适合批量模式的机床数控系统的制作方法

本实用新型涉及机械自动化领域，具体来说是一种适合批量模式的机床数控系统。

背景技术：

对机床制造厂来说，许多数控机床是直接根据用户的需要设计的，控制器生产商提供的数控系统大多是全功能的通用系统，数控系统中的许多参数都需要根据机床的实际情况设定，系统要提供设定参数的接口，以供机床制造商调整和修改。有些情况下，机床制造厂并不需要全功能数控系统中的所有功能，而是希望选装自己所需要的功能，譬如，对于生产产量大且相似程度高的产品所用的数控机床而言，并不需要过于复杂的数控系统，简单够用就好。另一方面，机床的种类越来越多，构造越来越复杂，在控制方面的特殊要求也越来越多。

在这些情况下，就希望有一种具有简洁界面简单实用的数控系统，既能满足那些生产产量大且相似程度高的产品的用户需求，又能让机床制造厂将自己的加工经验融入到已有的数控系统中去，提高产品的品质又降低了成本。所以，对机床制造厂来说，适合单一品种大批量型生产模式的机床数控系统具有一定的市场竞争力。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出一种适合批量模式的机床数控系统，该机床数控系统基于ARM和FPGA的嵌入式，具有简单实用、高速、高精度和高可靠性的优点，并且后期检修方便以及安全性高。

为实现上述技术目的，本实用新型通过如下技术方案予以实现：

一种适合批量模式的机床数控系统，包括机床本体、伺服电机、主电机和数控系统，数控系统包括ARM Cortex A9核心板、FPGA核心板、键盘、鼠标、主控面板、主轴驱动器、编码器和进给轴驱动器，其特征在于：所述的机床本体包括主轴和多个进给轴，所述的ARM Cortex A9核心板与FPGA核心板构成上位机与下位机的主从式结构系统，ARM Cortex A9核心板上连接有键盘、鼠标和主控面板，所述的主轴驱动器、编码器和进给轴驱动器连接在FPGA核心板上；机床本体的主轴和多个进给轴分别与主轴驱动器和进给轴驱动器连接，并且主轴驱动器连接主电机，进给轴驱动器连接伺服电机。

优选的，所述ARM Cortex A9核心板上运行的操作系统是RT-Thread操作系统。

优选的，所述ARM Cortex A9核心板连接有eMMC存储器。

以上所述的ARM Cortex A9核心板、FPGA核心板、RT-Thread操作系统和eMMC存储器，这些均是现有的通用技术。

ARM Cortex A9核心板作为上位机，主要完成的工作有:人机界面工作；G代码文件的编辑及输入；G代码粗插补以及主轴和进给轴运动控制；机床操作模式和机床状态管理；软件PLC功能；实时监控功能等。

ARM Cortex A9核心板对FPGA核心板发送设置参数命令、运动指令及其他控制指令，以完成与FPGA核心板的交互通信，是嵌入式数控系统实用平台的核心部分。

FPGA核心板主要实现ARM Cortex A9核心板发送过来的运动指令，根据ARM Cortex A9核心板粗插补运算的计算结果，进行精插补，并利用其脉冲发生模块，将插补结果转化为脉冲信号，经过接口板发送给伺服放大器，通过进给轴驱动器交流伺服电机做进给运动。同时，接收伺服电机编码器反馈信号，进行鉴相和计算，从而得到进给轴的位置信息，并反馈给上位机ARM Cortex A9核心板，与之进行交互来完成控制策略。

采用的主轴驱动器、编码器和进给轴驱动器与数控机床相匹配。

本实用新型提出的数控系统具有简洁界面简单实用的优点，既能满足生产产量大且相似程度高的产品的用户需求，又能让机床制造厂将自己的加工经验融入到已有的数控系统中去，不但有利于提高产品的品质又降低了生产成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例中提供的硬件系统框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步描述。

一种基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统，包括机床本体、伺服电机、主电机和数控系统，机床本体包括主轴和多个进给轴，数控系统包括ARM Cortex A9核心板、FPGA核心板、键盘、鼠标、主控面板、主轴驱动器、编码器和进给轴驱动器，ARM Cortex A9核心板与FPGA核心板构成上位机与下位机的主从式结构系统， ARM Cortex A9核心板上连接有键盘、鼠标和主控面板，并负责将运动控制指令通过并行总线发送给FPGA核心板，FPGA核心板连接主轴驱动器、编码器和进给轴驱动器，主轴驱动器连接主电机，进给轴驱动器连接伺服电机。

本实施例所采用的ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。ARM（Advanced RISC Machines ）和FPGA（Field－Programmable Gate Array现场可编程门阵列）的嵌入式数控系统，这两个术语在电子行业属于常识，不用特别说明。

所述进给轴驱动器有X轴驱动器、Y轴驱动器和Z轴驱动器，分别控制伺服电机的X轴、Y轴和Z轴；主轴驱动器、编码器和进给轴驱动器通过接口板和FPGA核心板相连。

ARM Cortex A9核心板上运行的操作系统是RT-Thread2.1.0；数控系统的应用软件运行于RT-Thread之上。数控系统的应用软件包括代码输入、参数设置、译码模块、刀补模块、速度处理模块、插补运算模块、位置控制和输入输出模块等。

ARM Cortex A9核心板连接有eMMC存储器，数控系统的数控程序存储在eMMC存储器上，运行数据分别存储于内存映射缓冲区和数据库。

ARM Cortex A9核心板将控制指令发送至FPGA核心板，并由FPGA对相应的进给轴驱动器和主轴驱动器进行控制，进给轴驱动器和主轴驱动器设置在数控机床上，用于驱动主轴电机和伺服电机完成不同的生产操作流程。

通过上述技术方案，本实用新型实施例所揭示的数控系统通过ARM Cortex A9核心板实现人机交互功能和数控功能，由于数控流程由ARM Cortex A9核心板和操作系统RT-Thread2.1.0负责完成，因此可保证数控的实时性及精确度。

数控系统的工作流程是：G代码经过译码，结果放到译码缓冲区中，而刀具补偿从译码缓冲区中得到数据，经过其处理，放入到刀补缓冲区中，以供速度预处理使用，经预处理之后的数据被放入插补缓冲区中，这些数据经插补处理后形成控制指令，进行机床的位置控制。在许多情况下，插补运算和位置控制须同时进行，要求有较强的实时性，所以插补运算相关的刀补缓冲区和插补缓冲区为内存映射区构成。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。