一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统及其控制方法，属于数控技术领域，包括PC电脑、ARM处理器、DSP处理器、SRAM缓存模块、触摸屏模块、FLASH存储模块、C轴差分模块、正交电路、XYZA四轴差分模块、光电隔离模块和五轴自动化设备，实现通过触摸屏模块现场控制，进行脱机运行，即能够发挥PC平台的CAD/CAM软件的工艺编辑优势，又能够发挥G代码流程式执行和PLC指令循环执行的编程优势，系统容易扩展，成本低，便于应用到轻型五轴运动设备上；同时也可方便的实现远程控制、远程调度管理和远程维护。
【专利说明】
一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明属于数控技术领域，特别是涉及一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统及其控制方法。【背景技术】
[0002]基于经济型五轴数控系统的主要目的是解决轻工业领域五轴自动化设备的控制问题，解决五轴系统成本高、工艺编程复杂、系统使用繁琐等现实矛盾，建立一个低成本的、 操作简便、参数化的系统平台。
[0003]目前五轴数控系统的主要解决方案是:1.专用数控系统，如西门子、FANUC等国外厂家，蓝天数控、华中数控等国内厂家;2.PC+PMAC运动控制卡，一般采用Mach3软件作为上位机软件；3.DSP+FPGA双核处理，能有效发挥DSP的高速运算和FPGA的并行执行的特点；4.单片机，一般用于低端控制器应用。
[0004]但是，这些方案在轻工业某些应用领域，都存在一些成本，应用便利性上的局限性:成本高，可靠性差，技术具有封闭性，灵活性差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统及其控制方法， 采用ARM+DSP的32位双处理器架构，结合PC平台的CAD/CAM软件的工艺编程优势，自动生成G 代码执行和PLC指令程序，通过现场触摸屏显示，控制脱机运动模块自动执行程序，可实现通过触摸屏模块现场控制，进行脱机运行，即能够发挥PC平台的CAD/CAM软件的工艺编辑优势，又能够发挥G代码流程式执行和PLC指令循环执行的编程优势，系统容易扩展，成本低， 便于应用到轻型五轴运动设备上；同时也可方便的实现远程控制、远程调度管理和远程维护。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:[〇〇〇7] 一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统，包括PC电脑、ARM处理器、DSP处理器、SRAM缓存模块、触摸屏模块、FLASH存储模块、C轴差分模块、正交电路、XYZA四轴差分模块、光电隔离模块和五轴自动化设备，所述ARM处理器设有SRAM通信端、FLASH通信端、C轴控制端、DSP通信接口、232串口 A、USB接口和网线接口，ARM处理器通过所述USB接口或所述网线接口与PC电脑通信，触摸屏模块的通信端与所述232串口 A连接，SRAM缓存模块的通信端与所述SRAM通信端连接，FLASH存储模块的通信端与所述FLASH通信端连接，C轴差分模块的输入端与所述C轴控制端连接；
[0008]DSP处理器设有四轴控制端、运动信号反馈端、逻辑控制端和ARM通信接口，ARM通信接口与所述DSP通信接口连接，正交电路的输出端与所述运动信号反馈端连接，光电隔离模块的输入端与所述逻辑控制端连接；
[0009]XYZA四轴差分模块包括四轴输入端、四轴输出端、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻 R4、电容C1和差分芯片U1，差分芯片U1的脚7和脚12连接地线，所述差分芯片U1的脚16连接VCC电源，所述差分芯片U1的脚7通过电容Cl连接脚16,所述差分芯片U1的脚8和脚1分别通过电阻R2和电阻R1连接四轴输入端，所述差分芯片U1的脚9和脚15分别通过电阻R4和电阻 R3连接四轴输出端，所述四轴输入端连接所述四轴控制端；[〇〇1〇]五轴自动化设备设有C轴逻辑接口，运动信号接口，四轴逻辑接口和逻辑控制接口，所述光电隔离模块的输出端与所述逻辑控制接口连接，所述四轴输出端与所述四轴逻辑接口连接，所述运动信号接口与所述正交电路输入端连接，所述C轴逻辑接口与所述C轴差分模块的输出端连接。[0011 ] 所述ARM处理器还设有232串口B、CAN总线接口和U盘接口，所述232串口B和外部扩展智能检测设备连接，所述CAN总线接口扩展系统的内部功能模块、运动模块或输入输出模块，所述U盘接口连接外部U盘。
[0012]所述差分芯片U1为AM26LS31C。
[0013]基于所述的一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统的控制方法:包括以下步骤:
[0014]步骤1:通过PC电脑上的PC端软件执行CAD/CAM编程，并读取标准DXF文件，结合实际的工艺参数，生成G代码执行文件；同时，通过PC电脑上的PC端软件执行PLC逻辑编程，根据五轴自动化设备的设备逻辑的要求，生成PLC指令文件；[〇〇15]步骤2:将所述G代码执行文件和所述PLC指令文件，通过USB或网络下发给脱机运动模块，即ARM处理器，脱机运动控制模块将所述G代码执行文件和所述PLC指令文件存储在所述FLASH存储模块中，等用户在触摸屏模块选择文件后，所述ARM处理器将所述G代码执行文件和所述PLC指令文件复制到所述SRAM缓存模块中，所述ARM处理器解读所述G代码执行文件和所述PLC指令文件所指示的指令，通过DSP处理器、C轴差分模块、正交电路、XYZA四轴差分模块、光电隔离模块和五轴自动化设备进行指令执行和异常处理，并将执行的状态和结果，反馈给触摸屏模块显示。
[0016]本发明所述的一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统及其控制方法，采用 ARM+DSP的32位双处理器架构，结合PC平台的CAD/CAM软件的工艺编程优势，自动生成G代码执行和PLC指令程序，通过现场触摸屏显示，控制脱机运动模块自动执行程序，可实现通过触摸屏模块现场控制，进行脱机运行，即能够发挥PC平台的CAD/CAM软件的工艺编辑优势， 又能够发挥G代码流程式执行和PLC指令循环执行的编程优势，成本低，易扩展，系统通过采用G代码和PLC相结合的编程方式，便于多种自动化设备的扩展与升级;并且通过内部总线扩展，可以方便的扩展运动模块和开关量模块;远程监控，融合了数控技术和网络技术，实现了低成本的集群控制;二次开发，采用了模块化的设计，能够方便的进行功能组合和新功能的开发，便于多种应用需求的二次开发。【附图说明】
[0017]图1是本发明的原理框图；
[0018]图2是本发明的流程图；
[0019]图3是本发明的XYZA四轴差分模块原理图。【具体实施方式】
[0020]实施例1:
[0021]如图1所示的一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统，包括PC电脑、ARM处理器、DSP处理器、SRAM缓存模块、触摸屏模块、FLASH存储模块、C轴差分模块、正交电路、XYZ A 四轴差分模块、光电隔离模块和五轴自动化设备，所述ARM处理器设有SRAM通信端、FLAS H 通信端、C轴控制端、DSP通信接口、232串口 A、USB接口和网线接口，ARM处理器通过所述USB 接口或所述网线接口与PC电脑通信，触摸屏模块的通信端与所述232串口A连接，S RAM缓存模块的通信端与所述SRAM通信端连接，FLASH存储模块的通信端与所述FLASH通信端连接，C 轴差分模块的输入端与所述C轴控制端连接连接；[〇〇22] DSP处理器设有四轴控制端、运动信号反馈端、逻辑控制端和ARM通信接口，ARM通信接口与所述DSP通信接口连接，正交电路的输出端与所述运动信号反馈端连接，光电隔离模块的输入端与所述逻辑控制端连接；
[0023]如图3所示的XYZA四轴差分模块包括四轴输入端、四轴输出端、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和差分芯片U1，差分芯片U1的脚7和脚12连接地线，所述差分芯片U1的脚16连接VCC电源，所述差分芯片U1的脚7通过电容C1连接脚16,所述差分芯片U1的脚8和脚 1分别通过电阻R2和电阻R1连接四轴输入端，所述差分芯片U1的脚9和脚15分别通过电阻R4 和电阻R3连接四轴输出端，所述四轴输入端连接所述四轴控制端；[〇〇24]如图1所示的五轴自动化设备设有C轴逻辑接口，运动信号接口，四轴逻辑接口和逻辑控制接口，所述光电隔离模块的输出端与所述逻辑控制接口连接，所述四轴输出端与所述四轴逻辑接口连接，所述运动信号接口与所述正交电路输入端连接，所述C轴逻辑接口与所述C轴差分模块的输出端连接。
[0025]所述ARM处理器还设有232串口B、CAN总线接口和U盘接口，所述232串口B用于和外部扩展智能检测设备连接，所述CAN总线接口用于扩展系统的内部功能模块、运动模块或输入输出模块，所述U盘接口用于连接外部U盘。
[0026]所述差分芯片U1为AM26LS31C。[〇〇27] 所述触摸屏模块，主要和所述ARM处理器通过MODBUS协议通讯，用于现场的状态显示，人机交互，动作控制等;其可以是4.3寸，7寸，10.4寸，12寸等大小的触摸显示设备。 [〇〇28] 所述ARM处理器主要采用STM32F407系列处理器，DSP处理器采用基于DSP内核的4 轴运动控制芯片，通过数据地址总线接收所述ARM处理器命令、并产生脉冲控制步进电机或脉冲驱动型伺服电机，可提供多种输出运动控制功能，包括连续、定长、回原点等输出方式， 通过编码器反馈反应实际运动情况，从而实现五轴自动化设备的自动化控制。
[0029]所述ARM处理器还设有所述232串口 B，可以提供串行总线通讯服务，与智能检测设备通讯，主要是根据实际设备需要采集电流，电压，温湿度等参数，供系统控制需要。
[0030]所述ARM处理器还设有1路所述CAN总线接口，可以提供控制器局域网络服务，能够根据需求的变化，扩展系统自己的内部功能模块，实现轴口的扩展，输入输出数量的扩展等。
[0031]所述XYZA四轴差分模块主要采用AM26LS31C差分芯片构成，并通过缓冲0欧电阻R1 和电阻R2与DSP处理器相连，主要解决高频的EMC的干扰。电容C1作为旁路电容，主要解决芯片的电源高频干扰。[〇〇32] 实施例2:
[0033]如图2所示基于实施例1所述的一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统的控制方法:包括以下步骤:[〇〇34] 步骤1:通过PC电脑上的PC端软件执行CAD/CAM编程，并读取标准DXF文件，结合实际的工艺参数，生成G代码执行文件；同时，通过PC电脑上的PC端软件执行PLC逻辑编程，根据五轴自动化设备的设备逻辑的要求，生成PLC指令文件；
[0035] CAD/CAM编程软件能够根据DXF图形导入和工艺参数设置，自动生成G代码执行文件;PLC逻辑编程软件能够根据自动化设备的操作逻辑要求，编写控制逻辑程序，以快速满足机构或动作的变更需求，所述PLC逻辑编程软件包括梯形图软件和代码式执行的编辑软件，能够提供梯形图程序编写和指令编辑、修改，下发等功能的软件平台。[〇〇36] PC电脑可以通过网络接口实现远程访问所述ARM处理器实现包括系统升级，远程操作，远程监测等服务。[〇〇37]步骤2:将所述G代码执行文件和所述PLC指令文件，通过USB接口或网络下发给脱机运动模块，即ARM处理器，脱机运动控制模块将所述G代码执行文件和所述PLC指令文件存储在所述FLASH存储模块中，等用户在触摸屏模块选择文件后，所述ARM处理器将所述G代码执行文件和所述PLC指令文件复制到所述SRAM缓存模块中，所述ARM处理器解读所述G代码执行文件和所述PLC指令文件所指示的指令，通过DSP处理器、C轴差分模块、正交电路、XYZA 四轴差分模块、光电隔离模块和五轴自动化设备进行指令执行和异常处理，实现G代码程序解释与执行，能够实现PLC逻辑指令的解释与执行，能够实现直线插补，空间圆弧插补，速度前瞻，加减速控制等功能，并将执行的状态和结果，反馈给触摸屏模块显示。
【主权项】
1.一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统，其特征在于:包括PC电脑、ARM处理器、 DSP处理器、SRAM缓存模块、触摸屏模块、FLASH存储模块、C轴差分模块、正交电路、XYZ A四 轴差分模块、光电隔离模块和五轴自动化设备，所述ARM处理器设有SRAM通信端、FLAS H通 信端、C轴控制端、DSP通信接口、232串口 A、USB接口和网线接口，ARM处理器通过所述USB接 口或所述网线接口与PC电脑通信，触摸屏模块的通信端与所述232串口A连接，S RAM缓存模 块的通信端与所述SRAM通信端连接，FLASH存储模块的通信端与所述FLASH通信端连接，C轴 差分模块的输入端与所述C轴控制端连接；DSP处理器设有四轴控制端、运动信号反馈端、逻辑控制端和ARM通信接口，ARM通信接 口与所述DSP通信接口连接，正交电路的输出端与所述运动信号反馈端连接，光电隔离模块 的输入端与所述逻辑控制端连接；XYZA四轴差分模块包括四轴输入端、四轴输出端、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电 容C1和差分芯片U1，差分芯片U1的脚7和脚12连接地线，所述差分芯片U1的脚16连接VCC电 源，所述差分芯片U1的脚7通过电容C1连接脚16,所述差分芯片U1的脚8和脚1分别通过电阻 R2和电阻R1连接四轴输入端，所述差分芯片U1的脚9和脚15分别通过电阻R4和电阻R3连接 四轴输出端，所述四轴输入端连接所述四轴控制端；五轴自动化设备设有C轴逻辑接口，运动信号接口，四轴逻辑接口和逻辑控制接口，所 述光电隔离模块的输出端与所述逻辑控制接口连接，所述四轴输出端与所述四轴逻辑接口 连接，所述运动信号接口与所述正交电路输入端连接，所述C轴逻辑接口与所述C轴差分模 块的输出端连接。2.如权利要求1所述的一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统，其特征在于:所述 ARM处理器还设有232串口B、CAN总线接口和U盘接口，所述232串口B和外部扩展智能检测设 备连接，所述CAN总线接口扩展系统的内部功能模块、运动模块或输入输出模块，所述U盘接 口连接外部U盘。3.如权利要求1所述的一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统，其特征在于:所述 差分芯片U1为AM26LS31C。4.基于权利要求1所述的一种基于网络的经济型嵌入式五轴数控系统的控制方法:包 括以下步骤:步骤1:通过PC电脑上的PC端软件执行CAD/CAM编程，并读取标准DXF文件，结合实际的 工艺参数，生成G代码执行文件；同时，通过PC电脑上的PC端软件执行PLC逻辑编程，根据五 轴自动化设备的设备逻辑的要求，生成PLC指令文件；步骤2:将所述G代码执行文件和所述PLC指令文件，通过USB或网络下发给脱机运动模 块，S卩ARM处理器，脱机运动控制模块将所述G代码执行文件和所述PLC指令文件存储在所述 FLASH存储模块中，等用户在触摸屏模块选择文件后，所述ARM处理器将所述G代码执行文件 和所述PLC指令文件复制到所述SRAM缓存模块中，所述ARM处理器解读所述G代码执行文件 和所述PLC指令文件所指示的指令，通过DSP处理器、C轴差分模块、正交电路、XYZA四轴差分 模块、光电隔离模块和五轴自动化设备进行指令执行和异常处理，并将执行的状态和结果， 反馈给触摸屏模块显示。
【文档编号】G05B19/414GK105955202SQ201610300016
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】庄源昌, 郑湃, 王晓峰, 冒益海, 张飞, 朱兴华
【申请人】常州数控技术研究所