专利名称：一种用于微型切割机的数控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机数控系统领域，更具体的说，是关于一种用于微型切割机 的数控系统。
背景技术：
数控机床自20世纪中期诞生以来，它的数控系统随着电子器件的更新换代也 不断发展。特别是超大规模集成电路技术和微处理器引入数控系统，以及直流和 交流伺服驱动技术的成熟，大大推动了数控机床的发展。今天数控机床已经发展 成为一种高度机电一体化的典型产品，成为现代生产系统的基本单元，是支撑先 进制造技术的基础核心设备，它的发展代表了一个国家设计制造水平。
目前一般的微型数控切割机由数控系统、包含伺服电机和检测反馈装置的伺 服系统、机床本体和各类各类辅助装置组成。本发明针对其中的数控系统和伺服 系统的软、硬件重新设计，实现了一种基于DSP和单片机微处理器的微型切割机 专用数控系统，在实际运行中切实可行。本系统经反复测试，可靠性高、抗干扰 能力强。并且，和目前广泛使用的工业PC机配合运空控制卡的数控系统相比，本 系统拥有极高的性价比，更加符合中国的'国情，有良好的市场前景。
发明内容
本发明所解决的问题是提供一种用于微型切割机的数控系统。改系统基于单 片机控制和DSP模块控制的组合控制策略。
本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的 一种用于微型切割机的数控系统，由单片机模块、DSP运动控制模块、通讯模块和交流伺服模块组成。 系统设计目标
根据切割机床对数控系统的要求，提出本系统的各项技术指标- :
1. )数控系统的硬件设计和选型，首先应当保证该系统能够稳考运行，然后 综合考虑它的运算速度、中断能力、与外部设备连接(扩展)是否方便等指标。
2. )合理的数控软件保证切割机床的买时控制和可靠运行，同时应根据实际 的操作环境及流程为操作人员作详尽的考虑。
3. )采用交流伺服系统，控制精度高，响应速度快。
4. )系统要具有较强的通讯能力，如键盘、USB等。 其中，
单片机模块采用W78E54B是一块8位的51兼容的争片机。具有64KB的程 序存储空间和512字节的数据存储空间，适用晶振的频率范围大。在实际应用中， 使用频率为24Mhz的晶振可以满足对CPU速度的要求。
DSP运动控制模块采用MS32028X系列，为TI公司推出的目前国际市场上最 先进、功能最强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有 强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适合于电机、马达伺服控制系统等。
通讯模块DSP和单片机之间的通讯是通过双口 RAM和中断实现的。双口 RAM是常见的共享式多端口存储器， 一个存储器配备两套独立的地址、数据和控 制线，允许两个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元，是实现CPU之间通信的一种简便有效的方法。
交流伺服系统采用松下公司的MSMD082P1伺服电机，电机额定功率750W， 内置分辨率10000的增量式编码器。
采用如上所述的技术方案后，本发明具有如下优越性
a. )在单片机基础上，实现的人机接口 (LED、键盘)，人机界面友好，图形显 示直观，符合行业规范。
b. )基于SL811HS芯片开发的USB读写模块，使用户可以在PC编程，然后存 储到每台数控机床，大大减少了工作量。从工业现场的操作可行性来看，U盘操 作优于串口通讯或网络传输，成本低且经济实用。
c. )利用DSPC语言开发了大量的数控系统底层算法，执行速度快，实时性强， 在实际执行中取得了良好的效果。
d. )通过双口RAM，自定义了一套单片机和DSP之间的通讯协议，允许用户通 过此接口访问DSP底层算法，提高了系统的开放型。
e. )本系统支持数控机床标准G代码，用户可以选择绝对坐标编程和相对坐标 编程两种编程模式，适合不同习惯的用户。
f. )本系统实现了同类国外系统的大部分功能，很好地满足了切割过程中的特殊 加工工艺要求，可以经过改造应用到其他的高速运动装置控制。
图1为本发明的系统总体结构图2为本发明的单片机模块功能框图3为本发明的DSP运动控制模块功能框图4为本发明的通讯模块功能框图5为本发明的交流伺服系统功能框具体实施例方式
下面结合附图对本发明做详细描述。 系统总体结构如图l所示。
本系统以DSP和单片机微处理器为硬件核心，分为三大功能模i央' 一是
W78E516B单片机通过与USB模块相连，读写加工文件代码，以及对键盘、LED 显示的操作；二是DSP与交流伺服电机构成半闭环伺服系统，担负着命令伺服电 机按指定运动轨迹切割运行的任务，同时也起着调速、中断信号处理等作用；三 是DSP通过通讯模块与单片机相连，实现两者的协同工作。
单片机模块的功能框图如图2所示。
W78E54B是Winbond公司推出的一块8位的51兼容的单片机。具有64KB 的程序存储空间和512字节的数据存储空间，适用晶振的频率范围大。在实际应 用中，使用频率为24Mhz的晶振可以满足对CPU速度的要求。
W78E54B作为上位机主要实现一下功能通过单片机控制SL811HS芯片来实现在PC中由DOS/WINDOWS操作系统完成的对U盘的识别、配置功能。这些功 能的实现是在USB协议的基础上实现的。由此可以将在PC机编好的.切割i件(G 代码)通过U盘传输给数控系统，以及将数控系统编辑好的切割文件保存到U。
通过人机接口 (键盘、LED显示器)可以实现人机对话(手动移车、对刀、 选刀、参数设定)、在线编程等功能。采用汉字LED显示器，菜单简单清晰、操 作便捷。通过通讯模块将和DSP通讯以传递和显示加工信息。
DSP运动控制模块的功能框图如图3所示。
TMS32028X系列是TI公司推出的目甜国际市场上最先进、功能最强大的32 位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和 嵌入式控制功能，特别适合于电机、马达伺服控制系统等。2812采用高性能静态 CMOS技术，使得CPU内核供电电压降为1.8V， 150MIPS的执行速度使得指令 周期縮短到6.67ns，提高了控制器的实时控制能力。2812包含EVA、 EVB两个 事件管理模块，12位的ADC，还有SCI， SPI， CAN等接口功能。
2812作为运动控制核心，通过通讯模块接收单片机上位机发出的加工信息， 实时的把加工进度返回上位机。通过标准I/0对燃气点火、预热处理、钢板穿孔、 工作台极限位置等一系列开关量实现逻辑控制。EV事件管理模块的PWM脉冲 指令直接发送到伺服驱动器。通过IXNF扩展RAM存储单元，使用64Kxl6的 IS61LV6414 RAM。该芯片速度快，访问时间只需12ns， 3.3V供电，兼容TTL 电平，保证系统拥有足够的数据存储空间存放加工文件代码。
TMS320F2812根本作用是通过插补运算对机床的运动轨迹(包括对机床位置、速度和加速度)进行控制。软件设计中，采用适合数字式闭环伺服系统的数据采 样插补，由于数据采样插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的距离，而不 是没走一个脉冲当量插补一次，从而可以达到很高的迸级速度，插补效率高、计 算误差小。
此外，数控加工要求加工过程运动平稳，冲击小，这些要求需要靠加减速控 制，常用的加减速控制算法有直线加减速、指数加减速、S型加减速。本系统 采用S型加减速控制策略，并且切割线段拐角处速度可自适应到最佳值，达到最 理想的加工效果。
通讯模块的功能框图如图4所示。
DSP和单片机之间的通讯是通过双口 RAM和中断实现的。
双口 RAM是常见的共享式多端口存储器， 一个存储器配备两套独立的地址、 数据和控制线，允许两个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元，是实 现CPU之间通信的一种简便有效的方法^
本系统采用IDT7132作为通讯传输介质，IDT7132是一种存储容量为2KB的 CMOS静态双口 RAM,有两套I/0口，并有一套竞争裁决电路。因此，IDT7132 内部的2KB存储器可以通过左右两边的任一组I/0口进行全异步的存储器读写操 作，能方便地实现CPU之间的数据交换。
单片机和DSP之间是通过外部中断来通知对方有数据写入双口 kAM的，然 后CPU通过中断程序査询双口 RAM中相应的存储空间，可以通过预先规定好的 协议得知对方所做的操作进而进行相关的操作。由于IDT7132的I/O 口的工作电压是5V，而2812的I/O 口工作电压是3.3V, 所以2812与IDT7132之间必须存在电平转换电路，本系统采用74ALVC164245
电平转换芯片来解决这个矛盾。
交流伺服系统的功能框图如图5所示。
本系统采用MSMD082P1伺服电机，电机额定功率750W，内置分辨率10000 的增量式编码器。
系统选用与MSMD082P1配套的MCDDT3520伺服驱动器，此驱动器采用 IGBT的PWM正弦波控制方式，有位置.控制模式、速度控制模式、速度/位置、 速度/转矩控制模式等多种控制模式，在本系统中采用速度/位置控制模式。
系统采用半闭环传动控制策略，以增量式编码器的输出作为反馈量连接到伺 服驱动器的旋转编码器接口，克服了开环系统精度低，无自动纠偏能力的缺点， 系统采用半闭环交流伺服系统，如图5所示。
DSP根据数据采样插补算法的插补结果和S型速度曲线，将速度、位置指令 实时的以PWM脉冲指令的方式传给伺服驱动器，驱动器经过信号处理，最终通 过控制电机绕组里的电流控制电机的速度和角度，伺服电机里的编码器测出电机 实际的位置，经过脉冲编码处理后与实际的给定脉冲指令比较，从而实现半闭环 的位调节。如果出现过载、过流或者位置偏差过大等情况，驱动器会停止电机运 行，自动报警。
权利要求
1. 一种用于微型切割机的数控系统，由单片机模块、DSP运动控制模块、通讯模块和交流伺服模块组成。其特征在于，该系统基于单片机控制和DSP模块控制的组合控制策略
2. 根据权利要求1所述的一种用于微型切割机的数控系统，单片机模块通 过控制SL811HS芯片来实现在PC中由DOS/WINDOWS操作系统完成的对U盘 的识别、配置功能。这些功能的实现是在USB协议的基础上实现的。
3. 根据权利要求1所述的一种用于微型切割机的数控系统，DSP运动控制 模块通过通讯模块接收单片机上位机发出的加工信息，实时的把加工进度返回上 位机。通过标准I/0对燃气点火、预热处理、钢板穿孔、工作台极限位置等一系 列开关量实现逻辑控制。EV事件管理模块的PWM脉冲指令直接发送到伺服驱 动器。根本作用是通过插补运算对机床的运动轨迹(包括对机床位置、速度和加 速度)进行控制。
4. 根据权利要求1所述的一种用于微型切割机的数控系统，通讯模块采用 IDT7132作为通讯传输介质，单片机和DSP之间是通过外部中断來通知对方有 数据写入双口 RAM的，然后CPU通过中断程序查询双口 RAM中相应的存储空 间，可以通过预先规定好的协议得知对方所做的操作进而进行相关的操作。
5. 根据权利要求1所述的一种用于微型切割机的数控系统，交流伺服模块 采用MSMD082P1伺服电机和与之配套的MCDDT3520伺服驱动器。系统采用 半闭环传动控制策略，以增量式编码器的输出作为反馈量连接到伺服驱动器的旋 转编码器接口。
全文摘要
本发明公开了一种用于微型切割机的数控系统，由单片机模块、DSP运动控制模块、通讯模块和交流伺服模块组成。本系统以DSP和单片机微处理器为硬件核心，分为三大功能模块一是W78E516B单片机通过与USB模块相连，读写加工文件代码，以及对键盘、LED显示的操作；二是DSP与交流伺服电机构成半闭环伺服系统，担负着命令伺服电机按指定运动轨迹切割运行的任务，同时也起着调速、中断信号处理等作用；三是DSP通过通讯模块与单片机相连，实现两者的协同工作。本数控系统在实际运行中经反复测试，可靠性高、抗干扰能力强。和目前广泛使用的工业PC机配合运空控制卡的数控系统相比，具有极高的性价比，更加符合中国的国情。
文档编号G05B19/414GK101477355SQ20081003229
公开日2009年7月8日 申请日期2008年1月4日 优先权日2008年1月4日
发明者于青青, 李成刚 申请人:李成刚;于青青