[发明专利]面向多轴联动数控的可重构系统及重构方法

权利要求书

1.一种面向多轴联动数控的可重构系统，包括上位控制系统、下位控制系统和被控对象；

上位控制系统完成本工业控制系统的人机接口与控制、实现数据处理算法与数据处理；

下位控制系统由嵌入式系统、控制专用集成电路与基本支撑电路构成；

嵌入式系统实现控制过程的管理调度、加工相关控制算法与硬件驱动功能；控制专用集成电路接收嵌入式系统送出的指令信息，根据被控设备的要求，执行数据转换并将转换后的指令数据送入相应控制电路，驱动被控对象的相应执行部件实现相应的动作；同时，控制专用集成电路采集被控对象的状态信息给嵌入式控制系统；基本支撑电路包括嵌入式处理器、控制专用集成电路的电源、启动、时钟和外部存储电路；

其特征是所述控制专用集成电路的基本逻辑结构单元包括：SPI读模块SpiRd、SPI写模块SpiWr、指令译码模块DecInstr、PWM输出控制模块U1PwmDrv、AD采集转换控制模块U0MaxDrv、开关量输出模块DigOutP、开关量输入模块DigInP、运动指令队列模块mInstr、运动指令执行控制模块ExeInst，以及：

XYZ三轴进给运动控制模块U_XMtDrv、U_YMtDrv、U_ZMtDrv或X/Y/Z/X1/Y1/Z1/W1七轴运动控制模块U₀MtDrv～U₆MtDrv，进给运动控制模块功能、逻辑结构、实现电路相同；W轴运动控制模块UwJetMt，UwJetMt仅要求有速度控制，其余各轴要求速度、位移控制，同时具有联动控制的要求；

则通过附加AD采集与转换控制模块U₁MaxDrv增加模拟量采集转换控制，其模块电路与U₀MaxDrv相同；

SpiRd与SpiWr共同实现SPI读写控制；

DigOutP与DigInP实现开关量输入/输出控制；

被控对象具有7个进给轴和1个主运动时，U₀MtDrv～U₆MtDrv与UwJetMt实现被控对象的X、Y、Z、X1、Y1、Z1、W1进给轴与W向主运动控制；

被控对象具有3个进给轴和1个主运动时，U_XMtDrv、U_YMtDrv、U_ZMtDrv与UwJetMt实现被控对象的X、Y、Z进给轴与W向主运动控制；

SpiWr接收SPI总线的MOSI、SCK与NSS信号，并执行数据解析与数据判别，计算指令码CMD、指令数据DInst与数据序号DIndx，然后将计算结果送至DecInstr模块，执行指令译码；

SpiRd响应SPI总线的SCK与NSS信号，将SPI发送寄存器TBuf中的数据按照预定时序送至SPI总线的MISO端口；

DecInstr接收SpiWr输出的指令数据，实现指令译码并执行部分指令；

a、收到运动指令，则计算mInstr指令队列写指针WrP，判断队列满状态QueF，并根据写指针WrP，将数据入mInstr指令队列，待指令执行控制模块ExeInstr处理；

b、收到PWM输出、采集转换或开关量输出指令，则DecInstr将指令参数送至相应PWM输出、采集转换或开关量输出模块电路，启动U1PwmDrv、U0MaxDrv、U₁MaxDrv或DigOutP，输出预定的PWM波形、启动采集转换或输出指定的开关量；

c、收到开关量输入、坐标采集、AD采集数据获取或运动状态采集指令，DecInstr检索相应的寄存器DIBuf、MtCor、wData、wData1或MtBsy，并将其数据送至SPI发送寄存器TBuf，由SpiRd送至SPI总线；

MtCor寄存器中数据为各个方向的当前坐标信息，即U₀MtDrv～U₆MtDrv或U_XMtDrv、U_YMtDrv、U_ZMtDrv送出的各个方向当前坐标Cor；

MtBsy寄存器中数据为各个轴的当前状态，即U₀MtDrv～U₆MtDrv或U_XMtDrv、U_YMtDrv、U_ZMtDrv送出的各个方向当前忙闲状态Bsy；

DigOutP响应指令译码DecInstr送出的使能信号EnDO，将开关量输出缓冲DObuf的数据送至SPI总线的开关量输出端口DO；

DigInP采集SPI总线的开关量输入端口DI，将相关的输入数据送入开关量输入缓冲DIbuf，同时响应DecInstr输出的使能信号EnDI，将DIbuf的数据送至SpiRd的发送缓冲TBuf，最后由SpiRd送出集成电路；U0MaxDrv、U₁MaxDrv接收DecInstr送出的使能信号EnAd、EnAd1，产生外部AD器件需要的mSK、mSK1、mCS与mCS1控制信号；同时，U₁MaxDrv以及U0MaxDrv根据AD器件的时序要求动态采集SPI总线的串行数据端口DM1、DM，将获得的转换数据送至寄存器wData1、wData；而后，DecInstr响应采集数据读取指令，将wData1、wData数据送至TBuf，由SpiRd送至SPI总线；

U1PwmDrv响应DecInstr送出的使能信号EnPWM，根据DecInstr输出的脉宽参数wDur与脉间参数wInt输出指定的PWM波形；

ExeInstr接收DecInst送出的mInstr写指针WrP，获取mInstr的指令数据，计算各个运动的方向Dr、mInstr的读指针RdP、运动段结束停止标志Stp与mInstr运动指令队列空标志QueE，直接输出XYZW各运动轴或X/Y/Z/W/X1/Y1/Z1/W1各轴的方向控制信号；然后将指令速度Spd、位移Dis、运动方向Dr、运动段停止标志Stp送入指定的U_XMtDrv、U_YMtDrv、U_ZMtDrv与UwJetMt或U₀MtDrv～U₆MtDrv与UwJetMt，输出相应的驱动脉冲xCp、yCp、zCp、x1Cp、y1Cp、z1Cp、w1Cp与wCp，实现相应运动；X/Y/Z/W/X1/Y1/Z1/W1各轴的运动方向也由ExeInstr实现，由ExeInstr根据指令直接输出；

执行系统运动时，ExeInstr从指令队列mInstr获取指令，修正队列读指针pRd与队列空标志QueE，获取并分配运动参数，协调控制XYZW向运动控制模块执行相应运动；队列mInstr的读指针pRd与写指针pWr分别指向1字的数据；

ExeInstr的工作周期包括等待周期t_W、运动轴及方向设置周期t_C0与第1～4运动轴的参数设置周期t_C1-t_C5；t_C1-t_C4按顺序依次对应XYZW轴的控制周期，又分为速度设置周期t_spd、位移设置周期t_dis；考虑到指令队列的容量，允许同一指令的不连续写入；此时，不同参数设置周期之间插入一个或多个t_W等待周期；

周期t_W、t_C0、t_C4、t_C5、t_spd、t_dis的时长对应一个基准时钟CLK周期，XYZ轴的设置周期t_C1、t_C2、t_C3分别包括一个对应的速度设置周期周期t_spd和一个对应的位移设置周期t_dis，W的设置周期t_C4只包括一个速度设置周期周期t_spd，而无位移设置周期t_dis；

系统运行过程中，模块ExeInstr响应基准时钟CLK，执行操作时序；CLK到，ExeInstr检索XYZ向运动忙标志Bsy与指令队列mInstr空标志QueE；QueE或任一向的Bsy标志置位，ExeInstr插入等待周期t_W；QueE与XYZ向的Bsy标志均为“0”，ExeInstr读取1字的mInstr队列数据，执行周期t_ax-dr，获取1字节的运动轴使能状况与1字节的运动轴方向；而后，ExeInstr模块根据指令格式，按照运动轴使能状况字节的数据位顺序，由低到高依次检索XYZW轴的使能状况，将指令中参与运动各轴的使能标志En拉低，禁止指令运动轴动作，准备写入运动参数；而后，ExeInstr模块根据指令格式，按照运动方向字节的数据位顺序，由低到高依次检索XYZW轴的运动方向并输出相应的运动方向DR；之后，ExeInstr将队列mInstr的读指针pRd加一，比较读写指针pWr与pRd；二者相等，置位mInstr的空标志QueE，队列数据取空；反之，不执行任何处理；最后，ExeInstr等待下一个CLK时钟，进入各轴的运动参数设置；

执行各轴的运动参数设置时，ExeInstr响应时钟CLK，按照顺序依次进入周期t_C1-t_C4，设置第1～4最多4个运动轴的参数设置；进入t_C1的t_spd周期，若QueE置位，插入等待周期t_W；反之，ExeInstr检索指令使能状况字节的D0位即X使能位，若为“1”，读取2字节mInstr数据，送入X速度Spd；而后，读指针pRd加一，与pWr比较并修改空标志QueE，完成X速度设定；而后，等待CLK，进入X位移设置t_dis；X使能位为“0”，直接进入X位移设置t_dis；进入t_C1的t_dis周期，QueE置位，插入t_W；反之，ExeInstr获取使能状况字节的D0位，若为“1”，取2字节mInstr数据送入X位移Dis；随后读指针pRd加一，与pWr比较并修改空标志QueE，完成X位移设定；而后，等待CLK，进入t_C2；X使能位为“0”，直接进入周期t_C2，Y轴参数设置；

Y、Z轴参数设置与X轴相同；

XYZ轴的参数设置完成后，ExeInstr进入W轴参数设置；此时，ExeInstr响应CLK，写入W轴运动速度即完成所有运动轴的参数设置；而后，ExeInstr进入t_C5，参数生效周期；CLK再次来临，ExeInstr按照指令的运动轴使能状况字节，置位XYZW各运动轴的使能位，即启动运动轴，执行预定指令；此时，ExeInstr进入等待状态，根据CLK定时采用XYZ轴的忙标志，全部空闲时，ExeInstr再次读取队列mInstr，获取并执行新的指令；

系统运行过程中，模块ExeInstr持续监测队列写指针pWr，有新的运动指令或指令数据写入，pWr发生变化，ExeInstr立即清零空标志QueE，准备指令读取及执行；

所述可重构系统的系统重构方法为：

构造系统时，SPI读模块SpiRd、SPI写模块SpiWr、指令译码模块DecInstr、运动指令队列模块、运动指令执行控制模块，这些控制模块数量各一；

PWM输出控制模块、AD采集转换控制模块、开关量输出模块、开关量输入模块、W轴运动控制模块均为标准重构模块，这些模块是根据系统对PWM、AD采集转换、开关量输入输出、W轴运动的数量要求增加；

进给运动控制模块U_XMtDrv、U_YMtDrv、U_ZMtDrv或X/Y/Z/X1/Y1/Z1/W1七轴运动控制模块U₀MtDrv～U₆MtDrv结构、功能、实现电路相同，为标准重构模块；根据系统的运动轴数要求，使用1个或多个运动控制模块，实现多个运动；

系统重构过程为：

1)系统结构：根据系统实现结构与系统的进给轴数、主运动数、PWM、采集转换、开关量输入输出的数量要求，确定进给运动、主运动、AD采集、PWM、开关量控制模块的数量；执行部件选择复杂多轴数控系统的进给伺服电机、主轴电机、机床本体机构与对象；

2)指令系统：

三轴两联动系统使用基本指令集、三进给轴联动控制的运动指令执行模块ExeInstr或7进给轴联动的模块ExeInstr；

三进给轴联动系统使用基本指令集与扩展指令集、三进给轴联动控制的运动指令执行模块ExeInstr或7进给轴联动的模块ExeInstr；

复杂多轴联动系统使用基本指令集、扩展指令集与扩充指令集、7进给轴联动的模块ExeInstr；

3)上位控制系统：通过标准PC系统结合多轴联动数控系统专用的编辑、译码处理软件实现，数据处理结束，根据指令系统要求，将指令数据通过高速通信传至下位控制系统；

4)进给运动：包括1-7轴的进给运动，通过X单向～XYZX1Y1Z1W1七向伺服系统及电机通用控制模块实现；

5)切削主运动：

主轴运动，主运动有精确的转速控制要求，或与进给运动有速度匹配要求时，可通过W向伺服系统及控制模块实现；

转速精度要求不高，与进给运动无协调控制要求时，采用专用PWM控制模块、外部功放电路与相应电机实现；

6)下位控制系统：通过标准嵌入式系统及一～七轴联动专用控制程序实现；

执行加工时，专用控制程序接受基本指令与扩展指令、扩充指令，将参数写入专用集成电路，实现主轴、X单向～XYZX1Y1Z1W1七向进给轴的运动功能；

下位控制系统定时采集坐标、行程并通过高速通信上送标准PC，实现显示更新；

7)专用集成电路：接收标准嵌入式系统发出的进给运动、主运动控制指令，输出对应于XYZWX1Y1Z1W1电机、PWM控制信号，驱动执行部件，实现对应功能；同时，收集坐标、行程开关信息，定时响应标准嵌入式系统请求，送出对应数据信息；

8)行程开关量输入：通过开关量输入模块及相应的转换电路实现；根据系统要求，增加开关量输入输出模块扩展开关量；

9)其它开关控制需求：通过开关量输出模块及相应的转换、功放电路实现；

10)模拟量检测需求：通过AD采集与转换控制或附加AD采集与转换控制、必要的放大转换电路，以实现最多两路的模拟量采集；根据系统要求，增加AD采集与转换控制模块扩展模拟量检测的数目；

结合工艺，构造复杂的多轴联动控制加工系统，遇到更为复杂的工业生产现场控制时，则通过增加PWM控制模块、进给轴控制模块、W轴控制模块、AD采集与转换控制模块，适当修改上下位控制系统数据处理与专用控制程序、适当增加控制指令、修正执行控制ExeInstr模块，构造更为复杂的加工控制系统。