專利名稱：數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控切割機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)主要分成兩大類基于PC機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)和基于單片微機(jī)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)。基于PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，在通用PC機(jī)的基礎(chǔ)上，采用專用運(yùn)動控制卡對電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制。該運(yùn)動控制卡中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動控制算法，而且還給外界提供了一些應(yīng)用接口。但是，此類數(shù)控系統(tǒng)目前主要存在 的不足是(1)由于PC機(jī)的體積限制，此類數(shù)控系統(tǒng)不能裝入體積嚴(yán)格要求的微型或小型系統(tǒng)內(nèi)；且需要計算機(jī)和運(yùn)動控制卡的捆綁銷售，造成資源浪費(fèi)和成本的提高；(2)此類數(shù)控系統(tǒng)通常采用Windows操作系統(tǒng)，由于其自身的不穩(wěn)定性，會造成整個控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定；且采用專用的運(yùn)動控制卡，會造成硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的整體可靠性的降低；而Windows屬于商業(yè)軟件，由于版權(quán)問題無疑會提高數(shù)控系統(tǒng)的成本，且易受商用PC及病毒的侵?jǐn)_；(3)采用專用運(yùn)動控制芯片來完成實(shí)時采樣插補(bǔ)，但是采用專用芯片的系統(tǒng)散熱差、系統(tǒng)的算法固定、不易維護(hù)、無法進(jìn)行算法的升級與更新；(4)同時該類系統(tǒng)主要基于Windows操作系統(tǒng)，目前最常用的Windows操作系統(tǒng)是多線程、搶先多任務(wù)的32位操作系統(tǒng)，實(shí)時性比較差。而實(shí)時控制又是數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，它決定了數(shù)控機(jī)床的加工速度和加工精度?；趩纹C(jī)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)，采用微機(jī)芯片直接對電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制，它沒有運(yùn)動控制卡，由微機(jī)芯片直接和電機(jī)驅(qū)動器、繼電器驅(qū)動板和機(jī)床限位開關(guān)連接，完成所有的電機(jī)控制任務(wù)和輸入輸出口的讀寫任務(wù)，這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)由軟件實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算。這種封閉式的結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成本極高，開發(fā)周期很長，升級困難，并且此類數(shù)控系統(tǒng)由于運(yùn)算能力差、并行處理能力弱、功能少，已不能滿足加工的要求。目前市場上的這兩類數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)均存在著可維護(hù)性差、開發(fā)周期長、二次升級困難、可靠性差、實(shí)時性不夠等問題。在科技飛速發(fā)展的今天，新技術(shù)與新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌，技術(shù)的更新周期大大加快，這兩類數(shù)控系統(tǒng)的生命周期必會縮短，給用戶帶來極大的技術(shù)風(fēng)險和損失。綜上，現(xiàn)有數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)主要存在問題如下(I)、沒有掉電保護(hù)功能。(2)、抗干擾能力差?，F(xiàn)有數(shù)控切割系統(tǒng)主要用于火焰切割，其干擾源相對較少，所以其抗干擾措施較差。目前市場需求越來越傾向于等離子切割，尤其是大功率的等離子切割時，主要表現(xiàn)出黑屏、斷弧、亂跑等現(xiàn)象。(3)、實(shí)時性差。Windows操作系統(tǒng)是多線程、搶先多任務(wù)的32位操作系統(tǒng)，實(shí)時性比較差；而單片微機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度很慢，因此目前的數(shù)控切割系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有市場的實(shí)時要求，尤其體現(xiàn)在等離子切割時，掛渣很多.......(4)可靠性差。自動加減速過程中，實(shí)際插補(bǔ)輸出的位置可能不準(zhǔn)確。目前的數(shù)控切割系統(tǒng)在處理自動加減速時，主要采用的是后加減速控制，即加減速控制放在插補(bǔ)之后，其原理是首先調(diào)用插補(bǔ)模塊，經(jīng)該模塊利用加工程序指令所給定的進(jìn)給速度對加工軌跡進(jìn)行相關(guān)處理后，得到當(dāng)前插補(bǔ)周期的合成進(jìn)給量，然后將合成進(jìn)給量分配到各軸，最后各軸獨(dú)立調(diào)用加減速控制模塊實(shí)現(xiàn)加減速控制。由于它對各運(yùn)動坐標(biāo)軸分別進(jìn)行控制，所以在加減速控制以后，實(shí)際各坐標(biāo)軸的合成位置可能不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)抗干擾能力差、實(shí)時性差、以及可靠性差的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于ARM和i! C/0S-II操作平臺的數(shù)控系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下一種數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，包括一系統(tǒng)總線，還包括連接在所述系統(tǒng)總線上的ARM微處理器、存儲器、CPLD模塊、以及FPGA模塊；所述FPGA模塊通過數(shù)字積分法對數(shù)控切 割機(jī)各軸進(jìn)行精插補(bǔ)；在所述ARM微處理器中安裝有嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)yC/OS-II ;在所述CPLD模塊和FPGA模塊的輸入輸出端上連接有一輸入輸出模塊,所述輸入輸出模塊通過光電隔離后將控制信號傳輸給外圍設(shè)備、以及將外圍設(shè)備的反饋信號通過光電隔離后采集入系統(tǒng)；在所述ARM微處理器中還設(shè)置有一加減速控制模塊，所述加減速控制模塊在給數(shù)控切割機(jī)各個軸進(jìn)行插補(bǔ)之前完成加減速控制。所述數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，所述輸入輸出模塊包括低速輸出隔離模塊、功率放大模塊、低速輸入隔離模塊、單端-差分轉(zhuǎn)換模塊、以及差分-單端轉(zhuǎn)換模塊；所述低速輸出隔離模塊的輸入端與所述CPLD模塊連接，所述低速輸出隔離模塊的輸出端與所述功率放大模塊的輸入端連接；所述低速輸入隔離模塊、單端-差分轉(zhuǎn)換模塊、以及差分-單端轉(zhuǎn)換模塊連接在所述FPGA模塊上。所述數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，所述存儲器EPROM存儲器、SDRAM存儲器、NAND-Flash存儲器；所述EPROM存儲器用于存儲系統(tǒng)程序；所述SDRAM存儲器用于存儲系統(tǒng)運(yùn)行時的程序和數(shù)據(jù)；所述NAND-Flash存儲器用于存儲用戶的數(shù)控加工數(shù)據(jù)。所述數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高本發(fā)明的可靠性，本發(fā)明采取了斷電保護(hù)措施，在所述總線上還連接有一 SRAM存儲器，所述SRAM上還連接有備用電池；在該系統(tǒng)中還設(shè)置有一掉電保護(hù)電路，所述掉電保護(hù)電路監(jiān)測到系統(tǒng)主電源斷電后自動切換所述備用電池給所述SRAM存儲器供電。本發(fā)明通過SRAM+掉電保護(hù)電路方式實(shí)現(xiàn)突然突然掉電時保存實(shí)時數(shù)據(jù)的功能。所述數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高本發(fā)明的實(shí)時性，在所述FPGA內(nèi)設(shè)置有一級緩存。也就是當(dāng)FPGA在按照CPU給定的數(shù)據(jù)發(fā)送脈沖的時候，CPU可以向FPGA寫入下一次要發(fā)送的脈沖的數(shù)據(jù)，這樣，當(dāng)FPGA發(fā)送完本次的數(shù)據(jù)后可以立即開始發(fā)送下一個數(shù)據(jù)，可以做到絕對的實(shí)時。所述數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，為了進(jìn)一步方便操作與提高實(shí)用性，在所述ARM上還連接便于人機(jī)交互的鍵盤、指示燈、液晶顯示器、JTAG接口、以及RS-232串行接口。所述數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，為了進(jìn)一步方便操作與提高實(shí)用性，在所述總線上還連接有一 USB接口。本發(fā)明，通過嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)UC/0S-II保證了任務(wù)響應(yīng)的實(shí)時性，在所述FPGA模塊通過數(shù)字積分法對數(shù)控切割機(jī)各軸進(jìn)行精插補(bǔ)保證了運(yùn)動控制的實(shí)時性。
本發(fā)明，在所述CPLD模塊和FPGA模塊的輸入輸出端上連接有一輸入輸出模塊,所述輸入輸出模塊通過光電隔離后將控制信號傳輸給外圍設(shè)備、以及將外圍設(shè)備的反饋信號通過光電隔離后采集入系統(tǒng)，以抑制各種尖脈沖和各種噪音干擾，從而提供本發(fā)明的抗干擾能力。本發(fā)明，在所述ARM微處理器中還設(shè)置有一加減速控制模塊，所述加減速控制模塊在給數(shù)控切割機(jī)各個軸進(jìn)行插補(bǔ)之前完成加減速控制。采用前加減速控制，即加減速控制放在插補(bǔ)之前，其原理是首先調(diào)用加減速控制模塊，由該模塊根據(jù)加減速控制曲線及加工程序指令所給定的進(jìn)給速度對加工軌跡進(jìn)行加減速控制，得到當(dāng)前插補(bǔ)周期的合成進(jìn)給速度，然后調(diào)用插補(bǔ)模塊根據(jù)合成速度進(jìn)行相關(guān)處理，得到當(dāng)前插補(bǔ)周期的合成進(jìn)給量，最后把合成進(jìn)給量分配到各軸。因此，本發(fā)明的可靠性更高。本發(fā)明采用基于ARM和y C/0S-II的嵌入式系統(tǒng)大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計，使得系統(tǒng)很好地進(jìn)行多任務(wù)處理，并保證了運(yùn)動控制的實(shí)時性、穩(wěn)定性和精度要求，提高了集成度和可靠性。同時也具備了良好的開放性與人機(jī)界面，便于二次升級，大大縮短了開發(fā)周期。嵌入式系統(tǒng)為數(shù)控技術(shù)提供了一種靈活方便的，能夠嵌入在工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部，在工業(yè)極端環(huán)境 里能夠長期穩(wěn)定可靠工作的微小型、廉價的控制系統(tǒng)。


此

所提供的圖片用來輔助對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明的輸入輸出模塊框圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方法來詳細(xì)說明本發(fā)明，在本發(fā)明的示意性實(shí)施及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。實(shí)施例I :本發(fā)明公開了一種數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)分為如下幾大模塊:ARM處理器模塊、存儲器模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊、通信接口模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、CPLD/FPGA模塊和輸入輸出模塊。其中，ARM處理器是系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)運(yùn)行數(shù)控系統(tǒng)控制軟件。存儲器模塊用于存儲程序和數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的存儲器包括EPROM、SDRAM、SRAM和NAND-Flash，其中，EPROM用于存儲系統(tǒng)程序；SDRAM用于存儲系統(tǒng)運(yùn)行時的程序與數(shù)據(jù)；SRAM用于存儲突然掉電時的重要實(shí)時數(shù)據(jù)；NAND-Flash用于存儲用戶的數(shù)控加工程序。具體如圖I 所示，ARM 處理器、EPROM、SDRAM、SRAM、NAND-Flash, CPLD, FPGA,以及USB接口都連接在總線上，鍵盤及指示燈、液晶顯示器、JTAG接口、RS-232串行接口、以及D/A轉(zhuǎn)換模塊都連接在ARM微處理器上，CPLD與FPGA之間相互傳輸配置信號,輸入輸出模塊連接在CPLD與FPGA上，在CPLD上還連接有一 EPR0M。如圖2所示，所述輸入輸出模塊包括低速輸出隔離模塊、功率放大模塊、低速輸入隔離模塊、單端-差分轉(zhuǎn)換模塊、以及差分-單端轉(zhuǎn)換模塊，所述低速輸出隔離模塊的輸入端與所述CPLD模塊連接，所述低速輸出隔離模塊的輸出端與所述功率放大模塊的輸入端連接，所述低速輸入隔離模塊、單端-差分轉(zhuǎn)換模塊、以及差分-單端轉(zhuǎn)換模塊連接在所述FPGA模塊上。為了實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)，本發(fā)明采用SRAM+掉電保護(hù)電路方式實(shí)現(xiàn)突然掉電時保存重要實(shí)時數(shù)據(jù)的功能。掉電保護(hù)系統(tǒng)由低功耗的CM0S-RAM、供電電路及控制電路組成。供電電路保證系統(tǒng)正常時由電源給SRAM供電，掉電時自動轉(zhuǎn)換到由備用電池給SRAM供電，這里采用微處理器監(jiān)控器專用芯片實(shí)現(xiàn)掉電時的備用電池供電切換；控制電路保證在電源供電時SRAM正常讀寫，電池供電時SRAM處于保護(hù)狀態(tài)，并防止系統(tǒng)上電/掉電過程中的瞬間干擾信號對RAM芯片的寫入而改變RAM中的數(shù)據(jù)。本方案利用備用電池就將數(shù)據(jù)存儲在SRAM中，既具有RAM的高速寫入、寫入次數(shù)無限制的特點(diǎn)，又能像ROM那樣長時間保存數(shù)據(jù)。為了提高抗干擾能力，本發(fā)明將低速開關(guān)量信號，采用光電隔離的方式，即一方面將輸出的控制信號通過光電隔離后驅(qū)動外圍設(shè)備，另一方面將外圍器件的反饋信號通過光電隔離后米集進(jìn)來；高速信號，如電機(jī)伺服信號，米用差分輸入/輸出方式。其輸入輸出模 塊框圖如圖2所示。其中，光電耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效的抑制尖脈沖和各種噪音干擾，從而使過程通道上的信噪比大為提高，既可以在內(nèi)、外部電路之間進(jìn)行信號傳輸，同時能有效的抑制外部的干擾信號進(jìn)入到內(nèi)部電路中。而差分信號比單端信號能有效的抵消干擾源產(chǎn)生的影響。為了提高實(shí)時性，本發(fā)明采用UC/OS II實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務(wù)管理，采用基于占先式的實(shí)時內(nèi)核，可以把任務(wù)的調(diào)度時間控制在毫秒級內(nèi)。yC/OS II實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)采用占先式內(nèi)核進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，總能得到CPU的控制權(quán)，從而保證了任務(wù)響應(yīng)的實(shí)時性。同時，在FPGA模塊中實(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)，保證運(yùn)動控制的實(shí)時性。精插補(bǔ)采用數(shù)字積分法，其易于用硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算，可以在FPGA模塊中實(shí)現(xiàn)，而不占用CPU資源。在FPGA內(nèi)部添加一級緩沖，也就是當(dāng)FPGA在按照CPU給定的數(shù)據(jù)發(fā)送脈沖的時候，CPU可以向FPGA寫入下一次要發(fā)送的脈沖的數(shù)據(jù)，這樣，當(dāng)FPGA發(fā)送完本次的數(shù)據(jù)后可以立即開始發(fā)送下一個數(shù)據(jù)，可以做到絕對的實(shí)時。為了進(jìn)一步提高可靠性，本發(fā)明采用前加減速控制，即加減速控制放在插補(bǔ)之前，其原理是首先調(diào)用加減速控制模塊，由該模塊根據(jù)加減速控制曲線及加工程序指令所給定的進(jìn)給速度對加工軌跡進(jìn)行加減速控制，得到當(dāng)前插補(bǔ)周期的合成進(jìn)給速度，然后調(diào)用插補(bǔ)模塊根據(jù)合成速度進(jìn)行相關(guān)處理，得到當(dāng)前插補(bǔ)周期的合成進(jìn)給量，最后把合成進(jìn)給量分配到各軸。前加減速控制的優(yōu)點(diǎn)是由于僅對合成進(jìn)給速度進(jìn)行控制，因此，它不會影響實(shí)際插補(bǔ)輸出的位置精度。本發(fā)明采用基于ARM和y C/0S-II的嵌入式系統(tǒng)大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計，使得系統(tǒng)很好地進(jìn)行多任務(wù)處理，并保證了運(yùn)動控制的實(shí)時性、穩(wěn)定性和精度要求，提高了集成度和可靠性。同時也具備了良好的開放性與人機(jī)界面，便于二次升級，大大縮短了開發(fā)周期。嵌入式系統(tǒng)為數(shù)控技術(shù)提供了一種靈活方便的，能夠嵌入在工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部，在工業(yè)極端環(huán)境里能夠長期穩(wěn)定可靠工作的微小型、廉價的控制系統(tǒng)。以上對本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以上實(shí)施例的說明只適用于幫助理解本發(fā)明實(shí)施例的原理；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在具體實(shí)施方式
以及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，包括一系統(tǒng)總線，其特征在于 還包括連接在所述系統(tǒng)總線上的ARM微處理器、存儲器、CPLD模塊、以及FPGA模塊； 所述FPGA模塊通過數(shù)字積分法對數(shù)控切割機(jī)各軸進(jìn)行精插補(bǔ)； 在所述ARM微處理器中安裝有嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)iiC/OS-II ； 在所述CPLD模塊和FPGA模塊的輸入輸出端上連接有一輸入輸出模塊,所述輸入輸出模塊通過光電隔離后將控制信號傳輸給外圍設(shè)備、以及將外圍設(shè)備的反饋信號通過光電隔尚后米集入系統(tǒng)； 在所述ARM微處理器中還設(shè)置有一加減速控制模塊，所述加減速控制模塊在給數(shù)控切割機(jī)各個軸進(jìn)行插補(bǔ)之前完成加減速控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于 所述輸入輸出模塊包括低速輸出隔離模塊、功率放大模塊、低速輸入隔離模塊、單端-差分轉(zhuǎn)換模塊、以及差分-單端轉(zhuǎn)換模塊； 所述低速輸出隔離模塊的輸入端與所述CPLD模塊連接，所述低速輸出隔離模塊的輸出端與所述功率放大模塊的輸入端連接； 所述低速輸入隔離模塊、單端-差分轉(zhuǎn)換模塊、以及差分-單端轉(zhuǎn)換模塊連接在所述FPGA模塊上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于 所述存儲器EPROM存儲器、SDRAM存儲器、NAND-Flash存儲器； 所述EPROM存儲器用于存儲系統(tǒng)程序； 所述SDRAM存儲器用于存儲系統(tǒng)運(yùn)行時的程序和數(shù)據(jù)； 所述NAND-Flash存儲器用于存儲用戶的數(shù)控加工數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于 在所述總線上還連接有一 SRAM存儲器，所述SRAM上還連接有備用電池； 在該系統(tǒng)中還設(shè)置有一掉電保護(hù)電路，所述掉電保護(hù)電路監(jiān)測到系統(tǒng)主 電源掉電后自動切換所述備用電池給所述SRAM存儲器供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于 在所述FPGA內(nèi)設(shè)置有一級緩存。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于 在所述ARM上還連接便于人機(jī)交互的鍵盤、指示燈、液晶顯示器、JTAG接口、以及RS-232串行接口。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于 在所述總線上還連接有一 USB接口。
全文摘要
本發(fā)明屬于數(shù)控切割機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)。本發(fā)明包括ARM處理器模塊、存儲器模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊、通信接口模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、CPLD/FPGA模塊和輸入輸出模塊。本發(fā)明采用基于ARM處理器和μC/OS-II的嵌入式系統(tǒng)，提高了數(shù)控切割機(jī)的實(shí)時性、穩(wěn)定性、以及可靠性。
文檔編號G05B19/18GK102749883SQ20111011267
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者蔡紅娟 申請人:武漢奧特先鋒數(shù)控技術(shù)有限公司