CN1095556C - 全方位一体化的集成化pc数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明属机械制造自动化及数控技术领域，涉及一种全方位一体化的集成化PC数控系统，由中央集中控制层加外围分散执行层的两层结构组成，该中央集中控制层包括PC系统平台和集成化数控系统软件；外围分散执行层包括通过系统总线与该PC系统平台连接的多个执行接口和由所说的执行接口连接的执行装置；本发明具有性能优异、功能强大、可靠性高，结构简单、制造容易、生产成本低、便于普及应用的优点，可广泛应用于制造业、国防工业和国民经济其他生产部门。

Description

全方位一体化的集成化PC数控系统

技术领域

本发明属机械制造自动化及数控技术领域，特别涉及一种新型集成化PC数控系统的结构设计。

背景技术

目前，PC数控系统在结构上主要有三种类型，即专用数控加PC前端的复合式结构、通用PC加实时控制模块的递阶式结构和网络化分布式结构。

复合式系统的设计思想是将通用PC和专用NC通过高速信息交换通道连接到一起组成一复合式数控系统。这类系统虽然可以保持原有NC技术基础，发挥厂家在以硬件专用芯片实现特殊控制功能等方面的优势，且技术上容易保密，但这类系统的最大缺点就是开放性有限、开发和生产成本较高，技术上升级换代较慢。目前，此类系统已正在走下坡路，不会有大的发展。

递阶式系统的设计思想是利用PC机为数控系统软硬件平台，在其标准总线上直接连接实时控制模块(如精插补、轴运动控制、开关量控制模块等)，再通过这些模块连接伺服驱动单元而组成完整的数控系统。例如一种采用多层结构的现有的PC数控系统如图1所示，包括由PC系统平台、数控上层软件(完成系统管理、人机交互、信息处理、轨迹粗插补等任务)等组成的宏观控制层、连接于系统总线上的由进给轴控制模块(完成轨迹精插补和位置环控制任务)、主轴控制模块、开关量控制模块等组成的运动控制层、承上启下的由数字/模拟转换器、脉冲发送/接收电路、屏蔽电缆等组成的硬件通讯层、驱动器中的由DSP(数字信号处理器)等组成的伺服控制层和由IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等组成的功率放大层、连接机床的由进给电机、主轴电机等组成的执行层等。这类系统虽然具有较好的开放性、易于采用标准部件(如各种位控卡、开关量控制卡、伺服系统等)组成系统。但这类系统的组成单元和模块较多，各单元和模块间，特别是实时控制模块与伺服驱动单元间的信息交换往往成为阻碍系统性能提高的瓶颈。目前，将实时控制信息送往伺服驱动单元的方法主要有两种：一种是通过模拟量形式进行，主要问题是难以消除零飘、温飘对精度的影响，容易受外部干扰。另一种是通过脉冲量形式进行，主要缺点是实时控制模块与伺服驱动单元间需通过非编码方式直接传递指令脉冲信号，一旦丢失脉冲或引入了干扰脉冲，难以进行查错纠错，不易保证信息传递的高可靠性。此外，脉冲驱动式的数字伺服单元所能接受脉冲的最高频率目前仅为500K左右，限制了进给速度的提高，不能满足数控向高速高精度发展的需要。

分布式系统的方案是将由DSP(数字信号处理器)等组成的数字式伺服模块等通过以光缆等为介质的网络与PC数控装置连接起来，组成一完整的数控系统。这种系统虽然通过采用实时网络较好地解决了数控系统的底层通讯问题。但是，其开发和生产成本比递阶式系统还要高，没有大的投资很难上马。如果采用国外(包括引进国外技术国内生产)的部件如数字式交流伺服、实时通讯网络等来组成国产网络化分布式数控系统，则成本也太高，近期难以被广大用户所接受。

综上所述，现有PC数控系统存在的共同突出问题是：系统层次多，各层次在硬件上相互分离，除上层的PC系统平台和第二层的实时控制模块(如开关量控制、进给轴控制、主轴控制等)需要独立的硬件电路外，下层的各个伺服驱动装置也有自己独立的硬件电路和安装这些硬件电路的机箱和供电系统，并且还需要通讯线路(如串行或并行通讯线路、实时网络、模拟量传递电路等)将这些独立的子系统连接起来，因此造成整个数控系统硬件规模庞大，通讯麻烦、控制复杂，不但可靠性难以得到保证，而且开发和生产成本高，产品的竞争能力弱。

发明内容

本发明的目的是为解决现有PC数控系统将轨迹控制与伺服驱动相分离，结构复杂、硬件规模庞大，可靠性难以得到保证，生产成本高等突出问题，提出全方位一体化的集成化PC数控系统的结构设计。使其具有性能优异、功能强大、可靠性高，结构简单、制造容易、生产成本低、便于普及应用的优点，可广泛应用于制造业、国防工业和国民经济其他生产部门。

本发明的全方位一体化的集成化PC数控系统，其特征在于，由中央集中控制层加外围分散执行层的两层结构组成，该中央集中控制层包括PC系统平台和集成化数控系统软件；外围分散执行层包括通过系统总线与该PC系统平台连接的多个执行接口和由所说的执行接口连接的执行装置；所说的PC系统平台包括硬件平台和软件平台两部分；所说的集成化数控系统软件包括完成信息处理和轨迹控制任务的数控装置软件、伺服驱动器软件、开关量控制软件、支持保障软件子系统；所说的执行接口包括功率接口、反馈接口、开关量接口；在所说的集成化PC数控系统中，以逻辑连接取代物理连接，实现模块间的直接高速信息交换，并以单层次的高速高精度插补取代多层次的粗一精插补传统模式，实现高速高精度轨迹控制。

所说的功率接口可包括，与三相交流电源相连的由六个二极管组成的三相桥式整流电路，连于该整流电路的电容滤波器，六只IPM模块的一端与该电容滤波器相连，另一端通过光电隔离模块与计算机的I/O接口相连。

所说的反馈接口可包括位移反馈接口、零位反馈接口和电流反馈接口几部分；该位移反馈接口包括，光电编码器，其信号相位差90°的两输出端分别与差动发送器相连，再经屏蔽电缆依次与差动接收器、斯密特电路倍频处理电路、方向鉴别电路及可逆计数器相连；所说的零位反馈接口包括，依次相连的光电编码器、差动发送器、差动接收器、斯密特电路；还包括依次相连的行程开关、放大器、光电耦合器、整形电路；以及相互连接的信号处理电路和非门9；该整形电路的一端分别与信号处理电路、与非门9相连；该斯密特电路的一端也分别与信号处理电路和与非门9相连；所说的电流反馈接口包括，串接于电机主电路中的精密电阻，与其两端相连的由运算放大器、电阻组成的第一放大器和第二放大器，连于该第二放大器的A/D转换器和光电隔离器。

本发明采用全方位(信息处理、轨迹控制、伺服驱动、开关量控制)一体化的集成式体系结构，其总体框图如图2所示。图中，高性能PC系统平台由硬件平台和软件平台两部分组成。硬件平台的核心是一高主频(500MHz以上)的高性能CPU(如Pentium III)，其性能比常规数控系统普遍采用的CPU(如80386、80486等)高数十倍。软件平台的核心是一高性能实时操作系统(如Windows NT)的内核软件。集成化数控系统软件运行于上述软硬件平台上，由其完成数控系统的所有控制算法。该软件与PC系统平台一起构成集成化PC数控系统的控制中心。该中心通过系统总线连接所有执行接口，包括功率接口、反馈接口、开关量接口等，再由执行接口连接对应的执行装置，如驱动电机、检测装置、开关量执行装置等，由此组成完整的控制系统，共同完成集成化PC数控系统的所有控制任务。

由于集成化PC数控系统以一个功能强大、高度集成的的硬件平台不但完成了常规数控系统的上层硬件功能，而且还代替了常规数控系统中完成进给轴控制、主轴控制、开关量控制等所需的独立硬件电路，以及各分立驱动器中完成信息处理与控制的硬件电路，此外，该系统还省去了将驱动装置与上层控制模块相连接的通讯线路。这样，集成化PC数控的硬件规模比普通数控系统大为缩小，因此，不但有效减小了强电电源部分的体积，还进一步降低了系统成本。

本发明的集成化PC数控系统软件是集成化PC数控系统的重要组成部分，其总体结构如图7所示。该软件由数控装置软件、伺服驱动器软件、开关量控制软件、支持保障软件子系统组成。其中数控装置软件包括数控实时操作系统、人机交互、信息处理、轨迹插补程序模块，伺服驱动器软件包括伺服控制程序模块，开关量控制软件包括开关量控制程序模块，支持保障软件包括网络通讯、工件定位、加工仿真、安全保障程序模块。各程序模块的功能如下：

①数控实时操作系统

数控实时操作系统是集成化数控系统软件中的运控管理子系统，它对系统中的资源进行统一管理，对任务进程进行动态调度，协调各模块的高效运行，并辅助完成进程间的通讯和信息交换。

②人机交互

人机交互是集成化数控系统的基础模块，主要完成方式控制和动态显示两大任务。方式控制由自动方式、MDI方式、手动连续、手动增量、联网控制、返回参考点、系统管理等子模块组成。在每一方式下，首先显示各自的方式界面，并在相应窗口中显示系统提示信息进行操作引导，操作者通过操作键盘向系统输入指令，系统对操作者的指令进行分析，根据其内容完成规定的操作。

动态显示的任务是在数控系统的显示屏幕上实时显示加工过程中刀具的运动轨迹、各运动坐标的动态坐标值、系统的运行状态等信息，使操作者随时了解系统和机床的运行状况。

③网络通讯

本系统可通过网络接口与上级计算机联网，可与网上的计算机(如管理计算机、监控计算机、CAD/CAM计算机等)交换信息和实现资源共享。此时，上级管理计算机可直接控制数控系统的运行，并实时获取数控系统和机床的有关状态信息。

④工件定位

该模块可根据实际测量信息，确定工件在机床坐标系中的位置与姿态，实现工件的计算机辅助安装，降低对工装夹具的要求，有效缩短加工准备时间和辅助时间，提高数控生产效率。

⑤信息处理

该模块负责对输入信息进行译码，完成轨迹插补前的刀补运算，并对子程序、宏程序、固定循环、坐标变换等进行前置处理。

⑥轨迹插补

该模块是集成化数控系统的核心模块，其任务是在信息预处理的基础上，实时生成刀具运动轨迹和各坐标的移动指令。由于集成化PC数控系统具有硬件速度比常规数控系统高数十倍且软硬件高度集成的优势，因此本发明将轨迹插补程序的采样频率提高到与伺服控制(位置环)相同的采样频率，并使轨迹插补算法和位置控制算法的采样时刻完全同步，从而实现了同频同步高速采样插补，彻底克服了现有PC数控系统受多层低能(层数多但每层能力不高)结构的制约，轨迹插补一般需两级(上层粗插补加下层细插补)来实现而产生的插补器结构复杂，速度低、精度差等缺点，为实现数控机床的高速高精度控制开辟了新的途径。

⑦伺服控制

该模块是集成化数控系统的另一核心模块，其任务不仅是根据插补运算结果，通过高速算法对机床X、Y、Z等坐标轴进行高精度位置控制，而且还需完成速度闭环控制、矢量变换控制等高实时性控制任务。由于在本发明中伺服控制模块与轨迹插补模块运行于同一硬件平台上，因此在软件内部将两模块进行直接连接(无须通过通讯线路和硬件接口)，从而在插补与伺服间实现了高速直接数据传递，彻底消除了一般数控系统中存在的插补与伺服间的信息传递瓶颈，有效提高了系统的总体性能。

⑧开关量控制

该模块对系统中的开关量进行逻辑运算，按PLC(可编程序控制器)的原理控制机床的逻辑顺序运动。

⑨安全保障

该模块与有关传感器相配合，对机床的加工过程和有关动作进行监视，防止某些错误动作的发生和故障蔓延，并对系统发生的故障进行在线诊断。

⑩加工仿真

以动画方式对数控加工过程进行动态仿真，从而可在加工前检验零件程序的正确性和机床运动过程的合理性。

由于集成化体系结构将数控系统的所有子系统全部集中到一个功能强大的、高度集成的、完全通用的软硬件平台上，使数控系统的信息处理、轨迹控制、伺服控制、开关量控制等功能统一由一个新型高性能CPU加集成化数控系统软件来实现，从而彻底消除各子系统的冗余硬件及各子系统间的硬件接口与通讯线路，并省去了控制硬件接口和进行通讯处理所需的软件，大幅度简化了软件结构。因此，集成化PC数控系统中“集成”的含义不仅仅是一般意义下的信息集成，而是从硬件、软件到信息的全面集成。由此实现了硬件复杂性到软件复杂性的转移，实现了以物质产生高效能到知识产生高效能的变革。硬件的简化、知识作用的加强意味着生产简化、节约资源、节约能源、清洁环境，更有利于人类的持续发展。因此，本发明的集成化PC数控系统体系结构将使数控系统从传统产品转变为典型的知识经济产品。

综上所述，集成化PC数控系统的创新点是：①将进给伺服和主轴驱动器的控制硬件集成进PC平台中，实现伺服驱动硬件与数控装置硬件的一体化；②将运行于各分立驱动器中的伺服软件集成到运行于PC主CPU上的集成化数控系统软件中，实现伺服软件与数控软件的融合；③以逻辑连接取代物理连接，彻底消除系统模块间的通讯线路和相关联的软硬件接口，实现模块间的直接高速信息交换。④以单层次的高速高精度插补取代多层次的粗一精插补传统模式，实现高速高精度轨迹控制。

本发明具有以下独特效果：

(1)可靠性高

可靠性好坏是数控系统这种高科技产品能否在市场竞争中获胜的关键。虽然影响数控系统可靠性的因素很多，但过大的硬件规模和较低的硬件制造工艺水平往往对可靠性造成最大的威胁。本发明由于选用了新型高性能CPU作为系统的运算和控制核心，使以前需多个CPU(包括DSP)加大量硬件才能完成的数控任务，现在用一个CPU就能完成，从而大幅度缩小了系统硬件的规模。而且集成化PC数控所需的硬件属于国际计算机市场上的主流产品，其可靠性相当高(如工业PC主机的平均无故障时间已达20万小时以上)，这可使由本发明生产的产品达到很高的可靠性。

(2)性能好、功能强

利用本发明集成化PC数控系统强大的软硬件平台，可以开发出性能更好、功能更强的数控系统软件。例如，可实现采样频率高达数千Hz(采样周期为零点几毫秒)的高速高精度采样插补。这种高频插补所带来的好处是，不但有利于提高系统的分辨率，使进给速度高达60米/分时，仍可保证插补误差小于0.1微米，而且可实现粗精插补合一，从而有效简化软件算法和系统结构。

在本发明所具有的统一硬件及所提供的高速插补加高速同步数据传递的环境下，非常有利于轨迹插补与伺服控制的直接连接，从而实现直接数据传递。所谓直接数据传递是指插补模块与位置控制模块间的信息传递直接通过软件间的数字量进行，而不采用常规的基于硬件的模拟量或脉冲量来传递。这样，可去掉按常规方法联接插补模块与数字式伺服系统所需的数字/脉冲转换环节(插补侧)和脉冲/数字转换环节(伺服侧)，从而彻底消除一般数控系统中存在的插补与伺服间的信息传递瓶颈，有效提高了系统运行效率。

在集成化的环境下，系统软件可方便地获取内装式伺服系统的有关信息，因此非常有利于对伺服系统的运行状况进行实时监控，从而保证伺服系统高可靠性运行，发挥最佳运行效益。

此外，在集成化PC数控系统中还可方便地实现曲面直接插补、三维刀具半径补偿、现场总线联网控制、CAD/CAM/CNC一体化等新功能，使数控系统的性能得到全面提高。

(3)开发和生产成本低

本发明的集成化PC数控系统，其硬件规模将达到最小化，整个数控系统除一个PC平台外，剩下的只有电机、驱动接口和反馈接口。充分利用我国的永磁资源优势，通过专业化生产可以把电机的造价降下来，而采用智能化的IPM模块作为驱动接口也很便宜，因此将内装式进给伺服的价格控制在数千元以内，将内装式主轴伺服的价格控制在2万元以内，将是完全可能的。这样，一个集成化数控系统(包括电机)的售价将可降至现有数控系统的一半左右。显然，这种高性能、高可靠性、低成本的新型数控系统将具有极强的竞争力。

(4)易于实现开放式结构

本发明的另一大优点，就是容易实现开放式结构。这是因为，这种系统的硬件本身已经是完全开放的，构成开放式数控系统的工作完全在软件上，只要制定好标准和协议，从信息处理、轨迹插补、加减速控制、开关量控制到伺服控制都可以实现开放，从而可大大方便用户的使用。

此外，集成化PC数控系统的硬件平台是完全通用的，因此可以获得快速的技术进步，当PC机升级换代时，数控系统也可相应的升级换代，从而长期保持技术上的优势，在竞争中立于不败之地。

本发明可以为军工生产、航空航天器制造及各类民用制造业提供一种具有最优性能价格比的新型高效自动化控制设备。由于所控制的机床可以进行多坐标全方位加工，因而不仅可以加工各种复杂零件，而且可以大幅度提高加工柔性和加工效率。这一新型系统的推广应用，将为制造工业现代化，增强综合国力作出有较大实效的贡献。

附图说明

图1是现有PC数控系统的总体结构示意图。

图2是本发明的集成化PC数控系统总体结构示意图。

图3是本发明的实施例的功率接口原理图。

图4是本发明的实施例的位移反馈接口原理图。

图5是本发明的实施例的零位反馈接口原理图。

图6是本发明的实施例的电流反馈接口原理图。

图7是本发明的集成化PC数控系统软件总体结构框图。

图8是本发明的实施例的工件定位程序结构框图。

图9是本发明的实施例的信息处理程序结构框图。

图10是本发明的实施例的通道处理程序流程框图。

图11是本发明的实施例的轨迹插补程序流程框图。

图12是本发明的实施例的伺服控制程序结构框图。

图13是本发明实施例的总体结构框图。

具体实施方式

本发明设计的一种集成化PC数控系统的实施例结合各附图分别详细描述如下。

本实施例的总体结构如图13所示，本实施的硬件包括高性能P C硬件平台和安装于系统总线上用于连接底层执行装置的执行接口。该执行接口包括连接驱动电机的功率接口、连接检测装置的反馈接口和连接各种开关量装置的开关量接口等。该系统可用于控制数控加工中心机床，其中，Pentium III计算机系统平台由500MHz主频的PentiumIII CPU、64M内存、5G硬盘等组成，在其上运行集成化PC数控系统软件。

连接于系统总线上的软盘驱动器用于输入加工所需的有关信息，如被加工零件的NC程序、刀具和机床参数等。连接于系统总线上的操作面板上装有液晶彩色显示器、键盘和控制按钮。操作人员可通过键盘和控制按钮对系统的运行进行控制。系统运行的有关信息通过彩色显示器以动态图形和数据形式显示出来。通过连接于系统总线上的CAN(Controller Area Network)网络接口，本系统可与上级管理计算机交换信息。此时，上级计算机可直接控制数控系统的运行，从而实现无人化操作。

连接于系统总线上的X、Y、Z功率接口和主轴功率接口用于将计算机产生的弱电控制信号转换为驱动电机的强电信号，以驱动X、Y、Z轴进给电机和主轴电机运动。功率接口按图3所示原理图制作。

安装于电机尾部的光电编码盘1用于获取电机的角位移信息。电机角位移的实际值可通过连接于系统总线上的X、Y、Z和主轴位移反馈接口送入计算机中，集成化数控系统软件可据此对电机的运动进行精确控制，从而使机床获得高的加工精度。连接于系统总线上的X、Y、Z和主轴电流反馈接口用于获取电机电流实际值，集成化数控系统软件可据此对电机的力矩进行精确控制，从而使电机和机床获得高的动态性能。连接于系统总线上的X、Y、Z和主轴零位反馈接口用于获取电机的实际相位信息和机床运动部件的机械原点信息，从而实现对电机进行高精度矢量控制，为机床加工建立准确参考点。零位反馈信息包括粗零位信息和精零位信息两部分。精零位信息取自光电编码器1的零位脉冲信号，粗零位信息由安装于机床上的行程开关2提供。

连接于系统总线上的开关量I/O接口用于连接机床上的开关量执行装置，如换刀机构的驱动装置、冷却液的电磁开关阀、机床各部件上的行程开关、限位开关、保护装置等。集成化数控系统软件中的开关量控制程序将通过这些接口和执行装置完成机床的开关量运动控制。

在本实施例系统的物理布局上，将所有执行接口安装于同一PC机箱内。为防止相互干扰，功率接口与弱电部分之间加装有屏蔽网。所有功率接口均由安装于PC机箱内的集中式强电整流滤波模块统一供电，不但有效减小了强电电源部分的体积，还进一步降低了系统成本。

为适应现代制造系统的需要，本系统可工作于两种模式，即离线模式和在线模式。当系统工作于离线模式时，操作人员可通过软盘驱动器等输入加工所需信息，并可通过系统提供的高级编辑功能，对已输入的信息进行修改。系统的运行由操作人员通过操作面板上的键盘和控制按钮进行控制。系统运行的有关信息通过操作面板上的彩色显示器以动态图形和数据形式显示出来。系统工作于在线模式时，可通过CAN网络接口与上级计算机联网，可与网上的计算机(如管理计算机、监控计算机、CAD/CAM计算机等)交换信息和实现资源共享。此时，上级管理计算机可直接控制数控系统的运行，并实时获取数控系统和机床的有关状态信息。以此为基础，可构成各种先进制造系统。

本实施例的各主要硬件部件和软件程序分别详细说明如下：

系统中功率接口的作用是将计算机产生的弱电控制信号转换为驱动电机的强电信号，并完成强弱电之间的隔离。由于功率接口不需要完成复杂的信息处理和控制功能，但需具有极强的自我保护能力，因此采用自带保护功能的智能化交流伺服驱动模块(IPM)加光电隔离模块等组成。图3是功率接口原理图。图中，三相交流电源经由六个二极管组成的三相桥式整流电路整流，并经电容滤波后得到比较稳定的直流电。右边的六只IPM模块再将直流电逆变成驱动电机运动的可变三相交流电。为对逆变产生的交流电的频率、幅值和相位进行控制，六只IPM模块的输入信号由计算机提供。考虑到IPM模块直接与强电相连接，而计算机属于弱电装置，为保证计算机系统的安全，在IPM模块与计算机之间加装了光电隔离模块。为加强对功率接口的保护，将IPM的状态监测信号通过I/O接口输入计算机中，由集成化数控软件中的安全保障程序实现统一智能化监测与保护。

集成化PC数控系统中的反馈接口包括位移反馈接口、零位反馈接口和电流反馈接口几部分。位移反馈接口的作用是向数控系统提供电机和机床运动部件的实际位移信息，控制软件可据此求出运动部件的瞬时位置和速度。零位反馈接口可提供对交流电机进行矢量控制所需的相位信息及机床机械原点信息。电流反馈接口的作用是向控制系统提供控制电机力矩的电流信息。通过上述反馈接口可连接高精度编码盘、光栅、霍尔传感器等多种检测装置，从而可根据用户需要构成半闭环、全闭环控制系统，以保证被控机床具有高的加工精度。

位移反馈接口的电路原理图如图4所示。其中，光电编码器(或光栅)1用于检测电机或机床工作台的位移，其输出为相位差90°的两相信号A、B。该信号通过差动发送器3经屏蔽电缆传给差动接收器4。斯密特电路5对接收到的信号进行整形得到标准的TTL电平信号，然后将此信号送往倍频处理电路处理得到细分位移脉冲信号。进一步由方向鉴别电路将该信号转换为正向脉冲或负向脉冲序列。最后由可逆计数器对正负脉冲进行计数，并保存于其内部的寄存器中。计算机读取寄存器中的内容即可得到电机和机床工作台位移信息。

零位反馈接口的电路原理图如图5所示。其中，光电编码器(或光栅)1输出的零位脉冲信号Z经差动发送器3和差动接收器4传给斯密特电路5。经其整形后得到符合TTL电平标准的精零位信号。该信号分成两路，一路送往与非门9，另一路送往信号处理电路。行程开关2产生的粗零位信号先经放大器6进行放大。然后经光电耦合器7隔离后传给整形电路8。整形后的粗零位信号，一路送往信号处理电路，另一路送往与非门9。与非门9将粗精零位信号进行合成得到综合零位信号。该信号也被送入信号处理电路。最后由信号处理电路将粗、精和综合零位信号进行处理后传给控制系统。

电流反馈接口的电路原理图如图6所示。其中，串接于电机主电路中的精密电阻R0用于对电机的电流进行检测。当电机电流流过R0时将在其两端产生正比于电机电流的电压。该电压经过由运算放大器O1、电阻R1、R2、R3等组成的放大器放大后得到双极性输出电压。该电压进一步由运算放大器O2、电阻R4、R5、R6、R7等组成的放大器放大，并变为A/D转换器所能接受的单极性电压。该电压经A/D转换后变成数字量，最后经光电隔离后送往控制系统。

系统中的开关量接口可提供一定数量的符合通用PLC标准的输入/输出接点。这些接点可根据需要与对应的开关量执行装置(如电磁阀、行程开关等)相连接。数控系统软件中的开关量控制模块将通过开关量接口及开关量执行装置对机床的逻辑顺序运动，如主轴起停、刀具交换、工件装卡、加工冷却、行程保护等进行控制。开关量控制模块将与伺服控制模块、轨迹控制模块等相配合，共同完成机床工作过程的控制。

本实施例的集成化PC数控系统软件总体结构如图7所示。系统中各程序模块的功能结合图8、图9、图10、图11、图12分别说明。

工件定位程序的结构如图8所示。其输入信息为从网络上传来的被加工零件的几何工艺信息。工件定位程序中的工件定位分析模块首先对工件几何工艺信息进行分析，确定合适的定位面。测量规划模块再在工件定位面上选择一定数量的测量点并确定其坐标位置。进一步由测量控制模块根据测量点位置控制安装于机床上的测量系统运动。测量信息处理模块通过反馈接口获取测量信息，并对其进行处理后送往坐标变换模块。该模块根据工件实测信息对工件的有关元素进行几何变换。最后由工件位姿计算模块求出工件当前实际位姿，并将此信息存储于工件位姿文件中，供后续信息处理和轨迹插补等模块使用。

信息处理程序的结构如图9所示，共包括N个(通道1至通道N)分处理程序，每个分处理程序完成一个通道的信息处理任务。各通道分处理程序由通道控制、通道检测、通道处理、通道队列等模块组成。通道处理模块是其核心，该模块的运行由对应的通道控制模块根据通道调度信息和通道检测信息进行控制。各通道处理模块产生的输出信息被送往对应的通道队列中。后续的轨迹插补程序将从对应的通道队列中获取其输入信息。

通道处理模块的流程框图如图10所示。在通道处理启动后，首先输入被加工零件程序，然后对零件程序进行扫描译码，将其变为便于计算机内部处理的形式。进一步对零件程序中的子程序进行处理，对固定循环进行展开。最后进行刀具补偿计算，并将处理结果送入通道队列中。若通道队列已满，则处理暂停，否则输入后续零件程序继续进行处理。

轨迹插补模块的流程框图如图11所示。该模块启动后，首先从通道队列中输入被插补曲线的有关信息。然后根据希望速度和实际速度之差及加速度要求进行加减速计算，求出当前的瞬时速度，并根据被插补曲线的几何关系求出允许误差。进一步按照瞬时速度和允许误差求出三维空间中的插补线段长度，并根据该插补线段求出参数空间中的轨迹参数取值。最后根据轨迹参数计算插补轨迹点坐标，即完成一个采样周期的插补。若插补轨迹已到终点，则插补结束，否则进入新一轮采样周期的插补，直至到达轨迹终点。

图12是伺服控制程序的结构框图。首先由位置控制模块根据轨迹插补产生的运动指令和由位置计算模块给出的实际位置之差，计算速度指令值。然后由速度控制模块根据速度指令和由速度计算模块给出的实际速度之差，计算正交电流指令值。进一步由矢量变换模块根据相位计算模块给出的实际相位，将正交电流指令变换为三相电流指令值。最后由电流控制模块根据三相电流指令值和由电流计算模块给出的三相电流实际值之差，计算PWM控制指令，并通过PWM控制电机运行。电机的实际运行状态由检测装置进行检测，检测值经数字滤波和信息处理后被送往相应的计算模块。经其计算后得到完成上述控制所需的实际位置、实际速度、实际相位和实际电流。

集成化PC数控系统软件中的其它程序模块采用常规方法开发，叙述从略。

本实施例的总体结构如图13所示，该系统可用于控制数控加工中心机床，其中，Pentium III计算机系统平台由500MHz主频的PentiumIII CPU、64M内存、5G硬盘等组成，在其上运行集成化PC数控系统软件。

连接于系统总线上的软盘驱动器用于输入加工所需的有关信息，如被加工零件的NC程序、刀具和机床参数等。连接于系统总线上的操作面板上装有液晶彩色显示器、键盘和控制按钮。操作人员可通过键盘和控制按钮对系统的运行进行控制。系统运行的有关信息通过彩色显示器以动态图形和数据形式显示出来。通过连接于系统总线上的CAN(Controller Area Network)网络接口，本系统可与上级管理计算机交换信息。此时，上级计算机可直接控制数控系统的运行，从而实现无人化操作。

连接于系统总线上的X、Y、Z功率接口和主轴功率接口用于将计算机产生的弱电控制信号转换为驱动电机的强电信号，以驱动X、Y、Z轴进给电机和主轴电机运动。功率接口按图3所示原理图制作。

安装于电机尾部的光电编码盘1用于获取电机的角位移信息。电机角位移的实际值可通过连接于系统总线上的X、Y、Z和主轴位移反馈接口送入计算机中，集成化数控系统软件可据此对电机的运动进行精确控制，从而使机床获得高的加工精度。连接于系统总线上的X、Y、Z和主轴电流反馈接口用于获取电机电流实际值，集成化数控系统软件可据此对电机的力矩进行精确控制，从而使电机和机床获得高的动态性能。连接于系统总线上的X、Y、Z和主轴零位反馈接口用于获取电机的实际相位信息和机床运动部件的机械原点信息，从而实现对电机进行高精度矢量控制，为机床加工建立准确参考点。零位反馈信息包括粗零位信息和精零位信息两部分。精零位信息取自光电编码器1的零位脉冲信号，粗零位信息由安装于机床上的行程开关2提供。

连接于系统总线上的开关量I/O接口用于连接机床上的开关量执行装置，如换刀机构的驱动装置、冷却液的电磁开关阀、机床各部件上的行程开关、限位开关、保护装置等。集成化数控系统软件中的开关量控制程序将通过这些接口和执行装置完成机床的开关量运动控制。

为适应现代制造系统的需要，本系统可工作于两种模式，即离线模式和在线模式。当系统工作于离线模式时，操作人员可通过软盘驱动器等输入加工所需信息，并可通过系统提供的高级编辑功能，对已输入的信息进行修改。系统的运行由操作人员通过操作面板上的键盘和控制按钮进行控制。系统运行的有关信息通过操作面板上的彩色显示器以动态图形和数据形式显示出来。系统工作于在线模式时，可通过CAN网络接口与上级计算机联网，可与网上的计算机(如管理计算机、监控计算机、CAD/CAM计算机等)交换信息和实现资源共享。此时，上级管理计算机可直接控制数控系统的运行，并实时获取数控系统和机床的有关状态信息。以此为基础，可构成各种先进制造系统。

Claims (3)

1、一种全方位一体化的集成化PC数控系统，其特征在于，由中央集中控制层加外围分散执行层的两层结构组成，该中央集中控制层包括PC系统平台和集成化数控系统软件；外围分散执行层包括通过系统总线与该PC系统平台连接的多个执行接口和由所说的执行接口连接的执行装置；所说的PC系统平台包括集成化的硬件平台和软件平台两部分；所说的集成化数控系统软件包括完成信息处理和轨迹控制任务的数控装置软件、伺服驱动器软件、开关量控制软件、支持保障软件子系统；所说的执行接口包括功率接口、反馈接口、开关量接口；所说的数控装置软件包括数控实时操作系统、人机交互、信息处理、轨迹插补程序模块，所说的伺服驱动器软件包括伺服控制程序模块，开关量控制软件包括开关量控制程序模块，所说的轨迹插补程序模块的采样频率与伺服控制的采样频率相同，使其轨迹插补算法和位置控制算法的采样时刻完全同步；所说的伺服控制程序模块根据插补运算结果，对机床X、Y、Z坐标轴进行高精度位置控制、速度闭环控制、矢量变换控制高实时性控制，所说的轨迹插补程序模块与伺服控制模块直接连接，在该两模块之间进行高速直接数据传递。

2、如权利要求1所述的集成化PC数控系统，其特征在于，所说的功率接口包括，与三相交流电源相连的由六个二极管组成的三相桥式整流电路，连于该整流电路的电容滤波器，六只智能化交流伺服驱动模块的一端与该电容滤波器相连，另一端通过光电隔离模块与计算机的I/O接口相连。

3、如权利要求1所述的集成化PC数控系统，其特征在于，所说的反馈接口包括位移反馈接口、零位反馈接口和电流反馈接口几部分；该位移反馈接口包括，光电编码器，其信号相位差90°的两输出端分别与差动发送器相连，再经屏蔽电缆依次与差动接收器、斯密特电路倍频处理电路、方向鉴别电路及可逆计数器相连；所说的零位反馈接口包括，依次相连的光电编码器、差动发送器、差动接收器、斯密特电路；还包括依次相连的行程开关、放大器、光电耦合器、整形电路；以及相互连接的信号处理电路和非门9；该整形电路的一端分别与信号处理电路、与非门9相连；该斯密特电路的一端也分别与信号处理电路和与非门9相连；所说的电流反馈接口包括，串接于电机主电路中的精密电阻，与其两端相连的由运算放大器、电阻组成的第一放大器和第二放大器，连于该第二放大器的A/D转换器和光电隔离器。

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