[發明專利]數控機床的實時運動控制系統及方法

在審

• 申請號: 202310332254.2
• 申請日: 2023-03-31
• 公開（公告）號: CN116578039A
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發明（設計）人: 宋家牧;李炳燃;葉佩青;張輝;劉光枝;李海春
• 申請（專利權）人: 廣東伊萊斯電機有限公司
• 主分類號: G05B19/406
• 分類號: G05B19/406;H04L67/1095;H04L12/66
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張娟

本公開提供的數控機床的實時運動控制系統，包括邊緣計算節點和現場網關控制器；邊緣計算節點部署在本地PC中，與現場網關控制器進行非實時通訊，以向現場網關控制器下發由多組控制指令構成的控制指令集并接收由現場網關控制器上傳的由底層執行系統反饋的待加工機床各軸的多租運動位置數據構成的運動位置數據集；現場網關控制器運行在實時操作系統環境下，用于分別執行與邊緣計算節點的非實時數據通訊任務和對底層執行系統的硬實時插補控制任務，并設有用于實現兩種控制任務間數據同步的數據下發同步區和數據上傳同步區。本公開提供的數控機床的實時運動控制系統，克服了運動控制計算量與數控加工實時性之間的沖突，且開放性及可擴展性強。

技術領域

本公開涉及數控系統技術領域，特別涉及一種數控機床的實時運動控制系統及方法。

背景技術

隨著互聯網技術與制造技術的高度融合發展，加工裝備如數控機床間的互聯互通成為了制造業的研究熱點，網絡化數控系統的概念就是在這一背景下被提出，它致力于解決傳統數控系統封閉單機的落后制造現狀，實現加工設備與現場管理的數據互通。現場總線技術為網絡化數控系統的實現提供了高速數據傳輸通道，目前數控系統中常用的現場總線主要為工業以太網類型的高速現場總線，例如EtherCAT、PROFINET以及SERCOS等，這些工業以太網總線均是在標準以太網協議的基礎上進行改進，但不同的工業以太網總線間并不具備兼容性，而標準以太網總線，即遵循TCP/IP協議的Ethernet總線，因為MAC層的通訊不確定性導致其只能進行非實時通訊，因此很難直接應用于高實時性性能需求的工業領域。

雖然信息技術的變革極大地推動了數控系統的發展，但現有的網絡化數控系統架構還存在以下問題：(1)運動控制算法的計算量與數控加工實時性之間存在沖突。在目前的數控系統中，通常由實時操作系統支持的運動控制器執行軌跡光順、速度規劃以及插補等運動控制算法計算，為了保證電機的實時插補位置控制，運動控制算法的計算量會受到一定的限制，進而導致加工精度的損失。針對這一問題，一種可行的解決方案是提高控制器的計算能力，但無疑也會增加設備的使用成本。(2)專用的網絡通訊接口阻礙了數控系統的開放性及可拓展性。目前主要數控廠商的數控系統與工控機PC間的網絡通訊多采用PCI標準拓展網卡或各自系統專用的工業以太網總線，用戶開發的工業軟件并不具備兼容性，通常只能在單一數控系統中運行。

云數控系統是近年來提出的一種新型數控系統，其實現方法是利用云計算等新一代信息技術，在網絡化數控系統的基礎上引入云端服務器平臺，利用云端服務器的強大計算能力實現遠程加工管理、加工環節資源調配及工藝過程的數字孿生等云制造的服務模式。由于云端服務器實時性較差，通訊帶寬不穩定，部分傳統的數控系統難以直接接入云端服務器，邊緣計算技術為云數控系統的實現提供了一種解決方案，邊緣計算的核心思想是在靠近制造端部署邊緣計算節點作為底層數控系統與云端服務器之間的緩沖平臺，在邊緣計算節點執行工藝數據的預處理以降低數據到云端服務器平臺的通訊負擔，并保證整體架構的實時性。

目前云技術在數控系統中的應用還存在一定的局限性：(1)云端服務器很難保證實時性，目前大多數的云數控系統架構只將數控系統的非實時性任務轉移到云端處理，無法充分利用云端服務器的強大計算性能。(2)另外，雖然在靠近數控系統端增設邊緣計算節點可以平衡云端服務器的計算能力與底層數控加工的強實時性，還可以在維持原有數控系統架構不變的情況下，將傳統的數控系統接入互聯網乃至云端服務器中，但目前專用的邊緣計算控制器成本較高，且可拓展性有限。

發明內容

本公開旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。

為此，本公開第一方面提供的數控機床的實時運動控制系統，通過合理調度數控系統的計算資源，克服了運動控制計算量與數控加工實時性之間的沖突，且開放性及可擴展性強。

本公開第一方面提供的數控機床的實時運動控制系統，包括邊緣計算節點和現場網關控制器；