[发明专利]数控机床的实时运动控制系统及方法

说明书

本公开提供的数控机床的实时运动控制系统，包括边缘计算节点和现场网关控制器；边缘计算节点部署在本地PC中，与现场网关控制器进行非实时通讯，以向现场网关控制器下发由多组控制指令构成的控制指令集并接收由现场网关控制器上传的由底层执行系统反馈的待加工机床各轴的多租运动位置数据构成的运动位置数据集；现场网关控制器运行在实时操作系统环境下，用于分别执行与边缘计算节点的非实时数据通讯任务和对底层执行系统的硬实时插补控制任务，并设有用于实现两种控制任务间数据同步的数据下发同步区和数据上传同步区。本公开提供的数控机床的实时运动控制系统，克服了运动控制计算量与数控加工实时性之间的冲突，且开放性及可扩展性强。

技术领域

本公开涉及数控系统技术领域，特别涉及一种数控机床的实时运动控制系统及方法。

背景技术

随着互联网技术与制造技术的高度融合发展，加工装备如数控机床间的互联互通成为了制造业的研究热点，网络化数控系统的概念就是在这一背景下被提出，它致力于解决传统数控系统封闭单机的落后制造现状，实现加工设备与现场管理的数据互通。现场总线技术为网络化数控系统的实现提供了高速数据传输通道，目前数控系统中常用的现场总线主要为工业以太网类型的高速现场总线，例如EtherCAT、PROFINET以及SERCOS等，这些工业以太网总线均是在标准以太网协议的基础上进行改进，但不同的工业以太网总线间并不具备兼容性，而标准以太网总线，即遵循TCP/IP协议的Ethernet总线，因为MAC层的通讯不确定性导致其只能进行非实时通讯，因此很难直接应用于高实时性性能需求的工业领域。

虽然信息技术的变革极大地推动了数控系统的发展，但现有的网络化数控系统架构还存在以下问题：(1)运动控制算法的计算量与数控加工实时性之间存在冲突。在目前的数控系统中，通常由实时操作系统支持的运动控制器执行轨迹光顺、速度规划以及插补等运动控制算法计算，为了保证电机的实时插补位置控制，运动控制算法的计算量会受到一定的限制，进而导致加工精度的损失。针对这一问题，一种可行的解决方案是提高控制器的计算能力，但无疑也会增加设备的使用成本。(2)专用的网络通讯接口阻碍了数控系统的开放性及可拓展性。目前主要数控厂商的数控系统与工控机PC间的网络通讯多采用PCI标准拓展网卡或各自系统专用的工业以太网总线，用户开发的工业软件并不具备兼容性，通常只能在单一数控系统中运行。

云数控系统是近年来提出的一种新型数控系统，其实现方法是利用云计算等新一代信息技术，在网络化数控系统的基础上引入云端服务器平台，利用云端服务器的强大计算能力实现远程加工管理、加工环节资源调配及工艺过程的数字孪生等云制造的服务模式。由于云端服务器实时性较差，通讯带宽不稳定，部分传统的数控系统难以直接接入云端服务器，边缘计算技术为云数控系统的实现提供了一种解决方案，边缘计算的核心思想是在靠近制造端部署边缘计算节点作为底层数控系统与云端服务器之间的缓冲平台，在边缘计算节点执行工艺数据的预处理以降低数据到云端服务器平台的通讯负担，并保证整体架构的实时性。

目前云技术在数控系统中的应用还存在一定的局限性：(1)云端服务器很难保证实时性，目前大多数的云数控系统架构只将数控系统的非实时性任务转移到云端处理，无法充分利用云端服务器的强大计算性能。(2)另外，虽然在靠近数控系统端增设边缘计算节点可以平衡云端服务器的计算能力与底层数控加工的强实时性，还可以在维持原有数控系统架构不变的情况下，将传统的数控系统接入互联网乃至云端服务器中，但目前专用的边缘计算控制器成本较高，且可拓展性有限。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本公开第一方面提供的数控机床的实时运动控制系统，通过合理调度数控系统的计算资源，克服了运动控制计算量与数控加工实时性之间的冲突，且开放性及可扩展性强。

本公开第一方面提供的数控机床的实时运动控制系统，包括边缘计算节点和现场网关控制器；