專利名稱：一種用于多軸數(shù)控機床的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機械制造領(lǐng)域，特別涉及一種可用于多軸數(shù)控機床的計算機數(shù)字控制系統(tǒng)(CNC數(shù)控系統(tǒng))。
背景技術(shù)：
數(shù)字控制是用數(shù)字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種方法。計算機數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)，在國內(nèi)外受到普遍的重視，發(fā)展較快。本發(fā)明的多軸數(shù)控系統(tǒng)，是指能夠滿足車、銑、車銑復(fù)合、鉆等加工工藝，可控制六個軸，任意多軸(最多到六軸)聯(lián)動的復(fù)合加工設(shè)備的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM9核系列的S3C2440A為核心，具有總體性能穩(wěn)定，開發(fā)成本低，實時性強，符合開放式系統(tǒng)的發(fā)展方向的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
系統(tǒng)以S3C2440A為控制核心，采用雙CPU結(jié)構(gòu)，并擴展外圍電路，實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。其中，嵌入式系統(tǒng)硬件是嵌入式系統(tǒng)軟件環(huán)境運行的前提，它提供了嵌入式軟件運行的物理平臺和通信接口。系統(tǒng)的硬件平臺主要是由ARM最小系統(tǒng)、人機交互模塊、通信模塊、I/O模塊、伺服模塊等組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如附圖
I所示。其中ARM最小系統(tǒng)是整個數(shù)控系統(tǒng)的控制核心，周圍的擴展模塊都是基于這個部分而設(shè)計的；通信模塊負責(zé)系統(tǒng)核心板與上位機、U盤等外界設(shè)備的通訊；人機交互模塊包括液晶顯示器、鍵盤和手輪，完成加工過程中人機交互功能；隔離和轉(zhuǎn)換模塊能夠保證信號正常的傳輸；1/0模塊實現(xiàn)核心板與機床之間的信號傳遞，包括刀具定位信息、機床零點信息，限位信息及切削液開關(guān)等。插補運算在加工過程中占有重要地位，為減小ARM微處理器運行負荷，保證插補精度和插補速度，系統(tǒng)采用雙CPU方式，主控部分計算粗插補，然后將插補數(shù)據(jù)傳給從CPU，從CPU只負責(zé)精插補運算,快速移動可達12000mm/min,滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)采用雙CPU模式，主控制器完成數(shù)控程序的輸入、編輯、通訊、鍵盤響應(yīng)、IXD顯示、程序解釋、粗插補等主要功能，從CPU只負責(zé)精插補運算，使主控制器能夠在運動過程中，有時間響應(yīng)鍵盤輸入、LCD顯示、程序預(yù)讀、解釋、粗插補等工作。為節(jié)省通訊時間，主、從CPU之間的數(shù)據(jù)通訊采用并口方式。從CPU采用低成本的8位機即可滿足插補運算要求。為了加快數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本系統(tǒng)采用了核心板加擴展板的設(shè)計思想，利用核心板提供的接口擴展數(shù)控系統(tǒng)所需要的其它模塊。核心板包含ARM9的最小系統(tǒng)，主要完成系統(tǒng)啟動、RAM/R0M擴展、初始化等工作。包括時鐘系統(tǒng)、調(diào)試測試接口、供電系統(tǒng)、存儲器和復(fù)位系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)如附圖2所示。ARM核心板集成了 S3C2440A、SDRAM、NandFlash、晶振、電源系統(tǒng)等。通過200引腳的插卡式連接器與擴展板相連。在總共200條接口線里面，包含有電源線、地線、用戶擴展可能要用到的地址線、數(shù)據(jù)線等。人機交互模塊
本系統(tǒng)人機交互模塊主要包括IXD液晶顯示器、鍵盤和手輪。數(shù)控系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)通過IXD顯示，例如NC代碼的輸入/編輯顯示、運行程序顯示以及一些機床運轉(zhuǎn)狀態(tài)顯示等；鍵盤主要完成代碼輸入，機床主軸正反轉(zhuǎn)、急停等特殊按鍵功能；手輪主要用于加工過程中快速移動等人機交互功能。在機床人機交互模塊中，IXD液晶顯示器是不可缺少的重要部分，核心微處理器S3C2440A具有內(nèi)置的IXD控制器，可提供控制IXD的全部信號。本系統(tǒng)中，IXD顯示屏可配接8時彩色屏，尺寸較大，顯示內(nèi)容豐富。鍵盤采用8 X 8矩陣形式，工作于循環(huán)掃描方式，配上一個I/O線，可擴展鍵盤數(shù)量至128個鍵，完全滿足數(shù)控系統(tǒng)按鍵的要求。手輪與系統(tǒng)的接口，采用差分方式輸入，可判斷手輪轉(zhuǎn)動方向，并配有倍率選擇開關(guān)，滿足調(diào)試或手動加工的需要。
通信模塊 通信模塊主要是指串行接口、網(wǎng)絡(luò)接口和USB接口，通過網(wǎng)絡(luò)接口進行網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)的上傳下載；通過USB接口讀取U盤信息，實現(xiàn)機床與外界存儲設(shè)備的通訊。其中串行接口采用電子工業(yè)協(xié)會推薦的RS-485標(biāo)準，傳輸距離遠，誤差小。伺服模塊伺服模塊主要接受控制模塊發(fā)出的電動機伺服控制信號，如進給脈沖和方向信號等，通過驅(qū)動電路，進行電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的精確控制，驅(qū)動伺服電動機，實現(xiàn)多軸聯(lián)動的軌跡控制。若要實現(xiàn)多軸聯(lián)動，控制部分和伺服電機之間需要相應(yīng)的接口電路，保證信號的正常傳輸。本系統(tǒng)伺服模塊設(shè)計主要包括強電弱電隔離、差分電路和D/A轉(zhuǎn)換模塊。差分輸出電路。系統(tǒng)與驅(qū)動器之間由于傳輸距離、工作環(huán)境的影響，需要對接口電路專門設(shè)計以提高信號的驅(qū)動能力和抗干擾能力。差分信號具有高速度、低噪聲、低功耗、低電磁干擾、低成本等方面的優(yōu)勢，所以本系統(tǒng)在進給信號接口將控制信號進行差分處理以后再進行傳輸。D/A轉(zhuǎn)換模塊。通過微處理器S3C2440A自身的PWM脈寬調(diào)制定時器可產(chǎn)生脈沖信號，進而實現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速的控制。D/A模塊的作用就是將處理器產(chǎn)生的脈沖信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過模擬量實現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速的控制。輸入輸出模塊輸入輸出模塊，主要用于數(shù)控系統(tǒng)與機床之間的信息傳替，包括主軸的正、反轉(zhuǎn)、起動與停止，刀位轉(zhuǎn)動指令與刀位信息，機床坐標(biāo)零點信息、限位信息，冷卻液開關(guān)等。通過光電隔離、數(shù)據(jù)鎖存器與主控制器數(shù)據(jù)總線相連。本發(fā)明的優(yōu)點在于采用雙CPU結(jié)構(gòu)形式，主控制器采用32位的ARM9內(nèi)核的處理器，可以實現(xiàn)數(shù)控操作所需要的大部分功能，極大地減小了總體芯片的面積以及系統(tǒng)的復(fù)雜程度。從CPU主要負責(zé)精插補的工作，可采用低成本的8位CPU，使總的硬件成本降低。能控制6個司服軸，并可實現(xiàn)多軸聯(lián)動功能。在要求快移速度和加工速度適中的經(jīng)濟型數(shù)控機床領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。說明書附圖
圖I為系統(tǒng)組成原理框圖；圖2為核心板基本結(jié)構(gòu)框圖；圖3為系統(tǒng)與外設(shè)接口示意圖。圖面說明I、編碼器接口 2、手輪接口 3、鍵盤接口 4、1/0接口 5、主CPU6、模擬量輸出接口 7、RS485通訊接口 8、液晶屏顯示接口 9、從CPU10、伺服驅(qū)動接口
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)明做詳細說明。本系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，并擴展了外圍電路，可實現(xiàn)對多軸數(shù)控機床的控制。主 CPU(5)是控制核心，它接收外圍電路的各種輸入信息，經(jīng)分析處理去控制不同的對象。數(shù)控程序可以從鍵盤(3)輸入，輸入結(jié)果可顯示在顯示屏(8)上，可對數(shù)控程序進行修改、校正，還可通過RS485(7)接口，從其它計算機傳輸數(shù)控程序。數(shù)控程序執(zhí)行后，主CPU(5)解釋程序，并將部分顯示結(jié)果發(fā)送到液晶顯示屏(8)上，根據(jù)插補算法，將粗插補結(jié)果發(fā)送到從CPU (9)上，從CPU (9)進行精插補計算，并通過伺服驅(qū)動接口(10)電路驅(qū)動電機帶動各個坐標(biāo)軸按插補結(jié)果進行運動，并將插補結(jié)果顯示到液晶顯示屏(8)上。系統(tǒng)還可通過模擬量輸出接口(6)輸出3路模擬信號，可以控制3路模擬主軸。程序在運行過程中，可通過鍵盤(3)進行適當(dāng)?shù)母深A(yù)，如程序暫停、急停、進給速度調(diào)節(jié)等。編碼器接口(I)主要用來接收主軸旋轉(zhuǎn)信息，便于螺紋切削。在程序運行之前，如需對刀，可通過手輪接口(2)進行對刀，以便確定工件坐標(biāo)系OI/O接口(4)主要用于機床限位信息的采集、輔助功能的實現(xiàn)，如機床X、Y、Z等坐標(biāo)的極限位置、冷卻液的開關(guān)、主軸的啟停等功能的實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種可用于多軸數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)。其特征在于，采用“雙CPU架構(gòu)”的設(shè)計結(jié)構(gòu)，以三星ARM9系列S3C2440A微處理器為控制核心，完成數(shù)控程序的輸入、鍵盤輸入、IXD顯示、程序的解釋、粗插補等主要功能；從CPU采用STC12C54芯片，為輔助設(shè)備，其接收主控中心發(fā)出的信號，通過進一步運算實現(xiàn)精插補功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可用于多軸數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于，可實現(xiàn)多軸聯(lián)動功能，可實現(xiàn)三軸、四軸、五軸、六軸聯(lián)動功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的可用于多軸數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于，具有3路模擬量輸出功能，可控制三個模擬主軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的可用于多軸數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于，具有16入、16出的I/O接口功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可用于多軸數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于，具有直線、圓弧插補功能，能實現(xiàn)最快移動速度不低于12000mm/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可用于多軸數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于，可接8吋彩色液晶顯示屏，顯示加工過程信息豐富。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可用于多軸數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了“雙CPU架構(gòu)”的設(shè)計思想，以三星ARM9系列S3C2440A微處理器為控制核心，完成數(shù)控程序的輸入、鍵盤輸入、LCD顯示、程序的解釋、粗插補等主要功能；從CPU為輔助設(shè)備，接收主控中心發(fā)出的信號，實現(xiàn)精插補功能；同時，系統(tǒng)擴展了人機交互模塊、通訊模塊、伺服模塊、輸入輸出模塊等。系統(tǒng)可控制六軸，具有最多達六軸聯(lián)動的功能；具有3路模擬量輸出功能，可控制三個模擬主軸；具有16入、16出的I/O接口功能；具有直線、圓弧插補功能，能實現(xiàn)最快移動速度不低于12000mm/min；可接8寸彩色顯示屏，增加輸入、輸出信息量。系統(tǒng)原理框圖如附圖所示。
文檔編號G05B19/414GK102830658SQ20121032637
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者張甲英, 王望龍, 王曉麗 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院