的中高档数控系统，几乎被进口数控系统所垄断。而国外数控系统的发展趋势主要是以高速，高效率，高精度，多功能，复合加工的数控机床配置的数控系统为主流，目前这类具有多轴多通道复合加工控制功能的数控系统限制向中国进口。严重地影响了我国高档数控机床的发展。

目前国内市场流通的数控系统主要分为2大类，以单片机为核心的数控系统和以PC平台为核心的开放式数控系统。上述2类数控系统都是沿袭传统数控系统的结构，采用整体控制结构，软件只能是面向过程的一体化结构，使管理系统和驱动系统无法成为各自独立的模块，因而无法实现多轴多通道控制，导致目前只能徘徊在单机最大5-8轴的驱动控制及单通道插补联动的相对落后的状态。

发明内容

本发明的提出，旨在从根本上改变传统的数控硬件结构和数控专用软件的设计方法，突破现有数控系统结构对数控系统软硬件开发的束缚，采用模块化可重构嵌入式数控系统软件库和数控硬件控制模块来创建新的软硬件平台，通过数控内部串行网络总线和数控通道管理控制技术，实现多通道驱动控制及多通道内置标准PLC输入/输出控制。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种模块化嵌入式数控系统装置，包括标准的PLC输入/输出接口模块及与外部设备连接的全部外部接口，其特征在于该数控系统装置还包括内部固化模块化可重构嵌入式数控操作系统软件库的CUP管理控制模块，内部固化模块化嵌入式1轴、2轴或4轴驱动控制软件库的1轴、2轴或4轴驱动控制模块，和内部固化模块化嵌入式PLC管理控制软件库的PLC管理控制模块以及各模块间实现网络连接的数控内部串行网络总线和多通道(路径)管理控制软件包。

本发明的技术解决方案还包括：

所述的内部固化模块化嵌入式可重构数控操作系统软件库的CPU管理控制模块由ARM CPU主控板和标准的PLC输入/输出接口模块组成，ARM CPU内部集合了所有必要的外部接口，还增加了CAN串行网络总线接口。

所述的内部固化模块化嵌入式可重构数控操作系统软件库包括系统显示，键盘管理，文件编辑和方式管理等数控系统的基本操作功能。

所述的内部固化模块化嵌入式可重构数控操作系统软件库还包括根据标准CAN网络通讯协议自行研发的DZ-LINK数控网络管理协议和DZ-LINK管理控制函数库，可以实现大于110节点的数控内部网络高速控制及管理。

所述的内部固化模块化嵌入式可重构数控操作系统软件库还包括数控多通道(路径)管理控制函数库，可实现1-110通道的管理及控制。可实现最大100通道的驱动管理控制和最大10通道的PLC管理控制。

本发明的技术解决方案还包括：

所述的内部固化模块化嵌入式1轴、2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴、2轴或4轴的驱动模块由ARM CPU，CAN网络接口和1轴、2轴或4轴专用运动控制芯片中的一种所组成，专用运动控制芯片包括MCX104，MCX312，MCX314AS或DSP构成的运动控制芯片，可以自动实现1轴、2轴或4轴驱动进给脉冲的全部动作，如自动加减速，定位控制，脉冲反馈计数等控制功能，以及具有伺服驱动器相关输入/输出的控制功能和自动实现多轴直线/圆弧插补及联动功能。

所述的内部固化模块化嵌入式1轴、2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴、2轴或4轴的驱动模块还包括由标准12位D/A转换器构成的主轴输出控制回路，实现0-10V的模拟电压输出控制主轴转数。

所述的内部固化模块化嵌入式1轴、2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴、2轴或4轴的驱动模块采用标准芯片AM26LS32构成主轴脉冲编码器反馈输入回路，将反馈信号输入到可编程逻辑控制芯片CPLD，在CPLD内进行计数，实现主轴速度反馈，处理后的反馈信号变换成主轴同步脉冲直接输入到1轴、2轴或4轴专用运动控制芯片中的一种，实现主轴-伺服驱动的同步脉冲控制功能。

所述的内部固化模块化嵌入式1轴、2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴、2轴或4轴的驱动模块还包括手摇脉冲发生器输入回路，将手摇脉冲发生器输入脉冲信号，手摇脉冲倍率选择信号和手摇脉冲发生器轴选择信号经过CPLD处理器处理后，直接输入到专用运动控制芯片中，实现手摇脉冲发生器的驱动控制。

所述的内部固化模块化嵌入式1轴、2轴或4轴的驱动控制软件库具有1通道的主轴模拟输出，1通道的主轴速度反馈及1通道的手摇脉冲发生器的控制功能，以及独立完成1轴驱动控制，2轴插补，2轴联动控制或3轴插补，4轴联动驱动控制的全部功能。

所述的内部固化模块化嵌入式1轴、2轴或4轴的驱动控制软件库还包括：

(1)可实现节点的网络高速控制及管理，根据标准CAN网络通讯协议自行研发的DZ-LINK数控内部串行网络总线管理协议及子局节点管理控制函数库；

(2)可实现多通道管理控制的数控多通道(路径)管理控制软件包。系统可以根据用户需要选择配置驱动通道，最大可以配置100个驱动通道；

(3)驱动模块的独立CPU管理系统，该系统能实现驱动模块的伺服控制；各通道独立完成4轴伺服驱动的进给控制，以及3轴直线/圆弧插补和4轴联动控制。

本发明的技术解决方案还包括：

所述的内部固化模块化嵌入式PLC控制软件库的PLC管理控制模块由ARMCPU，可编程逻辑控制芯片CPLD，CAN网络接口和一组标准PLC输入/输出接口模块所组成，由PLC管理控制模块的内部并行总线接口，最大可以连接16个标准PLC输入/输出模块。

所述的内部固化模块化嵌入式PLC控制软件库包括：

(1)可实现节点的网络高速控制及管理，根据标准CAN网络通讯协议自行研发的DZ-LINK数控内部串行网络总线管理协议及子局节点管理控制函数库；

(2)可实现多通道管理控制的数控多通道(路径)管理控制软件包。系统可以根据用户需要选择配置PLC控制通道，最大可以配置10个PLC控制通道；

(3)可实现由PLC控制模块内部并行总线控制的PLC输入/输出接口模块管理函数库。系统每个通道可以根据用户需要选择配置最多16个PLC输入/输出接口模块；

(4)实现由PLC控制模块独立完成PLC的输入/输出控制的独立CPU管理系统；

(5)PLC控制模块内部固化嵌入式标准PLC代码编译控制软件函数库。

与现有技术相比较，本发明的优点显而易见的，首先，从根本上改变了传统数控系统的软件及硬件结构，将传统数控系统的一体化结构改变成由模块化嵌入式数控硬件控制模块和模块化可重构嵌入式数控软件库结构，通过数控内部串行网络总线和数控多通道(路径)管理控制软件包，实现多通道驱动控制及多通道内置PLC输入/输出控制。这样，就实现了每个驱动通道都可以独立的进行3轴插补，4轴联动，使用通道即可实现全部驱动控制轴的目的，可以在很短时间内，完成用户要求的1-多轴(最大400轴驱动)的自动化设备数控系统产品的开发。其次，系统还具有高效率，高精度和高可靠性的特点，适用范围广，性价比高，适用于设备制造行业的各种数控设备中。

附图说明

图1模块化嵌入式数控系统的数控硬件控制模块的基本结构原理框图。

图2模块化嵌入式数控系统的CPU管理控制模块工作原理框图。

图3模块化嵌入式数控系统的1轴规格驱动控制模块工作原理框图。

图4模块化嵌入式数控系统的2轴规格驱动控制模块工作原理框图。

图5模块化嵌入式数控系统的4轴规格驱动控制模块工作原理框图。

图6模块化嵌入式数控系统的PLC控制模块工作原理框图。

图7模块化嵌入式数控系统的PLC输入/输出接口模块工作原理框图。

图8模块化嵌入式数控系统的模块化嵌入式软件库流程框图。

具体实施方式

如图所示的一种模块化嵌入式数控系统，是由模块化可重构嵌入式数控软件库和数控硬件控制模块构成，通过数控内部串行网络总线和数控多通道(路径)管理控制软件包，实现多通道驱动控制及多通道内置PLC输入/输出控制。

1.模块化可重构嵌入式数控软件库

模块化嵌入式数控系统的模块化可重构嵌入式数控软件库由功能丰富的模块化数控函数库和数控数据结构库构成。通过对操作系统引导程序的初始设定，可根据产品的需要引导链接相关的数控软件函数库。模块化嵌入式数控系统具有较强的开放性的特点，可以根据用户的要求追加用户指定的功能函数库，在短时间内完成各类通用和专用设备数控系统的软件开发。

(1)模块化可重构嵌入式数控操作系统软件库(固化在CPU管理控制模块的操作系统)。

(2)模块化嵌入式驱动控制软件库(固化在驱动控制模块的独立的控制系统)。

(3)模块化嵌入式PLC控制软件库(固化在PLC控制模块的独立的控制系统)。

2.数控硬件控制模块

模块化嵌入式数控系统的数控硬件控制模块应用ARM，DSP及CPLD现代控制技术及网络通讯技术，采用32位多CPU控制，32位ARM CPU处理器内部具有三级流水线控制的并行处理功能，运算频率达到75-200M。采用多CPU控制技术，使每一个模块都能够具有独立的管理控制功能，实现高速高精度的1-多轴位置控制。

数控硬件控制模块由三种标准工业产品组合模块构成：

(1)CPU管理控制模块(可用于主CPU管理控制模块及PLC控制模块)；

(2)驱动控制模块(含1轴、2轴或4轴3种规格的驱动模块)；

(3)PLC输入/输出接口模块(输入：56点/输出：32点)。

采用以上三种自行研制的标准工业产品模块(5个规格产品)，可以实现各种数控系统的模块化组合，基本满足1-多轴的各种通用和专用设备数控系统的硬件控制要求。

(1)CPU管理控制模块

CPU控制管理模块采用32位ARM CPU主板，标准系统显示器接口，系统键盘接口，系统控制总线。显示器接口兼容LCD驱动和CRT驱动，支持240×160，320×240，640×480，800×600，1024×768等多种规格的LCD显示及触摸屏显示操作。CPU管理控制模块配有标准USB接口和标准以太网接口，实现现代化生产的网络通讯，可提供用户间的信息交换。数控系统中采用U盘存储技术。内置模块化可重构嵌入式数控操作系统软件库。

(2)驱动控制模块

驱动控制模块配置独立的32位ARMCPU控制，采用MCX104，MCX312，MCX3 14AS专用运动控制芯片。可以自动实现高速度高精度的全闭环位置控制以及直线插补和圆弧插补，驱动速度可达到4000KPPS进给脉冲输出。可实现240米/分进给速度的控制。配有主轴控制输出接口，主轴速度反馈接口和手摇脉冲发生器输入接口，可以实现主轴同步控制功能。

驱动控制模块包括1轴、2轴或4轴3种规格的标准产品化驱动控制模块；内置模块化嵌入式驱动控制软件库；驱动控制模块可以独立完成3轴插补和4轴联动。

(3)PLC控制模块

PLC控制模块采用独立的32位ARM CPU控制，内置模块化嵌入式PLC控制软件库，具有独立的标准PLC控制功能。可以自动完成PLC程序的编译和PLC全部执行过程的独立控制。

模块化嵌入式数控系统通过数控内部串行网络总线，最多可以配置10个PLC控制通道，每个PLC控制模块为1个独立的PLC控制通道。每个独立的PLC控制通道具有独立的PLC控制功能。

每个PLC控制模块内部的并行控制总线上可以配置最大16个PLC输入/输出接口模块。每个PLC输入/输出接口模块上有56个输入点和32个输出点。可以实现最大896点输入(1×16×56)和512点输出(1×16×56)的标准PLC控制。

采用组合模块化控制技术结构，模块化嵌入式数控系统可以根据用户的通用设备和专用设备的具体要求配置PLC控制模块和PLC输入/输出接口模块。可以实现最大8960点输入(10×16×56)和5120点输出(10×16×32)的标准PLC控制。

3.数控内部串行网络总线

模块化嵌入式数控系统的数控硬件控制模块具有独立的管理控制功能，采用数控内部串行网络总线，大大地减少了系统内部配线，有效地提高了数控系统的抗干扰特性，实现模块化嵌入式数控系统的多节点通讯控制。

4.多通道管理核心控制技术

模块化嵌入式数控系统的数控硬件控制模块具有独立的管理控制功能，应用多通道管理核心控制技术的数控多通道(路径)管理控制软件包，可以实现最大100个独立驱动通道和最大10个独立PLC控制通道的控制管理，每个驱动通道都可以独立的进行3轴插补，4轴联动，驱动通道可以实现全部驱动轴的联动控制；每个PLC控制通道都可以独立地完成PLC控制。

Claims (13)

1.一种模块化嵌入式数控系统装置，包括标准PLC输入/输出接口模块和与外部设备连接的全部外部接口，其特征在于该数控系统装置还包括内部固化模块化可重构嵌入式数控操作系统软件库的CPU管理控制模块，内部固化模块化嵌入式1轴，2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴，2轴或4轴的驱动控制模块，和内部固化模块嵌入式PLC控制软件库的PLC管理控制模块以及前述各模块间实现网络连接的数控内部串行网络总线和数控多通道(路径)管理控制软件包。

2.根据权利要求1所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化可重构嵌入式数控操作系统软件库的CPU管理控制模块由ARM CPU主控板和标准的PLC输入/输出接口模块组成，ARM CPU内部集合了所有必要的外部接口，还增加了CAN串行网络总线接口。

3.根据权利要求2所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化可重构嵌入式数控操作系统软件库包括系统显示，键盘管理，文件编辑和方式管理等数控的基本操作功能。

4.根据权利要求2所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化可重构嵌入式数控操作系统软件库还包括根据标准CAN网络通讯协议自行研发的DZ-LINK数控网络管理协议和DZ-LINK管理控制函数库，可以实现大于110节点的数控内部网络高速控制及管理。

5.根据权利要求2所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化可重构嵌入式数控操作系统软件库还包括数控多通道(路径)管理控制函数库，可实现1-110通道的管理及控制。可实现最大100通道的驱动管理控制和最大10通道的PLC管理控制。

6.根据权利要求1或2所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化嵌入式1轴，2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴，2轴或4轴的驱动控制模块由ARM CPU，CAN网络接口和1轴、2轴或4轴专用的MCX或者DSP运动控制芯片中的一种所组成，可以自动实现1轴、2轴或4轴驱动进给脉冲的全部动作，如自动加减速，定位控制，脉冲反馈计数等控制功能，以及具有伺服驱动器相关输入/输出的控制功能和自动实现多轴直线/圆弧插补及联动功能。

7.根据权利要求6所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化嵌入式1轴，2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴，2轴或4轴的驱动控制模块还包括由标准12位D/A转换器构成的主轴输出控制回路，实现0-10V的模拟电压输出控制主轴转数。

8.根据权利要求6所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化嵌入式1轴，2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴，2轴或4轴的驱动控制模块还包括采用标准芯片AM26LS32构成主轴脉冲编码器反馈输入回路，将反馈信号输入到可编程逻辑控制芯片CPLD，在CPLD内进行计数，实现主轴速度反馈，处理后的反馈信号变换成主轴同步脉冲直接输入到1轴、2轴或4轴专用运动控制芯片中的一种，实现主轴-伺服驱动的同步脉冲控制功能。

9.根据权利要求6所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化嵌入式1轴，2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴，2轴或4轴的驱动控制模块还包括手摇脉冲发生器输入回路，将手摇脉冲发生器输入脉冲信号，手摇脉冲倍率选择信号和手摇脉冲发生器轴选择信号经过CPLD处理器处理后，直接输入到专用运动控制芯片中，实现手摇脉冲发生器的驱动控制。

10.根据权利要求6所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化嵌入式1轴，2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴，2轴或4轴的驱动控制模块具有1通道的主轴模拟输出，1通道的主轴速度反馈及1通道的手摇脉冲发生器的控制功能，以及独立完成1轴驱动控制，2轴插补，2轴联动控制或3轴插补，4轴联动驱动控制的全部功能。

11.根据权利要求6所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化嵌入式1轴，2轴或4轴的驱动控制软件库的1轴，2轴或4轴的驱动控制模块还包括：

(1)可实现节点的网络高速控制及管理，根据标准CAN网络通讯协议自行研发的DZ-LINK数控内部串行网络总线管理协议及子局节点管理控制函数库；

(2)可实现多通道管理控制的数控多通道(路径)管理控制软件包，系统可以根据用户需要选择配置驱动通道，最大可以配置100个驱动通道；

(3)驱动模块的独立CPU管理系统，该系统能实现驱动模块的伺服控制；各通道独立完成4轴伺服驱动的进给控制，以及3轴直线/圆弧插补和4轴联动控制。

12.根据权利要求1或2所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化PLC控制软件库的PLC控制模块由ARM CPU，可编程逻辑控制芯片CPLD，CAN网络接口和一组标准PLC输入/输出接口模块所组成，由PLC管理控制模块的内部并行总线接口，最大可以连接16个标准PLC输入/输出模块。

13.根据权利要求1 2所述的模块化嵌入式数控系统装置，其特征在于所述的内部固化模块化PLC控制软件库还包括：

(1)可实现节点的网络高速控制及管理，根据标准CAN网络通讯协议自行研发的DZ-LINK数控内部串行网络总线管理协议及子局节点管理控制函数库；

(2)可实现多通道管理控制的数控多通道(路径)管理控制软件包，系统可以根据用户需要选择配置PLC控制通道，最大可以配置10个PLC控制通道；

(3)可实现由PLC控制模块内部并行总线控制的PLC输入/输出接口模块管理函数库，系统每个通道可以根据用户需要选择配置最多16个PLC输入/输出接口模块；

(4)实现由PLC控制模块独立完成PLC的输入/输出控制的独立CPU管理系统；

(5)PLC控制模块内部固化嵌入式标准PLC代码编译控制软件函数库。

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