专利名称：基于dos平台的数控切割机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种工业控制自动化技术领域的控制系统，具体地说，是一种基于DOS平台的数控切割机控制系统。
背景技术：
现行数控切割机控制系统主要分成两大类，第一类控制系统采用计算机直接对电机进行运动控制，它没有运动控制卡，由计算机直接和电机驱动器、继电器驱动板和机床限位开关连接，完成所有的电机控制任务和输入输出口的读写任务，这样结构的控制系统由软件实现插补运算。第二类控制系统采用运动控制专用芯片对电机进行运动控制。它采用计算机加运动控制专用芯片组成控制系统。该芯片中已经做好了运动控制算法，而且还给外界提供了一些应用接口。它们都属于封闭式结构的数控系统，各地数控厂商都设计了自己的专用硬件系统和软件系统。这种封闭式的结构使数控系统的开发成本极高，开发周期很长，升级困难，可靠性、可扩展性、可维护性和易用性极差，二次开发困难。
经对现有技术文献的检索发现，林金南在“数控系统的发展趋势——开放式数控系统”(《机床与液压》2003.NO.6)一文中描述了现有数控切割机控制系统存在的不足可以理解为①软件为数控制造商所占有，机床制造商难以体现其独立性；②需要开发专用的硬件来追随硬件的进步，一般相对滞后；③功能单一化，只适用于机床行业；④第一类控制系统使用软件插补极耗系统资源，在切割过程中没有可视化界面，切割软件的功能也不够丰富，实时响应性差，而且速度和精度都达不到现在切割机的工艺要求；⑤第二类控制系统通常采用Windows操作系统，由于其自身的不稳定性，会造成整个控制系统的不稳定。而且Windows属于商业软件，由于版权问题无疑会提高数控系统的成本。⑥第二类系统的电机运动采用专用芯片来完成实时采样插补，但是采用专用芯片的系统散热差、系统的算法固定、不易维护、无法进行算法的升级与更新，价格也比较昂贵。在科技飞速发展的今天，新技术与新标准不断涌，技术的更新周期大大加快，采用专用芯片的系统其生命周期必会缩短，给用户带来极大的技术风险和损失。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于DOS平台的数控切割机控制系统。使其稳定可靠、实时性好、精度高、操作简易、方便升级、性价比高。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括嵌入式工业控制计算机、运动控制卡、I/O接口板(中文术语输入输出控制卡)、人机通讯设备和数控管理模块。嵌入式工业控制计算机与运动控制卡通过PCI总线相连接，并与系统外部的交流伺服电机构成伺服闭环系统，担负着命令机床按指定运动轨迹切割运行的任务，同时也起着速度控制、中断信号处理等作用；二是嵌入式工业控制计算机与I/O接口板通过PCI总线相连接，实现一系列开关量的输出控制任务，同时也担负着机床限位开关信号读入的任务；三是嵌入式工业控制计算机与人机通讯设备，它们之间通过LCD/VGA(显示接口)、USB(闪存盘接口)、PS/2(键盘接口)、软盘驱动器相连，这些接口集成在嵌入式工业控制计算机的主板上，这部分用于实现人机通讯操作。四是数控管理模块安装在嵌入式工业控制计算机上，用于实现图形和文件系统管理、信息传递、接口驱动等任务。以上各模块中，嵌入式工业控制计算机是整个数控系统的核心，它担负着对整个系统管理的任务。
所述的数控管理模块，是在DOS系统平台上进行的，具体实现的任务包括数控系统的多任务调度策略，加工文件的图形变换，在DOS环境下实现运动控制卡，I/O接口板的PCI总线驱动，割缝补偿的设置，I/O接口的监控和诊断，前后两条切割线段连接处的转角速度控制功能，数控系统的图形用户界面，文件管理系统，人机交互方式等任务。
所述的运动控制卡包括DSP(数字信号微处理器)、FPGA(可编程逻辑器件)和PCI接口，具体结构和功能如下1)采用PCI专用接口芯片，通过PCI总线与嵌入式工业控制计算机相连。系统工作时，PCI接口只需通过PCI总线从嵌入式工业控制计算机接受控制命令，然后将这些命令通过FPGA传送给DSP执行，DSP通过FPGA将切割过程中的一系列数据信息由PCI接口反馈到嵌入式工业控制计算机，实现嵌入式工业控制计算机和运动控制卡的数据双向传输。
2)采用DSP微处理器作为运动控制单元，完成电机控制的主要任务，包括直线和圆弧线段的插补，多轴同步运动，速度控制，同时具备线段预处理功能，即DSP事先规划好所有线段的轨迹控制策略，然后发出脉冲信号控制电机运转。
DSP通过驱动接口电路驱动交流伺服电机，通过FPGA将数据发送到PCI接口，再由PCI接口将信息传递给嵌入式工业控制计算机。
DSP自身完成与运动有关的控制，几乎不占用嵌入式工业控制计算机的时间，这样嵌入式工业控制计算机可处理其它控制和检测任务。同时，DSP具有可程序化的能力，可以通过下载部分过程控制码在DSP内部执行，确保了运动控制的开放性和实时性。
3)采用可编程逻辑器件(FPGA)作为PCI接口芯片与DSP微处理器的中介，实现DSP和PCI接口之间的数据双向传输，并辅助完成DSP的运动控制功能。
从数据信息传送方向来分析，可以将整个系统的工作过程分为两个部分。第一部分是数据信息的正向传送过程，加工文件代码由人机通讯部分(键盘或软驱)输入、通过数控管理模块的图形接口函数转换成切割信息存放在嵌入式工业控制计算机新开辟的内存中。随后，嵌入式工业控制计算机快速地将这些信息分别传送给运动控制卡和I/O接口板。运动控制卡与交流伺服电机的驱动装置相连，按照嵌入式工业控制计算机发出的指令，将脉冲控制信号发送给电机驱动器，实现对机床运动轨迹的控制和速度控制(即插补运算)。同时，嵌入式工业控制计算机将开关量信息通过PCI总线传递给I/O接口板来控制外部继电器的通断。
另一部分是数据信息的反向传送过程。交流伺服电机及其驱动装置通过信号传输线将经过脉冲处理的位置信号传送给运动控制卡。运动控制卡接收到这些位置信息后，利用它们继续完成插补任务，同时，将这些信息通过PCI总线传递给嵌入式工业控制计算机。安装在嵌入式工业控制计算机上的数控管理模块经过数据处理，在显示器上实时显示当前机床的位置和速度信息。
与现有系统相比，本发明具有实质性特点和显著进步嵌入式工业控制计算机稳定可靠。在DOS环境下实现PCI总线驱动，而且PCI总线传输速度快，稳定性较好。DSP指令执行速度快，其发出的脉冲最大频率可以达到250KHz，确保机床最高运行速度可达15000mmpm，控制精度能够达到8000个(脉冲)/mm，实现高效、高精度的进行运动控制，实时性强且便于升级。FPGA不仅可以实现基本的双口RAM(数据存储器)功能，并且是可编程的，大大增加了运动控制卡功能控制的灵活性。数控管理模块在DOS系统上运行，其可靠性、稳定性方面非常适合于恶劣的生产环境，且功能强大，操作简便，界面友好，很好地满足了切割工艺的特殊要求。
总之，嵌入式工业控制计算机、基于PCI+DSP+FPGA技术的运动控制卡、I/O接口板、人机通讯设备、基于DOS平台的数控管理模块的优化组合，使得本控制系统稳定性好且不易受工业现场干扰源干扰；运算能力强，处理速度快；具有丰富的接口并能通过串口与远程计算机进行通讯；并易于调试、维护和升级。
本发明系统结构简单，各组成部分相对独立，部分硬件可直接采购市售商品为组成部分，加上已经开发成熟的数控管理模块，整个控制系统与现行的控制系统相比，不仅性能提高、成本降低，而且装配、使用、升级极为简单。
图1本发明结构框2运动控制卡结构框图具体实施方式
如图1所示，本发明的基本组成包括嵌入式工业控制计算机、运动控制卡、I/O接口板、人机通讯设备、数控管理模块5个部分组成。
(1)嵌入式工业控制计算机采用一台工业专用计算机，选用华北工控型号RPC-206 6-PCI槽工业专用计算机，带PCI、LCD/VGA、USB、PS/2、软驱接口，也可以采用带以上接口的其它型号嵌入式工业控制计算机，目前已有满足上述接口要求的嵌入式工业控制计算机出售。
(2)人机通讯设备由LCD/VGA显示器、工业键盘、U盘、软盘等组成，通过LCD/VGA、USB、PS/2、软驱等接口与嵌入式工业控制计算机相连，实现人机通讯。
(3)I/O接口板32路输入输出控制卡，包括16路输入信号端口与16路输出信号端口。I/O接口板安插在嵌入式工业控制计算机内部的PCI槽上，通过PCI总线实现燃气点火、预热处理、割炬升降、钢板穿孔、弧压开关等一系列开关量的输出控制任务，同时也担负着机床限位开关信号读入的任务。
人机通讯设备、I/O接口板在国内外电子产品生产厂家均有购买，可直接采用市售商品为组成部分。
(4)数控管理模块安装在嵌入式工业控制计算机上，在DOS系统平台上工作。
(5)本发明系统中运动控制卡的基本组成。
如2图所示，本发明系统中的运动控制卡采用开放式结构的控制板卡，主要有DSP、FPGA、PCI接口芯片组成。DSP选用工作频率高达100MHz的高速浮点型微处理芯片，FPGA采用多达2万门的可编程逻辑器件，PCI接口芯片采用PCI9052专用芯片。除此之外，还包括驱动器接口电路和外围电路，它们由普通的电子元器件构成。
运动控制卡安插在嵌入式工业控制计算机内部的PCI槽上，它们之间通过PCI总线实现数据的双向传递，达到电机控制和数据信息实时反馈的目的。
运动控制卡通过PCI接口接收嵌入式工业控制计算机发出的命令，DSP内部实现电机控制的预处理任务，然后通过插补运算，发出脉冲信号控制机床按指定轨迹和速度运行。同时，DSP通过PCI接口实时反馈数据给嵌入式工业控制计算机。驱动器接口电路用于放大DSP发出的脉冲信号，它直接和电机驱动器连接，外围电路是各芯片正常工作的必要元器件。
权利要求
1.一种基于DOS平台的数控切割机控制系统，其特征在于，包括嵌入式工业控制计算机、运动控制卡、I/O接口板、人机通讯设备和数控管理模块，嵌入式工业控制计算机与运动控制卡通过PCI总线相连接，并与系统外部的交流伺服电机构成伺服闭环系统，担负的任务命令机床按指定运动轨迹切割运行，以及速度控制、中断信号处理；嵌入式工业控制计算机与I/O接口板通过PCI总线相连接，承担开关量的输出控制和机床限位开关信号的读入；嵌入式工业控制计算机与人机通讯设备，它们之间通过LCD/VGA、USB、PS/2、软盘驱动器相连，这些接口集成在嵌入式工业控制计算机的主板上，用于实现人机通讯操作；数控管理模块安装在嵌入式工业控制计算机上，用于实现图形和文件系统管理、信息传递、接口驱动任务。
2.根据权利要求1所述的基于DOS平台的数控切割机控制系统，其特征是，所述的数控管理模块，是在DOS系统平台上进行的，担负的任务数控系统的多任务调度策略，加工文件的图形变换，在DOS环境下实现运动控制卡，I/O接口板的PCI总线驱动，割缝补偿的设置，I/O接口的监控和诊断，前后两条切割线段连接处的转角速度控制功能，数控系统的图形用户界面，文件管理系统，人机交互方式等任务。
3.根据权利要求1所述的基于DOS平台的数控切割机控制系统，其特征是，所述的运动控制卡，包括DSP、FPGA和PCI接口。
4.根据权利要求1或者3所述的基于DOS平台的数控切割机控制系统，其特征是，所述的PCI接口，采用PCI专用接口芯片，通过PCI总线与嵌入式工业控制计算机相连，PCI接口通过PCI总线从嵌入式工业控制计算机接受控制命令，然后将这些命令通过FPGA传送给DSP执行，DSP通过FPGA将切割过程中的一系列数据信息由PCI接口反馈到嵌入式工业控制计算机，实现嵌入式工业控制计算机和运动控制卡的数据双向传输。
5.根据权利要求3所述的基于DOS平台的数控切割机控制系统，其特征是，所述的DSP，采用DSP微处理器作为运动控制单元，完成电机控制包括直线和圆弧线段的插补，多轴同步运动，速度控制，线段预处理功能。
6.根据权利要求3所述的基于DOS平台的数控切割机控制系统，其特征是，所述的DSP，DSP通过驱动接口电路驱动交流伺服电机，通过FPGA将数据发送到PCI接口，再由PCI接口将信息传递给嵌入式工业控制计算机。
7.根据权利要求3所述的基于DOS平台的数控切割机控制系统，其特征是，所述的DSP，DSP自身完成与运动有关的控制，通过下载部分过程控制码在DSP内部执行，确保了运动控制的开放性和实时性。
8.根据权利要求3所述的基于DOS平台的数控切割机控制系统，其特征是，所述的FPGA，采用FPGA作为PCI接口芯片与DSP微处理器的中介，实现DSP和PCI接口之间的数据双向传输，并辅助完成DSP的运动控制功能。
全文摘要
一种工业控制自动化技术领域的基于DOS平台的数控切割机控制系统。本发明嵌入式工业控制计算机与运动控制卡通过PCI总线相连接，与系统外部的交流伺服电机构成伺服闭环系统，命令机床按指定运动轨迹切割运行、速度控制、中断信号处理；嵌入式工业控制计算机与I/O接口板通过PCI总线相连接，承担开关量的输出控制和机床限位开关信号的读入；嵌入式工业控制计算机与人机通讯设备，它们之间通过LCD/VGA、USB、PS/2、软盘驱动器相连，这些接口集成在嵌入式工业控制计算机的主板上，用于实现人机通讯操作；数控管理模块安装在嵌入式工业控制计算机上，实现图形和文件系统管理、信息传递、接口驱动任务。本发明稳定可靠、实时性好、操作简易、方便升级、性价比高。
文档编号G05B19/18GK1696851SQ200510026198
公开日2005年11月16日 申请日期2005年5月26日 优先权日2005年5月26日
发明者唐厚君, 方万, 付小卫, 徐青菁, 徐霞棋 申请人:上海交通大学