CN101477355A - 一种用于微型切割机的数控*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微型切割机的数控***，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***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***，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***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***相比，具有极高的性价比，更加符合中国的国情。

Description

一种用于微型切割机的数控***

技术领域

本发明涉及计算机数控***领域，更具体的说，是关于一种用于微型切割机的数控***。

背景技术

数控机床自20世纪中期诞生以来，它的数控***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***，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***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***、包含伺服电机和检测反馈装置的伺服***、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***和伺服***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***，在实际运行中切实可行。本***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***相比，本***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***。该***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***，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。

***设计目标

根据切割机床对数控***的要求，提出本***的各项技术指标：：

1.)数控***的硬件设计和选型，首先应当保证该***能够稳定运行，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实时控制和可靠运行，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***，控制精度高，响应速度快。

4.)***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。

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***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***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DSP C语言开发了大量的数控***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***的开放型。

e.)本***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***实现了同类国外***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。

附图说明

图1为本发明的***总体结构图；

图2为本发明的单片机模块功能框图；

图3为本发明的DSP运动控制模块功能框图；

图4为本发明的通讯模块功能框图；

图5为本发明的交流伺服***功能框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

***总体结构如图1所示。

本***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***，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***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机编好的切割文件(G代码)通过U盘传输给数控***，以及将数控***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***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缩短到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/O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64K×16的IS61LV6414RAM。该芯片速度快，访问时间只需12ns，3.3V供电，兼容TTL电平，保证***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***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进级速度，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***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***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/O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/O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。

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***采用74ALVC164245电平转换芯片来解决这个矛盾。

交流伺服***的功能框图如图5所示。

本***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。

***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***中采用速度/位置控制模式。

***采用半闭坏传动控制策略，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***精度低，无自动纠偏能力的缺点，***采用半闭环交流伺服***，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。

Claims (5)

1.一种用于微型切割机的数控***，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***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***，单片机模块通过控制SL811HS芯片来实现在PC中由DOS/WINDOWS操作***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***，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/O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***，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来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***，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。***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。

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