專(zhuān)利名稱(chēng)：加工狀態(tài)控制策略集成的嵌入式數(shù)控平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于數(shù)字控制系統(tǒng)類(lèi)，具體地是指一種加工狀態(tài)控制策略集成的嵌入式數(shù)控平臺(tái)。
背景技術(shù)：
數(shù)控系統(tǒng)作為支撐計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)實(shí)體功能的核心使能單元，正向結(jié)構(gòu)開(kāi)放、集成化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。而模塊化技術(shù)、嵌入式技術(shù)、智能控制技術(shù)的引入，使以前專(zhuān)用、封閉的傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)逐漸成為融合了各種先進(jìn)功能單元和交互接口的復(fù)雜控制平臺(tái)。高性能的數(shù)控平臺(tái)將不再僅僅局限于精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向、進(jìn)給速度與位移量，更要求能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加工狀態(tài)的控制，并做出控制策略，通過(guò)新型檢測(cè)技術(shù)，對(duì)直接反映加工狀態(tài)的各種參數(shù)包括切削載荷、切削溫度、變形、振動(dòng)等持續(xù)進(jìn)行測(cè)量?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法等各種智能控制策略對(duì)反饋的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行分析決策，優(yōu)化加工參數(shù)，改善加工條件。
目前，國(guó)內(nèi)外就數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程中加工狀態(tài)的控制已經(jīng)做了大量的研究，但市場(chǎng)上還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)加工狀態(tài)可控的數(shù)控系統(tǒng)，其原因在于加工過(guò)程中，采集各種加工狀態(tài)信號(hào)不僅比較復(fù)雜和難操作，而且實(shí)時(shí)性要求高，響應(yīng)速度快。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種可以監(jiān)測(cè)加工狀態(tài)，集成控制策略的加工狀態(tài)控制策略集成的嵌入式數(shù)控平臺(tái)。該嵌入式數(shù)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工狀態(tài)實(shí)時(shí)的、智能的控制，還可通過(guò)雙總線和其他設(shè)備進(jìn)行有效地信息交互，擴(kuò)充成以數(shù)控機(jī)床為核心的一個(gè)小型生產(chǎn)線；同時(shí)實(shí)現(xiàn)車(chē)間層的狀態(tài)檢測(cè)和設(shè)備監(jiān)控，方便集中管理和調(diào)度。
本實(shí)用新型的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)控制策略集成的嵌入式數(shù)控平臺(tái)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括具有PC/104-Plus接口的運(yùn)動(dòng)控制模塊，基于PC/104-Plus的CPU模塊，基于PC/104-Plus的多功能數(shù)據(jù)采集模塊，基于PC/104-Plus的CAN通訊模塊、Profibus通訊模塊和電氣連接線；其中運(yùn)動(dòng)控制模塊作為底層母板，具有PC/104-Plus接口的運(yùn)動(dòng)控制模塊、基于PC/104-Plus的多功能數(shù)據(jù)采集模塊、基于PC/104-Plus的CAN通訊模塊和Profibus通訊模塊分別以PC/104-Plus總線與主CPU模塊相連，各模塊上的接口通過(guò)柔性電纜及固定在控制器箱體上的接口，使主CPU模塊與顯示面板和輸入設(shè)備連接、運(yùn)動(dòng)控制模塊與加工伺服軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和手輪相連、多功能數(shù)據(jù)采集模塊與各軸加工狀態(tài)傳感器連接、CAN通訊模塊和Profibus通訊模塊與動(dòng)作控制伺服軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電氣連接。
所述軟件系統(tǒng)是基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Linux的數(shù)字控制系統(tǒng)。
所述的嵌入式數(shù)控平臺(tái)采用CAN總線和Profibus的雙串行總線結(jié)構(gòu)。
所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊包括PCI接口子模塊、數(shù)字信號(hào)處理器子模塊和軸控制接口子模塊；其中PCI接口子模塊通過(guò)雙端口存儲(chǔ)器器件與數(shù)字信號(hào)處理器子模塊電氣連接，軸控制接口子模塊通過(guò)FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)與數(shù)字信號(hào)處理器子模塊電氣連接。
該嵌入式數(shù)控平臺(tái)的工作原理是控制器與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電機(jī)，開(kāi)關(guān)等)、輸入設(shè)備(如鍵盤(pán)、傳感器等)、顯示設(shè)備等正確連接并上電后，顯示數(shù)字控制系統(tǒng)主界面并等待用戶命令，控制器在接收了操作指令后，把操作指令翻譯成具有硬時(shí)限要求的加工消息和不具有硬時(shí)限要求的控制消息，并把加工消息通過(guò)PC/104-Plus總線發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊，而把控制消息發(fā)送到通訊模塊并向外發(fā)送。對(duì)于加工信息，運(yùn)動(dòng)控制模塊會(huì)根據(jù)其內(nèi)容實(shí)時(shí)計(jì)算加工軸的在每個(gè)周期內(nèi)的位移量。在每個(gè)位置控制周期中，運(yùn)動(dòng)控制模塊讀取加工狀態(tài)反饋信號(hào)，并根據(jù)加工狀態(tài)控制策略，修正相關(guān)軸的速度量或者位移量；對(duì)于控制消息，通過(guò)CAN總線或者Profibus發(fā)送到具有總線接收功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。
其中運(yùn)動(dòng)控制模塊的工作原理是運(yùn)動(dòng)控制模塊中的消息處理子系統(tǒng)不間斷的檢查是否需要處理新消息，當(dāng)接收到新消息，則把控制權(quán)轉(zhuǎn)移至軌跡規(guī)劃子系統(tǒng)；軌跡規(guī)劃子系統(tǒng)按一定的周期循環(huán)執(zhí)行，在每個(gè)循環(huán)周期中，調(diào)用加工狀態(tài)控制子系統(tǒng)中的某種智能控制算法，根據(jù)加工狀態(tài)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)加工速度，最后通過(guò)軌跡規(guī)劃子系統(tǒng)中的插補(bǔ)器計(jì)算實(shí)時(shí)軌跡，并把插補(bǔ)輸出量送至位置控制子系統(tǒng)，位置控制子系統(tǒng)同樣是以一恒定的周期循環(huán)執(zhí)行，把插補(bǔ)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，并出現(xiàn)在軸控制接口的相應(yīng)引腳上。
本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)1、控制器分解操作命令，不但通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制模塊滿足實(shí)時(shí)的軌跡控制，還通過(guò)雙總線方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求不高的動(dòng)作控制。
2、采用運(yùn)動(dòng)控制模塊上嵌入PC/104-Plus主模塊的堆棧式架構(gòu)，使總線以“針”和“孔”形式層疊連接，既可使結(jié)構(gòu)緊湊，又能提高抗震性，使控制器能勝任于各種嵌入式應(yīng)用需求和惡劣的工業(yè)環(huán)境。
3、運(yùn)動(dòng)控制模塊提供基本的六軸控制接口和手輪控制接口，并在每軸的接口中提供四路加工狀態(tài)反饋信號(hào)輸入通道，為加工過(guò)程的智能化控制提供了硬件接口。
4、運(yùn)動(dòng)控制模塊集成加工過(guò)程控制策略，對(duì)加工狀態(tài)反饋信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的智能化。
5、具有硬件可重構(gòu)性和軟件開(kāi)放性。


圖1是加工狀態(tài)控制策略集成的嵌入式數(shù)控平臺(tái)總體框架示意圖。
圖2是模塊連接示意圖。
圖3是控制器面板接口圖。
圖4是加工狀態(tài)反饋信號(hào)引腳位置圖。
圖5是運(yùn)動(dòng)控制模塊原理圖。
圖6a、圖6b是運(yùn)動(dòng)控制模塊流程圖。其中圖6a是命令處理子系統(tǒng)流程圖；圖6b是加工過(guò)程智能控制流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
如圖1所示，虛線框內(nèi)表示的是嵌入式數(shù)字控制器的基本結(jié)構(gòu)。PC/104-Plus的主CPU模塊2分別與具有PC/104-Plus接口的運(yùn)動(dòng)控制模塊1、基于PC/104-Plus的多功能數(shù)據(jù)采集模塊3、基于PC/104-Plus的CAN通訊模塊4、基于PC/104-Plus的Profibus通訊模塊5連接。運(yùn)動(dòng)控制模塊1分別與5個(gè)加工伺服軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10、主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11和手輪12相連接，基于PC/104-Plus的主CPU模塊2分別與顯示面板和輸入設(shè)備連接；基于PC/104-Plus的多功能數(shù)據(jù)采集模塊3分別與1#軸加工狀態(tài)傳感器7a、2#軸加工狀態(tài)傳感器7b、3#軸加工狀態(tài)傳感器7c、4#軸加工狀態(tài)傳感器7d、5#軸加工狀態(tài)傳感器7e和主軸加工狀態(tài)傳感器連接7f；PC/104主CPU模塊2通過(guò)CAN通訊模塊4、Profibus通訊模塊5與多個(gè)動(dòng)作控制伺服軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器6連接。
控制器與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電機(jī)，開(kāi)關(guān)等)、輸入設(shè)備(如鍵盤(pán)、傳感器等)、顯示設(shè)備連接。用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入操作命令，并通過(guò)顯示設(shè)備顯示。主系統(tǒng)接收操作指令后，把操作指令翻譯成具有硬時(shí)限要求的加工消息和不具有硬時(shí)限要求的動(dòng)作控制消息，并把加工消息通過(guò)PC/104-Plus總線發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊1，最后至5個(gè)加工伺服軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10、主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11和手輪12，而把動(dòng)作控制消息發(fā)送到CAN通訊模塊4和Profibus通訊模塊5并向外發(fā)送至動(dòng)作控制伺服軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器6。
如圖2所示，它是模塊連接示意圖，采用運(yùn)動(dòng)控制模塊上嵌入PC/104-Plus主模塊的堆棧式架構(gòu)，使總線以“針”和“孔”形式層疊連接。運(yùn)動(dòng)控制模塊1作為底層母板，通過(guò)PC/104-Plus總線與主CPU模塊聯(lián)接，其它模塊板卡則以PC/104-Plus總線與主CPU模塊板卡相連，各模塊上的接口通過(guò)柔性電纜與控制器箱體上接口相連。從下到上依次是運(yùn)動(dòng)控制模塊1，基于PC/104-Plus的主CPU模塊2，基于PC/104-Plus的多功能數(shù)據(jù)采集模塊3，基于PC/104-Plus的CAN總線通訊模塊4，基于PC/104-Plus的Profibus通訊模塊5?；赑C/104-Plus的多功能數(shù)據(jù)采集模塊3，用于處理加工狀態(tài)的反饋信號(hào)，基于PC/104-Plus的CAN通訊模塊4和基于PC/104-Plus的Profibus通訊模塊5主要用于數(shù)據(jù)的傳輸以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的頻繁通訊。
如圖3所示，控制器面板上設(shè)置有外接電源接口301，RS232串口302，RS232串口303，外接操作面板接口304，網(wǎng)絡(luò)線接口305，伺服驅(qū)動(dòng)器接口306(5個(gè))，主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口307，手輪接口308，CAN總線接口309，Profibus接口310，PS/2鍵盤(pán)接口311，PS/2鼠標(biāo)接口312，顯示器接口313，USB接口314。
如圖4所示，軸控制接口有25個(gè)針腳口，其中4個(gè)腳定義為加工狀態(tài)反饋信號(hào)引腳，其功能是將傳感器采集到的切削載荷、切削溫度、變形、振動(dòng)等加工狀態(tài)信息傳送到控制器，由控制器根據(jù)這些加工狀態(tài)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)加工速度；另外的21個(gè)腳定義為軸控制信息輸出口，包括數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)引腳、編碼器反饋信號(hào)引腳、加工狀態(tài)反饋信號(hào)引腳和限位急停等開(kāi)關(guān)引腳，其主要作用是將插補(bǔ)的脈沖信號(hào)輸出到各個(gè)控制軸。
如圖5所示，運(yùn)動(dòng)控制模塊的硬件系統(tǒng)包括PCI接口子模塊501、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)子模塊502和軸控制接口子模塊503。PCI接口子模塊501通過(guò)雙端口存儲(chǔ)器RAM器件與DSP子模塊502電氣連接，軸控制接口子模塊503則通過(guò)FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)與DSP子模塊502電氣連接。
PCI接口子模塊501的作用是通過(guò)PCI接口芯片504實(shí)現(xiàn)PC/104-Plus接口507和DSP506之間的數(shù)據(jù)傳輸，該模塊通過(guò)雙端口存儲(chǔ)器(RAM)505器件與DSP子模塊502電氣連接；雙端口存儲(chǔ)器(RAM)是一個(gè)雙向FIFO(先進(jìn)先出)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，起數(shù)據(jù)緩沖的作用。
DSP子模塊502對(duì)加工信息進(jìn)行處理，完成每個(gè)控制軸的數(shù)字插補(bǔ)，并將插補(bǔ)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)傳送到軸控制接口模塊。
軸控制接口子模塊503完成兩個(gè)任務(wù)一是將接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖，按時(shí)間周期發(fā)送到對(duì)應(yīng)的控制軸端口；二是將旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋信號(hào)上傳到DSP子模塊502。軸控制接口子模塊503通過(guò)FPGA508(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)與DSP子模塊502電氣連接，6個(gè)軸控制接口(509a、509b、509c、509d、509e、509f)和1個(gè)手輪控制接口510由3個(gè)FPGA芯片(508a、508b、508c)控制，每個(gè)FPGA芯片508控制2個(gè)軸控制接口509，其中FPGA芯片508a還同時(shí)控制1個(gè)手輪控制接口510。同一個(gè)FPGA芯片控制的兩個(gè)軸之間的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)同步，消除同步誤差。
運(yùn)動(dòng)控制模塊的軟件系統(tǒng)包括命令處理子系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃子系統(tǒng)、位置控制子系統(tǒng)和加工狀態(tài)控制子系統(tǒng)，其中消息處理子系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃子系統(tǒng)和加工狀態(tài)子系統(tǒng)在DSP子模塊上實(shí)現(xiàn)，位置控制子系統(tǒng)在軸控制子模塊上實(shí)現(xiàn)。
如圖6a所示，運(yùn)動(dòng)控制模塊的命令處理子系統(tǒng)控制過(guò)程包括下列步驟控制器開(kāi)始工作時(shí)，系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，判斷是否有故障，當(dāng)有故障時(shí)，進(jìn)行故障處理。當(dāng)無(wú)故障時(shí)，更新加工消息，判斷是否為新的加工消息，如命令子系統(tǒng)接到的是新的加工消息，則調(diào)用相應(yīng)子系統(tǒng)功能(子加工程序)，當(dāng)命令子系統(tǒng)接到的不是新的加工消息時(shí)，重新更新加工消息。
如圖6b所示，運(yùn)動(dòng)控制模塊的加工過(guò)程智能控制過(guò)程包括下列步驟在子加工程序獲取加工信息后，首先對(duì)加工是否需要過(guò)程控制進(jìn)行判斷，在需要進(jìn)行過(guò)程控制時(shí)，程序進(jìn)入加工狀態(tài)子系統(tǒng)，程序?qū)?duì)狀態(tài)變量進(jìn)行處理，更新?tīng)顟B(tài)變量，并執(zhí)行相應(yīng)的控制算法，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行必要的調(diào)整，更新加工速度(例如對(duì)溫度狀態(tài)變量行控制時(shí)，一旦溫度超過(guò)某個(gè)界限，就進(jìn)行減速處理，必要時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)或停機(jī))，退出加工狀態(tài)子系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.一種加工狀態(tài)控制策略集成的嵌入式數(shù)控平臺(tái)，其特征在于，包括具有PC/104-Plus接口的運(yùn)動(dòng)控制模塊，基于PC/104-Plus的CPU模塊，基于PC/104-Plus的多功能數(shù)據(jù)采集模塊，基于PC/104-Plus的CAN通訊模塊、Profibus通訊模塊和電氣連接線；其中運(yùn)動(dòng)控制模塊作為底層母板，具有PC/104-Plus接口的運(yùn)動(dòng)控制模塊、基于PC/104-Plus的多功能數(shù)據(jù)采集模塊、基于PC/104-Plus的CAN通訊模塊和Profibus通訊模塊分別以PC/104-Plus總線與主CPU模塊相連，各模塊上的接口通過(guò)柔性電纜及固定在控制器箱體上的接口，使主CPU模塊與顯示面板和輸入設(shè)備連接、運(yùn)動(dòng)控制模塊與加工伺服軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和手輪相連、多功能數(shù)據(jù)采集模塊與各軸加工狀態(tài)傳感器連接、CAN通訊模塊和Profibus通訊模塊與動(dòng)作控制伺服軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電氣連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式數(shù)控平臺(tái)，其特征在于，所述的嵌入式數(shù)控平臺(tái)采用CAN總線和Profibus的雙串行總線結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式數(shù)控平臺(tái)，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)控制模塊包括PCI接口子模塊、數(shù)字信號(hào)處理器子模塊和軸控制接口子模塊；其中PCI接口子模塊通過(guò)雙端口存儲(chǔ)器器件與數(shù)字信號(hào)處理器子模塊電氣連接，軸控制接口子模塊通過(guò)FPGA與數(shù)字信號(hào)處理器子模塊電氣連接。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種加工狀態(tài)控制策略集成的嵌入式數(shù)控平臺(tái)。數(shù)控平臺(tái)硬件系統(tǒng)包括具有PC/104－Plus接口的運(yùn)動(dòng)控制模塊，基于PC/104－Plus的CPU模塊，基于PC/104－Plus的多功能數(shù)據(jù)采集模塊，基于PC/104－Plus的CAN通訊模塊、Profibus通訊模塊等。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工狀態(tài)實(shí)時(shí)的、智能的控制，還可通過(guò)雙總線和其他設(shè)備進(jìn)行有效地信息交互，同時(shí)實(shí)現(xiàn)車(chē)間層的狀態(tài)檢測(cè)和設(shè)備監(jiān)控，方便集中管理和調(diào)度。
文檔編號(hào)G05B19/408GK2763862SQ200520053398
公開(kāi)日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月4日
發(fā)明者李偉光, 周建輝, 趙博, 唐文媛, 莫有慶, 李勇 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)