全方位一體化的集成化pc數控系統的制作方法

專利名稱：全方位一體化的集成化pc數控系統的制作方法
技術領域：
本發明屬機械制造自動化及數控技術領域，特別涉及一種新型集成化PC數控系統的結構設計。
目前，PC數控系統在結構上主要有三種類型，即專用數控加PC前端的復合式結構、通用PC加實時控制模塊的遞階式結構和網絡化分布式結構。
復合式系統的設計思想是將通用PC和專用NC通過高速信息交換通道連接到一起組成一復合式數控系統。這類系統雖然可以保持原有NC技術基礎，發揮廠家在以硬件專用芯片實現特殊控制功能等方面的優勢，且技術上容易保密，但這類系統的最大缺點就是開放性有限、開發和生產成本較高，技術上升級換代較慢。目前，此類系統已正在走下坡路，不會有大的發展。
遞階式系統的設計思想是利用PC機為數控系統軟硬件平臺，在其標準總線上直接連接實時控制模塊(如精插補、軸運動控制、開關量控制模塊等)，再通過這些模塊連接伺服驅動單元而組成完整的數控系統。例如一種采用多層結構的現有的PC數控系統如

圖1所示，包括由PC系統平臺、數控上層軟件(完成系統管理、人機交互、信息處理、軌跡粗插補等任務)等組成的宏觀控制層、連接于系統總線上的由進給軸控制模塊(完成軌跡精插補和位置環控制任務)、主軸控制模塊、開關量控制模塊等組成的運動控制層、承上啟下的由數字/模擬轉換器、脈沖發送/接收電路、屏蔽電纜等組成的硬件通訊層、驅動器中的由DSP(數字信號處理器)等組成的伺服控制層和由IGBT(絕緣刪雙極型晶體管)等組成的功率放大層、連接機床的由進給電機、主軸電機等組成的執行層等。這類系統雖然具有較好的開放性、易于采用標準部件(如各種位控卡、開關量控制卡、伺服系統等)組成系統。但這類系統的組成單元和模塊較多，各單元和模塊間，特別是實時控制模塊與伺服驅動單元間的信息交換往往成為阻礙系統性能提高的瓶頸。目前，將實時控制信息送往伺服驅動單元的方法主要有兩種一種是通過模擬量形式進行，主要問題是難以消除零飄、溫飄對精度的影響，容易受外部干擾。另一種是通過脈沖量形式進行，主要缺點是實時控制模塊與伺服驅動單元間需通過非編碼方式直接傳遞指令脈沖信號，一旦丟失脈沖或引入了干擾脈沖，難以進行查錯糾錯，不易保證信息傳遞的高可靠性。此外，脈沖驅動式的數字伺服單元所能接受脈沖的最高頻率目前僅為500K左右，限制了進給速度的提高，不能滿足數控向高速高精度發展的需要。
分布式系統的方案是將由DSP(數字信號處理器)等組成的數字式伺服模塊等通過以光纜等為介質的網絡與PC數控裝置連接起來，組成一完整的數控系統。這種系統雖然通過采用實時網絡較好地解決了數控系統的底層通訊問題。但是，其開發和生產成本比遞階式系統還要高，沒有大的投資很難上馬。如果采用國外(包括引進國外技術國內生產)的部件如數字式交流伺服、實時通訊網絡等來組成國產網絡化分布式數控系統，則成本也太高，近期難以被廣大用戶所接受。
綜上所述，現有PC數控系統存在的共同突出問題是系統層次多，各層次在硬件上相互分離，除上層的PC系統平臺和第二層的實時控制模塊(如開關量控制、進給軸控制、主軸控制等)需要獨立的硬件電路外，下層的各個伺服驅動裝置也有自己獨立的硬件電路和安裝這些硬件電路的機箱和供電系統，并且還需要通訊線路(如串行或并行通訊線路、實時網絡、模擬量傳遞電路等)將這些獨立的子系統連接起來，因此造成整個數控系統硬件規模龐大，通訊麻煩、控制復雜，不但可靠性難以得到保證，而且開發和生產成本高，產品的競爭能力弱。
本發明的目的是為解決現有PC數控系統將軌跡控制與伺服驅動相分離，結構復雜、硬件規模龐大，可靠性難以得到保證，生產成本高等突出問題，提出全方位一體化的集成化PC數控系統的結構設計。使其具有性能優異、功能強大、可靠性高，結構簡單、制造容易、生產成本低、便于普及應用的優點，可廣泛應用于制造業、國防工業和國民經濟其他生產部門。
本發明的全方位一體化的集成化PC數控系統，其特征在于，由中央集中控制層加外圍分散執行層的兩層結構組成，該中央集中控制層包括PC系統平臺和集成化數控系統軟件；外圍分散執行層包括通過系統總線與該PC系統平臺連接的多個執行接口和由所說的執行接口連接的執行裝置；所說的PC系統平臺包括硬件平臺和軟件平臺兩部分；所說的集成化數控系統軟件包括完成信息處理和軌跡控制任務的數控裝置軟件、伺服驅動器軟件、開關量控制軟件、支持保障軟件子系統；所說的執行接口包括功率接口、反饋接口、開關量接口。
所說的功率接口可包括，與三相交流電源相連的由六個二極管組成的三相橋式整流電路，連于該整流電路的電容濾波器，六只IPM模塊的一端與該電容濾波器相連，另一端通過光電隔離模塊與計算機的I/O接口相連。
所說的反饋接口可包括位移反饋接口、零位反饋接口和電流反饋接口幾部分；該位移反饋接口包括，光電編碼器，其信號相位差90°的兩輸出端分別與差動發送器相連，再經屏蔽電纜依次與差動接收器、斯密特電路倍頻處理電路、、方向鑒別電路及可逆計數器相連；所說的零位反饋接口包括，光電編碼器，與其依次相連的差動發送器、差動接收器、斯密特電路，該斯密特電路的另一端分別與與非門和信號處理電路相連；還包括行程開關，與其依次相連的放大器、光電耦合器、整形電路，該整形電路的另一端分別與信號處理電路、與非門9。與非門相連；所說的電流反饋接口包括，串接于電機主電路中的精密電阻，與其兩端相連的由運算放大器、電阻組成的第一放大器和第二放大器，連于該第二放大器的A/D轉換器和光電隔離器。
本發明采用全方位(信息處理、軌跡控制、伺服驅動、開關量控制)一體化的集成式體系結構，其總體框圖如圖2所示。圖中，高性能PC系統平臺由硬件平臺和軟件平臺兩部分組成。硬件平臺的核心是一高主頻(500MHz以上)的高性能CPU(如Pentium III)，其性能比常規數控系統普遍采用的CPU(如80386、80486等)高數十倍。軟件平臺的核心是一高性能實時操作系統(如Windows NT)的內核軟件。集成化數控系統軟件運行于上述軟硬件平臺上，由其完成數控系統的所有控制算法。該軟件與PC系統平臺一起構成集成化PC數控系統的控制中心。該中心通過系統總線連接所有執行接口，包括功率接口、反饋接口、開關量接口等，再由執行接口連接對應的執行裝置，如驅動電機、檢測裝置、開關量執行裝置等，由此組成完整的控制系統，共同完成集成化PC數控系統的所有控制任務。
由于集成化PC數控系統以一個功能強大、高度集成的的硬件平臺不但完成了常規數控系統的上層硬件功能，而且還代替了常規數控系統中完成進給軸控制、主軸控制、開關量控制等所需的獨立硬件電路，以及各分立驅動器中完成信息處理與控制的硬件電路，此外，該系統還省去了將驅動裝置與上層控制模塊相連接的通訊線路。這樣，集成化PC數控的硬件規模比普通數控系統大為縮小，因此，不但有效減小了強電電源部分的體積，還進一步降低了系統成本。
本發明的集成化PC數控系統軟件是集成化PC數控系統的重要組成部分，其總體結構如圖7所示。該軟件由數控裝置軟件、伺服驅動器軟件、開關量控制軟件、支持保障軟件子系統組成。其中數控裝置軟件包括數控實時操作系統、人機交互、信息處理、軌跡插補程序模塊，伺服驅動器軟件包括伺服控制程序模塊，開關量控制軟件包括開關量控制程序模塊，支持保障軟件包括網絡通訊、工件定位、加工仿真、安全保障程序模塊。各程序模塊的功能如下①數控實時操作系統數控實時操作系統是集成化數控系統軟件中的運控管理子系統，它對系統中的資源進行統一管理，對任務進程進行動態調度，協調各模塊的高效運行，并輔助完成進程間的通訊和信息交換。
②人機交互人機交互是集成化數控系統的基礎模塊，主要完成方式控制和動態顯示兩大任務。方式控制由自動方式、MDI方式、手動連續、手動增量、聯網控制、返回參考點、系統管理等子模塊組成。在每一方式下，首先顯示各自的方式界面，并在相應窗口中顯示系統提示信息進行操作引導，操作者通過操作鍵盤向系統輸入指令，系統對操作者的指令進行分析，根據其內容完成規定的操作。
動態顯示的任務是在數控系統的顯示屏幕上實時顯示加工過程中刀具的運動軌跡、各運動坐標的動態坐標值、系統的運行狀態等信息，使操作者隨時了解系統和機床的運行狀況。
③網絡通訊本系統可通過網絡接口與上級計算機聯網，可與網上的計算機(如管理計算機、監控計算機、CAD/CAM計算機等)交換信息和實現資源共享。此時，上級管理計算機可直接控制數控系統的運行，并實時獲取數控系統和機床的有關狀態信息。
④工件定位該模塊可根據實際測量信息，確定工件在機床坐標系中的位置與姿態，實現工件的計算機輔助安裝，降低對工裝夾具的要求，有效縮短加工準備時間和輔助時間，提高數控生產效率。
⑤信息處理該模塊負責對輸入信息進行譯碼，完成軌跡插補前的刀補運算，并對子程序、宏程序、固定循環、坐標變換等進行前置處理。
⑥軌跡插補該模塊是集成化數控系統的核心模塊，其任務是在信息預處理的基礎上，實時生成刀具運動軌跡和各坐標的移動指令。由于集成化PC數控系統具有硬件速度比常規數控系統高數十倍且軟硬件高度集成的優勢，因此本發明將軌跡插補程序的采樣頻率提高到與伺服控制(位置環)相同的采樣頻率，并使軌跡插補算法和位置控制算法的采樣時刻完全同步，從而實現了同頻同步高速采樣插補，徹底克服了現有PC數控系統受多層低能(層數多但每層能力不高)結構的制約，軌跡插補一般需兩級(上層粗插補加下層細插補)來實現而產生的插補器結構復雜，速度低、精度差等缺點，為實現數控機床的高速高精度控制開辟了新的途徑。
⑦伺服控制該模塊是集成化數控系統的另一核心模塊，其任務不僅是根據插補運算結果，通過高速算法對機床X、Y、Z等坐標軸進行高精度位置控制，而且還需完成速度閉環控制、矢量變換控制等高實時性控制任務。由于在本發明中伺服控制模塊與軌跡插補模塊運行于同一硬件平臺上，因此在軟件內部將兩模塊進行直接連接(無須通過通訊線路和硬件接口)，從而在插補與伺服間實現了高速直接數據傳遞，徹底消除了一般數控系統中存在的插補與伺服間的信息傳遞瓶頸，有效提高了系統的總體性能。
⑧開關量控制該模塊對系統中的開關量進行邏輯運算，按PLC(可編程序控制器)的原理控制機床的邏輯順序運動。
⑨安全保障該模塊與有關傳感器相配合，對機床的加工過程和有關動作進行監視，防止某些錯誤動作的發生和故障蔓延，并對系統發生的故障進行在線診斷。
⑩加工仿真以動畫方式對數控加工過程進行動態仿真，從而可在加工前檢驗零件程序的正確性和機床運動過程的合理性。
由于集成化體系結構將數控系統的所有子系統全部集中到一個功能強大的、高度集成的、完全通用的軟硬件平臺上，使數控系統的信息處理、軌跡控制、伺服控制、開關量控制等功能統一由一個新型高性能CPU加集成化數控系統軟件來實現，從而徹底消除各子系統的冗余硬件及各子系統間的硬件接口與通訊線路，并省去了控制硬件接口和進行通訊處理所需的軟件，大幅度簡化了軟件結構。因此，集成化PC數控系統中“集成”的含義不僅僅是一般意義下的信息集成，而是從硬件、軟件到信息的全面集成。由此實現了硬件復雜性到軟件復雜性的轉移，實現了以物質產生高效能到知識產生高效能的變革。硬件的簡化、知識作用的加強意味著生產簡化、節約資源、節約能源、清潔環境，更有利于人類的持續發展。因此，本發明的集成化PC數控系統體系結構將使數控系統從傳統產品轉變為典型的知識經濟產品。
綜上所述，集成化PC數控系統的創新點是①將進給伺服和主軸驅動器的控制硬件集成進PC平臺中，實現伺服驅動硬件與數控裝置硬件的一體化；②將運行于各分立驅動器中的軟件集成到運行于主CPU上的集成化數控系統軟件中，實現伺服軟件與數控軟件的融合；③以邏輯連接取代物理連接，徹底消除系統模塊間的通訊線路和相關聯的軟硬件接口，實現模塊間的直接高速信息交換。④以單層次的高速高精度插補取代多層次的粗-精插補傳統模式，實現高速高精度軌跡控制。
本發明具有以下獨特效果(1)可靠性高可靠性好壞是數控系統這種高科技產品能否在市場競爭中獲勝的關鍵。雖然影響數控系統可靠性的因素很多，但過大的硬件規模和較低的硬件制造工藝水平往往對可靠性造成最大的威脅。本發明由于選用了新型高性能CPU作為系統的運算和控制核心，使以前需多個CPU(包括DSP)加大量硬件才能完成的數控任務，現在用一個CPU就能完成，從而大幅度縮小了系統硬件的規模。而且集成化PC數控所需的硬件屬于國際計算機市場上的主流產品，其可靠性相當高(如工業PC主機的平均無故障時間已達20萬小時以上)，這可使由本發明生產的產品達到很高的可靠性。
(2)性能好、功能強利用本發明集成化PC數控系統強大的軟硬件平臺，可以開發出性能更好、功能更強的數控系統軟件。例如，可實現采樣頻率高達數千Hz(采樣周期為零點幾毫秒)的高速高精度采樣插補。這種高頻插補所帶來的好處是，不但有利于提高系統的分辨率，使進給速度高達60米/分時，仍可保證插補誤差小于0.1微米，而且可實現粗精插補合一，從而有效簡化軟件算法和系統結構。
在本發明所具有的統一硬件及所提供的高速插補加高速同步數據傳遞的環境下，非常有利于軌跡插補與伺服控制的直接連接，從而實現直接數據傳遞。所謂直接數據傳遞是指插補模塊與位置控制模塊間的信息傳遞直接通過軟件間的數字量進行，而不采用常規的基于硬件的模擬量或脈沖量來傳遞。這樣，可去掉按常規方法聯接插補模塊與數字式伺服系統所需的數字/脈沖轉換環節(插補側)和脈沖/數字轉換環節(伺服側)，從而徹底消除一般數控系統中存在的插補與伺服間的信息傳遞瓶頸，有效提高了系統運行效率。
在集成化的環境下，系統軟件可方便地獲取內裝式伺服系統的有關信息，因此非常有利于對伺服系統的運行狀況進行實時監控，從而保證伺服系統高可靠性運行，發揮最佳運行效益。
此外，在集成化PC數控系統中還可方便地實現曲面直接插補、三維刀具半徑補償、現場總線聯網控制、CAD/CAM/CNC一體化等新功能，使數控系統的性能得到全面提高。
(3)開發和生產成本低本發明的集成化PC數控系統，其硬件規模將達到最小化，整個數控系統除一個PC平臺外，剩下的只有電機、驅動接口和反饋接口。充分利用我國的永磁資源優勢，通過專業化生產可以把電機的造價降下來，而采用智能化的IPM模塊作為驅動接口也很便宜，因此將內裝式進給伺服的價格控制在數千元以內，將內裝式主軸伺服的價格控制在2萬元以內，將是完全可能的。這樣，一個集成化數控系統(包括電機)的售價將可降至現有數控系統的一半左右。顯然，這種高性能、高可靠性、低成本的新型數控系統將具有極強的競爭力。
(4)易于實現開放式結構本發明的另一大優點，就是容易實現開放式結構。這是因為，這種系統的硬件本身已經是完全開放的，構成開放式數控系統的工作完全在軟件上，只要制定好標準和協議，從信息處理、軌跡插補、加減速控制、開關量控制到伺服控制都可以實現開放，從而可大大方便用戶的使用。
此外，集成化PC數控系統的硬件平臺是完全通用的，因此可以獲得快速的技術進步，當PC機升級換代時，數控系統也可相應的升級換代，從而長期保持技術上的優勢，在競爭中立于不敗之地。
本發明可以為軍工生產、航空航天器制造及各類民用制造業提供一種具有最優性能價格比的新型高效自動化控制設備。由于所控制的機床可以進行多坐標全方位加工，因而不僅可以加工各種復雜零件，而且可以大幅度提高加工柔性和加工效率。這一新型系統的推廣應用，將為制造工業現代化，增強綜合國力作出有較大實效的貢獻。
附圖簡要說明圖1是現有PC數控系統的總體結構示意圖。
圖2是本發明的集成化PC數控系統總體結構示意圖。
圖3是本發明的實施例的功率接口原理圖。
圖4是本發明的實施例的位移反饋接口原理圖。
圖5是本發明的實施例的零位反饋接口原理圖。
圖6是本發明的實施例的電流反饋接口原理圖。
圖7是本發明的集成化PC數控系統軟件總體結構框圖。
圖8是本發明的實施例的工件定位程序結構框圖。
圖9是本發明的實施例的信息處理程序結構框圖。
圖10是本發明的實施例的通道處理程序流程框圖。
圖11是本發明的實施例的軌跡插補程序流程框圖。
圖12是本發明的實施例的伺服控制程序結構框圖。
圖13是本發明實施例的總體結構框圖。
本發明設計的一種集成化PC數控系統的實施例結合各附圖分別詳細描述如下。
本實施例的總體結構如圖13所示，本實施的硬件包括高性能PC硬件平臺和安裝于系統總線上用于連接底層執行裝置的執行接口。該執行接口包括連接驅動電機的功率接口、連接檢測裝置的反饋接口和連接各種開關量裝置的開關量接口等。該系統可用于控制數控加工中心機床，其中，Pentium III計算機系統平臺由500MHz主頻的PentiumIII CPU、64M內存、5G硬盤等組成，在其上運行集成化PC數控系統軟件。
連接于系統總線上的軟盤驅動器用于輸入加工所需的有關信息，如被加工零件的NC程序、刀具和機床參數等。連接于系統總線上的操作面板上裝有液晶彩色顯示器、鍵盤和控制按鈕。操作人員可通過鍵盤和控制按鈕對系統的運行進行控制。系統運行的有關信息通過彩色顯示器以動態圖形和數據形式顯示出來。通過連接于系統總線上的CAN(Controller AreaNetwork)網絡接口，本系統可與上級管理計算機交換信息。此時，上級計算機可直接控制數控系統的運行，從而實現無人化操作。
連接于系統總線上的X、Y、Z功率接口和主軸功率接口用于將計算機產生的弱電控制信號轉換為驅動電機的強電信號，以驅動X、Y、Z軸進給電機和主軸電機運動。功率接口按圖3所示原理圖制作。
安裝于電機尾部的光電編碼盤1用于獲取電機的角位移信息。電機角位移的實際值可通過連接于系統總線上的X、Y、Z和主軸位移反饋接口送入計算機中，集成化數控系統軟件可據此對電機的運動進行精確控制，從而使機床獲得高的加工精度。連接于系統總線上的X、Y、Z和主軸電流反饋接口用于獲取電機電流實際值，集成化數控系統軟件可據此對電機的力矩進行精確控制，從而使電機和機床獲得高的動態性能。連接于系統總線上的X、Y、Z和主軸零位反饋接口用于獲取電機的實際相位信息和機床運動部件的機械原點信息，從而實現對電機進行高精度矢量控制，為機床加工建立準確參考點。零位反饋信息包括粗零位信息和精零位信息兩部分。精零位信息取自光電編碼器1的零位脈沖信號，粗零位信息由安裝于機床上的行程開關2提供。
連接于系統總線上的開關量I/O接口用于連接機床上的開關量執行裝置，如換刀機構的驅動裝置、冷卻液的電磁開關閥、機床各部件上的行程開關、限位開關、保護裝置等。集成化數控系統軟件中的開關量控制程序將通過這些接口和執行裝置完成機床的開關量運動控制。
在本實施例系統的物理布局上，將所有執行接口安裝于同一PC機箱內。為防止相互干擾，功率接口與弱電部分之間加裝有屏蔽網。所有功率接口均由安裝于PC機箱內的集中式強電整流濾波模塊統一供電，不但有效減小了強電電源部分的體積，還進一步降低了系統成本。
為適應現代制造系統的需要，本系統可工作于兩種模式，即離線模式和在線模式。當系統工作于離線模式時，操作人員可通過軟盤驅動器等輸入加工所需信息，并可通過系統提供的高級編輯功能，對已輸入的信息進行修改。系統的運行由操作人員通過操作面板上的鍵盤和控制按鈕進行控制。系統運行的有關信息通過操作面板上的彩色顯示器以動態圖形和數據形式顯示出來。系統工作于在線模式時，可通過CAN網絡接口與上級計算機聯網，可與網上的計算機(如管理計算機、監控計算機、CAD/CAM計算機等)交換信息和實現資源共享。此時，上級管理計算機可直接控制數控系統的運行，并實時獲取數控系統和機床的有關狀態信息。以此為基礎，可構成各種先進制造系統。
本實施例的各主要硬件部件和軟件程序分別詳細說明如下系統中功率接口的作用是將計算機產生的弱電控制信號轉換為驅動電機的強電信號，并完成強弱電之間的隔離。由于功率接口不需要完成復雜的信息處理和控制功能，但需具有極強的自我保護能力，因此采用自帶保護功能的智能化交流伺服驅動模塊(IPM)加光電隔離模塊等組成。圖3是功率接口原理圖。圖中，三相交流電源經由六個二極管組成的三相橋式整流電路整流，并經電容濾波后得到比較穩定的直流電。右邊的六只IPM模塊再將直流電逆變成驅動電機運動的可變三相交流電。為對逆變產生的交流電的頻率、幅值和相位進行控制，六只IPM模塊的輸入信號由計算機提供。考慮到IPM模塊直接與強電相連接，而計算機屬于弱電裝置，為保證計算機系統的安全，在IPM模塊與計算機之間加裝了光電隔離模塊。為加強對功率接口的保護，將IPM的狀態監測信號通過I/O接口輸入計算機中，由集成化數控軟件中的安全保障程序實現統一智能化監測與保護。
集成化PC數控系統中的反饋接口包括位移反饋接口、零位反饋接口和電流反饋接口幾部分。位移反饋接口的作用是向數控系統提供電機和機床運動部件的實際位移信息，控制軟件可據此求出運動部件的瞬時位置和速度。零位反饋接口可提供對交流電機進行矢量控制所需的相位信息及機床機械原點信息。電流反饋接口的作用是向控制系統提供控制電機力矩的電流信息。通過上述反饋接口可連接高精度編碼盤、光柵、霍爾傳感器等多種檢測裝置，從而可根據用戶需要構成半閉環、全閉環控制系統，以保證被控機床具有高的加工精度。
位移反饋接口的電路原理圖如圖4所示。其中，光電編碼器(或光柵)1用于檢測電機或機床工作臺的位移，其輸出為相位差90°的兩相信號A、B。該信號通過差動發送器3經屏蔽電纜傳給差動接收器4。斯密特電路5對接收到的信號進行整形得到標準的TTL電平信號，然后將此信號送往倍頻處理電路處理得到細分位移脈沖信號。進一步由方向鑒別電路將該信號轉換為正向脈沖或負向脈沖序列。最后由可逆計數器對正負脈沖進行計數，并保存于其內部的寄存器中。計算機讀取寄存器中的內容即可得到電機和機床工作臺位移信息。
零位反饋接口的電路原理圖如圖5所示。其中，光電編碼器(或光柵)1輸出的零位脈沖信號Z經差動發送器3和差動接收器4傳給斯密特電路5。經其整形后得到符合TTL電平標準的精零位信號。該信號分成兩路，一路送往與非門9，另一路送往信號處理電路。行程開關2產生的粗零位信號先經放大器6進行放大。然后經光電耦合器7隔離后傳給整形電路8。整形后的粗零位信號，一路送往信號處理電路，另一路送往與非門9。與非門9將粗精零位信號進行合成得到綜合零位信號。該信號也被送入信號處理電路。最后由信號處理電路將粗、精和綜合零位信號進行處理后傳給控制系統。
電流反饋接口的電路原理圖如圖6所示。其中，串接于電機主電路中的精密電阻R0用于對電機的電流進行檢測。當電機電流流過R0時將在其兩端產生正比于電機電流的電壓。該電壓經過由運算放大器O1、電阻R1、R2、R3等組成的放大器放大后得到雙極性輸出電壓。該電壓進一步由運算放大器O2、電阻R4、R5、R6、R7等組成的放大器放大，并變為A/D轉換器所能接受的單極性電壓。該電壓經A/D轉換后變成數字量，最后經光電隔離后送往控制系統。
系統中的開關量接口可提供一定數量的符合通用PLC標準的輸入/輸出接點。這些接點可根據需要與對應的開關量執行裝置(如電磁閥、行程開關等)相連接。數控系統軟件中的開關量控制模塊將通過開關量接口及開關量執行裝置對機床的邏輯順序運動，如主軸起停、刀具交換、工件裝卡、加工冷卻、行程保護等進行控制。開關量控制模塊將與伺服控制模塊、軌跡控制模塊等相配合，共同完成機床工作過程的控制。
本實施例的集成化PC數控系統軟件總體結構如圖7所示。系統中各程序模塊的功能結合圖8、圖9、圖10、圖11、圖12分別說明。
工件定位程序的結構如圖8所示。其輸入信息為從網絡上傳來的被加工零件的幾何工藝信息。工件定位程序中的工件定位分析模塊首先對工件幾何工藝信息進行分析，確定合適的定位面。測量規劃模塊再在工件定位面上選擇一定數量的測量點并確定其坐標位置。進一步由測量控制模塊根據測量點位置控制安裝于機床上的測量系統運動。測量信息處理模塊通過反饋接口獲取測量信息，并對其進行處理后送往坐標變換模塊。該模塊根據工件實測信息對工件的有關元素進行幾何變換。最后由工件位姿計算模塊求出工件當前實際位姿，并將此信息存儲于工件位姿文件中，供后續信息處理和軌跡插補等模塊使用。
信息處理程序的結構如圖9所示，共包括N個(通道1至通道N)分處理程序，每個分處理程序完成一個通道的信息處理任務。各通道分處理程序由通道控制、通道檢測、通道處理、通道隊列等模塊組成。通道處理模塊是其核心，該模塊的運行由對應的通道控制模塊根據通道調度信息和通道檢測信息進行控制。各通道處理模塊產生的輸出信息被送往對應的通道隊列中。后續的軌跡插補程序將從對應的通道隊列中獲取其輸入信息。
通道處理模塊的流程框圖如圖10所示。在通道處理啟動后，首先輸入被加工零件程序，然后對零件程序進行掃描譯碼，將其變為便于計算機內部處理的形式。進一步對零件程序中的子程序進行處理，對固定循環進行展開。最后進行刀具補償計算，并將處理結果送入通道隊列中。若通道隊列已滿，則處理暫停，否則輸入后續零件程序繼續進行處理。
軌跡插補模塊的流程框圖如圖11所示。該模塊啟動后，首先從通道隊列中輸入被插補曲線的有關信息。然后根據希望速度和實際速度之差及加速度要求進行加減速計算，求出當前的瞬時速度，并根據被插補曲線的幾何關系求出允許誤差。進一步按照瞬時速度和允許誤差求出三維空間中的插補線段長度，并根據該插補線段求出參數空間中的軌跡參數取值。最后根據軌跡參數計算插補軌跡點坐標，即完成一個采樣周期的插補。若插補軌跡已到終點，則插補結束，否則進入新一輪采樣周期的插補，直至到達軌跡終點。
圖12是伺服控制程序的結構框圖。首先由位置控制模塊根據軌跡插補產生的運動指令和由位置計算模塊給出的實際位置之差，計算速度指令值。然后由速度控制模塊根據速度指令和由速度計算模塊給出的實際速度之差，計算正交電流指令值。進一步由矢量變換模塊根據相位計算模塊給出的實際相位，將正交電流指令變換為三相電流指令值。最后由電流控制模塊根據三相電流指令值和由電流計算模塊給出的三相電流實際值之差，計算PWM控制指令，并通過PWM控制電機運行。電機的實際運行狀態由檢測裝置進行檢測，檢測值經數字濾波和信息處理后被送往相應的計算模塊。經其計算后得到完成上述控制所需的實際位置、實際速度、實際相位和實際電流。
集成化PC數控系統軟件中的其它程序模塊采用常規方法開發，敘述從略。
本實施例的總體結構如圖13所示，該系統可用于控制數控加工中心機床，其中，Pentium III計算機系統平臺由500MHz主頻的PentiumIIICPU、64M內存、5G硬盤等組成，在其上運行集成化PC數控系統軟件。
連接于系統總線上的軟盤驅動器用于輸入加工所需的有關信息，如被加工零件的NC程序、刀具和機床參數等。連接于系統總線上的操作面板上裝有液晶彩色顯示器、鍵盤和控制按鈕。操作人員可通過鍵盤和控制按鈕對系統的運行進行控制。系統運行的有關信息通過彩色顯示器以動態圖形和數據形式顯示出來。通過連接于系統總線上的CAN(Controller AreaNetwork)網絡接口，本系統可與上級管理計算機交換信息。此時，上級計算機可直接控制數控系統的運行，從而實現無人化操作。
連接于系統總線上的X、Y、Z功率接口和主軸功率接口用于將計算機產生的弱電控制信號轉換為驅動電機的強電信號，以驅動X、Y、Z軸進給電機和主軸電機運動。功率接口按圖3所示原理圖制作。
安裝于電機尾部的光電編碼盤1用于獲取電機的角位移信息。電機角位移的實際值可通過連接于系統總線上的X、Y、Z和主軸位移反饋接口送入計算機中，集成化數控系統軟件可據此對電機的運動進行精確控制，從而使機床獲得高的加工精度。連接于系統總線上的X、Y、Z和主軸電流反饋接口用于獲取電機電流實際值，集成化數控系統軟件可據此對電機的力矩進行精確控制，從而使電機和機床獲得高的動態性能。連接于系統總線上的X、Y、Z和主軸零位反饋接口用于獲取電機的實際相位信息和機床運動部件的機械原點信息，從而實現對電機進行高精度矢量控制，為機床加工建立準確參考點。零位反饋信息包括粗零位信息和精零位信息兩部分。精零位信息取自光電編碼器1的零位脈沖信號，粗零位信息由安裝于機床上的行程開關2提供。
連接于系統總線上的開關量I/O接口用于連接機床上的開關量執行裝置，如換刀機構的驅動裝置、冷卻液的電磁開關閥、機床各部件上的行程開關、限位開關、保護裝置等。集成化數控系統軟件中的開關量控制程序將通過這些接口和執行裝置完成機床的開關量運動控制。
為適應現代制造系統的需要，本系統可工作于兩種模式，即離線模式和在線模式。當系統工作于離線模式時，操作人員可通過軟盤驅動器等輸入加工所需信息，并可通過系統提供的高級編輯功能，對已輸入的信息進行修改。系統的運行由操作人員通過操作面板上的鍵盤和控制按鈕進行控制。系統運行的有關信息通過操作面板上的彩色顯示器以動態圖形和數據形式顯示出來。系統工作于在線模式時，可通過CAN網絡接口與上級計算機聯網，可與網上的計算機(如管理計算機、監控計算機、CAD/CAM計算機等)交換信息和實現資源共享。此時，上級管理計算機可直接控制數控系統的運行，并實時獲取數控系統和機床的有關狀態信息。以此為基礎，可構成各種先進制造系統。
權利要求
1.一種全方位一體化的集成化PC數控系統，其特征在于，由中央集中控制層加外圍分散執行層的兩層結構組成，該中央集中控制層包括PC系統平臺和集成化數控系統軟件；外圍分散執行層包括通過系統總線與該PC系統平臺連接的多個執行接口和由所說的執行接口連接的執行裝置；所說的PC系統平臺包括硬件平臺和軟件平臺兩部分；所說的集成化數控系統軟件包括完成信息處理和軌跡控制任務的數控裝置軟件、伺服驅動器軟件、開關量控制軟件、支持保障軟件子系統；所說的執行接口包括功率接口、反饋接口、開關量接口。
2.如權利要求1所述的集成化PC數控系統，其特征在于，所說的功率接口包括，與三相交流電源相連的由六個二極管組成的三相橋式整流電路，連于該整流電路的電容濾波器，六只IPM模塊的一端與該電容濾波器相連，另一端通過光電隔離模塊與計算機的I/O接口相連。
3.如權利要求1所述的集成化PC數控系統，其特征在于，所說的反饋接口包括位移反饋接口、零位反饋接口和電流反饋接口幾部分；該位移反饋接口包括，光電編碼器，其信號相位差90°的兩輸出端分別與差動發送器相連，再經屏蔽電纜依次與差動接收器、斯密特電路倍頻處理電路、方向鑒別電路及可逆計數器相連；所說的零位反饋接口包括，光電編碼器，與其依次相連的差動發送器、差動接收器、斯密特電路，該斯密特電路的另一端分別與與非門和信號處理電路相連；還包括行程開關，與其依次相連的放大器、光電耦合器、整形電路，該整形電路的另一端分別與信號處理電路、與非門9。與非門相連；所說的電流反饋接口包括，串接于電機主電路中的精密電阻，與其兩端相連的由運算放大器、電阻組成的第一放大器和第二放大器，連于該第二放大器的A/D轉換器和光電隔離器。
全文摘要
本發明屬機械制造自動化及數控技術領域,由中央集中控制層加外圍分散執行層的兩層結構組成,該中央集中控制層包括PC系統平臺和集成化數控系統軟件;外圍分散執行層包括通過系統總線與該PC系統平臺連接的多個執行接口和由所說的執行接口連接的執行裝置;本發明具有性能優異、功能強大、可靠性高,結構簡單、制造容易、生產成本低、便于普及應用的優點,可廣泛應用于制造業、國防工業和國民經濟其他生產部門。
文檔編號G05B19/18GK1261693SQ00100550
公開日2000年8月2日 申請日期2000年1月25日 優先權日2000年1月25日
發明者周凱 申請人:清華大學