CN100430849C - 经济型数控机床的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种经济型数控机床的控制系统及方法，其特点是用触摸屏代替CNC，该触摸屏含有数据输入模块、数据存储模块、数据处理计算模块，通过通信接口与PLC通信，实现坐标轴位置控制，定位精度可达0.002mm；该触摸屏还含有开关模块、选择模块、监视模块、数据跟随显示模块，使控制面板彻底消除了硬件器件，故障率低，系统的稳定性大幅度提高；用户可以根据机床特点的需要，自己制作、修改控制画面，与CNC的固化软件相比，大幅度降低了软件成本。

Description

经济型数控机床的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种机床的控制系统，特别是一种经济型数控机床的控制系统及方法。

背景技术

数控机床采用控制软件的集成技术，将PLC集成在CNC数控系统中。PLC作为数控机床各项功能的逻辑控制中心，它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，伺服系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制，通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，系统是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令，完成对运动或功能的控制。由于数字技术的高度集成化，许多系统程序和用户程序都被控制硬件制造厂家固化在系统中，随系统硬件一起出售，不但增加了设备成本，而且限制用户自我开发，降低了系统集成的能力。数字技术的高度集成化，软件决定硬件，限制了用户根据机床特点选用合适性价比数控系统的能力，不能充分发挥各系统硬件的优点。

经济型数控机床由于只配备了PLC，难于实现对坐标轴的定位控制，往往需要增设外围电路，才能实现坐标轴运动参数(距离、速度)的精确控制。

另外，现有的机床数控制系统采用的单片机或者计算机(MMC)作为上位机来实现控制。这样虽然解决了对机械设备的实时控制，但外围电路复杂，需要依靠操作面板作为人机交换的界面，通常存在大量的操作按钮、开关和指示灯等硬件器件，还需要操作员输入比较复杂的指令，操作起来比较麻烦，且硬件器件性能不佳，故障率较高，系统的稳定性差，维护工作量大，故障点不好查找，维护不方便。

综上所说，现代数控机床还需要在以下几点上进行改进：(1)在提高数控机床定位精度的前提下，采用软件编程代替硬件电路，实现硬件无按钮操作化，减少外围复杂电路，降低故障率。(2)使设计人员根据不同机床自身特点开发适合本体机床的程序，加快技术革新的能力，降低性价比，而不依赖数控系统本身的硬件配比能力。(3)在系统集成方面不依赖和局限于软件对机床开发的限制，用户可以自由组合硬件实现对数控机床的控制。

发明内容

本发明的目的，提供一种具有精确定位和实时监控功能，在硬件上实现无按钮化操作的，在软件方面用户可自由开发和利用的一种经济型数控系统。为达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种经济型数控机床的控制系统，包括机床伺服系统、机床伺服电机和对该伺服系统进行控制的PLC；其特征在于，还包括通过通信接口与PLC通信的触摸屏，所述触摸屏包括：

-数据输入模块，用于输入、修改被控参数的设定值和操作员的操作指令，读取触摸屏的操作界面；

-数据存储模块，用于存储输入、输出数据；

-数据处理计算模块，用于对输入、输出参数数据进行处理、计算；包括输入信号的编码运算；输出信号的解码运算；

所述PLC包括：

数据移位单元，用于根据操作指令分别把PLC内部高速记数脉冲值、数据存储模块数据值、控制代码参数值实时移位到PLC编程分配的数据块中；

数据存储单元，用于存储移位单元传递来的数据；

数据检测单元，用于实时检测坐标轴的当前运动状态参数值，包括距离、速度值，以及控制方式参数值；

数据比较单元，用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参数值、控制方式参数值与触摸屏存储模块的设定值进行比较；

数据计算单元，用于根据比较结果计算出控制信号的值，即记数脉冲的数量值；

控制方式确定单元，用于根据数据检测单元检测到的控制方式数据，确定正、反转操作和定位方式；

控制信号输出单元，用于输出确定了控制方式方向的脉冲和速度大小的记数脉冲信号。

所述触摸屏还包括：

-开关模块，用于接通/断开控制坐标轴运动的电路；

-选择模块，用于选择、切换控制坐标轴运动的控制方式及触摸屏的操作界面；

-监视模块，用于指示电路的工作状态；

-数据跟随显示模块，用于监视机床实际运动情况，并显示实际运行参数值。

一种用上述控制系统控制坐标轴运动位置的方法，包括步骤：

-信号输入步骤：通过触摸屏上的键盘输入工件的特征参数设定值和操作员的操作指令；

-输入信号处理步骤：由触摸屏的处理计算模块对输入信号进行处理、计算；将输入信号进行单位进制换算和编码，转换成相应的数字信号；

-第一存储步骤，将数字信号存入触摸屏的存储模块；

-移位步骤：由PLC的移位单元根据操作指令分别把PLC内部高速记数脉冲值、数据存储模块数据值、控制代码参数值实时移位到PLC编程分配的数据块中；

-第二存储步骤，将移位单元传递来的数据存入PLC的存储单元；

-检测步骤，由PLC检测单元实时检测坐标轴的当前距离参数值及控制方式参数值；

-比较步骤，由PLC比较单元将检测到的坐标轴当前距离参数值及控制方式参数值与触摸屏存储模块中的设定值进行比较；

-计算步骤，根据比较结果计算出控制信号的值，即记数脉冲的数量值；

-控制方式确定步骤，根据数据检测单元检测到的控制方式数据，确定正、反转操作和定位方式；

-控制信号输出步骤，将确定了控制方式方向的脉冲信号和速度大小的记数脉冲信号送到伺服系统中。

技术效果：

一、由于采用触摸屏，同时起了四方面作用：

1、代替了CNC数控系统，触摸屏的CPU将接到的数据或者信号指令进行解码、编码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，实现精确定位，精度可达0.002mm，取得与CNC同等的技术效果，大幅度降低了系统成本。

2、代替了数控机床中的人机操作面板(MMC)，用户可以根据机床特点的需要，自己制作完成需要的控制画面。而一般型数控机床人机操作画面是由生产厂家固化在系统中的，作为系统整体出售，这样增加了设计成本，也不利于设计人员对操作画面的二次开发。

3、带有配方数据卡，能实现对数据存储和传输，对机床数据定位具有记忆功能，为PLC运行控制程序提供了必要条件。

4、操作方式上实现硬件无按钮操作化，机床所有操作器件包括键盘都是通过编程人员在软件中模拟实现，从而彻底消除了系统二次电路中的硬件器件，降低故障率，增强了系统的稳定性。

二、由于采用带有高速记数脉冲的PLC，使其可以运行如下需要高速记数的控制程序：坐标轴运动参数实时检测；发出速度和位置指令；调节输出控制信号；接受速度反馈信号到伺服系统实施速度闭环控制信号的数据处理；从而最终实现坐标轴运动参数的精确控制。

附图说明

图1是本控制系统的结构及流程图

具体实施方式

参见图1：本发明包括触摸屏10、PLC可编程控制器20、机床伺服系统30三大部分。

触摸屏10是用户进行人机对话的窗口，所有的操作界面都是编程人员自己设计完成的，它具有机床操作，状态显示，数据跟随，数据存储与计算等功能。其具体控制部分主要包括功能选择模块1，数据输入模块2(键盘)，数据计算模块3(CPU)，数据存储模块4，数据跟随模块5，开关控制模块6，状态监视模块7；其中，除数据计算模块3(CPU)和数据存储模块4是硬件外，其余都是软件。

编程组态的方式，首先制作功能选择模块1，用户可以自由切换操作界面，满足不同轴的控制。制作数据输入设备，用于对数字或者字母的输入和删除的控制键盘。有了数据输入设备就必须有对数据计算的模块3，数据计算模块对操作者发出的位置指令和速度指令进行数学计算，进行机器编码工作，编码成PLC能识别的机器语言代码，然后传送到下一级模块中；还会对PLC控制系统反馈回的实际距离进行解码工作，送入数据跟随模块5进行实时监控。触摸屏控制系统会对编码的语言进行校验并存储在数据存储模块4，数据存储是配方数据卡特有的功能，它可以存储大量的控制数据与信息，进行数据传输和交换，所有的数据和信息的交换是通过触摸屏与PLC控制器的网络通信实现的。开关控制模块6，用于接通/断开电路，控制坐标轴的运动控制。状态监视模块7，对PLC输出状态的监控。

PLC控制器20是控制系统的神经中枢，它不仅对外部输入信号进行逻辑处理，而且对内部数据进行存储，检测，比较，计算等。其主要控制部分包括数据移位单元11，数据检测单元12，数据比较单元13，数据计算单元14，数据存储单元15，输入控制单元16，控制方式单元17，输出控制单元18。为了保证控制精度，系统采用高速记数脉冲的PLC，例如松下FP∑系列的PLC控制器。

伺服系统30是本控制系统的第三部分，包括伺服驱动系统31、电机32、编码器33。

本控制系统的工作原理如下：

当PLC与触摸屏完全通信后，PLC程序的数据移位单元11识别触摸屏配方数据卡里的数据，根据程序的需要实时检测传送到PLC的数据存储单元15中，并按机器代码存储其中。

PLC程序会发出指令给数据检测单元12，数据检测单元12会根据系统不同的要求，检测出操作者需要运行的速度、距离与操作方式等指令，并接受机床实际距离反馈值，分别存放到不同的地址中。速度指令值直接传送到数据计算单元14，操作方式指令值直接送入控制方式单元17，检测到的实际距离值反馈回数据计算模块3中进行解码，并在数据跟随模块5中显示出来。

数据比较单元13通过寻址找到检测单元12对机床实际距离和设定距离数据块存放的地址，开始进行比较，当实际距离比设定距离小时，数据计算单元14与控制方式单元17有效。当实际距离比设定距离大时，数据比较单元13把检测的数值重新反馈回检测单元12，然后再比较，直到满足条件时停止比较，数据比较单元13中选用合适的比较指令是提高机床精度的重要保证。

数据计算单元14，当数据比较单元13的比较结果判断为“是”时，数据计算单元14开始接受数据检测单元12传送来的速度指令，并开始计算PLC需要触发多少脉冲个数。

控制方式单元17，当数据比较单元13的比较结果判断为“是”时，控制方式单元17开始接受数据检测单元12传送来的控制方式指令，当系统检测到开关控制模块6和输入控制单元16的逻辑指令都满足运行条件时，激活控制方式单元17，PLC输出方向脉冲。

输出控制单元18接受数据计算单元14所产生速度指令脉冲数和控制方式单元17所产生的方向脉冲，并驱动伺服系统运行。

伺服系统30在定位方面起了重要的作用，数字脉冲编码器33作为位置检查元件，它对机床位置间接测量，将测量值反馈回伺服系统中，该系统再反馈回数据测量单元12中，并且通过修改伺服驱动参数单位指令脉冲数，对应电机的速度和位移量，实现精确定位。

坐标轴位置控制过程包括如下步骤：

1.进入触摸屏操作界面选定一坐标轴，通过数据输入模块2，设定坐标轴运动的距离和初始速度值。

2.由触摸屏数据处理计算模块3，对输入的初始速度值和距离设定值进行计算和编码，存放到存储模块4的配方数据块中，对PLC系统反馈回的实际距离值和运行速度值解码传入数据跟随模块5中，实时显示和监控它们。

3.PLC的数据移位单元11，通过寻址及时准确地把存储模块4的配方数据块中各种信息和数据传送到PLC的存储单元15，实现存储单元15存储数据、记忆数据的功能。其所传数据包括，速度数据，位置数据，PLC内部高速记数器发的脉冲数据，方向控制等数据。

4.检测单元12对存储单元15所存储的数据和伺服系统31反馈回的实际距离数据信号处理检测分类，使它们传送到不同的控制数据块中。

5.比较单元13对检测单元12分配的实际距离和设定距离的位置进行比较。当比较结果被判断为“是”时，速度计算和方向计算控制有效，系统会把速度数据块和方向数据块指令传入相应的控制单元；反之，当比较结果被判断为“否”时，速度和方向控制无效，指令不会传入相应的控制单元。

6.数据计算单元14接受检测单元12提供分配的速度指令，实时计算速度变化值，产生相应频率的记数脉冲(YO)。

7.控制方式确定单元17接受检测单元12提供分配的方向指令脉冲，通过控制开关模块6产生相应的方向控制脉冲(YI)。

8.输出控制单元18将记数脉冲(YO)、方向脉冲(YI)输入伺服驱动系统31，对其进行控制。

本发明的一个突出特点是采用触摸屏，它同时起四方面作用：1、代替了数控机床中的人机操作面板MMC，用户可以根据机床特点的需要，自己制作完成需要的控制画面。而一般型数控机床人机操作画面是由生产厂家固化在系统中的，作为系统整体出售，这样增加了设计成本，也不利于设计人员对操作画面的二次开发。2、用触摸屏代替数控系统CNC，触摸屏的CPU将接到的数据或者信号指令进行解码、编码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，实现精确定位。3、带有配方数据卡，能实现对数据存储和传输，对机床数据定位具有记忆功能。4、操作系统二次电路中的器件都是通过编程人员在软件中模拟实现，彻底消除硬件器件，降低故障率，增强系统稳定性。

本发明的另一个突出特点是PLC的功能、作用与常规数控机床的PLC不完全相同。本发明的PLC接受触摸屏CPU处理后的各种信息，并在PLC中进行实时检测，发出速度和位置指令，调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，并接受速度反馈信号到伺服系统实施速度闭环控制信号的处理数据。而常规数控机床(PLC+CNC)，其PLC作为数控机床各项功能的逻辑控制中心，它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，伺服系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制，它也通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。

Claims (3)

1.一种经济型数控机床的控制系统，包括机床伺服系统和对该伺服系统进行控制的PLC；其特征在于，还包括通过通信接口与PLC通信的触摸屏，所述触摸屏包括：

-数据输入模块，用于输入、修改被控参数的设定值和操作员的操作指令，读取触摸屏的操作界面；

-数据存储模块，用于存储输入、输出数据；

-数据处理计算模块，用于对输入、输出参数数据进行处理、计算；包括输入信号的编码运算；输出信号的解码运算；

所述PLC包括：

-数据移位单元，用于根据操作指令分别把PLC内部高速记数脉冲值、数据存储模块数据值、控制代码参数值实时移位到PLC编程分配的数据块中；

-数据存储单元，用于存储移位单元传递来的数据；

-数据检测单元，用于实时检测坐标轴的当前运动状态参数值，包括距离、速度值，以及控制方式参数值；

-数据比较单元，用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参数值、控制方式参数值与触摸屏存储模块的设定值进行比较；

-数据计算单元，用于根据比较结果计算出控制信号的值，即记数脉冲的数量值；

-控制方式确定单元，用于根据数据检测单元检测到的控制方式数据，确定正、反转操作和定位方式；

-控制信号输出单元，用于输出确定了控制方式方向的脉冲和速度大小的记数脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述触摸屏还包括：

-开关模块，用于接通/断开控制坐标轴运动的电路；

-选择模块，用于选择、切换控制坐标轴运动的控制方式及触摸屏的操作界面；

-监视模块，用于指示电路的工作状态；

-数据跟随显示模块，用于监视机床实际运动情况，并显示实际运行参数值。

3.一种用权利要求1所述控制系统控制坐标轴运动位置的方法，包括步骤：

-信号输入步骤：通过触摸屏上的键盘输入工件的特征参数设定值和操作员的操作指令；

-输入信号处理步骤：由触摸屏的处理计算模块对输入信号进行处理、计算；将输入信号进行单位进制换算和编码，转换成相应的数字信号；

-第一存储步骤，将数字信号存入触摸屏的存储模块；

-移位步骤：由PLC的移位单元根据操作指令分别把PLC内部高速记数脉冲值、数据存储模块数据值、控制代码参数值实时移位到PLC编程分配的数据块中；

-第二存储步骤，将移位单元传递来的数据存入PLC的存储单元；

-检测步骤，由PLC检测单元实时检测坐标轴的当前距离参数值及控制方式参数值；

-比较步骤，由PLC比较单元将检测到的坐标轴当前距离参数值及控制方式参数值与触摸屏存储模块中的设定值进行比较；

-计算步骤，根据比较结果计算出控制信号的值，即记数脉冲的数量值；

-控制方式确定步骤，根据数据检测单元检测到的控制方式数据，确定正、反转操作和定位方式；

-控制信号输出步骤，将确定了控制方式方向的脉冲信号和速度大小的记数脉冲信号送到伺服系统中。

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