专利名称：加工状态控制策略集成的嵌入式数控平台及其控制方法
技术领域：
本发明属于数字控制系统类，具体地是指一种加工状态控制策略集成的嵌入式数控平台及其控制方法。
背景技术：
数控系统作为支撑计算机集成制造系统实体功能的核心使能单元，正向结构开放、集成化、智能化以及网络化方向发展。而模块化技术、嵌入式技术、智能控制技术的引入，使以前专用、封闭的传统数控系统逐渐成为融合了各种先进功能单元和交互接口的复杂控制平台。高性能的数控平台将不再仅仅局限于精确控制执行部件的运动方向、进给速度与位移量，更要求能够实现对加工状态的控制，并做出控制策略，通过新型检测技术，对直接反映加工状态的各种参数包括切削载荷、切削温度、变形、振动等持续进行测量。控制系统运用模糊逻辑控制、神经网络控制、遗传算法等各种智能控制策略对反馈的实时信号进行分析决策，优化加工参数，改善加工条件。
目前，国内外就数控系统实现对加工过程中加工状态的控制已经做了大量的研究，但市场上还没有发现加工状态可控的数控系统，其原因在于加工过程中，采集各种加工状态信号不仅比较复杂和难操作，而且实时性要求高，响应速度快。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种可以监测加工状态，集成控制策略的加工状态控制策略集成的嵌入式数控平台。该嵌入式数控平台实现了对加工状态实时的、智能的控制，还可通过双总线和其他设备进行有效地信息交互，扩充成以数控机床为核心的一个小型生产线；同时实现车间层的状态检测和设备监控，方便集中管理和调度。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述嵌入式数控平台进行加工状态控制的方法。
本发明的第一个目的通过下述技术方案实现加工状态控制策略集成的嵌入式数控平台，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括具有PC/104-Plus接口的运动控制模块，基于PC/104-Plus的CPU模块，基于PC/104-Plus的多功能数据采集模块，基于PC/104-Plus的CAN通讯模块、Profibus通讯模块和电气连接线；其中运动控制模块作为底层母板，具有PC/104-Plus接口的运动控制模块、基于PC/104-Plus的多功能数据采集模块、基于PC/104-Plus的CAN通讯模块和Profibus通讯模块分别以PC/104-Plus总线与主CPU模块相连，各模块上的接口通过柔性电缆及固定在控制器箱体上的接口，使主CPU模块与显示面板和输入设备连接、运动控制模块与加工伺服轴电机驱动器及主轴电机驱动器和手轮相连、多功能数据采集模块与各轴加工状态传感器连接、CAN通讯模块和Profibus通讯模块与动作控制伺服轴电机驱动器电气连接。
所述软件系统是基于实时操作系统RT-Linux的数字控制系统。
所述的嵌入式数控平台采用CAN总线和Profibus的双串行总线结构。
所述的运动控制模块包括PCI接口子模块、数字信号处理器子模块和轴控制接口子模块；其中PCI接口子模块通过双端口存储器器件与数字信号处理器子模块电气连接，轴控制接口子模块通过FPGA(现场可编程门阵列)与数字信号处理器子模块电气连接。
利用上述嵌入式数控平台进行加工状态控制的方法是输入操作命令并通过显示设备显示，CPU模块接收操作指令后，把操作指令翻译成具有硬时限要求的加工消息和不具有硬时限要求的动作控制消息，并将加工消息通过PC/104-Plus总线发送到运动控制模块，最后发送至加工伺服轴电机驱动器、主轴电机驱动器和手轮；而将动作控制消息发送到CAN通讯模块和Profibus通讯模块并向外发送至动作控制伺服轴电机驱动器。
对于所述被发送的加工消息，运动控制模块会根据其内容实时计算加工轴的在每个周期内的位移量；在每个位置控制周期中，运动控制模块读取加工状态反馈信号，并根据加工状态控制策略，修正相关轴的速度量或者位移量；对于所述被发送的控制消息，通过CAN或者Profibus发送到具有总线接收功能的执行机构，执行相应的动作。
所述运动控制模块的软件系统包括命令处理子系统、轨迹规划子系统、位置控制子系统和加工状态控制子系统；运动控制模块中的命令处理子系统不间断的检查是否需要处理新消息，当接收到新消息，则把控制权转移至轨迹规划子系统；轨迹规划子系统按一定的周期循环执行；在每个循环周期中，调用加工状态控制子系统中的智能控制算法，根据加工状态反馈信号调节加工速度，最后通过轨迹规划子系统中的插补器计算实时轨迹，并把插补输出量送至位置控制子系统；位置控制子系统同样是以一恒定的周期循环执行，把插补输出的数字量转化为脉冲信号，并出现在轴控制接口的相应引脚上。
所述的运动控制模块进行命令处理子系统控制过程包括下列步骤控制器工作时，当命令子系统接到新的加工信息后，判别出信息的内容并调用相应的子加工程序。
所述的运动控制模块进行加工过程智能控制过程包括下列步骤在子加工程序获取加工信息后，首先对加工是否需要过程控制进行判断。在需要进行过程控制时，程序将对状态变量进行处理，并执行相应的控制算法，对运动控制进行必要的调整。
该嵌入式数控平台的工作原理是控制器与运动执行机构(如电机，开关等)、输入设备(如键盘、传感器等)、显示设备等正确连接并上电后，显示数字控制系统主界面并等待用户命令，控制器在接收了操作指令后，把操作指令翻译成具有硬时限要求的加工消息和不具有硬时限要求的控制消息，并把加工消息通过PC/104-Plus总线发送到运动控制模块，而把控制消息发送到通讯模块并向外发送。对于加工信息，运动控制模块会根据其内容实时计算加工轴的在每个周期内的位移量。在每个位置控制周期中，运动控制模块读取加工状态反馈信号，并根据加工状态控制策略，修正相关轴的速度量或者位移量；对于控制消息，通过CAN总线或者Profibus发送到具有总线接收功能的执行机构，执行相应的动作。
其中运动控制模块的工作原理是运动控制模块中的消息处理子系统不间断的检查是否需要处理新消息，当接收到新消息，则把控制权转移至轨迹规划子系统；轨迹规划子系统按一定的周期循环执行，在每个循环周期中，调用加工状态控制子系统中的某种智能控制算法，根据加工状态反馈信号调节加工速度，最后通过轨迹规划子系统中的插补器计算实时轨迹，并把插补输出量送至位置控制子系统，位置控制子系统同样是以一恒定的周期循环执行，把插补输出的数字量转化为脉冲信号，并出现在轴控制接口的相应引脚上。
本发明相对于现有技术具有如下的优点
1、控制器分解操作命令，不但通过运动控制模块满足实时的轨迹控制，还通过双总线方式实现实时性要求不高的动作控制。
2、采用运动控制模块上嵌入PC/104-Plus主模块的堆栈式架构，使总线以“针”和“孔”形式层叠连接，既可使结构紧凑，又能提高抗震性，使控制器能胜任于各种嵌入式应用需求和恶劣的工业环境。
3、运动控制模块提供基本的六轴控制接口和手轮控制接口，并在每轴的接口中提供四路加工状态反馈信号输入通道，为加工过程的智能化控制提供了硬件接口。
4、运动控制模块集成加工过程控制策略，对加工状态反馈信号进行处理，实现了加工过程的智能化。
5、具有硬件可重构性和软件开放性。
图1是加工状态控制策略集成的嵌入式数控平台总体框架示意图。
图2是模块连接示意图。
图3是控制器面板接口图。
图4是加工状态反馈信号引脚位置图。
图5是运动控制模块原理图。
图6a、图6b是运动控制模块流程图。其中图6a是命令处理子系统流程图；图6b是加工过程智能控制流程图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，虚线框内表示的是嵌入式数字控制器的基本结构。PC/104-Plus的主CPU模块2分别与具有PC/104-Plus接口的运动控制模块1、基于PC/104-Plus的多功能数据采集模块3、基于PC/104-Plus的CAN通讯模块4、基于PC/104-Plus的Profibus通讯模块5连接。运动控制模块1分别与5个加工伺服轴电机驱动器10、主轴电机驱动器11和手轮12相连接，基于PC/104-Plus的主CPU模块2分别与显示面板和输入设备连接；基于PC/104-Plus的多功能数据采集模块3分别与1#轴加工状态传感器7a、2#轴加工状态传感器7b、3#轴加工状态传感器7c、4#轴加工状态传感器7d、5#轴加工状态传感器7e和主轴加工状态传感器连接7f；PC/104主CPU模块2通过CAN通讯模块4、Profibus通讯模块5与多个动作控制伺服轴电机驱动器6连接。
控制器与运动执行机构(如电机，开关等)、输入设备(如键盘、传感器等)、显示设备连接。用户通过键盘输入操作命令，并通过显示设备显示。主系统接收操作指令后，把操作指令翻译成具有硬时限要求的加工消息和不具有硬时限要求的动作控制消息，并把加工消息通过PC/104-Plus总线发送到运动控制模块1，最后至5个加工伺服轴电机驱动器10、主轴电机驱动器11和手轮12，而把动作控制消息发送到CAN通讯模块4和Profibus通讯模块5并向外发送至动作控制伺服轴电机驱动器6。
如图2所示，它是模块连接示意图，采用运动控制模块上嵌入PC/104-Plus主模块的堆栈式架构，使总线以“针”和“孔”形式层叠连接。运动控制模块1作为底层母板，通过PC/104-Plus总线与主CPU模块联接，其它模块板卡则以PC/104-Plus总线与主CPU模块板卡相连，各模块上的接口通过柔性电缆与控制器箱体上接口相连。从下到上依次是运动控制模块1，基于PC/104-Plus的主CPU模块2，基于PC/104-Plus的多功能数据采集模块3，基于PC/104-Plus的CAN总线通讯模块4，基于PC/104-Plus的Profibus通讯模块5。基于PC/104-Plus的多功能数据采集模块3，用于处理加工状态的反馈信号，基于PC/104-Plus的CAN通讯模块4和基于PC/104-Plus的Profibus通讯模块5主要用于数据的传输以及现场设备之间的频繁通讯。
如图3所示，控制器面板上设置有外接电源接口301，RS232串口302，RS232串口303，外接操作面板接口304，网络线接口305，伺服驱动器接口306(5个)，主轴电机驱动器接口307，手轮接口308，CAN总线接口309，Profibus接口310，PS/2键盘接口311，PS/2鼠标接口312，显示器接口313，USB接口314。
如图4所示，轴控制接口有25个针脚口，其中4个脚定义为加工状态反馈信号引脚，其功能是将传感器采集到的切削载荷、切削温度、变形、振动等加工状态信息传送到控制器，由控制器根据这些加工状态反馈信号调节加工速度；另外的21个脚定义为轴控制信息输出口，包括数字式伺服驱动引脚、编码器反馈信号引脚、加工状态反馈信号引脚和限位急停等开关引脚，其主要作用是将插补的脉冲信号输出到各个控制轴。
如图5所示，运动控制模块的硬件系统包括PCI接口子模块501、数字信号处理器(DSP)子模块502和轴控制接口子模块503。PCI接口子模块501通过双端口存储器RAM器件与DSP子模块502电气连接，轴控制接口子模块503则通过FPGA(现场可编程门阵列)与DSP子模块502电气连接。
PCI接口子模块501的作用是通过PCI接口芯片504实现PC/104-Plus接口507和DSP506之间的数据传输，该模块通过双端口存储器(RAM)505器件与DSP子模块502电气连接；双端口存储器(RAM)是一个双向FIFO(先进先出)数据存储器，起数据缓冲的作用。
DSP子模块502对加工信息进行处理，完成每个控制轴的数字插补，并将插补产生的数字信号传送到轴控制接口模块。
轴控制接口子模块503完成两个任务一是将接收到的数字信号转化成脉冲，按时间周期发送到对应的控制轴端口；二是将旋转编码器的反馈信号上传到DSP子模块502。轴控制接口子模块503通过FPGA508(现场可编程门阵列)与DSP子模块502电气连接，6个轴控制接口(509a、509b、509c、509d、509e、509f)和1个手轮控制接口510由3个FPGA芯片(508a、508b、508c)控制，每个FPGA芯片508控制2个轴控制接口509，其中FPGA芯片508a还同时控制1个手轮控制接口510。同一个FPGA芯片控制的两个轴之间的插补运动实时同步，消除同步误差。
运动控制模块的软件系统包括命令处理子系统、轨迹规划子系统、位置控制子系统和加工状态控制子系统，其中消息处理子系统、轨迹规划子系统和加工状态子系统在DSP子模块上实现，位置控制子系统在轴控制子模块上实现。
如图6a所示，运动控制模块的命令处理子系统控制过程包括下列步骤控制器开始工作时，系统初始化，系统进行自检，判断是否有故障，当有故障时，进行故障处理。当无故障时，更新加工消息，判断是否为新的加工消息，如命令子系统接到的是新的加工消息，则调用相应子系统功能(子加工程序)，当命令子系统接到的不是新的加工消息时，重新更新加工消息。
如图6b所示，运动控制模块的加工过程智能控制过程包括下列步骤在子加工程序获取加工信息后，首先对加工是否需要过程控制进行判断，在需要进行过程控制时，程序进入加工状态子系统，程序将对状态变量进行处理，更新状态变量，并执行相应的控制算法，对运动控制进行必要的调整，更新加工速度(例如对温度状态变量行控制时，一旦温度超过某个界限，就进行减速处理，必要时发出报警信号或停机)，退出加工状态子系统。
权利要求
1.一种加工状态控制策略集成的嵌入式数控平台，包括硬件系统和软件系统，其特征在于，硬件系统包括具有PC/104-Plus接口的运动控制模块，基于PC/104-Plus的CPU模块，基于PC/104-Plus的多功能数据采集模块，基于PC/104-Plus的CAN通讯模块、Profibus通讯模块和电气连接线；其中运动控制模块作为底层母板，具有PC/104-Plus接口的运动控制模块、基于PC/104-Plus的多功能数据采集模块、基于PC/104-Plus的CAN通讯模块和Profibus通讯模块分别以PC/104-Plus总线与主CPU模块相连，各模块上的接口通过柔性电缆及固定在控制器箱体上的接口，使主CPU模块与显示面板和输入设备连接、运动控制模块与加工伺服轴电机驱动器及主轴电机驱动器和手轮相连、多功能数据采集模块与各轴加工状态传感器连接、CAN通讯模块和Profibus通讯模块与动作控制伺服轴电机驱动器电气连接。
2.根据权利要求1所述的嵌入式数控平台，其特征在于，所述软件系统是基于实时操作系统RT-Linux的数字控制系统。
3.根据权利要求1所述的嵌入式数控平台，其特征在于，所述的嵌入式数控平台采用CAN总线和Profibus的双串行总线结构。
4.根据权利要求1所述的嵌入式数控平台，其特征在于，所述运动控制模块包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括PCI接口子模块、数字信号处理器子模块和轴控制接口子模块；其中PCI接口子模块通过双端口存储器器件与数字信号处理器子模块电气连接，轴控制接口子模块通过FPGA与数字信号处理器子模块电气连接。
5.根据权利要求4所述的嵌入式数控平台，其特征在于，所述运动控制模块的软件系统包括命令处理子系统、轨迹规划子系统、位置控制子系统和加工状态控制子系统。
6.权利要求1所述的嵌入式数控平台的控制方法，其特征在于，按下述操作步骤进行控制输入操作命令并通过显示设备显示，CPU模块接收操作指令后，把操作指令翻译成具有硬时限要求的加工消息和不具有硬时限要求的动作控制消息，并将加工消息通过PC/104-Plus总线发送到运动控制模块，最后发送至加工伺服轴电机驱动器、主轴电机驱动器和手轮；而将动作控制消息发送到CAN通讯模块和Profibus通讯模块并向外发送至动作控制伺服轴电机驱动器。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，对于所述被发送的加工消息，运动控制模块会根据其内容实时计算加工轴的在每个周期内的位移量；在每个位置控制周期中，运动控制模块读取加工状态反馈信号，并根据加工状态控制策略，修正相关轴的速度量或者位移量；对于所述被发送的控制消息，通过CAN或者Profibus发送到具有总线接收功能的执行机构，执行相应的动作。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述运动控制模块是这样进行控制的运动控制模块中的命令处理子系统不间断的检查是否需要处理新消息，当接收到新消息，则把控制权转移至轨迹规划子系统；轨迹规划子系统按一定的周期循环执行；在每个循环周期中，调用加工状态控制子系统中的智能控制算法，根据加工状态反馈信号调节加工速度，最后通过轨迹规划子系统中的插补器计算实时轨迹，并把插补输出量送至位置控制子系统；位置控制子系统同样是以一恒定的周期循环执行，把插补输出的数字量转化为脉冲信号，并出现在轴控制接口的相应引脚上。
全文摘要
本发明公开了一种加工状态控制策略集成的嵌入式数控平台及其控制方法。数控平台硬件系统包括具有PC/104－Plus接口的运动控制模块，基于PC/104－Plus的CPU模块，基于PC/104－Plus的多功能数据采集模块，基于PC/104－Plus的CAN通讯模块、Profibus通讯模块等。控制方法为主系统接收操作指令后，把操作指令翻译成动作控制消息，并将加工消息发送到运动控制模块，最后发送至加工伺服轴电机驱动器、主轴电机驱动器和手轮；而将动作控制消息发送到CAN通讯模块和Profibus通讯模块并向外发送至动作控制伺服轴电机驱动器。本发明可实现加工状态可控，实现了加工过程智能化。
文档编号G05B19/414GK1641503SQ20051003268
公开日2005年7月20日 申请日期2005年1月4日 优先权日2005年1月4日
发明者李伟光, 周建辉, 赵博, 唐文媛, 莫有庆, 李勇 申请人:华南理工大学