專利名稱：模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，尤其涉及一種模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置。
背景技術：
眾所周知，工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎，機床是工業(yè)的基礎，而數(shù)控系統(tǒng)又是數(shù)控機床的核心。目前我國的國產數(shù)控系統(tǒng)同進口數(shù)控系統(tǒng)比較，無論從性能方面，還是質量方面都存在著較大的差距，以至于我國數(shù)控機床行業(yè)所使用的中高檔數(shù)控系統(tǒng)，幾乎被進口數(shù)控系統(tǒng)所壟斷。而國外數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要是以高速，高效率，高精度，多功能，復合加工的數(shù)控機床配置的數(shù)控系統(tǒng)為主流，目前這類具有多軸多通道復合加工控制功能的數(shù)控系統(tǒng)均限制向中國出口，以圖為我國高檔數(shù)控機床的發(fā)展設置障礙。
目前國內市場流通的數(shù)控系統(tǒng)主要分為2大類，即以單片機為核心的數(shù)控系統(tǒng)和以PC為核心的開放式數(shù)控系統(tǒng)。上述2類數(shù)控系統(tǒng)都是沿襲傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的結構，采用整體控制結構，軟件只能是面向過程的一體化結構，使管理系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)無法成為各自獨立的模塊，因而無法實現(xiàn)多軸多通道控制，導致目前只能徘徊在單機最大5-8軸的驅動控制及單通道插補聯(lián)動的相對落后的狀態(tài)。
發(fā)明內容
本實用新型的提出，旨在從根本上改變傳統(tǒng)的數(shù)控硬件結構的設計方法，突破現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)結構對數(shù)控系統(tǒng)硬件開發(fā)的束縛，采用模塊化可重構嵌入式數(shù)控系統(tǒng)控制模塊來創(chuàng)建新的硬件平臺，通過數(shù)控內部串行網(wǎng)絡總線和數(shù)控通道管理控制技術，實現(xiàn)多通道驅動控制及多通道內置標準PLC輸入/輸出控制。
本實用新型的技術解決方案是這樣實現(xiàn)的一種模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，包括標準的PLC輸入/輸出接口模塊及與外部設備連接的全部外部接口，其特征在于該數(shù)控系統(tǒng)裝置還包括內部固化模塊化可重構嵌入式數(shù)控操作系統(tǒng)的CUP管理控制模塊，內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸驅動控制模塊，和內部固化模塊化嵌入式PLC管理控制模塊以及各模塊間實現(xiàn)網(wǎng)絡連接的內部串行網(wǎng)絡總線。
本實用新型的技術解決方案還包括所述的內部固化模塊化嵌入式可重構數(shù)控操作系統(tǒng)的CPU管理控制模塊由ARMCPU主控板和標準的PLC輸入/輸出接口模塊組成，ARM CPU內部集合了所有必要的外部接口，還增加了CAN串行網(wǎng)絡總線接口。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制模塊由ARM CPU，CAN網(wǎng)絡接口和1軸、2軸或4軸專用運動控制芯片中的一種所組成，專用運動控制芯片包括MCX104，MCX312，MCX314AS或DSP構成的運動控制芯片，可以自動實現(xiàn)1軸、2軸或4軸驅動進給脈沖的全部動作，如自動加減速，定位控制，脈沖反饋計數(shù)等控制功能，以及具有伺服驅動器相關輸入/輸出的控制功能和自動實現(xiàn)多軸直線/圓弧插補及聯(lián)動功能。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制模塊還包括由標準12位D/A轉換器構成的主軸輸出控制回路，實現(xiàn)0-10V的模擬電壓輸出控制主軸轉數(shù)。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制模塊采用標準芯片AM26LS32構成主軸脈沖編碼器反饋輸入回路，將反饋信號輸入到可編程邏輯控制芯片CPLD，在CPLD內進行計數(shù)，實現(xiàn)主軸速度反饋，處理后的反饋信號變換成主軸同步脈沖直接輸入到1軸、2軸或4軸專用運動控制芯片中的一種，實現(xiàn)主軸-伺服驅動的同步脈沖控制功能。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制模塊還包括手搖脈沖發(fā)生器輸入回路，將手搖脈沖發(fā)生器輸入脈沖信號，手搖脈沖倍率選擇信號和手搖脈沖發(fā)生器軸選擇信號經(jīng)過CPLD處理器處理后，直接輸入到專用運動控制芯片中，實現(xiàn)手搖脈沖發(fā)生器的驅動控制。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制模塊具有1通道的主軸模擬輸出，1通道的主軸速度反饋及1通道的手搖脈沖發(fā)生器的控制功能，以及獨立完成1軸驅動控制，2軸插補，2軸聯(lián)動控制或3軸插補，4軸聯(lián)動驅動控制的全部功能。
所述的內部固化模塊化嵌入式PLC控制模塊由ARM CPU，可編程邏輯控制芯片CPLD，CAN網(wǎng)絡接口和一組標準PLC輸入/輸出接口模塊所組成，由PLC管理控制模塊的內部并行總線接口，最大可以連接16個標準PLC輸入/輸出模塊。
與現(xiàn)有技術相比較，本實用新型的優(yōu)點是顯而易見的，首先，從根本上改變了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構，將傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的一體化結構改變成由模塊化嵌入式數(shù)控硬件控制模塊，通過數(shù)控內部串行網(wǎng)絡總線，實現(xiàn)多通道驅動控制及多通道內置PLC輸入/輸出控制。這樣，就實現(xiàn)了每個驅動通道都可以獨立的進行3軸插補，4軸聯(lián)動，使用通道即可實現(xiàn)全部驅動控制軸的目的，可以在很短時間內，完成用戶要求的1-多軸(最大400軸驅動)的自動化設備數(shù)控系統(tǒng)產品的開發(fā)。其次，系統(tǒng)還具有高效率，高精度和高可靠性的特點，適用范圍廣，性價比高，適用于設備制造行業(yè)的各種數(shù)控設備中。
圖1模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控模塊的基本結構原理框圖。
圖2模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的CPU管理控制模塊工作原理框圖。
圖3模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的1軸規(guī)格驅動控制模塊工作原理框圖。
圖4模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的2軸規(guī)格驅動控制模塊工作原理框圖。
圖5模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的4軸規(guī)格驅動控制模塊工作原理框圖。
圖6模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制模塊工作原理框圖。
圖7模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的PLC輸入/輸出接口模塊工作原理框圖。
圖1是本實用新型的說明書摘要附圖。
具體實施方式
如圖所示的一種模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，由模塊化可重構嵌入式數(shù)控模塊構成，通過數(shù)控內部串行網(wǎng)絡總線，實現(xiàn)多通道驅動控制及多通道內置PLC輸入/輸出控制。
模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的控制模塊應用了ARM，DSP及CPLD現(xiàn)代控制技術及網(wǎng)絡通訊技術，采用32位多CPU控制，32位ARM CPU處理器內部具有三級流水線控制的并行處理功能，運算頻率達到75-200M。采用多CPU控制技術，使每一個模塊都能夠具有獨立的管理控制功能，實現(xiàn)高速高精度的1-多軸位置控制。
數(shù)控硬件控制模塊由三種標準工業(yè)產品組合模塊構成(1)CPU管理控制模塊，可用于主CPU管理控制模塊及PLC控制模塊；(2)驅動控制模塊，含1軸、2軸或4軸3種規(guī)格的驅動模塊；(3)PLC輸入/輸出接口模塊，輸入56點/輸出32點。
采用以上三種自行研制的標準工業(yè)產品模塊(5個規(guī)格產品)，可以實現(xiàn)各種數(shù)控系統(tǒng)的模塊化組合，基本滿足1-多軸的各種通用和專用設備數(shù)控系統(tǒng)的硬件控制要求。
(1)CPU管理控制模塊CPU控制管理模塊采用32位ARM CPU主板，標準系統(tǒng)顯示器接口，系統(tǒng)鍵盤接口，系統(tǒng)控制總線。顯示器接口兼容LCD驅動和CRT驅動，支持240×160，320×240，640×480，800×600，1024×768等多種規(guī)格的LCD顯示及觸摸屏顯示操作。CPU管理控制模塊配有標準USB接口和標準以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)現(xiàn)代化生產的網(wǎng)絡通訊，可提供用戶間的信息交換。數(shù)控系統(tǒng)中采用U盤存儲技術。內置模塊化可重構嵌入式數(shù)控操作系統(tǒng)軟件庫。
(2)驅動控制模塊驅動控制模塊配置獨立的32位ARM CPU控制，采用MCX104，MCX312，MCX314AS專用運動控制芯片?？梢宰詣訉崿F(xiàn)高速度高精度的全閉環(huán)位置控制以及直線插補和圓弧插補，驅動速度可達到4000KPPS進給脈沖輸出?？蓪崿F(xiàn)240米/分進給速度的控制。配有主軸控制輸出接口，主軸速度反饋接口和手搖脈沖發(fā)生器輸入接口，可以實現(xiàn)主軸同步控制功能。
驅動控制模塊包括1軸、2軸或4軸3種規(guī)格的標準產品化驅動控制模塊；內置模塊化嵌入式驅動控制軟件庫；驅動控制模塊可以獨立完成3軸插補和4軸聯(lián)動。
(3)PLC控制模塊PLC控制模塊采用獨立的32位ARM CPU控制，內置模塊化嵌入式PLC控制軟件庫，具有獨立的標準PLC控制功能?？梢宰詣油瓿蒔LC程序的編譯和PLC全部執(zhí)行過程的獨立控制。
模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)通過內部串行網(wǎng)絡總線，最多可以配置10個PLC控制通道，每個PLC控制模塊為1個獨立的PLC控制通道。每個獨立的PLC控制通道具有獨立的PLC控制功能。
每個PLC控制模塊內部的并行控制總線上可以配置最大16個PLC輸入/輸出接口模塊。每個PLC輸入/輸出接口模塊上有56個輸入點和32個輸出點?？梢詫崿F(xiàn)最大896點輸入(1×16×56)和512點輸出(1×16×56)的標準PLC控制。
采用組合模塊化控制技術結構，模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的通用設備和專用設備的具體要求配置PLC控制模塊和PLC輸入/輸出接口模塊?？梢詫崿F(xiàn)最大8960點輸入(10×16×56)和5120點輸出(10×16×32)的標準PLC控制。
模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的控制模塊具有獨立的管理控制功能，采用數(shù)控內部串行網(wǎng)絡總線，大大地減少了系統(tǒng)內部配線，有效地提高了數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾特性，實現(xiàn)模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的多節(jié)點通訊控制。
模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的控制模塊具有獨立的管理控制功能，應用多通道管理控制技術的數(shù)控多通道(路徑)管理，可以實現(xiàn)最大100個獨立驅動通道和最大10個獨立PLC控制通道的控制管理，每個驅動通道都可以獨立的進行3軸插補，4軸聯(lián)動，驅動通道可以實現(xiàn)全部驅動軸的聯(lián)動控制；每個PLC控制通道都可以獨立地完成PLC控制。
權利要求1.一種模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，包括標準PLC輸入/輸出接口模塊和與外部設備連接的全部外部接口，其特征在于該數(shù)控系統(tǒng)裝置還包括內部固化模塊化可重構嵌入式數(shù)控操作系統(tǒng)的CPU管理控制模塊，內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊，和內部固化模塊化嵌入式PLC管理控制模塊以及前述各模塊間實現(xiàn)網(wǎng)絡連接的內部串行網(wǎng)絡總線。
2.根據(jù)權利要求1所述的模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的內部固化模塊化可重構嵌入式數(shù)控操作系統(tǒng)的CPU管理控制模塊由ARM CPU主控板和標準的PLC輸入/輸出接口模塊組成，ARM CPU內部集合了所有必要的外部接口，還增加了CAN串行網(wǎng)絡總線接口。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊由ARM CPU，CAN網(wǎng)絡接口和1軸、2軸或4軸專用的MCX或者DSP運動控制芯片中的一種所組成，可以自動實現(xiàn)1軸、2軸或4軸驅動進給脈沖的全部動作，如自動加減速，定位控制，脈沖反饋計數(shù)等控制功能，以及具有伺服驅動器相關輸入/輸出的控制功能和自動實現(xiàn)多軸直線/圓弧插補及聯(lián)動功能。
4.根據(jù)權利要求3所述的模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊還包括由標準12位D/A轉換器構成的主軸輸出控制回路，實現(xiàn)0-10V的模擬電壓輸出控制主軸轉數(shù)。
5.根據(jù)權利要求3所述的模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊還包括采用標準芯片AM26LS32構成主軸脈沖編碼器反饋輸入回路，將反饋信號輸入到可編程邏輯控制芯片CPLD，在CPLD內進行計數(shù)，實現(xiàn)主軸速度反饋，處理后的反饋信號變換成主軸同步脈沖直接輸入到1軸、2軸或4軸專用運動控制芯片中的一種，實現(xiàn)主軸-伺服驅動的同步脈沖控制功能。
6.根據(jù)權利要求3所述的模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊還包括手搖脈沖發(fā)生器輸入回路，將手搖脈沖發(fā)生器輸入脈沖信號，手搖脈沖倍率選擇信號和手搖脈沖發(fā)生器軸選擇信號經(jīng)過CPLD處理器處理后，直接輸入到專用運動控制芯片中，實現(xiàn)手搖脈沖發(fā)生器的驅動控制。
7.根據(jù)權利要求3所述的模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊具有1通道的主軸模擬輸出，1通道的主軸速度反饋及1通道的手搖脈沖發(fā)生器的控制功能，以及獨立完成1軸驅動控制，2軸插補，2軸聯(lián)動控制或3軸插補，4軸聯(lián)動驅動控制的全部功能。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的內部固化模塊化PLC控制模塊由ARM CPU，可編程邏輯控制芯片CPLD，CAN網(wǎng)絡接口和一組標準PLC輸入/輸出接口模塊所組成，由PLC管理控制模塊的內部并行總線接口，最大可以連接16個標準PLC輸入/輸出模塊。
專利摘要本實用新型公開一種模塊化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)裝置，包括標準PLC輸入/輸出接口模塊和與外部設備連接的外部接口，其特征在于還包括內部固化模塊化可重構嵌入式數(shù)控操作系統(tǒng)的CPU管理控制模塊，內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊，和內部固化模塊嵌入式PLC管理控制模塊以及前述各模塊間實現(xiàn)網(wǎng)絡連接的內部串行網(wǎng)絡總線。該系統(tǒng)應用數(shù)控內部CAN串行網(wǎng)絡總線和數(shù)控多通道技術，采用模塊化的數(shù)控硬件控制模塊，使數(shù)控系統(tǒng)可以按用戶要求進行模塊化組合，具有高效率，高精度，高性價比的優(yōu)勢，適用于設備制造業(yè)的各種數(shù)控設備中。
文檔編號G05B15/02GK2783386SQ200420117528
公開日2006年5月24日 申請日期2004年12月2日 優(yōu)先權日2004年12月2日
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