CN102402203B - 一种数控机床控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数控机床控制系统及控制方法，包括CNC控制模块，与所述CNC控制模块连接的以太网通讯模块以及与所述以太网通讯模块连接的PLC模块，所述CNC控制模块通过所述以太网通讯模块向所述PLC模块发送控制命令，并通过所述以太网通讯模块实时监控PLC模块执行控制命令。本发明采用高集成度单片机为CNC系统设计独立运行的PLC模块，并与实时以太网通过硬件接口连接，硬件结构简单，软件独立设计，可以在较短时间内开发出稳定可靠的PLC模块，同时使得CNC系统主机可以使用很少的系统资源，实时管控PLC实现PLC功能，更好的辅助CNC系统的运动控制，并实现了CNC系统的PLC功能模块化设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种数控机床控制系统及控制方法。
背景技术
在CNC系统中，其主轴转动和进给轴移动分别由主轴电机和进给电机来驱动，而辅助运动如主轴卡盘的松紧、刀库的选刀、换刀等都是由PLC控制器来控制完成的。
在传统的CNC系统中，其PLC功能有两种实现方式，一种方式是软PLC方式，将PLC功能直接在CNC主机上实现，将PLC的硬件接口设计在主机接口板上，PLC功能由主机处理器执行。另外一种方式是独立PLC方式，配置一台独立的PLC控制器，CNC系统主机通过通讯接口管理PLC控制器的来实现PLC功能。
在基于实时以太网的CNC系统中，由于采用了实时以太网技术，传统的PLC功能实现方式已经不能恰当的适应CNC系统的要求。本发明的发明人经过研究发现，如果采用软PLC方式，PLC功能执行在CNC主机上，就不能很好的利用实时以太网通讯的高实时性能，实现CNC系统的模块化设计，降低CNC主机软件的复杂度以提高系统稳定性，降低CNC主机处理器的负担以提高CNC系统的性能。如果采用独立通用PLC的方式，由于PLC的价格也比较昂贵，关键是PLC没有实时以太网接口，现有的通讯接口效率低、数据协议开放不够，限制了CNC系统控制性能的提升。
发明内容
为了解决现有技术中CNC系统不能应用实时以太网技术的问题，本发明实施例提供了一种数控机床控制系统及控制方法。
一种数控机床控制系统，包括CNC控制模块，与所述CNC控制模块连接的以太网通讯模块以及与所述以太网通讯模块连接的PLC模块，所述CNC控制模块通过所述以太网通讯模块向所述PLC模块发送控制命令，并通过所述以太网通讯模块实时监控PLC模块执行控制命令，
所述以太网通讯模块包括以太网协议控制器和配置文件存储器，所述配置文件存储器中存放Ethernet POWERLINK配置文件和EtherCAT配置文件，所述以太网协议控制器选择写入Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件，
所述以太网通讯模块还包括配置文件选择模块，所述配置文件选择模块包括配置文件切换电路6，所述配置文件存储器包括Ethernet POWERLINK配置文件存储器和EtherCAT配置文件存储器，所述以太网协议控制器通过配置文件选择模块的配置文件切换电路6选择写入Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件。
一种数控机床控制方法，
CNC控制模块通过以太网通讯模块向PLC模块发送控制命令；
PLC模块将控制命令存储在存储器中；
CNC控制模块通过以太网通讯模块实时监控PLC模块执行控制命令，
所述CNC控制模块通过以太网通讯模块向PLC模块发送控制命令步骤前还包括：以太网通讯模块中的以太网协议控制器选择Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件,
所述以太网通讯模块中的以太网协议控制器选择Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件步骤还包括：控制配置文件选择模块使以太网协议控制器选择接通Ethernet POWERLINK配置文件存储器或EtherCAT配置文件存储器，将所述Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件写入到以太网协议控制器内。
本发明实施例提出一种数控机床控制系统及控制方法，采用高集成度单片机为CNC系统设计独立运行的PLC模块，并与实时以太网通过硬件接口连接，硬件结构简单，软件独立设计，可以在较短时间内开发出稳定可靠的PLC模块，同时使得CNC系统主机可以使用很少的系统资源，实时管控PLC实现PLC功能，更好的辅助CNC系统的运动控制，并实现了CNC系统的PLC功能模块化设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中
图1显示了实施例一中数控机床控制系统结构示意图；
图2显示了实施例一中数控机床控制系统结构示意图；
图3显示了实施例二中数控机床控制系统结构示意图；
图4显示了实施例三中数控机床控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明提供一种数控机床控制系统，其特征在于：包括CNC控制模块1、与所述CNC控制模块1连接的以太网通讯模块2以及与所述以太网通讯模块3连接的PLC模块4，所述CNC控制模块1通过所述以太网通讯模块2向所述PLC模块3发送控制命令，并通过所述以太网通讯模块2实时监控PLC模块3执行控制命令。
所述CNC控制模块1通过RJ45型以太网接口与以太网通讯模块2连接。
所述以太网通讯模块2包括以太网协议控制器5和配置文件存储器，所述以太网协议控制器采用FPGA,所述配置文件存储器中存放EthernetPOWERLINK配置文件和EtherCAT配置文件，所述以太网协议控制器选择写入Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件。
所述以太网通讯模块还包括配置文件选择模块，所述配置文件选择模块可以通过软件或硬件的方式需按则不同的协议配置文件，通过软件的方式时，将不同的配置文件存储在存储器中不同的存储地址，配置文件选择模块通过访问相应的地址获取不同的配置文件。
所述配置文件选择模块包括配置文件切换电路6，所述配置文件存储器包括Ethernet POWERLINK配置文件存储器7和EtherCAT配置文件存储器8，所述以太网协议控制器通过配置文件切换电路6选择写入Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件。
目前实时性能达到数控系统应用开放的实时以太网技术有两种，一种是EtherCAT技术，另一种是Ethernet POWERLINK技术，这两种技术的实时性能都能达到100us。
实时以太网EtherCAT技术和Ethernet POWERLINK技术实行性能都很高。但是两种技术都没有取得较大的广泛应用的优势，中国也没有确定实时以太网标准。所以，单独选用一种实时以太网技术设计通讯模块都有较大的市场风险，将可能在未来的市场争中处于不利地位。因此就需要兼容EtherCAT技术和Ethernet POWERLINK技术的实时以太网通讯模块，以支持两种实时以太网技术方案。
本发明技术方案利用FPGA的半定制特性和FPGA的接口的灵活配置特性，将两种技术方案的外围配置器件设计连接到FPGA上，同类型的外围配置选用可支持两种应用需要的芯片，另外设计两片FPGA配置文件存储器，分别存放Ethernet POWERLINK技术方案的配置文件和EtherCAT技术方案的配置文件，并设计选择开关来实现技术方案的选择。
当选中Ethernet POWERLINK配置文件存储器时，FPGA就将外围硬件配置为Ethernet POWERLINK方案的使用方式，FPGA内部运行Ethernet POWERLINK技术协议，这个时候该模块就是Ethernet POWERLINK技术的以太网通信模块。当选中EtherCAT配置文件存储器时，FPGA就将外围硬件配置为EtherCAT方案的使用方式，FPGA内部运行EtherCAT的技术协议，这时该模块就是EtherCAT技术的实时以太网通讯模块。本发明兼容EtherCAT技术和EthernetPOWERLINK技术的实时以太网通讯模块的实现方法，可以方便的接入EtherCAT技术和Ethernet POWERLINK技术的实时以太网网络。
所述PLC模块包括PLC控制器4和存储器，所述PLC控制器4选用了一颗Cortes-M3内核32BIT单片机STM32F101VD，该单片机内部配置384K字节的FLASH作为单片机程序空间，并配置48K字节的SRAM作为数据空间，并且配置有多个SPI接口、IIC接口、UART接口和超过48个的IO接口，IO接口采用光耦隔离采集信号和输出信号。采用该单片机辅以IIC的EEROM和相应的接口电路实现PLC的硬件接口。实时以太网协议控制器5采用SPI Slave协议与单片机连接。
本发明实施例工作方式为采用CNC控制模块通过以太网通讯模块向PLC模块发送控制命令，PLC模块将控制命令存储在存储器中，CNC控制模块通过以太网通讯模块实时监控PLC模块执行控制命令。
实时以太网接口硬件的PLC模块设计，采用高集成度单片机为CNC系统的设计了独立运行的PLC模块，其硬件结构简单，软件独立设计，可以在较短时间内开发出稳定可靠的PLC模块。
实时以太网接口硬件的PLC模块设计了实时以太网接口，使得CNC系统主机可以使用很少的系统资源，实时管控PLC实现PLC功能，更好的辅助CNC系统的运动控制，并实现了CNC系统的PLC功能模块化设计。
实施例二
一种数控机床控制系统，包括CNC控制模块，与所述CNC控制模块连接的以太网通讯模块以及与所述以太网通讯模块连接的PLC模块，所述CNC控制模块通过所述以太网通讯模块向所述PLC模块发送控制命令，并通过所述以太网通讯模块实时监控PLC模块执行控制命令。
所述以太网通讯模块连接主轴电机和进给电机，所述CNC控制模块通过所述以太网通讯模块控制所述主轴电机和进给电机。
所述以太网通讯模块通过以太网接口相互连接在一起。
本发明实施例二在基于实时以太网的CNC系统中，将主轴电机、进给电机和PLC等执行设备都接入CNC系统的实时以太网网络，实现CNC系统通过实时以太网网络控制主轴电机、进给电机、PLC等执行设备。
实施例三
本发明提供一种数控机床控制方法：
CNC控制模块通过以太网通讯模块向PLC模块发送控制命令；
PLC模块将控制命令存储在存储器中；
CNC控制模块通过以太网通讯模块实时监控PLC模块执行控制命令。
所述CNC控制模块通过以太网通讯模块向PLC模块发送控制命令步骤前还包括：以太网通讯模块中的以太网协议控制器选择Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件。
所述以太网通讯模块中的以太网协议控制器选择Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件步骤还包括：控制配置文件选择模块使以太网协议控制器选择接通Ethernet POWERLINK配置文件存储器或EtherCAT配置文件存储器，将所述Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件写入到以太网协议控制器内。
所述CNC控制模块通过以太网通讯模块向PLC模块发送控制命令步骤还包括：所述控制命令为所述CNC控制模块经过梯形图方式编译的PLC执行代码。
本发明实施例三提出的一种数控机床控制方法，采用高集成度单片机为CNC系统设计独立运行的PLC模块，并与实时以太网通过硬件接口连接，硬件结构简单，软件独立设计，可以在较短时间内开发出稳定可靠的PLC模块，同时使得CNC系统主机可以使用很少的系统资源，实时管控PLC实现PLC功能，更好的辅助CNC系统的运动控制，并实现了CNC系统的PLC功能模块化设计。
值得一提的是，以上实施例中，不同的结构特征（例如上述的多种连接方式）可以相互组合使用，并不限于各附图所示。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种数控机床控制系统，其特征在于：包括CNC控制模块，与所述CNC控制模块连接的第一以太网通讯模块以及与所述第一以太网通讯模块连接的PLC模块，所述CNC控制模块通过所述第一以太网通讯模块向所述PLC模块发送控制命令，并通过所述第一以太网通讯模块实时监控PLC模块执行控制命令，
所述第一以太网通讯模块包括以太网协议控制器和配置文件存储器，所述配置文件存储器中存放Ethernet POWERLINK配置文件和EtherCAT配置文件，所述以太网协议控制器选择写入Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件，
所述第一以太网通讯模块还包括配置文件选择模块，所述配置文件选择模块包括配置文件切换电路(6)，所述配置文件存储器包括Ethernet POWERLINK配置文件存储器和EtherCAT配置文件存储器，所述以太网协议控制器通过配置文件选择模块的配置文件切换电路(6)选择写入Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件。
2.根据权利要求1所述的数控机床控制系统，其特征在于：所述PLC模块包括Cortes-M3单片机和存储器，并通过SPI接口与以太网协议控制器连接。
3.根据权利要求1所述的数控机床控制系统，其特征在于：还包括第二以太网通讯模块和第三以太网通讯模块，所述第二以太网通讯模块和第三以太网通讯模块分别连接主轴电机和进给电机，所述CNC控制模块通过所述第二以太网通讯模块控制所述主轴电机，所述CNC控制模块通过所述第三以太网通讯模块控制所述进给电机。
4.根据权利要求3所述的数控机床控制系统，其特征在于：所述以太网通讯模块通过以太网接口相互连接在一起。
5.一种数控机床控制方法，其特征在于：
CNC控制模块通过以太网通讯模块向PLC模块发送控制命令；
PLC模块将控制命令存储在存储器中；
CNC控制模块通过以太网通讯模块实时监控PLC模块执行控制命令；
所述CNC控制模块通过以太网通讯模块向PLC模块发送控制命令步骤前还包括：以太网通讯模块中的以太网协议控制器选择Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件,
所述以太网通讯模块中的以太网协议控制器选择Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件步骤还包括：控制配置文件选择模块使以太网协议控制器选择接通Ethernet POWERLINK配置文件存储器或EtherCAT配置文件存储器，将所述Ethernet POWERLINK配置文件或EtherCAT配置文件写入到以太网协议控制器内。
6.根据权利要求5所述的数控机床控制方法，其特征在于：所述控制命令为所述CNC控制模块经过梯形图方式编译的PLC执行代码。
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