[发明专利]基于ZYNQ7000SOC的坡口切割机及其控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及数控切割技术领域的一种机器及其控制系统，尤其涉及一种功能强大且便于大规模推广的基于ZYNQ7000 SOC的坡口切割机及其控制系统。 

背景技术

数控坡口切割机是国际焊割界上一项高要求高标准高难度的综合技术，其主要功能是对需要做焊接的钢板进行各种曲面坡口的切割，随即直接用于焊接，摈弃了传统的二次打磨甚至三次加工的操作流程，省时省力省人工，可广泛应用于航天、造船、冶金及机械加工等行业。

数控坡口切割机的优劣无疑是其控制器种类和功能的一场战争。早期，人们最常使用的是基于X86架构的插卡式开放型控制器。该控制器具有强大的通用性，可以直接在控制器上运行第三方的辅助程序，仅使用普通家用台式机就可以实现主控制器的功能，即便是运行大型的图形程序也没有问题，运算性能强大，但是价格却十分昂贵，对于相同配置的工业电脑，其售价往往是家庭用电脑的5-10倍；同时结构复杂，一旦出现故障需要专人维修，花费的维修时间也长；X86构架每块主板的设计开发都需要至少一个中型研发团队来实现，前期设计耗费大，后期维护保养的工作也繁琐，对于工业领域反复频繁的使用流程来说，使用负担很大；为了迎合工业产业的实际需求，嵌入式系统随后应运而生。嵌入式系统架构的控制器结构简单、功能也很强大，不过普通嵌入式系统构架的控制器基本以进口的系统为主，如西班牙发格系统、德国西门子系统、日本发那科系统等。这些系统性能稳定，功能强大，但是因为技术门槛高，价格昂贵，普通的微小规模企业根本没有技术能力和经济实力来使用，同时，进口的系统使用界面复杂，一般的操作者难以上手，由于并非为专门的坡口切割设计，参数配置等也难以完全符合工厂的加工需求，操作复杂、使用极不便捷。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于ZYNQ 7000 SOC的坡口切割机，包括控制器、X-Y-Z机械系统和回转切割头， X-Y-Z机械系统是一个龙门式的三维运动系统，包括X轴、Y轴和Z轴，回转切割头安装在X-Y-Z机械系统的横梁上，所述控制器是基于ZYNQ 7000构架的SOC主控模块，包括计算模块、FPGA模块和通用外设接口；还包括A轴、B轴和C轴三个伺服控制，所述计算模块通过正向运动学方程计算获得每个轴的运行目标位置后，通过FPGA模块进行插补运算得到脉冲信号，然后通过通用外设接口驱动伺服控制的运动，实现多轴的同步联动控制，确保达到高精度的实时插补效果；同时该破口切割机控制系统结构简单、操作便捷适用于广泛的大规模推广。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：基于ZYNQ 7000 SOC的坡口切割机，包括控制器、X-Y-Z机械系统和回转切割头， X-Y-Z机械系统是一个龙门式的三维运动系统，包括X轴、Y轴和Z轴，回转切割头安装在X-Y-Z机械系统的横梁上，其特征在于：所述控制器是基于ZYNQ 7000构架的SOC主控模块，包括计算模块、FPGA模块和通用外设接口；还包括A轴、B轴和C轴三个伺服控制，所述计算模块通过正向运动学方程计算获得每个轴的运行目标位置后，通过FPGA模块进行插补运算得到脉冲信号，然后通过通用外设接口驱动伺服控制的运动，实现多轴的同步联动控制；所述A轴为无限旋转轴，B轴为摆动轴，两轴通过旋转+偏摆的形式实现坡口切割割炬的姿态控制；所述C轴为系统扩展升级预留轴接口。

作为本发明的一种改进，所述Z轴做升降轨迹移动或者单独高度调节跟踪。

作为本发明的另一种改进，所述 Z轴采用速度控制模式，利用编码器使用PID算法：duk = Kp × （ek – ek1）+ Ki × ek + Kd × （ek – 2×ek1 + ek2），来实现Z轴的实时跟踪，其中ek，ek1，ek2分别表示本周期落差，前周期落差，前前周期落差，Z轴速度Uk = Uk – duk。

作为本发明的又一种改进，所述控制器系统使用JFFS2日志型文件系统，RAM芯片为铁电RAM芯片。

作为本发明的又一种改进，基于ZYNQ 7000 SOC的坡口切割机控制系统，其特征在于：包括如权利要求1所述的坡口切割机、外部IO输入/输出接口卡、人机交互设备，所述外部IO输入/输出接口卡通过运动控制卡连接至X-Y-Z机械系统，实现多轴的同步联动；所述人机交互设备用于连接控制器的外设。