專利名稱：一種數(shù)控系統(tǒng)下位機以及其對數(shù)控設(shè)備控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)控系統(tǒng)下位機。
背景技術(shù)：
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱，早期是由硬件電路構(gòu)成的稱為硬件數(shù)控，19世紀70年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計算機代替稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)。計算機數(shù)控(Computerized numerical control,簡稱CNC)系統(tǒng)是用計算機控制加工功能,實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。計算機數(shù)控系統(tǒng)是根據(jù)計算機存 儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機系統(tǒng)。計算機數(shù)控系統(tǒng)的硬件一般由數(shù)控裝置、輸入/輸出裝置、驅(qū)動裝置和機床電器邏輯控制裝置等組成。目前常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)下位機基本都是針對不同的功能模塊采用不同的獨立電路完成，這樣使得電路設(shè)計繁瑣，模塊間通信互聯(lián)復雜，電路板面積增加，工作可靠性降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種數(shù)控系統(tǒng)下位機；該數(shù)控系統(tǒng)下位機以FPGA為核心，電路設(shè)計簡單，模塊間通信在片內(nèi)完成，電路板面積小，系統(tǒng)可靠性高。本發(fā)明還同時提供了一種數(shù)控系統(tǒng)下位機對數(shù)控設(shè)備控制的方法。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種數(shù)控系統(tǒng)下位機，包括一 FPGA芯片，所述FPGA芯片內(nèi)設(shè)置有USB接口模塊、數(shù)據(jù)流控制模塊、模擬量控制模塊、繼電器控制模塊和多軸電機控制模塊；
USB接口模塊，用于通過USB總線進行數(shù)據(jù)收發(fā)，以實現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)上位機的通信； 多軸電機控制模塊，用于以并行方式控制多軸伺服電機控制器；
數(shù)據(jù)流控制模塊，用于以脫機模式或流模式對加工數(shù)據(jù)流進行控制；所述脫機模式是指下位機在接收并存儲上位機發(fā)送的加工數(shù)據(jù)流之后,再把加工數(shù)據(jù)流通過多軸電機控制模塊發(fā)送給各軸的伺服電機控制器；所述流模式是指下位機在接收上位機發(fā)送的加工數(shù)據(jù)流的同時，把加工數(shù)據(jù)流通過多軸電機控制模塊發(fā)送給各軸的伺服電機控制器；
模擬量控制模塊，用于接收外圍模擬量的輸入和設(shè)置外圍模擬量的輸出；
繼電器控制模塊，用于對數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)元件的工作與否進行時序控制；
USB接口模塊與上位機和數(shù)據(jù)流控制模塊相連；模擬量控制模塊、繼電器控制模塊和多軸電機控制模塊均與數(shù)據(jù)流控制模塊相連。進一步的，所述數(shù)控系統(tǒng)下位機還包括SD存儲卡，所述SD存儲卡用于存儲脫機模式下的加工數(shù)據(jù)流。進一步的，所述FPGA芯片內(nèi)還設(shè)置有保護功能控制模塊，保護功能控制模塊與據(jù)流控制模塊相連。進一步的，所述多軸電機控制模塊包括多個單軸伺服電機控制器子模塊。進一步的，所述開關(guān)元件包括磨料閥、噴嘴、泄流閥和高壓泵。
本發(fā)明還同時提供了一種數(shù)控系統(tǒng)下位機實現(xiàn)對數(shù)控設(shè)備控制的方法，包括以下步驟
(1)通過USB接口模塊與數(shù)控系統(tǒng)上位機建立連接；
(2)通過USB接口模塊接收上位機發(fā)送的控制數(shù)據(jù)和控制命令；
(3)若當前的工作方式為脫機模式，則判斷控制命令
控制命令為“啟動”，則判斷下位機內(nèi)是否存儲有控制數(shù)據(jù)，若有，則將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給各軸驅(qū)動器以及與數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)元件相連的繼電器；若沒有，則不做操作； 控制命令為“暫?！?，則停止控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，并記錄控制數(shù)據(jù)運行的實時位置； (4)若當前的工作方式為流模式，則判斷控制命令
控制命令為“啟動”，則實時將接收到的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給各軸驅(qū)動器以及與數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)元件相連的繼電器；
控制命令為“暫停”，則清除緩沖數(shù)據(jù)，停止控制數(shù)據(jù)的發(fā)送；
(5)返回步驟(2)。本發(fā)明所述的數(shù)控系統(tǒng)下位機利用現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)，將整個數(shù)據(jù)緩存卡數(shù)字控制器包括數(shù)據(jù)流控制、多軸電機控制、USB接口、繼電器控制以及模擬量控制電路全集成在單一芯片中，使得控制電路的尺寸減小、元器件減少、可靠性得到提高。


圖I為本發(fā)明所述數(shù)控系統(tǒng)下位機的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細的說明。如圖I所示，本發(fā)明提供了一種數(shù)控系統(tǒng)下位機，包括一 FPGA芯片，所述FPGA芯片內(nèi)設(shè)置有USB接口模塊、數(shù)據(jù)流控制模塊、模擬量控制模塊、繼電器控制模塊和多軸電機控制模塊。USB接口模塊與上位機和數(shù)據(jù)流控制模塊相連；模擬量控制模塊、繼電器控制模塊和多軸電機控制模塊均與數(shù)據(jù)流控制模塊相連。USB接口模塊，用于通過USB總線進行數(shù)據(jù)收發(fā)，以實現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)上位機的通信；USB接口模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)功能時，接收和發(fā)送分別申請獨立的FIFO，接收數(shù)據(jù)由USB芯片直接寫入FPGA芯片上FIFO，發(fā)送數(shù)據(jù)直接寫入片上FIFO，由USB自動收發(fā)數(shù)據(jù)管理。多軸電機控制模塊，用于以并行方式控制多軸伺服電機控制器；本發(fā)明利用硬件描述語言，采用IP設(shè)計思想，設(shè)計了伺服電機控制接口 IP核，完成獨立一路伺服電機控制器硬件電路實現(xiàn)，從而通過復制的方式構(gòu)建多軸步進電機控制器的可編程片上系統(tǒng)，其擴展方便、可移植性高、具有廣泛的適用性。本發(fā)明所述多軸電機控制模塊優(yōu)選通過多個單軸伺服電機控制器子模塊實現(xiàn)，當然也可以只通過一個總控制模塊來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)流控制模塊，用于以脫機模式或流模式對加工數(shù)據(jù)流進行控制；所述脫機模式是指下位機在接收并存儲上位機發(fā)送的加工數(shù)據(jù)流之后，再把加工數(shù)據(jù)流通過多軸電機控制模塊發(fā)送給各軸的伺服電機控制器；所述流模式是指下位機在接收上位機發(fā)送的加工數(shù)據(jù)流的同時，把加工數(shù)據(jù)流通過多軸電機控制模塊發(fā)送給各軸的伺服電機控制器；在脫機模式下，加工數(shù)據(jù)流存儲在下位機內(nèi)，用戶可以直接啟動數(shù)控設(shè)備，從下位機獲取加工數(shù)據(jù)，而脫離上位機獨立運行。從而可以減少用戶數(shù)據(jù)處理單元的硬件投入，方便用戶建立加工中心。模擬量控制模塊，用于接收外圍模擬量的輸入和設(shè)置外圍模擬量的輸出；
繼電器控制模塊，用于對數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)元件的工作與否進行時序控制；對于高能束水道數(shù)據(jù)系統(tǒng)而言，所述開關(guān)元件包括磨料閥、噴嘴、泄流閥和高壓泵等。為了便于存儲存儲脫機模式下的加工數(shù)據(jù)流，所述數(shù)控系統(tǒng)下位機還包括SD存儲卡，所述SD存儲卡用于存儲脫機模式下的加工數(shù)據(jù)流。當然本發(fā)明也可以采用其他存儲介質(zhì)代替SD存儲卡，在流模式下可以不采用SD存儲卡。為了能夠在外圍連接設(shè)備異常時，及時可靠的保護設(shè)備及人身安全，所述FPGA芯片內(nèi)還設(shè)置有保護功能控制模塊，保護功能控制模塊與數(shù)據(jù)流控制模塊相連。在高壓泵氣壓過高或者欠壓、磨料不足等影響設(shè)備正常工作時啟動保護功能控制模塊，檢測到上述任 一情況發(fā)生時，停止設(shè)備運行。本發(fā)明還同時提供了一種數(shù)控系統(tǒng)下位機實現(xiàn)對數(shù)控設(shè)備控制的方法，包括以下步驟
(I)通過USB接口模塊與數(shù)控系統(tǒng)上位機建立連接；
下位機運行前，首先需要上位機安裝USB驅(qū)動程序以識別下位機，然后上位機與下位機之間通過FPGA芯片的接收FIFO和發(fā)送FIFO進行數(shù)據(jù)交換，上位機下發(fā)數(shù)據(jù)，在發(fā)送FIFO非滿的情況下，可以對發(fā)送FIFO進行寫入操作，如果上位機檢測到FPGA芯片的接收FIFO非空，則可以對接收FIFO進行讀取操作。由于加工數(shù)據(jù)以及指令都是數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)，在進入接收后2ms內(nèi)未收到完整數(shù)據(jù)，則視為超時，自動丟棄已接收到數(shù)據(jù)，回傳對應命令失敗應答，若下位機未檢測到對應的命令，不做響應。(2)通過USB接口模塊接收上位機發(fā)送的控制數(shù)據(jù)和控制命令；所述的控制命令包括啟動、暫停等，控制數(shù)據(jù)是指加工數(shù)據(jù)流。(3)若當前的工作方式為脫機模式，則判斷控制命令
控制命令為“啟動”，則判斷下位機內(nèi)是否存儲有控制數(shù)據(jù)，若有，則將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給各軸驅(qū)動器以及與數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)元件相連的繼電器；若沒有，則不做操作；啟動命令的下發(fā)需要上位機已經(jīng)將控制數(shù)據(jù)完整保存到了下位機之后再執(zhí)行。控制命令為“暫?！?，則停止控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，并記錄控制數(shù)據(jù)運行的實時位置；正常運行時暫停，上位機點擊繼續(xù)運行，下位機根據(jù)記錄的運行位置，繼續(xù)控制數(shù)據(jù)的執(zhí)行；
(4)若當前的工作方式為流模式，則判斷控制命令
控制命令為“啟動”，則實時將接收到的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給各軸驅(qū)動器以及與數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)元件相連的繼電器；
控制命令為“暫?！?，則清除緩沖數(shù)據(jù)，停止控制數(shù)據(jù)的發(fā)送；需要重新啟動時，上位機根據(jù)實時保存的行號來重新計算路徑規(guī)劃，下發(fā)給下位機進行運行；流模式的退出，需要暫停命令，否則保持最后一次運行狀態(tài)。(5)返回步驟(2)，等待接收上位機發(fā)送的控制數(shù)據(jù)和控制命令。本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控系統(tǒng)下位機，其特征在于，包括一 FPGA芯片，所述FPGA芯片內(nèi)設(shè)置有USB接口模塊、數(shù)據(jù)流控制模塊、模擬量控制模塊、繼電器控制模塊和多軸電機控制模塊； USB接口模塊，用于通過USB總線進行數(shù)據(jù)收發(fā)，以實現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)上位機的通信； 多軸電機控制模塊，用于以并行方式控制多軸伺服電機控制器； 數(shù)據(jù)流控制模塊，用于以脫機模式或流模式對加工數(shù)據(jù)流進行控制；所述脫機模式是指下位機在接收并存儲上位機發(fā)送的加工數(shù)據(jù)流之后,再把加工數(shù)據(jù)流通過多軸電機控制模塊發(fā)送給各軸的伺服電機控制器；所述流模式是指下位機在接收上位機發(fā)送的加工數(shù)據(jù)流的同時，把加工數(shù)據(jù)流通過多軸電機控制模塊發(fā)送給各軸的伺服電機控制器； 模擬量控制模塊，用于接收外圍模擬量的輸入和設(shè)置外圍模擬量的輸出； 繼電器控制模塊，用于對數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)元件的工作與否進行時序控制； USB接口模塊與上位機和數(shù)據(jù)流控制模塊相連；模擬量控制模塊、繼電器控制模塊和多軸電機控制模塊均與數(shù)據(jù)流控制模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控系統(tǒng)下位機，其特征在于，所述數(shù)控系統(tǒng)下位機還包括SD存儲卡，所述SD存儲卡用于存儲脫機模式下的加工數(shù)據(jù)流。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控系統(tǒng)下位機，其特征在于，所述FPGA芯片內(nèi)還設(shè)置有保護功能控制模塊，保護功能控制模塊與據(jù)流控制模塊相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控系統(tǒng)下位機，其特征在于，所述多軸電機控制模塊包括多個單軸伺服電機控制器子模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控系統(tǒng)下位機，其特征在于，所述開關(guān)元件包括磨料閥、噴嘴、泄流閥和高壓泵。
6.一種數(shù)控系統(tǒng)下位機實現(xiàn)對數(shù)控設(shè)備控制的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)通過USB接口模塊與數(shù)控系統(tǒng)上位機建立連接； (2)通過USB接口模塊接收上位機發(fā)送的控制數(shù)據(jù)和控制命令； (3)若當前的工作方式為脫機模式，則判斷控制命令 控制命令為“啟動”，則判斷下位機內(nèi)是否存儲有控制數(shù)據(jù)，若有，則將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給各軸驅(qū)動器以及與數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)元件相連的繼電器；若沒有，則不做操作； 控制命令為“暫停”，則停止控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，并記錄控制數(shù)據(jù)運行的實時位置； (4)若當前的工作方式為流模式，則判斷控制命令 控制命令為“啟動”，則實時將接收到的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給各軸驅(qū)動器以及與數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)元件相連的繼電器； 控制命令為“暫?！?，則清除緩沖數(shù)據(jù)，停止控制數(shù)據(jù)的發(fā)送； (5)返回步驟(2)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種數(shù)控系統(tǒng)下位機，包括一FPGA芯片，所述FPGA芯片內(nèi)設(shè)置有USB接口模塊、數(shù)據(jù)流控制模塊、模擬量控制模塊、繼電器控制模塊和多軸電機控制模塊；USB接口模塊與上位機和數(shù)據(jù)流控制模塊相連；模擬量控制模塊、繼電器控制模塊和多軸電機控制模塊均與數(shù)據(jù)流控制模塊相連。本發(fā)明所述的數(shù)控系統(tǒng)下位機利用現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)，將整個數(shù)據(jù)緩存卡數(shù)字控制器包括數(shù)據(jù)流控制、多軸電機控制、USB接口、繼電器控制以及模擬量控制電路全集成在單一芯片中，使得控制電路的尺寸減小、元器件減少、可靠性得到提高。本發(fā)明還同時提供了一種數(shù)控系統(tǒng)下位機實現(xiàn)對數(shù)控設(shè)備控制的方法。
文檔編號G05B19/19GK102880112SQ201210388050
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者翟波, 曾繼躍, 張仕進 申請人:浙江宇宙智能設(shè)備有限公司