CN100390688C

CN100390688C - 一种数控机床控制系统

Info

Publication number: CN100390688C
Application number: CNB2004100011981A
Authority: CN
Inventors: 王振华; 蔡志芳; 张磊; 叶平; 吴项东; 周建南
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: CN1558302A

Abstract

本发明涉及一种数控机床控制系统，它包括：计算机，机床电机，连接所述计算机与所述机床电机的数据交换卡；所述计算机包括：一数据输入单元，一连接所述数据交换卡的输入输出控制单元，其特征在于：它还包括一可将所述数据输入单元输送的NC代码逐条转换生成电机指令的指令生成单元，以及一可确定所述NC代码加工时间和所述生成的各电机指令之间精确时钟周期的实时控制模块；所述数据交换卡将数字信号转换为模拟电信号传送给所述机床电机，所述计算机界面采用Windows操作界面。本发明跳过了上位机与下位机之间的信息传递，直接由上位机控制机械设备运动，同时界面上采用典型的Windows界面的风格，可以为用户提供丰富的信息和图形，不但支持对字符的拷贝、粘贴等操作，而且处理的指令代码长度几乎不受限制，操作非常方便。

Description

一种数控机床控制系统

技术领域

本发明涉及一种数控机床的控制系统，特别是关于一种在Windows操作系统下工作的数控机床控制系统。

背景技术

在线切割加工、激光加工和大型的机床、铣床等设备中早已实现了数字化控制，但是，这种数字化控制还只是局限在应用单片机作为下位机或使用DOS操作系统的计算机来实现控制，这样虽然解决了对机械设备的实时控制，但其外围电路复杂，需要依靠操作面板作为人机交换界面，通常是采用大量的操作按钮、开关和指示灯，这就需要专业人员输入比较复杂的工作指令，操作起来比较麻烦，且有时性能不佳，对系统进行维护也不方便且不容易分级。

目前，Windows操作系统已经取代DOS操作系统在各个领域里得到了广泛的应用，但是，由于Windows操作系统自身不能提供精确的时钟周期，而且在Windows系统下要对底层硬件进行访问也比较困难，因此现有的绝大多数数字控制机床还是使用DOS操作系统，这不但使操作和维护都不方便，更对机床的操作人员提出了比较高的专业要求。

另外，也有极少数的机械设备使用了Windows操作系统下的控制系统，它是将Windows操作系统的计算机与单片机连接，计算机作为上位机、单片机作为下位机控制机械设备，这虽然解决了实时控制的问题，但其外围电路仍较复杂，操作上也需要对单片机编程，在实际使用中还是不方便。

此外，还有一些则选用DSP(Digital Signal Process)芯片，把它作为实时控制与运算，同时它可以以视窗，通过计算机总线进行通讯，但它电路和软件复杂，开发周期长且价格高。

综上所述，如何解决Windows操作系统中对机械设备的实时控制问题，已成为解决应用Windows操作系统对机械设备进行数字化控制的核心问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有很强的精确性和实时性，不需要复杂的外围电路就可以实现较好的操作性能，且控制方便的数控机床控制系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种数控机床控制系统，它包括：计算机，机床电机，连接所述计算机与所述机床电机的数据交换卡；所述计算机包括：一数据输入单元，一连接所述数据交换卡的输入输出控制单元，其特征在于：它还包括一可将所述数据输入单元输送的NC代码逐条转换生成电机指令的指令生成单元，以及一可确定NC代码加工时间和生成的各电机指令之间精确时钟周期的实时控制模块；所述数据交换卡将数字信号转换为模拟电信号传送给所述机床电机，所述计算机界面采用Windows操作界面。

所述实时控制模块与所述输入输出控制单元之间设置有数据反馈，所述实时控制模块与所述指令生成单元之间设置有中断指令发送控制。

在所述指令生成单元与所述输入输出控制单元之间设置一反馈判断单元，所述机床电机反馈回的错误信号通过所述数据交换卡转换为数字信号传递给输入输出控制单元，并通过所述反馈判断单元中断指令生成单元向输入输出控制单元的电机指令传送。

在所述输入输出控制单元上连接一操作监控单元，在所述反馈判断单元的N端与所述实时控制模块之间连接一意外处理单元，所述操作监控单元可将所述输入输出控制单元与所述数据交换卡的往来数据转换为图形显示在所述计算机操作界面上，并监控是否需要将所述错误信号送入所述意外处理单元进行处理。

本发明还包括一设置在所述数据输入单元与所述指令生成单元之间的代码解释单元。

所述数据输入单元的输入方式为图形直接输入或输入坐标生成图形。

所述计算机与所述数据交换卡的连接采用PCI接口，所述的数据交换卡与所述机床电机的连接采用标准工业接口。

本发明由于采取以上设计，其具有以下优点：1、本发明不经过下位机(如单片机等)，而是直接在基于Windows操作系统的计算机的数据输入单元编辑加工指令，并将编辑的指令实时地转换成控制机械设备运动的电机指令，也就是说，跳过了上位机与下位机之间的信息传递，直接由上位机控制机械设备运动，从而解决了外围电路复杂，操作时对单片机编程等问题。2、本发明在界面上采用典型的Windows界面的风格，可以为用户提供丰富的信息和图形，不但支持对字符的拷贝、粘贴等操作，而且处理的指令代码长度几乎不受限制，操作人员只需直接面对计算机屏幕就可以实现对机床的操作和控制，有效的降低了对操作人员的技术专业要求；同时操作人员还可以在计算机屏幕上对即将加工的部件形状等进行预览，对加工过程中的情况进行实时监控，并在出现问题时随时中断加工，操作非常方便。3、本发明设置了指令生成单元和实时控制模块，因此当通过数据输入单元直接输入或通过代码解释单元转换生成NC代码后，实时控制模块可以通过计算确定每条NC代码加工所需要的时间，并在指令生成单元中通过插补运算逐条将NC代码转换生成电机指令后，通过实时控制模块提供精确的时间定时，保证每条电机指令之间的时间间隔，使加工中不会出现错误，有效的解决了在Windows操作系统下不使用单片机等，就可以实现对机械设备精确的实时控制问题。4、本发明由于是工作在Windows操作系统下，不但可以充分地利用Windows的各种丰富资源，还可以方便地构建工业网络，实现集中操作的监控，综合信息的管理等工业控制模式。本发明没有复杂的外设电路，操作简单方便，它可以广泛用于各种数控机床的控制系统中。

附图说明

图1是本发明控制流程图

图2是本发明操作界面的一实施例

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括计算机1，机床电机2，连接在计算机1与机床电机2之间的数据交换卡3，以及其它进行机床控制的辅助设备及线路。计算机1的操作界面采用Windows操作界面，控制部分主要包括数据输入单元11，代码解释单元12，指令生成单元13，输入输出控制单元14，反馈判断单元15，意外处理单元16和操作监控单元17，同时在整个控制流程过程中嵌入一实时控制模块18。

本发明的实时控制模块18可以采用Windows多线程的编程技术，将德国SYBERA公司提供的SHA(Sybera Hardware Access)实时软件内核嵌入本发明的控制系统中，通过使用自定义的消息，可达到在多个线程中进行数据通信的目的。一个线程向另一个线程发送消息是通过操作系统实现的。利用Windows操作系统的消息驱动机制，当一个线程发出一个消息时，操作系统首先接受到该消息，然后把该消息转发给该消息的目标线程，接受消息的线程必须已经创建了消息循环。

在线程的同步问题上，即使隶属于一个进程的各线程协调一致地工作。在MFC中提供多种同步对象，如CEvent、CCriticalSection、CSemaphore、CMutex等，进行线程同步的处理。本发明采用CEvent类进行线程同步的处理。

CEvent类提供了对事件的支持。事件是一个允许一个线程在某种情况发生时，唤醒另外一个线程的同步对象。事件告诉线程如何去执行某一个给定的任务，从而使多个线程平滑。每一个CEvent对象可以有两种状态：有信号状态(signaled)和无信号状态(nonsignaled)。线程监视位于其中的CEvent类对象的状态，并在相应的时候采取相应的操作。这就形成了本发明中的实时控制模块18。

具体程序如下：

①使用全局变量进行通信

typedef struct ThreadInfo

{

CFrameWnd*pMainFrame；

HANDLE hSHATimer；

HANDLE hSHAEvent；

bool StopTimer；

}ThreadInfo；

ThreadInfo Info；

②定义用户自定义消息

#define WM_SHATIMER(WM_USER+1)

③调用SHA的API(应用程序接口)函数，得到Timer的句柄

Error＝ShaConnectTimer(0，4，NULL，NULL，szEventName，&Info.hSHATimer)；

④根据Timer句柄创建CEvent类的对象

Info.hSHAEvent＝OpenEvent(SYNCHRONIZE，FALSE，szEventName)；

⑤创建线程，启动Timer

CreateThread(NULL，0，(LPTHREAD_START_ROUTINE)TimerThread，

&Info，0，&ThreadID)；

ShaStartTimer(Info.hSHATimer)；

⑥实现线程函数

void WINAPI TimerThread(LPVOID IpParam)

{

ThreadInfo*pInfo＝(ThreadInfo*)IpParam；

for(；；)

{

WaitForSingleObject(pInfo-＞hSHAEvent，INFINITE)；

::SendMessage(pInfo-＞pMainFrame-＞GetSafeHwnd()，

WM_SHATIMER，0L，0L)；

if(pInfo-＞StopTimer)

break；

}

ShaStopTimer(pInfo-＞hSHATimer)；

CloseHandle(pInfo-＞hSHAEvent)；

ShaDisconnectTimer(pInto-＞hSHATimer)；

}

⑦LRESULT CMainFrame::OnShaTimer(WPARAM wParam，LPARAM IParam)

{

处理以上诸单元；

return 0；

}

在本发明的控制系统操作时，首先启动实时控制模块18，其可以为各个单元提供极其精确的时钟脉冲，具体的控制方式将在下面的描述中进一步加以说明。

在数据输入单元11，操作人员可以直接应用软件的操作界面，使用鼠标在屏幕上画出所要加工的图形，也可以通过键盘输入坐标完成所要加工的图形，还可以直接输入计算机能够识别的所要加工图形的NC代码，且随时可通过预览按钮，预览在预览加工零件视图区中的二维几何形状。

输入的要加工的图形数据等可以应用代码解释单元12转换为计算机可以识别的代码，如果数据输入单元11直接输入NC代码则可以直接进入指令生成单元13。

在指令生成单元13中，NC代码被逐条通过插补运算转换为m条电机加工指令，NC代码不同，每条NC代码转换成为的电机指令的条数m也可能不同。实时控制模块18可以通过计算确定每条NC代码加工所需要的时间t，NC代码不同其加工时间t也可能不同；同时，实时控制模块可以根据每条NC代码加工所需要的时间t和指令指令生成单元13转换的指令条数m，确定每条电机指令之间的时间间隔，比如第一条NC代码的加工时间是t₁，其转换为m₁条电机指令，那么每条电机指令的时间间隔t₁/m₁便被确定，亦即指令发出的脉冲周期就被确定。

由于实时控制模块18可以进行精确到1微秒级的时间定时，因此不但可以为在Windows操作系统下的本发明提供精确的时间定时，而且可以保证每条电机指令之间的时间间隔，具体说是当指令生成单元13将设置有精确时间定时的电机指令逐条发送给输入输出控制单元14时，实时控制模块18还监督着输入输出控制单元14是否在计算出的时间间隔内将该条电机指令输出给数据交换卡3。如果在计算出的时间间隔内输入输出控制单元14没有将电机指令输出，那么实时控制模块18将控制指令生成单元13停止下一条电机指令的发出，只有当该条电机指令顺利通过输入输出控制单元14发出后，下一条电机指令才会发出，这样就可以避免加工时，机床电机2在第一条指令还没有加工完成，第二条指令就开始的加工错误。

反馈判断单元15设置在指令生成单元13之后，是为了在指令传送给输入输出控制单元14之前，先对要加工指令的前一条指令加工正确性进行判断。如果正确(Y)，便进入输入输出控制单元14；如果错误(N)，便直接中断指令生成单元13的指令输出，或者通过实时控制模块18中断指令生成单元13的指令输出，或通过意外处理单元16，再通过实时控制模块18中断指令生成单元13的指令输出。

输入输出控制单元14将电机指令传送给数据交换卡3，数据交换卡3可以把数字信号转换为模拟电信号传送给机床电机2，以控制机床加工。机床电机2的反馈信号可以反过来通过数据交换卡3转换为数字信号传回输入输出控制单元14。与输入输出控制单元14连接的操作监控单元17可以得到输入输出控制单元14输出给数据交换卡3的数据和数据交换卡3反馈给输入输出控制单元14的数据，还可以通过操作监控单元计算出加工进度，并转换为图形在计算机屏幕上显示。操作人员可以通过操作监控单元17了解整个加工的运行状态，判断是否需要意外处理，并进行相应操作。

当反馈信号包含错误信号的时候，输入输出控制单元14可以给出一个中断信号，直接停止机床电机转动，或直接停止指令生成单元13继续传送指令；也可以通过反馈判断单元15或再通过意外处理单元16，向指令生成单元13发出中断信号；当错误排除后，开启实时控制模块18，整个流程再次进行。

如图2所示，为本发明的操作界面的一实施例，其包括有：加工图形显示区21、当前加工点坐标显示区22、加工开始按钮23、加工停止按钮24、NC代码编辑区25和下拉菜单26等。加工图形显示区21显示输入的NC代码转换成的图形，当操作人员认可时可用鼠标点击加工开始按钮23，加工开始，当前加工点坐标显示区22实时的显示刀具加工的位置，而且加工图形显示区21也可以显示出当前的加工位置，此外，操作人员在加工时也可以随时用鼠标点击加工停止按钮24，则加工停止；此外，还可以直接在加工图形显示区21拖动鼠标输入欲加工的图形，也可以通过下拉菜单26选择输入坐标转换为图形的方式，而相应的NC代码则在NC代码编辑区25处生成，NC代码编辑区25处的代码可以直接编辑，更可以复制、储存，方便以后的再次使用。

下面以切割圆为例，简述本发明操作过程。

启动系统，打开已储存好的NC文件，读入包含切割圆的G(G代码是NC代码的一种)代码文件，或者直接在屏幕显示的NC代码编辑区25通过数据输入单元11输入该圆的G代码；然后，按下加工开始按钮，程序开始运行，执行以下步骤：

1、启动实时控制模块18；

2、在指令生成单元将G代码生成与圆对应的数据结构，在这个数据结构中，存储该圆的起点、终点以及该圆的圆心坐标等数据；

3、在指令生成单元根据圆的插补算法，将该圆的有关数据转化为电机指令；

4、由实时控制模块18计算出每条电机指令之间的时间间隔；

5、由实时控制模块18发出以计算出的每条电机指令之间的时间间隔为周期的时钟脉冲，保证每条电机指令在计算出的时间间隔内发送给机床电机；

6、通过反馈判断单元15以及数据交换卡3，判断各机床电机2的运行状态；如果出现运行意外，停止电机指令的传送并通过意外处理单元16进行意外处理。

Claims

1.一种数控机床控制系统，它包括：计算机，机床电机，连接所述计算机与所述机床电机的数据交换卡；所述计算机包括：一数据输入单元，一连接所述数据交换卡的输入输出控制单元，其特征在于：它还包括一可将所述数据输入单元输送的NC代码逐条转换生成电机指令的指令生成单元，以及一可确定NC代码加工时间和生成的各电机指令之间精确时钟周期的实时控制模块；所述数据交换卡将数字信号转换为模拟电信号传送给所述机床电机，所述计算机界面采用Windows操作界面。

2.如权利要求1所述的一种数控机床控制系统，其特征在于：所述实时控制模块与所述输入输出控制单元之间设置有数据反馈，所述实时控制模块与所述指令生成单元之间设置有中断指令发送控制。

3.如权利要求1所述的一种数控机床控制系统，其特征在于：在所述指令生成单元与所述输入输出控制单元之间设置一反馈判断单元，所述机床电机反馈回的错误信号通过所述数据交换卡转换为数字信号传递给输入输出控制单元，并通过所述反馈判断单元中断指令生成单元向输入输出控制单元的电机指令传送。

4.如权利要求2所述的一种数控机床控制系统，其特征在于：在所述指令生成单元与所述输入输出控制单元之间设置一反馈判断单元，所述机床电机反馈回的错误信号通过所述数据交换卡转换为数字信号传递给输入输出控制单元，并通过所述反馈判断单元中断指令生成单元向输入输出控制单元的电机指令传送。

5.如权利要求3或4所述的一种数控机床控制系统，其特征在于：在所述输入输出控制单元上连接一操作监控单元，在所述反馈判断单元的N端与所述实时控制模块之间连接一意外处理单元，所述操作监控单元可将所述输入输出控制单元与所述数据交换卡的往来数据转换为图形显示在所述计算机操作界面上，并监控是否需要将所述错误信号送入所述意外处理单元进行处理。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种数控机床控制系统，其特征在于：它还包括一设置在所述数据输入单元与所述指令生成单元之间的可将图形转换成NC代码的代码解释单元。

7.如权利要求5所述的一种数控机床控制系统，其特征在于：它还包括一设置在所述数据输入单元与所述指令生成单元之间的可将图形转换成NC代码的代码解释单元。

8.如权利要求6所述的一种数控机床控制系统，其特征在于：所述数据输入单元的输入方式为图形直接输入或输入坐标生成图形。

9.如权利要求1或2或3或4或7或8所述的一种数控机床控制系统，其特征在于：所述计算机与所述数据交换卡的连接采用PCI接口，所述的数据交换卡与所述机床电机的连接采用标准工业接口。

10.如权利要求5或6所述的一种数控机床控制系统，其特征在于：所述计算机与所述数据交换卡的连接采用PCI接口，所述的数据交换卡与所述机床电机的连接采用标准工业接口。