[实用新型]基于全数字环形总线式集成型数控系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种全数字总线式数控系统，更具体地说，涉及在环形全数字总线式数控系统中总线控制器单元的设置方式。

背景技术

传统的数控机床的体系结构，是由传输的数据的形式决定的。市场上能够见到的不外乎如下几种：模拟量数据(如图1)、数字脉冲式(如图2)、总线式(如图3)。这3种结构各有各的特点。目前，国内市场上模拟量传输数据的居多，以脉冲命令传送速度数据的这种结构现在在低端的数控系统中常见，高端的已经是模拟量和数字总线式的市场。

在脉冲式和模拟量传送数据的两种数控结构中，都存在一个叫做数控控制器的结构，这种结构的工作方式简单概括如下：上位机的数控软件传过来的速度或者位置信号，通过某种总线传送到数控控制器。数控控制器将这个信号转化成伺服驱动器能够识别的模拟量(通常是±10V)或者脉冲命令(通过计数和定时实现)伺服驱动器接收到这种命令之后进行相关运算，控制功率部分使伺服电机按照要求运转；同时伺服驱动器的实际运转位置通过位置检测装置反馈给伺服驱动器，伺服驱动器根据反馈的信号计算电机的实际速度和位置，调整控制精度，完成一个控制循环；与此同时位置检测装置的数据也反馈给数控控制器，并通过数控控制器将位置检测装置反馈数据送到上位机的数控软件，参与位置环的运算，达到位置环控制的目的。

由上述结构不难看出脉冲命令式和模拟量式的数控系统结构中间都要加一个数控控制器对来自上位机和数控软件的数据进行转化。这样的话中间环节比较复杂，数据转化和传输过程由于模拟-数字和其他环节的存在，容易造成传输过程中的精度损失和传输转换误差。同时由于中间环节的增加，系统受干扰的概率也会增加，系统不稳定因素提高。还有一点，数控控制器环节的存在，本身会使成本增高。

数字伺服装置的出现是数控技术发展史上的一个重要里程碑。采用数字伺服装置，所有指令值和实际值都在一个微控制器内完成处理。这种伺服装置不但能实现传统的位置环和速度环控制，还能在极短的时间内完成精插补，实现位置环控制。

总线式数控系统体系结构是将来数控发展的趋势，各大数控系统生产厂家都在这个反面进行了大量的投入，并为之设计了诸多的总线系统。

绝大部分的总线式数控都采用如图3所示的类似结构。通常这种结构是开放式的，采用工业级别的计算机，然后在计算机上插上为系统所采用的总线协议特别开发的总线控制器板卡；通过总线控制器板卡连接带有总线接口的伺服驱动器。工作过程大概如下：在固定时间的插补周期内，数控软件将要控制的数据通过主板上的总线接口发送到总线控制器板卡，总线控制器板卡将这些数据根据相应的总线协议需要打包发送到总线网络上去；数字总线式伺服驱动器接收到这些数据包，将有效的位置插补数据和速度以及其他数据提取出来，进行控制算法运算，进而控制伺服电机。同时伺服驱动器根据电机的位置检测装置反馈数据，针对速度和位置进行调整，完成自己的控制循环；位置检测装置的反馈信号同时通过数字伺服驱动器的总线通道反馈给数控软件，数控软件提取数据，根据数控算法进行位置插补以及其他的控制算法的运算，进入下个插补周期，发出该插补周期的命令。

在上面的数字总线式数控系统中，上位机和总线控制器之间是采用插卡方式连接的，这种方式的连接具有机构方便灵活的特点。但是工业现场，由于现场环境比较复杂，尤其是电机比较多的电气环境中，这种金手指式的连接有接触不良的潜在危险，为数控机床的加工带来隐患。

因此有些有主板开发实力的厂家在开放性和可靠性方面取了折中方案，针对工业环境开发自己的主板，并将总线控制器坐在CPU主板上。但是由于时代和当时硬件条件的限制，这些集成了总线控制器的主板通常采用多CPU的接口，相对来说资源比较浪费，结构比较复杂。为了减少重复开发的费用，这种结构一直被保留至今。

数控系统作为一个独立的过程数字控制器应用于工业自动化生产中，其多任务性表现在它的管理软件必须完成管理和控制两大任务。其中系统管理包括输入，I/O处理，通信，显示，诊断以及加工程序的编制管理等。系统的控制部分包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等。因此，现代的开放式数控系统软件结构通常比较庞大，需要有高性能的计算机硬件作为依托，而目前的高速发展的X86结构的CPU系统可以很好的满足这种需求。此外，数控系统开放性的一个重要表现是其操作系统的通用性。该结构设计为采用windowsNT和Debian Linux两种多任务操作系统，到目前为止支持X86结构的CPU。在该结构中，根据数控系统对实时性的苛刻要求，对操作系统进行了实时性改造。

实用新型内容