[发明专利]全方位一体化的集成化PC数控系统

说明书

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。