CN101008842A - 用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，包括用于处理手动脉冲发生器输入信号的手脉功能模块、用于控制机床控制面板输入/输出的PLC功能模块；还包括设置有物理层接口用于控制与上位机之间通信的物理层控制模块，以及根据通讯协议解析信息数据的总线协议解析模块。本发明将手脉和机床控制面板结合为一体，置于机床前端，可以有效地减少手脉连线长度和复杂度；解决了传统数控系统在硬件CNC控制器方式下需要长距离传输线、多硬件设备的高成本问题。而且系统设计更加灵活，可以开放的设置多个手脉，在采用对等网络结构的前提下，提高了响应速度。

Description

用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置

技术领域

本发明涉及开放式的总线数控系统，更具体地说，涉及数控系统中总线式机床控制面板和手动脉冲发生器的设置方式。

背景技术

机床键盘，又称数控键盘、机床软键盘、工业控制键或机床控制面板。在现有的数控机床系统中，已是必备设备。机床键盘(机床控制面板)与上位机所使用的键盘是有区别的，上位机的键盘通常只有简单的输入数字、字母的功能。而机床控制面板，其上的各个功能键分别对应执行某种固定操作，直接控制机床的动作及加工过程，如，急停、模式选择、轴向选择、切削进给速度调整、主轴转速调整、主轴的起停、程序调试功能及其它M、S、T功能等。键盘上通常还具有指示状态等方式的输出。

在数控机床上，手动脉冲发生器(下文简称手脉)通过手动回转摇把输出脉冲，可以精确地驱使刀具、工件及其他部件的移动以及定位。通常手动脉冲发生器上设置有刻度盘，当转动一个刻度时，对应输出一个脉冲，驱动刀具或工件移动一定距离，从而刀具或工件总的移动距离与输出的脉冲个数成正比。同时手动脉冲发生器又根据转向输出驱动刀具或工件不同方向移动的脉冲，即输出正向脉冲或输出反向脉冲。在现有技术的数控系统中，手脉的设计通常是通过单独的总线或者作为一个轴设备向数控系统传输数据的。而且一般的中低端数控系统只能支持单手脉。

在数控系统中，手脉和机床控制面板是机床调试和生产中必要的部件。现有技术中二者的设置方式如图1所示，其中，CNC控制器作为一个集成多种硬件的设备，不但体积大、成本高，而且由于硬件、软件两方面相互制约，在扩展性方面较差，不符合当今开放性设计的理念。因此如何有效地设置机床控制面板和手脉设备，以达到硬件、软件两方面的最优配置，是总线式数控系统亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，其前提是将现有技术以硬件方式设置的CNC控制器省略，在以软件方式实现的基础上，又将手动脉冲发生器处理功能与机床控制面板相结合，从而达到硬件资源最优化、降低成本的目的，同时以开放式设计的理念增强系统的灵活性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，包括用于处理手动脉冲发生器输入信号的手脉功能模块、用于控制机床控制面板输入/输出的PLC功能模块。还包括设置有物理层接口用于控制与上位机之间通信的物理层控制模块，以及根据总线通讯协议解析信息数据的总线协议解析模块。其中，信息的通路有如下方式：1、来自上位机的信息通过所述物理层控制模块送至总线协议解析模块，在解析后由所述PLC功能模块输出；2、机床控制面板利用所述PLC功能模块输入信号，在总线协议解析模块解析后通过所述物理层控制模块送至上位机；3、手动脉冲发生器利用所述手脉功能模块处理信号，然后将数据输入手脉总线协议解析模块，在总线协议解析模块解析后通过所述物理层控制模块送至主设备。

以本发明设置方式实现的PLC功能模块，采用24输入/16输出的PLC I/O接口控制模块方式。而且可以设置1-4个PLC功能模块，相应的需要有1-4个总线协议解析模块。当然也可以设置1-3个手动脉冲发生器，相应的，分别设置手脉功能模块和总线协议解析模块。

优选方式下，物理层控制模块、总线协议解析模块以及PLC功能模块、手脉处理模块可以利用一个片上集成系统FPGA实现。当然为了适应现有技术中各个厂家根据各自总线协议开发出厂的总线协议解析和通信控制芯片，也可采用传统方式，将手脉处理模块和PLC功能模块分别由独立的单芯片实现。

通过上述技术方案，本发明用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，首先将手脉和机床控制面板结合为一体，置于机床前端，可以有效地减少手脉连线长度和复杂度；同时，机床控制面板通过总线和系统相连，有效减少机床控制面板和PLC之间的连线数量，降低连线复杂度；从而解决了传统数控系统在硬件CNC控制器方式下需要长距离传输线、多硬件设备的高成本问题。而且由于手脉和机床控制面板之间通过总线和上位机主设备相连，系统设计更加灵活，可以开放的设置多个手脉，从而适应多种高档数控系统的应用。本发明采用对等网络结构，具有响应速度快的特点。在优选方式下，多个功能模块的电路由一个FPGA单芯片集成，设置在板卡上，从而方便控制面板上输入部件(如按键)或输出部件(如指示灯)的设置，在最少硬件资源的前提下即可实现机床控制面板与多个手脉的功能。

附图说明

图1是现有技术中机床控制面板与手脉的设置方式示意图；

图2是本发明机床控制面板与手脉集成装置的功能模块示意图；

图3是本发明一种机床控制面板与手脉集成的实施例示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明用于在总线式数控系统中机床控制面板与手动脉冲发生器的集成装置。其中，上位机与总线控制器构成总线式数控系统中的主设备。可以通过本申请人在2007年1月15日提交的中国专利申请200710010062.0中涉及的总线式数控系统来理解本发明的结构。但本发明并非仅仅限定于该申请的环形总线式数控系统，本发明可适用于任何以总线方式实现的数控系统中。

总线控制器的实现在本申请人2007年1月15日提交的中国专利申请200710010050.8中提供了一种适用于上述环形总线式数控系统的实现方式。当然根据具体选择的总线式数控系统的结构，总线控制器的实现有所变化，但为了实现本发明，必须为机床控制面板设置独立的、双向通讯的物理接口，优选方式下选用以太网物理层接口，而传输介质选用超五类双绞线或光纤。

图2中给出了需要实现某一功能所需的电路模块。包括实现机床控制面板功能的PLC功能模块、处理手脉信号的手脉功能模块。以及物理层控制模块和总线协议解析模块。

上述各个模块的功能如下：

1、手脉功能模块，设置有接收手脉输入信号的接口，主要完成对手脉输入信号的方向判断和计数，并将其转化为总线能够接受的数据以便传输，通常设置有倍频处理电路，以便扩展信号，增强处理的可靠性。这个模块在现有技术实现手脉功能的结构中是必须的。

2、PLC功能模块，是实现PLC I/O接口控制功能的模块。机床控制面板作为一个标准PLC设备进行控制。这个PLC和数控系统软件的软PLC管理程序之间遵循数控系统支持的总线协议，通过总线控制器实现实时通信。由于机床控制面板对响应速度要求比较高，在上位机软件系统中将机床控制面板设置为最高响应、处理优先级，以便保证机床控制面板和上位机之间数据交互的实时性。利用PLC I/O接口控制功能的模块实现机床控制面板，在现有技术数控系统是常见的方式。

3、总线协议解析模块，主要根据特定通讯协议解析信息数据。具体地说，在本发明中，主要将来自上位机的信息处理成PLC功能模块可处理的数据；或者将来自机床控制面板输入的数据以及手脉输入的数据转化为遵循总线协议的数据以便传输。这个模块需要根据具体的总线协议定义，通常各个厂家定义的协议各不相同，因此，模块电路的设计也各不相同，通常厂家将总线协议解析模块封装为单芯片产品使用。

4、物理层控制模块，是控制传输时序、设置物理层通讯接口的电路模块，用于控制与上位机之间的通信。各厂家往往将总线协议解析模块与物理层控制模块集成为一个芯片产品。

在图2中，来自上位机的信息通过物理层控制模块送至总线协议解析模块，在解析后由PLC功能模块输出，从而实现机床控制面板的输出功能。

同时，机床控制面板利用PLC功能模块输入信号，在总线协议解析模块解析后通过所述物理层控制模块送至上位机，上位机进而驱动和控制由伺服驱动器和电机等构成的从设备。

而手动脉冲发生器输入的信号，由手脉功能模块处理；在信号处理后，将信号数据输入到总线协议解析模块，在总线协议解析模块解析后，输入数据利用物理层控制模块送至上位机，进而上位机精确地驱动电机的进给与定位。

实际上，也可以将手脉和机床控制面板理解为数控系统的从设备，直接通过总线和包括数控软件系统的上位机相连并交互数据。

如图3所示本发明最优的实施方式。其中机床控制面板工作于PLC I/O模式，可以扩展成1-4个24输入/16输出的PLC I/O从设备，优选方式为2-3个。当选用三个24输入/16输出的PLC I/O从设备时，机床控制面板支持72输入，48输出。同时，手脉作为数控系统的从设备，也可以扩展的加入1-3个。优选方式下，设置2个手脉就可完全满足较为高档数控系统的应用需要。图3中，2个手脉和2个由24输入/16输出PLC I/O接口模块构成的机床控制面板设计在一块PCB电路板上，作为4个从设备通过总线接收上位机的控制数据，并将自身产生的数据通过总线返回到主设备。通常设计方式，采用手脉处理芯片+PLC处理芯片的模式。最优方式，采用单片FPGA完成多个PLC I/O从设备和多路手脉从设备的设计。

参考图2中，图中FPGA芯片同时还完成与上位机之间对等互联总线协议的控制以及对物理层的控制。在上位机的软件系统中，将机床控制面板和手脉设置高优先级权限，加快其响应时间。

在图2和图3中，一个PLC功能模块或一个手脉功能模块分别对应了一个总线协议解析模块。通信过程，由物理层控制模块实现，可以采用串连、依次接收信息的通讯方式，也可采用设置标志位选择性的通讯方式实现。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，包括用于处理手动脉冲发生器输入信号的手脉功能模块、用于控制机床控制面板输入/输出的PLC功能模块；其特征在于，还包括设置有物理层接口用于控制与主设备之间通信的物理层控制模块，以及根据通讯协议解析信息数据的总线协议解析模块；其中，

来自主设备的信息通过所述物理层控制模块送至总线协议解析模块，在解析后由所述PLC功能模块输出；

机床控制面板利用所述PLC功能模块输入信号，在总线协议解析模块解析后通过所述物理层控制模块送至主设备；

手动脉冲发生器利用所述手脉功能模块处理信号，然后将数据输入手脉总线协议解析模块，在总线协议解析模块解析后通过所述物理层控制模块送至主设备。

2、根据权利要求1所述用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，其特征在于，所述PLC功能模块为PLC I/O接口控制模块。

3、根据权利要求2所述用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，其特征在于，所述PLC功能模块为24输入/16输出的PLC I/O接口控制模块。

4、根据权利要求1-3任一所述用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，其特征在于，设置1-3个手动脉冲发生器，相应的，包括分别处理手动脉冲发生器输入信号的1-3个手脉功能模块和总线协议解析模块。

5、根据权利要求4所述用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，其特征在于，包括1-4个PLC功能模块，相应的，包括1-4个总线协议解析模块。

6、根据权利要求5所述用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，其特征在于，所述物理层控制模块、总线协议解析模块以及PLC功能模块、手脉处理模块由片上集成系统FPGA实现。

7、根据权利要求6所述用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，其特征在于，所述物理层控制模块的物理层接口选用以太网物理接口，而传输介质选用超五类双绞线或光纤。

8、根据权利要求5所述用于集成手动脉冲发生器和总线式机床控制面板的装置，其特征在于，手脉处理模块和PLC功能模块分别由独立的芯片实现。

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