專利名稱：一種開放式數控系統的制作方法
技術領域：
一種開放式數控系統技術領域[0001]本實用新型涉及數控系統領域，具體應用于車間的生產管理。
背景技術：
[0002]開放式數控系統的主要目的是解決變化頻繁的需求與封閉控制系統之間的矛盾，從而建立一個統一的可重構的系統平臺，增強數控系統的柔性。[0003]目前開放式數控系統的主要的解決方案，多數是基于PC架構平臺的數控系統，主要是工控機和運動控制卡和PLC的組合模式。這種方式只要配置通用的工控主機和運動控制卡，人機交互面板，網絡接口等，即可構建出數控系統的硬件平臺。利用通用的操作系統和通用的軟件開發環境，即可快速的建立數控系統的軟件平臺。[0004]但是，這種模式在結構上和性能上都存在很大的局限性:[0005]1、成本高，由于采用的是通用的PC平臺，PC機中大部分的硬件模塊是數控系統中并不需要的，這樣就大大增加了數控系統的運行成本，也增加了設備的體積，無法針對運動控制系統的特點進行軟、硬件的剪裁，造成了系統硬件的極大浪費。在小型運動設備上，大都因成本過高而無法采用。[0006]2、可靠性差，通用PC架構由于采用的是通用的操作系統，系統運行時更多的是運行數控系統中不需要的服務軟件，這些任務不僅影響了系統的實時性，還容易造成系統運行的崩潰，增加了系統的維護成本。[0007]傳統的以單片機為控制核心的封閉式數控系統，本身被設計用于專用領域，軟硬件設置合理，能夠充分發揮系統的控制能力，滿足了低成本的需求，而且能夠直接訪問底層硬件，實時性好，系統的可靠性高。但是，一旦系統定型，用戶就很難進行原有功能的改進、監控、診斷和新功能的增加，無法適應當今制造業市場變化與競爭，也不能滿足現代制造業向信息化、敏捷制造模式發展的需要。實用新型內容[0008]為了彌補通用PC平臺的開放式數控系統成本高，可靠性差的缺點，本實用新型提供一種開放式數控系統。[0009]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:一種開放式數控系統，包括PC管理層，嵌入式智能終端交互層和硬件執行層；所述PC管理層包括計算機，所述嵌入式智能終端層包括至少一個嵌入式智能終端，所述硬件執行層包括運動控制模塊，IO控制模塊和模擬量控制模塊；[0010]上述的PC管理層和嵌入式智能終端交互層采用以太網連接，嵌入式智能終端交互層和硬件執行層采用CAN總線連接；[0011]上述運動控制模塊控制連接XYZU四軸伺服機構；上述IO控制模塊控制連接限位開關和電磁閥；上述模擬量模塊控制連接溫度、電流和電壓檢測裝置；[0012]上述的運動控制模塊，IO控制模塊和模擬量模塊均設置有實現CAN總線通訊功能的CAN總線結構和控制機構。[0013]進一步的是:上述的嵌入式智能終端包括ARMll核心模塊，該模塊采用ARMll架構的處理器S3C6410，主頻667MHz ；ARMlI核心模塊包含有FLASH，SRAMl和SRAM2 ;串口 O和串口 I和S3C6410的串口控制器相連；USB1和USB2和S3C6410的USB控制器相連；對用戶輸入事件響應的按鍵和觸摸輸入單元與ARMll核心模塊普通引腳相連；完成狀態顯示任務的IXD采用7寸屏，分辨率800x480，與S3C6410的顯示控制器相連；實現SD卡數據存儲功能的SD卡與S3C6410的SD總線控制器相連，實現與上位PC的網絡通訊功能的網絡RJ45與ARMll核心模塊的網絡控制器相連；實現與下位的CAN總線通訊任務的CAN接口與ARMll核心模塊的CAN總線控制器相連；[0014]上述嵌入式智能終端采用嵌入式操作系統LINUX和觸摸屏。[0015]進一步的是:上述硬件執行層包括ARM7模塊，該模塊內部設置ARM7處理器和運動控制芯片；[0016]ARM7模塊上連接有電源模塊，所述電源模塊采用用于實現電氣地與數字地隔離的DC5V-5V隔離電源芯片；ARM7模塊上還連接有實現ARM7處理器的復位，電壓檢測和掉電數據保存功能的外圍硬件；串口 O與ARM7處理器上的串口控制器相連；硬件執行層CAN接口和ARM7處理器上的CAN控制器相連；實現邏輯控制功能的IO控制單元與ARM7處理器的普通輸入輸出引腳相連；運動控制芯片通過ARM7處理器上地址和16位數據總線與處理器交互數據；4軸XYZU差分輸出模塊和4軸XYZU編碼器模塊與運動控制芯片相連。[0017]進一步的是:上述PC管理層安裝于車間的中央控制室或調度房，在計算機上安裝車間管理軟件；所述嵌入式智能終端安裝于具體的需要進行單機人機交互的機械設備的控制桌面上；所述運動控制模塊，IO控制模塊和模擬量模塊安裝于機械設備的控制電柜中。[0018]具體的:上述機械設備包括全自動點膠機、電腦花樣縫紉機或直角坐標機器人。[0019]進一步的是:上述PC管理層內的計算機安裝服務軟件，所述嵌入式智能終端層的嵌入式智能終端安裝人機界面軟件，所述硬件執行層內安裝有用于實現各控制模塊功能的執行軟件；[0020]上述的服務軟件包括車間管理軟件系統和遠程訪問軟件系統，上述的人機界面軟件包括智能終端軟件系統，上述的執行軟件包括運動模塊軟件系統，IO控制模塊軟件系統和模擬量模塊軟件系統。[0021]更進一步的是:上述智能終端軟件系統包括人員管理軟件，計劃管理軟件，數據庫管理軟件，仿真加工軟件，數控編程軟件和系統控制軟件；所述遠程訪問軟件系統包括系統升級軟件，遠程操作軟件和遠程監測軟件；[0022]所述智能終端軟件系統包括人機交互軟件，現場示教軟件，數控編程軟件，設備調試軟件，參數設置軟件和總線通訊軟件；[0023]所述運動模塊軟件系統包括總線通訊軟件，協議解析軟件，命令執行軟件，伺服控制軟件和硬件插補軟件；所述IO控制模塊軟件系統包括總線通訊軟件，輸入監測軟件和輸出控制軟件；所述模擬量模塊軟件系統包括總線通訊軟件，溫度檢測軟件，電流檢測軟件，電壓監測軟件和DA輸出軟件。[0024]本實用新型的有益效果是:[0025]1、小型化，系統采用嵌入式操作系統，能夠最大限度的降低整個數控系統體積，使的系統更易于安裝。[0026]2、開放化，由于系統采用了模塊化的設計，各個模塊都是基于CAN總線通訊的，易于擴展，易于網絡化操作，易于平臺無關化。[0027]3、利于二次開發，由于硬件上采用了觸摸屏，系統上采用了嵌入式的操作系統LINUX，通過提供設備驅動函數，用戶可以利用高級編程語言，去設計自己的功能界面。[0028]4、操作方便，能在線示教和使用G代碼編程，實時顯示運行狀態，參數都通過填表的方式輸入設置。[0029]5、遠程監控，融合了數控技術和網絡技術，實現了低成本的集群控制。[0030]綜上所述，本實用新型在用于車間管理時，由于避免了大量傳統PC的使用，使得整個數控系統的成本更低，與此同時還實現了更高的可靠性；整個數控系統的兼容性和可擴展性更強；能提高車間生產管理的效率。
[0031]圖1為本實用新型的硬件模塊圖；[0032]圖2為本實用新型的硬件單元結構圖。[0033]附圖標記說明:[0034]1-車間管理軟件，2-遠程訪問軟件，3-以太網，4-嵌入式智能軸端1，5_嵌入式智能終端η，6-CAN總線，7運動控制模塊，8-10控制模塊，9-模擬量模塊，16-網絡結構，17-網絡 RJ45,18-USB1, 19-串口 0，20-串口 1，21-USB2，22-S3C6410，23-FLASH，24-SRAM1, 25-SRAM2, 26-按鍵，27-觸摸輸入單元，28-LCD，29-SD 卡，30-CAN 接口，31-硬件執行層串口 0，32-硬件執行層CAN接口，33-CAN控制器，34-電源模塊，35-外圍硬件，36-10控制單元，37-運動控制芯片，38-4軸XYZU差分輸出單元，39-4軸XYZU編碼器單元。
具體實施方式
[0035]
以下結合附圖及實施例描述本實用新型具體實施方式
:[0036]圖1、圖2示出了本實用新型的具體實施方式
，如圖1所示，本實用新型一種開放式數控系統包括PC管理層，嵌入式智能終端交互層和硬件執行層；所述PC管理層包括計算機，所述嵌入式智能終端層包括至少一個嵌入式智能終端，所述硬件執行層包括運動控制模塊7，IO控制模塊8和模擬量控制模塊9 ；[0037]上述的PC管理層和嵌入式智能終端交互層采用以太網3連接，嵌入式智能終端交互層和硬件執行層采用CAN總線6連接。以上所述及以下所述的PC為常用于數控系統中的計算機；以上及以下所述的CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network)的簡稱；[0038]運動控制模塊7能夠實現運動控制固件，包括總線通訊，協議解析，命令執行，伺服控制，硬件插補等固件功能。[0039]IO控制模塊8能夠實現IO控制固件，包括總線通訊，輸入監測，輸出控制等固件功倉泛。[0040]模擬量模塊9能夠實現模擬控制固件，包括總線通訊，溫度檢測，電流檢測，電壓檢測，DA輸出等固件功能。[0041]本數控系統可以通過實際的管理服務需求開發應用程序，因與硬件無關化，所以應用程序具有較高的兼容性和擴展性。[0042]針對上述數控系統的硬件模塊結構，本數控系統包括有與其相應的軟件系統，具體的軟件功能結構如圖2所示，其中:上述PC管理層內的計算機安裝服務軟件，所述嵌入式智能終端層的嵌入式智能終端安裝人機界面軟件，所述硬件執行層內安裝有用于實現各控制模塊功能的執行軟件；[0043]上述的服務軟件包括車間管理軟件系統和遠程訪問軟件系統，上述的人機界面軟件包括智能終端軟件系統，上述的執行軟件包括運動模塊軟件系統，IO控制模塊軟件系統和模擬量模塊軟件系統。[0044]PC管理層主要為上層管理軟件，負責車間日常的管理，計劃的制定，工作調度，生產服務，技術指導，監督控制等，也可遠程進行程序升級，系統維護等工作。服務軟件如車間管理軟件系統I和遠程訪問軟件系統2等，生成具體的生產計劃，通過網絡下發到指定的智能終端上，用戶根據具體的生產任務，在智能終端上進行操作，可以進行現場示教，數控編程，設備調試，參數設置等操作，用戶的操作命令在智能終端上通過CAN總線下發到各執行模塊上，如運動控制模塊7，IO控制模塊8和模擬量模塊9等自定義模塊，各個模塊通過CAN總線實時通訊協議執行相應的命令，完成如電機啟停控制，插補運動，原點檢測，電磁閥輸出，電流電壓值監測等設備操作。[0045]上述的軟件系統中:智能終端軟件系統包括人員管理軟件，計劃管理軟件，數據庫管理軟件，仿真加工軟件，數控編程軟件和系統控制軟件；所述遠程訪問軟件系統包括系統升級軟件，遠程操作軟件和遠程監測軟件；[0046]所述智能終端軟件系統包括人機交互軟件，現場示教軟件，數控編程軟件，設備調試軟件，參數設置軟件和總線通訊軟件；[0047]所述運動模塊軟件系統包括總線通訊軟件，協議解析軟件，命令執行軟件，伺服控制軟件和硬件插補軟件；所述IO控制模塊軟件系統包括總線通訊軟件，輸入監測軟件和輸出控制軟件；所述模擬量模塊軟件系統包括總線通訊軟件，溫度檢測軟件，電流檢測軟件，電壓監測軟件和DA輸出軟件。[0048]上述運動控制模塊7控制連接XYZU四軸伺服機構；所述IO控制模塊控制8連接限位開關和電磁閥；所述模擬量模塊9控制連接溫度、電流和電壓檢測裝置。[0049]我們為圖1所示的數控系統設計出了一套具體的硬件單元:其中，嵌入式智能終端包括ARMll核心模塊，該模塊采用ARMll架構的處理器S3C6410，主頻667MHz ；ARM11核心模塊包含有FLASH，SRAMl和SRAM2 ；以上及以下所述的FLASH為閃存，SRAM為內存；串口O和串口 I和S3C6410的串口控制器相連；USB1和USB2和S3C6410的USB控制器相連；對用戶輸入事件響應的按鍵26和觸摸輸入單元27與ARMll核心模塊普通引腳相連；完成狀態顯示任務的IXD28采用7寸屏，分辨率800x480，與S3C6410的顯示控制器相連；實現SD卡數據存儲功能的SD卡與S3C6410的SD總線控制器相連，實現與上位PC的網絡通訊功能的網絡RJ45與ARMll核心模塊的網絡控制器相連；實現與下位的CAN總線通訊任務的CAN接口 30與ARMll核心模塊的CAN總線控制器相連；[0050]上述的IXD是指液晶顯示屏，當然也可以用LED顯示屏，不能將上述IXD的尺寸和分辨率限制成本實用新型必須的規格，LCD在本實用新型中主要為一種顯示設備，任何能實現與其類似的顯示功能的元器件都落在本實用新型的保護范圍之內；[0051]上述嵌入式智能終端采用嵌入式操作系統LINUX和觸摸屏；[0052]上述硬件執行層的具體硬件單元包括ARM7模塊，該模塊內部設置ARM7處理器和運動控制芯片37 ；[0053]ARM7模塊上連接有電源模塊34，所述電源模塊34采用用于實現電氣地與數字地隔離的DC5V-5V隔離電源芯片；ARM7模塊上還連接有實現ARM7處理器的復位，電壓檢測和掉電數據保存功能的外圍硬件35 ;串口 O與ARM7處理器上的串口控制器相連；硬件執行層CAN接口 32和ARM7處理器上的CAN控制器33相連；實現邏輯控制功能的IO控制單元36與ARM7處理器的普通輸入輸出引腳相連；運動控制芯片37通過ARM7處理器上地址和16位數據總線與處理器交互數據；4軸XYZU差分輸出模塊38和4軸XYZU編碼器模塊39與運動控制芯片37相連。[0054]本實用新型中，上述的運動控制模塊7，IO控制模塊8和模擬量模塊9均設置有實現CAN總線通訊功能的CAN總線結構和控制機構。可以根據實際應用情況,通過CAN總線進行模塊的擴展，經過簡單的配置即可實現多個運動軸和多點IO控制功能。[0055]上述PC管理層安裝于車間的中央控制室或調度房，在計算機上安裝車間管理軟件；所述嵌入式智能終端安裝于具體的需要進行單機人機交互的機械設備的控制桌面上；所述運動控制模塊7，IO控制模塊8和模擬量模塊9安裝于機械設備的控制電柜中。在車間管理的應用過程中，PC管理層主要安裝于車間的中央控制室或調度房，在普通PC機上安裝車間管理軟件系統1，嵌入式智能終端安裝于具體的需要單機人機交互的機械設備的控制桌面上，比如全自動點膠機、電腦花樣縫紉機或直角坐標機器人等設備，用于完成用戶現場編程，示教，調試，參數設置等功能。運動控制模塊7，IO控制模塊8和模擬量模塊9則安裝于機械設備的控制電柜中。運動控制模塊7主要完成機械設備上伺服電機的運動速度控制，位置控制和插補運動。IO控制模塊8主要完成設備上開關量傳感器的信號輸入和生產加工過程邏輯順序控制。模擬量模塊9主要完成模擬信號采集，檢測和上傳記錄，故障診斷等功能。[0056]管理者在中央控制室或調度房，通過車間管理軟件系統1，根據實際的工作內容，配置控制參數，選擇需要的嵌入式智能終端n，車間管理軟件系統I通過用戶的參數設置，生成G代碼加工程序和任務偽代碼，通過以太網3下發到嵌入式智能終端或嵌入式智能終端η上，并存儲在智能終端的SD卡29上，以便操作用戶選擇加工程序，進行工件加工。嵌入式智能終端應用嵌入式操作系統LINUX，采用C++等高級語言，根據需控制的機械設備的運動特征，定制用戶控制界面，參數設置界面和示教界面等，完成良好的人機交互功能。操作用戶根據管理用戶的指令，選擇要加工的工件，嵌入式智能終端將當前要加工的工件程序，通過CAN總線6，實時下發到運動控制模塊7，IO控制模塊8和模擬量模塊9，執行硬件模塊根據當前的運動和控制指令，解析CAN協議內容，執行相應的命令，輸出脈沖控制信號和方向信號，完成系統的工件加工程序，通過運動控制模塊7的編碼器接口，接收伺服驅動器或光柵尺的編碼器反饋，獲得伺服電機的當前運動位置，配合IO控制模塊8實現機械設備各個部件的加工工藝邏輯，完成工件加工的過程控制，模擬量模塊9將設備的電流或電壓等狀態信息通過CAN總線6實時上傳給嵌入式智能終端，供終端進行控制決策和故障診斷。[0057]每個運動控制模塊7可以實現4個伺服電機的控制。每個IO控制模塊8擁有16路光電隔離輸入，16路繼電器輸出。每個模擬量模塊9提供8路模擬信號采集O 10V，2路模擬輸出-10 10V。每個模塊都擁有CAN總線通訊功能，可以根據實際應用情況，通過CAN總線進行模塊的擴展，經過簡單的配置即可實現多個運動軸和多點IO控制功能。這樣可使用戶或設備制造商根據實際需要對數控軟件和硬件進行重組，實現對數控系統的定制，容易實現功能的變更和新功能的添加，實現快速的定制系統。[0058]上面結合附圖對本實用新型優選實施方式作了詳細說明，但是本實用新型不限于上述實施方式，一切以本實用新型的思想為基礎進行的在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內的改進都落在本實用新型的保護范圍內。[0059]不脫離本實用新型的構思和范圍可以做出許多其他改變和改型。應當理解，本實用新型不限于特定的實施方式，本實用新型的范圍由所附權利要求限定。
權利要求1.一種開放式數控系統，其特征在于:包括PC管理層，嵌入式智能終端交互層和硬件執行層；所述PC管理層包括計算機，所述嵌入式智能終端層包括至少一個嵌入式智能終端，所述硬件執行層包括運動控制模塊(7)，IO控制模塊(8)和模擬量控制模塊(9)； 上述的PC管理層和嵌入式智能終端交互層采用以太網(3)連接，嵌入式智能終端交互層和硬件執行層采用CAN總線(6)連接； 上述運動控制模塊(7)控制連接XYZU四軸伺服機構；上述IO控制模塊控制(8)連接限位開關和電磁閥；上述模擬量模塊(9)控制連接溫度、電流和電壓檢測裝置； 上述的運動控制模塊(7)，IO控制模塊(8)和模擬量模塊(9)均設置有實現CAN總線通訊功能的CAN總線結構和控制機構。
2.如權利要求1所述的一種開放式數控系統，其特征在于:所述的嵌入式智能終端包括ARMl I核心模塊，該模塊采用ARMll架構的處理器S3C6410(22)，主頻667MHz ;ARM11核心模塊包含有 FLASH (23), SRAMl (24)和 SRAM2 (25);串口 O (19)和串口 I (20)和 S3C6410(22)的串口控制器相連；USBl (18)和USB2 (21)和S3C6410 (22)的USB控制器相連；對用戶輸入事件響應的按鍵(26)和觸摸輸入單元(27)與ARMll核心模塊普通引腳相連；完成狀態顯示任務的LCD (28)采用7寸屏，分辨率800x480，與S3C6410 (22)的顯示控制器相連；實現SD卡數據存儲功能的SD卡(29)與S3C6410 (22)的SD總線控制器相連，實現與上位PC的網絡通訊功能的網絡RJ45(17)與ARMll核心模塊的網絡控制器相連；實現與下位的CAN總線通訊任務的CAN接口(30)與ARMll核心模塊的CAN總線控制器相連； 上述嵌入式智能終端采用嵌入式操作系統LINUX和觸摸屏。
3.如權利要求1或2所述的一種開放式數控系統，其特征在于:所述硬件執行層包括ARM7模塊，該模塊內部設置ARM7處理器和運動控制芯片(37)； ARM7模塊上連接有電源模塊(34)，所述電源模塊(34)采用用于實現電氣地與數字地隔離的DC5V-5V隔離電源芯片；ARM7模塊上還連接有實現ARM7處理器的復位，電壓檢測和掉電數據保存功能的外圍硬件(35);串口 O (31)與ARM7處理器上的串口控制器相連；硬件執行層CAN接口(32)和ARM7處理器上的CAN控制器(33)相連；實現邏輯控制功能的IO控制單元(36)與ARM7處理器的普通輸入輸出引腳相連；運動控制芯片(37)通過ARM7處理器上地址和16位數據總線與處理器交互數據；4軸XYZU差分輸出模塊(38)和4軸XYZU編碼器模塊(39)與運動控制芯片(37)相連。
4.如權利要求1所述的一種開放式數控系統，其特征在于:所述PC管理層安裝于車間的中央控制室或調度房，在計算機上安裝車間管理軟件；所述嵌入式智能終端安裝于具體的需要進行單機人機交互的機械設備的控制桌面上；所述運動控制模塊(7)，IO控制模塊(8)和模擬量模塊(9)安裝于機械設備的控制電柜中。
5.如權利要求4所述的一種開放式數控系統，其特征在于:所述機械設備包括全自動點膠機、電腦花樣縫紉機或直角坐標機器人。
專利摘要本實用新型公開了一種開放式數控系統，其解決了通用PC平臺的開放式數控系統成本高，可靠性差的缺點。本實用新型包括PC管理層，嵌入式智能終端交互層和硬件執行層；所述PC管理層包括計算機，所述嵌入式智能終端層包括至少一個嵌入式智能終端，所述硬件執行層包括運動控制模塊，IO控制模塊和模擬量控制模塊；PC管理層和嵌入式智能終端交互層采用以太網連接，嵌入式智能終端交互層和硬件執行層采用CAN總線連接；上述運動控制模塊控制連接XYZU四軸伺服機構；上述IO控制模塊控制連接限位開關和電磁閥；上述模擬量模塊控制連接溫度、電流和電壓檢測裝置；上述的運動控制模塊，IO控制模塊和模擬量模塊均設置有實現CAN總線通訊功能的CAN總線結構和控制機構。
文檔編號G05B19/18GK203025527SQ20122061624
公開日2013年6月26日 申請日期2012年11月20日 優先權日2012年11月20日
發明者莊源昌, 鄭派, 張飛, 王斌 申請人:常州數控技術研究所