基于zynq7000soc的坡口切割機(jī)及其控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)控切割技術(shù)領(lǐng)域的一種機(jī)器及其控制系統(tǒng)，尤其涉及一種功能強(qiáng)大 且便于大規(guī)模推廣的基于ZYNQ7000 SOC的坡口切割機(jī)及其控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控坡口切割機(jī)是國際焊割界上一項高要求高標(biāo)準(zhǔn)高難度的綜合技術(shù)，其主要功 能是對需要做焊接的鋼板進(jìn)行各種曲面坡口的切割，隨即直接用于焊接，擯棄了傳統(tǒng)的二 次打磨甚至三次加工的操作流程，省時省力省人工，可廣泛應(yīng)用于航天、造船、冶金及機(jī)械 加工等行業(yè)。
[0003] 數(shù)控坡口切割機(jī)的優(yōu)劣無疑是其控制器種類和功能的一場戰(zhàn)爭。早期，人們最常 使用的是基于X86架構(gòu)的插卡式開放型控制器。該控制器具有強(qiáng)大的通用性，可以直接在 控制器上運(yùn)行第三方的輔助程序，僅使用普通家用臺式機(jī)就可以實現(xiàn)主控制器的功能，即 便是運(yùn)行大型的圖形程序也沒有問題，運(yùn)算性能強(qiáng)大，但是價格卻十分昂貴，對于相同配置 的工業(yè)電腦，其售價往往是家庭用電腦的5-10倍；同時結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障需要專人 維修，花費(fèi)的維修時間也長；X86構(gòu)架每塊主板的設(shè)計開發(fā)都需要至少一個中型研發(fā)團(tuán)隊 來實現(xiàn)，前期設(shè)計耗費(fèi)大，后期維護(hù)保養(yǎng)的工作也繁瑣，對于工業(yè)領(lǐng)域反復(fù)頻繁的使用流程 來說，使用負(fù)擔(dān)很大；為了迎合工業(yè)產(chǎn)業(yè)的實際需求，嵌入式系統(tǒng)隨后應(yīng)運(yùn)而生。嵌入式系 統(tǒng)架構(gòu)的控制器結(jié)構(gòu)簡單、功能也很強(qiáng)大，不過普通嵌入式系統(tǒng)構(gòu)架的控制器基本以進(jìn)口 的系統(tǒng)為主，如西班牙發(fā)格系統(tǒng)、德國西門子系統(tǒng)、日本發(fā)那科系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)性能穩(wěn)定， 功能強(qiáng)大，但是因為技術(shù)門檻高，價格昂貴，普通的微小規(guī)模企業(yè)根本沒有技術(shù)能力和經(jīng)濟(jì) 實力來使用，同時，進(jìn)口的系統(tǒng)使用界面復(fù)雜，一般的操作者難以上手，由于并非為專門的 坡口切割設(shè)計，參數(shù)配置等也難以完全符合工廠的加工需求，操作復(fù)雜、使用極不便捷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明正是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種基于ZYNQ 7000 SOC的坡 口切割機(jī)，包括控制器、X-Y-Z機(jī)械系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)切割頭，X-Y-Z機(jī)械系統(tǒng)是一個龍門式的三 維運(yùn)動系統(tǒng)，包括X軸、Y軸和Z軸，回轉(zhuǎn)切割頭安裝在X-Y-Z機(jī)械系統(tǒng)的橫梁上，所述控制 器是基于ZYNQ 7000構(gòu)架的SOC主控模塊，包括計算模塊、FPGA模塊和通用外設(shè)接口；還包 括A軸、B軸和C軸三個伺服控制，所述計算模塊通過正向運(yùn)動學(xué)方程計算獲得每個軸的運(yùn) 行目標(biāo)位置后，通過FPGA模塊進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算得到脈沖信號，然后通過通用外設(shè)接口驅(qū)動伺 服控制的運(yùn)動，實現(xiàn)多軸的同步聯(lián)動控制，確保達(dá)到高精度的實時插補(bǔ)效果；同時該破口切 割機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷適用于廣泛的大規(guī)模推廣。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：基于ZYNQ 7000 SOC的 坡口切割機(jī)，包括控制器、X-Y-Z機(jī)械系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)切割頭，X-Y-Z機(jī)械系統(tǒng)是一個龍門式的 三維運(yùn)動系統(tǒng)，包括X軸、Y軸和Z軸，回轉(zhuǎn)切割頭安裝在X-Y-Z機(jī)械系統(tǒng)的橫梁上，其特征 在于：所述控制器是基于ZYNQ 7000構(gòu)架的SOC主控模塊，包括計算模塊、FPGA模塊和通用 外設(shè)接口；還包括A軸、B軸和C軸三個伺服控制，所述計算模塊通過正向運(yùn)動學(xué)方程計算 獲得每個軸的運(yùn)行目標(biāo)位置后，通過FPGA模塊進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算得到脈沖信號，然后通過通用 外設(shè)接口驅(qū)動伺服控制的運(yùn)動，實現(xiàn)多軸的同步聯(lián)動控制；所述A軸為無限旋轉(zhuǎn)軸，B軸為 擺動軸，兩軸通過旋轉(zhuǎn)+偏擺的形式實現(xiàn)坡口切割割炬的姿態(tài)控制；所述C軸為系統(tǒng)擴(kuò)展升 級預(yù)留軸接口。
[0006] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述Z軸做升降軌跡移動或者單獨(dú)高度調(diào)節(jié)跟蹤。
[0007] 作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)，所述Z軸采用速度控制模式，利用編碼器使用PID算 法：duk = Kp X (ek - ekl)+ Ki X ek + Kd X (ek - 2Xekl + ek2)，來實現(xiàn) Z 軸 的實時跟蹤，其中ek，ekl，ek2分別表示本周期落差，前周期落差，前前周期落差，Z軸速度 Uk = Uk - duk〇
[0008] 作為本發(fā)明的又一種改進(jìn)，所述控制器系統(tǒng)使用JFFS2日志型文件系統(tǒng)，RAM芯片 為鐵電RAM芯片。
[0009] 作為本發(fā)明的又一種改進(jìn)，基于ZYNQ 7000 SOC的坡口切割機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在 于：包括如權(quán)利要求1所述的坡口切割機(jī)、外部IO輸入/輸出接口卡、人機(jī)交互設(shè)備，所述 外部IO輸入/輸出接口卡通過運(yùn)動控制卡連接至X-Y-Z機(jī)械系統(tǒng)，實現(xiàn)多軸的同步聯(lián)動； 所述人機(jī)交互設(shè)備用于連接控制器的外設(shè)。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了基于ZYNQ 7000 SOC的坡口切割機(jī)控制 系統(tǒng)，所采用的技術(shù)方案如下：包括如權(quán)利要求1所述的坡口切割機(jī)、外部IO輸入/輸出接 口卡、人機(jī)交互設(shè)備，所述外部IO輸入/輸出接口卡通過運(yùn)動控制卡連接至χ-γ-ζ機(jī)械系 統(tǒng)，實現(xiàn)多軸的同步聯(lián)動；所述人機(jī)交互設(shè)備用于連接控制器的外設(shè)。
[0011] 作為本發(fā)明的又一種改進(jìn)，所述外部IO輸入/輸出接口卡通過光耦進(jìn)行隔離，并 使用濾波電路進(jìn)行濾波。
[0012] 作為本發(fā)明的再一種改進(jìn)，所述控制器采用Debian Wheezy armhf版操作系統(tǒng)。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述人機(jī)交互設(shè)備是電容性觸摸屏顯示器或者鍵盤。
[0014] 作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述人機(jī)交互設(shè)備通過USB-HUB提供USB的擴(kuò)展口。
[0015] 作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述基于ZYNQ 7000 SOC的坡口切割機(jī)控制系統(tǒng)的 使用方法是操作者通過人機(jī)交互設(shè)備向控制器輸入指示和代碼，控制器接收到用戶指令后 在計算模塊中通過正向運(yùn)動學(xué)方程計算加工得到每個軸的運(yùn)行目標(biāo)位置，隨后在FPGA模 塊中進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，在每個固定的運(yùn)行周期內(nèi)，以實時計算的方式計算該周期內(nèi)應(yīng)當(dāng)發(fā)送 多少脈沖信號至輸出口，并以該信號來驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)動，實現(xiàn)多軸聯(lián)動。
[0016] 本發(fā)明的有益效果： (1)所述控制系統(tǒng)實現(xiàn)六軸聯(lián)動控制，通過FPGA模塊進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，完全硬實時，確保 達(dá)到高精度的實時插補(bǔ)效果。
[0017] (2)系統(tǒng)擴(kuò)展預(yù)留的C軸同樣可以參與到插補(bǔ)聯(lián)動中，實現(xiàn)多種不同要求。
[0018] (3)根據(jù)情況可選擇兩種控制的運(yùn)動模式：通過將升降軸的軌跡一并加入代碼控 制中，可實現(xiàn)X軸、Y軸、A軸、B軸和Z軸的五軸聯(lián)動控制，便于非憑證鋼板的坡口切割；另 外，也可以將五軸分為雙坐標(biāo)系運(yùn)動，即X軸、Y軸、A軸和B軸做聯(lián)動，Z軸單獨(dú)做高度調(diào)節(jié) 跟蹤，以適用于平面坡口切割所用，使用更加的靈活。
[0019] (4)使用編碼器來檢測高度并使用PID算法控制實現(xiàn)Z軸的實時跟蹤，實際使用效 果更好。
[0020] (5)所述控制器系統(tǒng)使用JFFS2日志型文件系統(tǒng)，可在突然斷電的情況下保持正 常的工作狀態(tài)，不需要不間斷電源（UPS)支持。
[0021] (6)所述控制器系