CN2857069Y

CN2857069Y - 普及型计算机数控装置

Info

Publication number: CN2857069Y
Application number: CN 200520093835
Authority: CN
Inventors: 何方; 刘伟; 王超; 何平; 张富彦
Original assignee: SHENYANG HIGH-END COMPUTER NUMERICAL CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd; Shenyang Institute of Computing Technology of CAS
Current assignee: Shenyang High-End Computer Numerical Control Technology Co., Ltd.
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2015-11-25

Abstract

本实用新型公开一种普及型计算机数控装置。由电源供电，中央控制器与显示器、机床操作键盘通信，并通过ISA总线与轴控制电路及输入输出接口电路通信；中央控制器采用高性能的工业级CPU板卡；轴控制电路以现场可编程门阵列为核心，还包括位置反馈输入接口电路，D/A输出接口电路以及ISA总线接口电路以实现位置和速度控制功能；输入输出接口电路提供隔离的数字接口，起控制器与机床功能部件之间的信息传递作用。电源的直流输出通过ISA总线接至其他各部分电路，同时具有检测和报警功能。本实用新型电路结构简单，可控制4个闭环轴和一个主轴，精度高，速度快；并具有网络功能，是工厂自动化的基础设备。

Description

普及型计算机数控装置

技术领域

本实用新型涉及数控技术，具体地说是一种普及型计算机数控装置，它适用于小型加工中心、普通车床、铣床。控制上述各类机床进行机械加工。

背景技术

数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，机床的数控化率是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。目前我国机床数控化率很低，而且大多为精度不高的开环经济型数控系统，而对于普及型计算机数控装置主要依赖于进口，严重制约了我国制造业的发展。现今对于计算机数控装置，其可靠性和开放性的要求越来越高。而进口的普及型计算机数控装置，其结构都是把PC机嵌入到自己的数控装置中去，是在数控技术上已取得一定优势的厂家所处于商业利益的考虑，不愿放弃其成熟技术的表现，同时也是对我国的数控技术进行技术封锁，其开放程度很低。另一方面，现在国内应用的计算机数控装置，无论是经济型，还是普及型其轴控制电路部分主要是基于专用轴控制芯片设计，其核心技术主要掌握在少数的外国大公司里面，国内的一些计算机数控装置的制造商需要从外国公司购买这些芯片，从而严重制约了其本身技术的发展。

实用新型内容

为了解决以上的不足，本实用新型的目的是提供一种作为数控技术中的核心部分的普及型计算机数控装置。它采用工业用计算机为其核心，利用数字化信号对机床运动及其加工过程进行高速、高精度控制。

本实用新型解决技术问题的技术方案是这样实现的：由中央处理器、轴控制电路、输入输出接口电路、电源及显示器、机床操作键盘组成，其中：由电源供电，中央控制器与显示器、机床操作键盘通信，并通过ISA总线与轴控制电路及输入输出接口电路通信；其特征是：

所述电源包括交流滤波器、开关电源、比较器、第一三极管，交流电源通过第一接插器与交流滤波器输入相连，交流滤波器输出接至开关电源的交流输入端，开关电源的直流输出通过ISA总线接至其他各部分电路，同时开关电源的输出信号与比较器的输入相连接，比较器的输出信号作为第一三极管的输入信号，第一三极管的输出通过ISA总线接至中央控制器；

所述轴控制电路以现场可编程门阵列为核心，包括位置反馈输入接口电路，D/A输出接口电路以及ISA总线接口电路，外部的位置反馈信号通过位置反馈输入电路与现场可编程门阵列相连接，同时现场可编程门阵列与D/A输出接口电路连接，现场可编程门阵列还通过ISA总线接口电路经ISA总线与中央处理器连接；

所述输入输出接口电路由输入接口电路、输出接口电路组成，其输入接口电路输入信号来自外部机床的电气信号，输出通过ISA总线接至中央处理器；输出接口电路的输入信号为中央处理器输出信号，输出端与外部机床电气部分相连；

所述机床操作键盘，以单片机为核心，键盘控制信号来自中央处理器的键盘接口，接入单片机的数据端及时钟端，由时钟电路，复位电路、第十一电阻组成键盘扫描电路，单片机的输出至键盘阵列；

所述位置反馈输入接口电路包括信号匹配网络电路、差分信号接收器，外部位置检测装置产生的位置检测信号经过由第二-四电阻、第一-三电容组成的信号匹配网络电路与差分信号接收器的输入相连接，差分信号接收器的输出接至现场可编程门阵列的输入端；所述D/A输出接口电路由数模转换器、匹配电路、第一-二精密运算放大器和可调电位器组成，其数模转换器的输入与现场可编程门阵列的输出端相连接，输出接至第一精密运算放大器的输入，第一精密运算放大器的输出作为第二精密运算放大器的输入信号，同时通过第五电阻、第四电容组成的匹配电路反馈回数模转换器，第二精密运算放大器的输出信号接至外部执行结构；所述ISA总线接口电路由第一地址总线接口，第二地址总线接口，第一双向数据总线接口、第二双向数据总线接口组成，所述第一～二地址总线接口地址线输入通过第二接插器和第三接插器与中央处理器连接，第一～二双向数据总线接口的数据输入端通过第二～三接插器与中央处理器连接，所述第一～二地址总线接口、第一～二双向数据总线接口的输出端分别接至万门可编程器的输入端；所述输入接口电路包括第一高速光电隔离器、隔离和抗干扰电路、第一输入寄存器及滤波整形器，来自外部机床的电气信号经由第七～十电阻、第一～四二极管组成的隔离和抗干扰电路至第一高速光电隔离器的输入，第一高速光电隔离器输出经滤波整形电路与第一输出寄存器输入相连，通过ISA总线接至中央处理器；所述输出接口电路包括第一输出寄存器、第二高速光电隔离器及第二三极管，第一输出寄存器的输入信号为中央处理器输出信号，其输出端通过第二高速光电隔离器接至第二三极管，第二三极管输出端与外部机床电气部分相连。

本实用新型具有如下优点：

1.本实用新型电路结构简单，是基于工业PC的高性能、高可靠性、低成本的计算机数字控制控装置。采用本实用新型可控制4个闭环轴和一个主轴，最大联动轴数为4个，控制精度高，速度快。

2.本实用新型具有网络功能，通过互连网可实现远程控制、组成高度自动化的生产线，是工厂自动化的基础设备。

3.本实用新型适用于数控机床领域使用，控制各类机床进行机械加工。

附图说明

图1为本实用新型结构框图；

图2-1为图1中轴控制电路框图；

图2-2为图2-1中位置反馈接口电路原理图；

图2-3为图2-1中D/A输出接口电路原理图；

图2-4为图2-1中ISA总线接口电路原理图；

图3为图1中电源电路原理图；

图4为图1中所述输入输出接口电路的输入接口电路原理图；

图5为图1中所述接口电路的输出接口电路原理图；

图6为图1中机床操作键盘电路原理图。

具体实施方式

本实用新型由中央处理器(工业级CPU卡)、轴控制电路(4+1轴)、输入输出接口电路(64/48-I/O)、电源及显示器(10.4″TFT液晶显示器)、机床操作键盘组成(如图1所示)，其中：由电源供电，中央控制器与显示器、机床操作键盘通信，并通过ISA总线与轴控制电路及输入输出接口电路通信。

具体如下：

电源(参见图3)由第一接插器J1、交流滤波器L1、开关电源P1、比较器U1、第一三极管T1组成。其来自外部现场的交流220V电源通过第一接插器J1与交流滤波器L1输入相连，交流滤波器L1输出接至开关电源P1的交流输入端，开关电源P1的直流输出通过ISA总线为图1中的各部分电路提供直流电源，同时开关电源P1的+5V输出信号与比较器U1的输入相连接，比较器U1的输出信号作为第一三极管T1的输入信号，经过电平转换后第一三极管T1的输出通过ISA总线接至中央控制器，作为一个中断信号为中央控制器提供电源报警信息。

轴控制电路以现场可编程门阵列FPGA为核心，提供位置反馈输入接口电路，D/A输出接口电路以及ISA总线接口电路(参见图2-1)。外部的位置反馈信号通过位置反馈输入电路与现场可编程门阵列FPGA相连接，实现隔离和抗干扰功能，同时现场可编程门阵列FPGA与D/A输出接口电路连接，对外提供模拟输出电压，以控制外部执行结构(如伺服电机、变频器等)；现场可编程门阵列FPGA还通过ISA总线接口电路经ISA总线与中央处理器连接。

所述位置反馈输入接口电路(参见图2-2)由第二-四电阻R2-R4、第一-三电容C1-C3、差分信号接收器U2(HC75175)组成。外部位置检测装置(如旋转编码器、光栅尺等)产生的位置检测信号经过由第二-四电阻R2-R4、第一-三电容C1-C3组成的信号匹配网络电路与差分信号接收器U2的输入相连接，差分信号接收器U2的输出接至现场可编程门阵列FPGA的输入端。

所述D/A输出接口电路(参见图2-3)由数模转换器U3(DAC7545)、第五电阻R5、第四电容C4、第一精密运算放大器U4(OP07)、第二精密运算放大器U5(OP07)和可调电位器R6组成。其数模转换器U3的输入与现场可编程门阵列FPGA的输出端相连接，数模转换器U3的输出接至第一精密运算放大器U4的输入，第一精密运算放大器U4的输出作为第二精密运算放大器U5的输入信号，同时通过第五电阻R5、第四电容C4组成的匹配电路反馈回数模转换器U3，第二精密运算放大器U5的输出信号接至外部执行结构(如伺服电机、变频器等)。

所述ISA总线接口电路(参见图2-4)由第一地址总线接口U6(74HCT244)，第二地址总线接口U7(74HCT244)，第一双向数据总线接口U8(74HCT245)、第二双向数据总线接口U9(74HCT245)组成，所述第一～二地址总线接口U6～U7地址线输入通过第二接插器J2和第三接插器J3与中央处理器连接，第一～二双向数据总线接口U8～U9的数据输入端通过第二～三接插器J2～J3与中央处理器连接，所述第一～二地址总线接口U6～U7、第一～二双向数据总线接口U8～U9的输出端分别接至万门可编程器FPGA的输入端。

输入输出接口电路由输入接口电路(参见图4)、输出接口电路(参见图5)组成，其中输入接口电路由第一高速光电隔离器U10(TL521-4)、第七～十电阻R7～R10、第一～四二极管D1～D4、第五～八电容C5～C8、第一输入寄存器U12(74HCT244)及滤波整形器U11(40106)组成，其输入信号来自外部机床的电气信号(如中间继电器、接触开关、光电开关等)与第七～十电阻R7～R10、第一～四二极管D1～D4组成的隔离和抗干扰电路相连作为第一高速光电隔离器U10的输入，第一高速光电隔离器U10输出经第五～八电容C5～C8和滤波整形电路U11与第一输出寄存器U12输入相连，通过ISA总线接至中央处理器。输出接口电路包括第一输出寄存器U13(74HCT373)、第二高速光电隔离器U14(TL521-4)及第二三极管T2，第一输出寄存器U13的输入信号为中央处理器输出信号，第一输出寄存器U13的输出端通过作为隔离电路的第二高速光电隔离器U14接至第二三极管T2进行功率放大，第二三极管T2输出端通过第十电阻R10和第五二极管D5对外提供输出信号，与外部机床电气部分相连(如：接触器线圈等)。

显示器、机床操作键盘是人机交互的界面，完成键盘编辑、显示信息和图形及完成对机床操作的重要功能。所述机床操作键盘(参见图6)，以单片机U15(89C51)为核心，键盘控制信号来自中央处理器的键盘接口，接入单片机U15的数据DATA端及时钟CLK端，由时钟电路X1，复位电路E1、第十一电阻R11完成键盘扫描功能，单片机U15的输出至键盘阵列。显示器通过显示接口与中央处理器连接。其原理是：单片机U15与中央处理器交换信息，中央处理器又通过机床操作键盘和显示器实现人机交互功能，对机床的自动控制。

本实用新型具有网络功能，通过互连网可实现远程控制、组成高度自动化的生产线。

本实用新型是在PC机上构造计算机数控装置，基于标准ISA总线的模块化结构。具有高度的开放性，而且随着计算机技术的发展，可以很方便的把当今的一些先进技术应用到计算机数控装置中去，而不必从结构上重新设计。

本实用新型轴控制电路部分以现场可编程门阵列FPGA为核心，由于一片现场可编程门阵列FPGA器件的集成度目前已高达200万门/片，可以代替数十个至数百个分立器件，因此能够大大缩小硬件系统的体积、减轻重量、降低功耗；还可以提高系统的可靠性，使之易于获得高性能、具有很强的保密性；同时也可降低系统成本。因此本装置具有结构简单、易于实现、可靠性高和高度开放性的特点。

Claims

1.一种普及型计算机数控装置，由中央处理器、轴控制电路、输入输出接口电路、电源及显示器、机床操作键盘组成，其中：由电源供电，中央控制器与显示器、机床操作键盘通信，并通过ISA总线与轴控制电路及输入输出接口电路通信；其特征是：

所述电源包括交流滤波器(L1)、开关电源(P1)、比较器(U1)、第一三极管(T1)，交流电源通过第一接插器(J1)与交流滤波器(L1)输入相连，交流滤波器(L1)输出接至开关电源(P1)的交流输入端，开关电源(P1)的直流输出通过ISA总线接至其他各部分电路，同时开关电源(P1)的输出信号与比较器(U1)的输入相连接，比较器(U1)的输出信号作为第一三极管(T1)的输入信号，第一三极管(T1)的输出通过ISA总线接至中央控制器；

所述轴控制电路以现场可编程门阵列(FPGA)为核心，包括位置反馈输入接口电路，D/A输出接口电路以及ISA总线接口电路，外部的位置反馈信号通过位置反馈输入电路与现场可编程门阵列(FPGA)相连接，同时现场可编程门阵列(FPGA)与D/A输出接口电路连接，现场可编程门阵列(FPGA)还通过ISA总线接口电路经ISA总线与中央处理器连接；

所述机床操作键盘，以单片机(U15)为核心，键盘控制信号来自中央处理器的键盘接口，接入单片机(U15)的数据端及时钟端，由时钟电路(X1)，复位电路(E1)、第十一电阻(R11)组成键盘扫描电路，单片机(U15)的输出至键盘阵列。

2.按权利要求1所述普及型计算机数控装置，其特征是：所述位置反馈输入接口电路包括信号匹配网络电路、差分信号接收器(U2)，外部位置检测装置产生的位置检测信号经过由第二-四电阻(R2-R4)、第一-三电容(C1-C3)组成的信号匹配网络电路与差分信号接收器(U2)的输入相连接，差分信号接收器(U2)的输出接至现场可编程门阵列(FPGA)的输入端。

3.按权利要求1所述普及型计算机数控装置，其特征是：所述D/A输出接口电路由数模转换器(U3)、匹配电路、第一-二精密运算放大器(U4-U5)和可调电位器(R6)组成，其数模转换器(U3)的输入与现场可编程门阵列(FPGA)的输出端相连接，输出接至第一精密运算放大器(U4)的输入，第一精密运算放大器(U4)的输出作为第二精密运算放大器(U5)的输入信号，同时通过第五电阻(R5)、第四电容(C4)组成的匹配电路反馈回数模转换器(U3)，第二精密运算放大器(U5)的输出信号接至外部执行结构。

4.按权利要求1所述普及型计算机数控装置，其特征是：所述ISA总线接口电路由第一地址总线接口(U6)，第二地址总线接口(U7)，第一双向数据总线接口(U8)、第二双向数据总线接口(U9)组成，所述第一～二地址总线接口(U6～U7)地址线输入通过第二接插器(J2)和第三接插器(J3)与中央处理器连接，第一～二双向数据总线接口(U8～U9)的数据输入端通过第二～三接插器(J2～J3)与中央处理器连接，所述第一～二地址总线接口(U6～U7)、第一～二双向数据总线接口(U8～U9)的输出端分别接至万门可编程器(FPGA)的输入端。

5.按权利要求1所述普及型计算机数控装置，其特征是：所述输入接口电路包括第一高速光电隔离器(U10)、隔离和抗干扰电路、第一输入寄存器(U12)及滤波整形器(U11)，来自外部机床的电气信号经由第七～十电阻(R7～R10)、第一～四二极管(D1～D4)组成的隔离和抗干扰电路至第一高速光电隔离器(U10)的输入，第一高速光电隔离器(U10)输出经滤波整形电路(U11)与第一输出寄存器(U12)输入相连，通过ISA总线接至中央处理器。

6.按权利要求1所述普及型计算机数控装置，其特征是：所述输出接口电路包括第一输出寄存器(U13)、第二高速光电隔离器(U14)及第二三极管(T2)，第一输出寄存器(U13)的输入信号为中央处理器输出信号，其输出端通过第二高速光电隔离器(U14)接至第二三极管(T2)，第二三极管(T2)输出端与外部机床电气部分相连。