CN203350685U - 一种支持在线组态的数控车床专用控制系统 - Google Patents

Abstract

一种支持在线组态的数控车床专用控制系统，属于数控车床专用控制系统领域，包括多CPU控制器模块、通信接口模块，I/O模块、电源模块和人机交互模块，其中多CPU控制器模块通过通信接口模块与人机交互模块进行数据交互，电源模块给其他几个模块供电。本实用新型以多片嵌入式芯片为控制核心，以此为基础配备其他外围器件，构成多CPU控制器，采用该控制器可以解决目前数控车床控制系统存在的控制精度、功能和价格方面存在的缺陷问题，可实现多路伺服电机高精度控制。

Description

一种支持在线组态的数控车床专用控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种数控车床专用控制系统，尤其与一种支持在线组态的数控车床专用控制系统有关。

背景技术

数控机床产业作为现代工业基石的，是工业经济发展过程中无论如何都不能绕过一个关键性问题，我国数控机床产业由于先天不足，仍然较为落后，中高端机床项目发展上一直落后于国外主流水准，正处于一个追赶的过程当中。

我国的数控机床技术现在目前最多只能做到五轴联动，而且五轴联动的控制效果也不是很好，五轴以上几乎是全部进口，并且在多点联动的技术上也和国外技术水准存在非常大的差距，国产高档数控机床、国产核心功能部件在国内市场的占有率非常低。

目前数控车床控制器主要有两种类型，一种是采用通用PLC作为控制器，该种类型控制器技术较为成熟，控制器稳定性好，在各个领域都有大量的应用，而且编程简单，程序可读性强，但是作为一种通用控制器，其控制精度和功能上会有一些缺陷，而且对于大型装备制造企业，PLC控制器价格昂贵，如果批量用于该类型控制器将会大大提高生产成本。

另一种是采用专用控制器，但目前国内在这个方面的研究还处于起步阶段，目前市场上控制器的设计和机械系统的开发是分离的，控制器程序可重用性差，开发效率低，控制程序烧写到控制器中以后不可更改，这都降低了系统的可扩展性。

       传统加工设备控制系统大都采用开关电源进行供电，实现交直流的转换，但是普通开关电源稳定性较差，有很大的电压值波动，有时甚至会对系统造成损害。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种支持在线组态的数控车床专用控制系统，以多片嵌入式芯片为控制核心，以此为基础配备其他外围器件，构成多CPU控制器，采用该控制器可以解决目前数控车床控制系统存在的控制精度、功能和价格方面存在的缺陷问题，可实现多路伺服电机高精度控制。

为达到上述目标，本实用新型采用的技术方案如下：一种支持在线组态的数控车床专用控制系统，包括多CPU控制器模块、I/O模块、通信接口模块、电源模块和人机交互模块。电源模块和其他各模块相连，给其他几个模块供电，人机交互模块实现人机信息交互，多CPU控制器模块（1）通过通信接口模块（2）与人机交互模块（3）进行数据交互，I/O模块用于实现多CPU控制器模块和机器上的控制接口间的信号中继，起到隔离作用。

多CPU控制器模块采用多个SOC处理器作为控制器核心部件，各SOC处理器可独立输出PWM，实现多轴联动。多CPU控制器模块中的每片CPU通过SPI总线与通信接口模块进行通信，通信接口模块通过RS232和人机交互模块进行通信。

人机交互模块支持在线组态技术，用户可以根据需要选择显示内容和方式，在不退出系统运行状态的情况下可以直接进入组态环境修改组态，使修改后的组态直接生效，而且使用者在生成适合自己需要的应用程序时不需要修改软件程序的源代码。这为软件开发带来了极大的便利。

I/O模块作为信号中继部件，用于实现多CPU控制器模块与外界机器控制信号之间的信号中继，该部件采用了光耦隔离，提高了系统的安全性。

    通信接口模块在转发文本显示器的数据时，同时让SPI总线中的片选信号有效，使得多CPU控制器模块中的多片CPU能同时收到数据；同时，采用定时方式对多CPU控制器模块中的多片CPU进行轮询，然后对数据进行打包再转发发给人机交互模块；

电源模块，实现了220V交流电到+5V直流电的转换，在转换电路中增加了稳压隔离电路，提高了电源的稳定性。

本实用新型的有益效果是：

１、由于采用了多CPU控制器模块作为核心控制，可以大大提高系统的控制精度，同时现在的CPU价格不高，整个控制系统的造价会比相同性能的PLC控制器低很多。

２、通过通信接口模块来转发数据，可以实现数据交互的高度并行，提升控制的精度。

３、人机交互模块可以直观显示系统运行状态，并可以在线设置控制器运行参数，可以在线更改控制器系统组态，从而可以在运行状态调整系统的功能，大大提高了系统的智能化水平。

４、整个系统采用了I/O模块来传递控制器和机器间的控制信号，使得控制单元与外界环境进行隔离，同时也提高了所传输信号的质量，使得系统在复杂生产加工环境下可以可靠稳定的运行。

５、由于隔离稳压模块连接在开关电源与稳压模块之间，隔离稳压模块可以产生稳定的输出电压，足以保证在开关电源供电不良导致输出电压波动时使得系统CPU 可以正常工作。多一层隔离稳压模块，可以有效提高系统的抗电源干扰能力。通过该方式可以有效保证芯片工作的可靠性，进而保证通信数据的正确性和稳定性。

附图说明: 

图1为系统硬件组成

图2为多CPU控制器组成示意图

图中，1多CPU控制器模块，2通信接口模块，3人机交互模块， 4 I/O模块， 5电源模块 

具体实施方式：

支持在线组态数控车床专用控制系统以SOC处理器作为控制器核心部件，配以外围器件，形成系统的控制主板部分，其上运行控制软件，实现对数控车床的专用控制。软件部分可借助图编程软件环境进行程序的开发和下载，并可实现在线调试和实时监控。工程师可根据实际生产线的配置，完成程序的开发和功能的修改。

由图1-2所示，系统组成如下：

1、多CPU控制器模块1是整个系统的控制中心，包括32路输入端口、24路输出端口和6路伺服电机控制端口。多CPU控制器模块的每个处理器中都会烧写驱动程序，控制系统的板级初始化工作由各个处理器的驱动程序完成。其中电源模块为该模块提供+5V电源，通信接口模块用于实现该模块与上位机间的通信，上位机编译生成的控制程序通过通信模块2下载到多CPU控制器模块上运行，当多CPU控制器模块处于运行态时，上位机可以通过通信接口模块2来在线监控核心控制器的运行状态，I/O模块4用于传送控制信号，同时起到隔离作用，使系统运行更稳定。

多CPU控制器模块1采用SOC处理器作为核心部件。CPU间的通信由各个处理器驱动程序配合完成。CPU间通过相互通信来协调工作步调，数控车床的控制程序下载到处理器中，在需要各个处理器工作的地方可以通过CPU间通信来控制各个处理器工作。多片CPU协同工作，可完成六路伺服电机的同步控制。

2、各个处理器通过SPI总线与通信接口模块相连，通信接口模块在转发文本显示器的数据时，同时让SPI总线中的片选信号有效，使得多CPU控制器模块中的多片CPU能同时收到数据；通信接口模块定时对多CPU控制器模块中的多片CPU进行轮询，然后对数据进行打包再转发给人机交互模块3。

3、人机交互模块3，该模块具有文本显示功能，可以直观的将系统当前运行状态显示出来，操作者也可以通过该模块来配置系统参数，在线组态控制程序，从而实现不同功能。例如我们可以在该模块更改机器控制动作的先后顺序，更改各个车削刀架的工作模式等，该模块的使用大大提高了整个系统的智能化水平，使得数控车床更易于控制。

本控制系统中，通过多CPU控制器模块1和人机交互模块3的相互配合来实现在线组态。人机交互模块可以提供可视化的组态界面，用户可以在可视化界面中查看系统控制程序的功能模块，并对其进行配置，用户可以根据不同的工艺需要组态不同的功能模块，并能通过通信接口模块2将组态信息保存到多CPU控制器中，在下次运行时，系统会自动运行已保存的新的控制程序。该技术为控制程序的编写带来了极大的便利，编写控制程序只需要将各个功能封装成不同的模块，然后根据具体的生产流程进行在线组态，这也大大的提高了该控制系统的适用范围。如果使用传统控制器，当用户需要更改生产流程时，必须得由数控车床生产企业的专业人员重新编写控制程序，并将程序重新下载到控制器中去，这就会造成极大的人力资源的消耗。

4、I/O模块4，该模块实现多CPU控制器模块与机器控制接口间的通信，由于核心控制器工作电源为直流，而外界机器则是采用交流电源，因此系统采用全隔离的输入数出接口方式，输入输出信号全部要经过光耦隔离电路进行光耦隔离，经过这样的处理，即使在大冲击、 强干扰情况下，机器设备工作异常时，也不至于影响多CPU控制器模块工作，确保在外围出现不确定因素的情况下可以保证多CPU控制器模块不会产生不可预料的工作情况，同时也提高了多CPU控制器模块的使用寿命。

5、电源模块5，电源模块采用开关电源将电网交流电转化成24V直流电，此时的直流电稳定性较差，再通过稳压隔离电路将波动较大的24V直流电转换成+5V的稳定输出，此时的+5直流电稳定性较好，再经过稳压电路滤波，就可以得到非常稳定的直流电，可以用于驱动控制电路。

Claims (3)

1.一种支持在线组态的数控车床专用控制系统，包括多CPU控制器模块（1）、通信接口模块（2），I/O模块（4）、电源模块（5）和人机交互模块（3），其特征在于多CPU控制器模块（1）通过通信接口模块（2）与人机交互模块（3）进行数据交互，电源模块（5）给其他几个模块供电。

2.根据权利要求1所述的数控车床专用控制系统，其特征在于多CPU控制器模块（1）中包括多个SOC处理器，每个SOC处理器都可以独立输出PWM。

3.根据权利要求1所述数控车床专用控制系统，其特征在于多CPU控制器模块（1）中的每片CPU通过SPI总线与通信接口模块（2）进行通信，通信接口模块通过RS232和人机交互模块进行通信。

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