CN101295174A

CN101295174A - 数控机床刀架的建模仿真方法

Info

Publication number: CN101295174A
Application number: CNA2007100111216A
Authority: CN
Inventors: 陶耀东; 杨惠娟
Original assignee: SHENYANG HIGH-END COMPUTER NUMERICAL CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd; Shenyang Institute of Computing Technology of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Computing Technology of CAS
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: CN100562822C

Abstract

本发明涉及一种数控机床刀架的建模仿真方法，依照刀架时序波形图中输入信号和输出信号的对应关系，针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模；采集控制器输出状态，自动分析模型；根据上述分析结果设置相应的刀架输出信号；针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模包括：用PN对刀架的编码器、输出功能机构以及输入功能机构分别建模，其中对编码器建模是根据工位选通信号的变化分为X工位、工位切换以及Y工位三个阶段进行，每个阶段均为带有时间延迟的PN模型；每个阶段均有一个变迁，该变迁的输出库所是刀架工位库所；在工位切换阶段设置有控制编码器正、反转的库所。本发明解决了刀架系统控制器程序的测试问题，节约了物力资源，可用于教学。

Description

数控机床刀架的建模仿真方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床控制系统中建模的方法，具体地说是一种数控机床刀架的建模仿真方法。

背景技术

近年来随着国家经济的发展和科学技术的不断进步，对制造业的自动化要求越来越高。刀架是数控机床很重要的一部分，但是数控机床刀架类型多样，一种刀架对应一种换刀过程，并且刀架的控制器逻辑编程只能由专业人员来做，不方便非专业人员调试。

目前已公开的开关量模拟仿真系统和方法，其仿真方法是：以逻辑展开图作为编制模拟仿真组态程序的“脚本”，对控制过程输入，用组态软件的运行策略编写脚本程序，根据所采集的控制器输出状态，依照逻辑展开图确定由此输出作用产生的输入状态，用组态程序将控制器该输入通道设定位逻辑展开图中所要求的状态。这种方法存在的问题是：(1)操作人员必须先熟悉开关量控制的详细过程，才能够写出“脚本”，即绘制逻辑展开图比较烦琐且写脚本程序比较烦琐；(2)操作人员针对每一个开关量控制过程都要写一个组态程序，用户操作起来不方便。

发明内容

针对现有技术中建模仿真方法操作烦琐的不足，本发明的目的在于提供一种测试人员不需要了解复杂过程，不需要具备专业编程人员的技术水平的数控机床刀架的建模仿真方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

依照刀架时序波形图中输入信号和输出信号的对应关系，针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模；采集控制器输出状态，自动分析模型；根据上述分析结果设置相应的刀架输出信号。

所述刀架时序波形图中输入和输出的对应关系通过对应关系表达式描述如下：输出信号的变化＝(输入信号的变化，输出信号与输入信号变化的间隔时间，刀架选刀方向)；针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模包括：用PN对刀架的编码器、输出功能机构以及输入功能机构分别建模，其中对编码器建模是根据工位选通信号的变化分为X工位、工位切换以及Y工位三个阶段进行，每个阶段均为带有时间延迟的PN模型，其中在起始阶段即X工位之前具有控制编码器停止或启动的库所(Pcond)，该库所(Pcond)的状态和输出PN模型与输入PN模型之间的对应关系表达式中最后一个输出信号的变化是否已经发生相关，如果发生则编码器停止工作，否则继续；每个阶段均有一个变迁，该变迁的输出库所是刀架工位库所(Pcur)；在工位切换阶段设置有控制编码器正、反转的库所(Pdir)；对刀架的输出功能机构及输入功能机构建模是针对输入信号及输出信号的0、1变化，对刀架的各个输入功能机构独立地建立各个输入PN模型，对刀架的各个输出功能机构独立地建立各个输出PN模型，在输出PN模型与输入PN模型之间通过对应关系表达式联系起来，该对应关系表达式也建立对应关系PN模型；所述自动分析模型包括：根据采集的控制器输出状态分析并判断是否为控制器的换刀命令；如果是，则设置各个输入PN模型中相应库所的状态并设置各个对应关系PN模型中相应库所的状态；对应关系PN模型中库所状态的变化引起变迁发生后，设置各个输出PN模型中相应库所的状态，并向控制器反馈刀架输出信号的当前状态；判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生；如果是，则继续采集控制器输出状态；上述判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生的判断结果如果为否，则继续换刀过程；上述分析并判断是否为控制器的换刀命令的结果如果为否，则继续采集控制器输出状态；本发明方法还具有以下步骤：在人机界面上实时显示各个功能机构的状态，并对控制器的控制过程进行出错处理，当采集的控制器状态与当前刀架输出信号变化前后的控制器的设置值不同时，在人机界面上给出相应提示。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.解决了刀架系统控制器程序的测试问题。本发明方法采用PN建立模型，形成刀架仿真系统代替了以往利用真实刀架进行控制器程序的调试，减少了真实刀架的磨损，为调试控制器程序提供了良好的测试手段；

2.操作简单，使用方便。本发明通过对刀架系统建立完善的PN模型，在仿真过程中无需人为干预，数控操作人员能够很方便地测试控制器程序的正确性，配置文件可以随机更改，也极大地提高了测试的灵活性；

3.节约了物力资源。本发明在测试过程中不需要真实的刀架系统配合，仅通过仿真程就能够完成测试功能，减少了测试成本；

4.可用于教学。本发明不仅可以用于工业调试，还可以用于教学，通过配置仿真系统，帮助学生直观的了解机床刀架系统的行为和可能出现的控制器控制逻辑上的错误，提高教学质量并节省了教学投入。

附图说明

图1为应用本发明方法的模拟仿真系统构成示意图；

图2为本发明实施例中SD系列刀架时序波形图；

图3A为本发明输入PN模型图；

图3B为本发明输出PN模型图；

图3C为本发明编码器PN模型图；

图3D为本发明输出PN模型与输入PN模型根据对应关系表达式连结示意图；

图4为本发明方法的类描述图；

图5为本发明方法仿真程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，数控机和机床模拟器通过电缆线连接，仿真程序通过访问机床模拟器的I/O设备实现控制器(本实施例为PLC)控制状态的采集并输出刀架的输出信号。本实施例中数控机采用蓝天数控机NC210，其PLC是内装型的，仿真程序采集的状态信号是数控机里的PLC控制信号。仿真程序占用了I/O设备的8输入/16输出，其中8个输出分配给刀架的编码器，即该仿真程序可以模拟256把刀的刀架。

本发明主要在数控机和机床模拟器所构成的仿真系统上运行，其中机床模拟器里有支持仿真程序运行的操作系统平台(Windows CE)。将在计算机中编制好的仿真程序通过网线上传到机床模拟器里，该机床模拟器具有一块DOM电子盘，将仿真程序存入DOM即可。

如图5所示，本发明方法包括以下步骤：依照刀架时序波形图中输入信号和输出信号的对应关系，针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模；采集控制器输出状态，自动分析模型；根据上述分析结果设置相应的刀架输出信号。

所述刀架时序波形图中输入和输出的对应关系通过对应关系表达式描述如下：输出信号的变化＝(输入信号的变化，输出信号与输入信号变化的间隔时间(由用户来指定，单位为ms)，刀架选刀方向)。

上述对应关系表达式描述于刀架配置文件中第5段，刀架配置文件(ini格式)编写格式如下：

[1]

Name＝X(代表刀架的名字)

Dir＝X(代表刀架的选刀方向)

Cuts＝X(代表刀架的工位数)

[2]

PN＝X(代表有几个输入信号，P代表输入信号)

P1＝XXXX(第1个输入信号的名字)

P2＝XXXX(第2个输入信号的名字)

......有几个输入信号，写几行。

[3]

CN＝X(代表有几个输出信号，C代表输出信号)

C1＝XXXX(第1个输出信号的名字)

......有几个输出信号，写几行。

[4](各个信号的初始状态0或者1)

C1＝0或1(C代表输出信号)

......有几个输出信号，写几行。

P1＝0或1(P代表输入信号)

......有几个输入信号，写几行。

[5](输出信号变化与输入信号变化之间的对应关系表达式及变化前后的设置值)

如果有N个输出信号，写2*N行；按变化发生顺序写，最后一个发生变化时，停止编码器的工作。

所述针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模包括：用PN对刀架的编码器、输出功能机构以及输入功能机构分别建模，其中对编码器建模是根据工位选通信号的变化分为X工位、工位切换以及Y工位三个阶段进行，每个阶段均为带有时间延迟的PN模型，其中在起始阶段即X工位之前具有控制编码器停止或启动的库所，该库所的状态和输出PN模型与输入PN模型之间的对应关系表达式中最后一个输出信号的变化是否已经发生相关，如果发生则编码器停止工作，否则继续；每个阶段均有一个变迁，该变迁的输出库所是刀架工位库所；在工位切换阶段设置有控制编码器正、反转的库所。

对刀架的输出功能机构及输入功能机构建模是针对输入信号及输出信号的0、1变化，对刀架的各个输入功能机构独立地建立各个输入PN模型，对刀架的各个输出功能机构独立地建立各个输出PN模型，在输出PN模型与输入PN模型之间通过对应关系表达式联系起来，该对应关系表达式也建立对应关系PN模型。

所述自动分析模型包括：根据采集的控制器输出状态分析并判断是否为控制器的换刀命令；如果是，则设置各个输入PN模型中相应库所的状态并设置各个对应关系PN模型中相应库所的状态；对应关系PN模型中库所状态的变化引起变迁发生后，设置各个输出PN模型中相应库所的状态，并向控制器反馈刀架输出信号的当前状态；判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生，如果是，则继续采集控制器输出状态，如果为否，则继续换刀过程。上述分析并判断是否为控制器的换刀命令的结果如果为否，则继续采集控制器输出状态。

上述用PN(Petri Net)实现对刀架的建模模型如图3A～C所示。将刀架的功能机构按照产生信号的性质分为输入功能机构和输出功能机构。从抽象模型的角度来看，将刀架的各个输入功能机构独立地建立成各个输入PN模型(图3A)，把刀架的输出功能机构独立地抽象成各个输出PN模型(图3B)。所述输入PN模型与输出PN模型之间根据一些条件联系起来，而这些条件也建立成PN模型，即对应关系PN模型。所述条件是指：输出信号的工作过程在一定程度上受到输入信号的控制，表现为因果关系或逻辑关系，将这种控制关系抽象为条件，即对应关系表达式：输出信号的变化＝(输入信号的变化，输出信号与输入信号变化的间隔时间(由用户来指定，单位为ms)，刀架选刀方向)，例如，bolt_↑＝(elec_↑，200，0)。如果与选刀方向无关，则用0表示，正转是1，反转是2。

编码器的建模比较特殊，因为它的工作过程不是简单的0、1变化过程。针对编码器在刀架系统中的作用，根据选通信号将其分为以下3个阶段进行建模，假设某类刀架编码器的工位数是N(N＞1)，假设X和Y是两个相邻的工位，则刀架从X工位转到Y工位，可以分为以下三个阶段：X工位→工位切换→Y工位，刀架处于这三个阶段的时间分别是Tx、T0和Ty，这三个参数是可调的，(Tx+T0+Ty)是刀架电机切换一个工位的时间。其中在起始阶段即X工位之前具有控制编码器停止或启动的库所Pcond，该库所Pcond的状态和输出PN模型与输入PN模型之间的对应关系表达式中最后一个输出信号的变化是否已经发生相关，如果发生则编码器停止工作，否则继续；每个阶段均有一个变迁，该变迁的输出库所是刀架工位库所Pcur；在工位切换阶段设置有控制编码器正、反转的库所Pdir。

如图3C所示，这是一个混合PN，包括Colored PN(着色PN)和TimedPN(时间延迟PN)等概念，另外它还包含了几种特殊的PN构造成分，如禁止弧和或关系变迁等。Pini库所用来表示刀架的初始工位，取值范围1到N；Pdir库所用来表示刀架当前的选刀方向；当Pcond库所有令牌(token)的时候，编码器将停止工作；Psel库所用来表示当前编码器的选通信号；变迁t2、t4、t6分别具有一个延迟时间Tx、T0和Ty，分别表示编码器工作的三个过程；图3C中，Pini、P7、P8、Psel、Pcur的取值范围是[1，2，...，N]，Pdir的类型是[Negative，Positive]；这些是着色的库所，其他是普通库所。

输出PN和输入PN比较类似，以输出PN为例。

在图3B中，输出信号PN模型中包含有Timed PN的概念。变迁t1和t2分别有一个时间延迟参数T1和T2，当时间延迟参数等于0时，这些变迁就和普通的变迁一样。库所Pfallcond和Prisecond是用来设置信号由1变为0和由0变为1的条件的。库所Prising和Pfalling分别表示是否有上升沿或下降沿产生。从库所Prising到变迁t1有虚线弧，是因为考虑到这样一种情况，就是当变迁t1要发生时，库所Prising里面还有token，这是不允许的，因此在变迁t1发生的时候检查一下Prising中是否还有token存在，如果有，就把这个token移走，但是库所Prising并不是变迁t1的输入库所。从库所Pfalling到变迁t2的虚线弧的作用类似。

输出PN模型的形式化描述如下：

SignalPN＝{P，T，F，Tempo}；SignalPN为该PN模型的名称；

P＝{Pfallcond，Prisecond，Pfalling，Prising，P1，P2}；P代表库所；

T＝{t1，t2}；T代表变迁；

F＝{(Pfallcond，t1)，(P1，t1)，(t1，Pfalling)，(t1，P2)，(P2，t2)，(Prisecond，t2)，(t2，P1)，(t2，Prising)}；F代表弧；

Tempo(t1)＝T1，Tempo(t2)＝T2，其中T1和T2是非负有理数；Tempo(t1)代表时间变迁的参数；

如上所述，将输入PN模型及输出PN模型用对应关系表达式联系起来，例如lock_↑＝(Nrole_↑，50，1)(Prole_↑，50，2)的PN模型如图3D所示。该图把对应信号的Petri网模型中的库所Pset即lock信号的上升沿条件换成该表达式所描述的条件Nrole_↑和Prole_↑，即图3D中虚线圈里所描述的，其中Nrole_↑和Prole_↑分别是对应信号的Petri网模型中的Prising库所。这样我们就把输入PN模型和输出PN模型联系起来，再与编码器组成一个完整的PN模型，刀架的仿真也就相当于该完整PN模型执行一系列动作的过程。

本发明PN模型通过类实现，类描述图如图4所示。图中SignalPN类对应于输出PN模型，SPLCPN类对应于输入PN模型，CoderPN类对应于编码器PN模型，Condition类对应于对应关系PN模型。

仿真程序是模拟仿真的工具，刀架工作时序是模拟仿真的对象。仿真程序实现了(1)对刀架时序的仿真，并设置相应的刀架输出信号；(2)能够校验控制器的控制是否正确，并在界面上给出相应提示。刀架的输出信号发生每次变化的前后，都会判断控制器的输出状态，若和配置文件中的设置值相符，则为正确，否则为错误，并在界面上给出相应的提示；(3)实现了仿真程序和数控机在电气上的闭环，即数控机控制仿真程序时，判断不出是仿真程序还是真实的机床刀架。

仿真程序能根据用户提供的刀架配置文件，自动建立相应的仿真程序模块进行相关的仿真工作。利用PN模型作为从刀架配置文件和仿真程序模块之间转换的中间的抽象层次，相当于系统理解用户输入的配置文件的过程，继而把这种PN转化成仿真程序模块。

仿真程序的流程图如图5所示，程序开始，读取刀架配置文件获得刀架参数并初始化各个信号；建立刀架各个功能机构的PN模型；实例化相应的输入PN和输出PN的类对象，并向控制器反馈刀架初始状态；读取控制器命令，分析检测其是否为换刀命令(即判断刀架各个输入信号的状态与刀架配置文件里各个输入信号的初始状态是否相同)；如是，则设置各个输入PN模型中相应库所的状态并设置各个对应关系PN模型中相应库所的状态，分析并检测控制器命令的正确性；

对应关系PN模型中库所状态的变化引起变迁发生后，设置各个输出PN模型中相应库所的状态，并向控制器反馈刀架输出信号的当前状态；

判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生，即换刀是否结束；

如果是，则继续采集控制器输出状态；否则继续换刀过程；

上述分析并判断是否为控制器的换刀命令的结果如果为否，则继续采集控制器输出状态。

上述换刀过程及采集控制器状态过程均为循环过程。

下面以SD系列刀架为例说明本发明方法的实施过程。

如图2所示，为发明实施例中SD系列刀架时序波形图，图中SD系列刀架从一工位到二工位再从二工位到十二工位的动作。刀架电机正转到达预定位(即目的工位的前一工位)的选通信号的下降沿后，延时为R1ms，电磁铁带动销子开始插销过程一直到发出预定位到位信号后，延时R2ms，电机开始反转直到刀架系统得到锁紧开关信号延时R3ms后，电机停止。刀架换刀结束。锁紧开关、销子等都是刀架的功能机构。

下面列出的是SD刀架配置文件：

[1]

Name＝SD//用来说明刀架的名字和支持几个方向选刀以及工位数；

Dir＝2

Cuts＝12

[2]

PN＝4//用来说明输入信号(用P表示)，第1行要注明有几个输入信号；

P1＝PRole

P2＝NRole

P3＝brake

P4＝elec

[3]

CN＝2//用来说明输出信号(用C表示)，第1行要注明有几个输出信号；

C1＝lock

C2＝bolt

[4]//用来说明输入和输出信号的初始值

C1＝1

C2＝0

P1＝0

P2＝0

P3＝1

P4＝0

[5]//对输出信号变化的描述，为了在文件里方便描述，用“+”来代表上升沿“_↑”，“-”代表“_↓”。例如C2+＝(P4+，8，0)|(1001)(0101)P4+代表第4个输入信号的上升沿，8代表该变迁在P4+和C2+之间的延迟，0代表当前的选刀方向，如果与选刀方向无关，则用0表示，正转是1，反转是2。(1001)表示变化前输入信号的状态，(0101)表示变化后输入信号的状态。

C1-＝(Start2，0)|(1000)(1000)

C2+＝C2+(P4+，8，0)|(1001)(0101)

C1-＝(P1-，4，1)(P2-，4，2)|(0101)(0011)

C2-＝(P4-，0，0)|(0011)(0010)

把机床模拟器和数控机连接，由数控机发出换刀命令，即T代码命令，软件与数控机形成闭环，对数控系统来说，无法判断它控制的是真实的刀架还是仿真软件。

人机界面可以显示刀架系统各个功能机构的状态以及当前工位，绿灯代表当前状态为1，红灯代表当前状态为0。如果PLC控制过程正确，那么刀架系统各个功能机构的状态都能够按照配置文件里描述的时序变化。如果检测出PLC控制过程出现错误，会在界面上显示出来，软件的错误分析是在仿真过程中对输出信号的每次变化前后做检查。

本发明的建模仿真方法，在技术上上升到数学模型的层次，用一种统一的时序描述方法描述刀架时序，在使用时无须了解任何控制流程即不限制操作人员的技术水平，使用起来更方便。

Claims

1.一种数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：依照刀架时序波形图中输入信号和输出信号的对应关系，针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模；采集控制器输出状态，自动分析模型；根据上述分析结果设置相应的刀架输出信号。

2.按权利要求1所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：所述刀架时序波形图中输入和输出的对应关系通过对应关系表达式描述如下：输出信号的变化＝(输入信号的变化，输出信号与输入信号变化的间隔时间，刀架选刀方向)。

3.按权利要求1所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模包括：用PN对刀架的编码器、输出功能机构以及输入功能机构分别建模，其中对编码器建模是根据工位选通信号的变化分为X工位、工位切换以及Y工位三个阶段进行，每个阶段均为带有时间延迟的PN模型，其中在起始阶段即X工位之前具有控制编码器停止或启动的库所(Pcond)，该库所(Pcond)的状态和输出PN模型与输入PN模型之间的对应关系表达式中最后一个输出信号的变化是否已经发生相关，如果发生则编码器停止工作，否则继续；每个阶段均有一个变迁，该变迁的输出库所是刀架工位库所(Pcur)；在工位切换阶段设置有控制编码器正、反转的库所(Pdir)。

4.按权利要求3所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：对刀架的输出功能机构及输入功能机构建模是针对输入信号及输出信号的0、1变化，对刀架的各个输入功能机构独立地建立各个输入PN模型，对刀架的各个输出功能机构独立地建立各个输出PN模型，在输出PN模型与输入PN模型之间通过对应关系表达式联系起来，该对应关系表达式也建立对应关系PN模型。

5.按权利要求1所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：所述自动分析模型包括：

根据采集的控制器输出状态分析并判断是否为控制器的换刀命令；

如果是，则设置各个输入PN模型中相应库所的状态并设置各个对应关系PN模型中相应库所的状态；

判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生；

如果是，则继续采集控制器输出状态。

6.按权利要求5所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：上述判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生的判断结果如果为否，则继续换刀过程。

7.按权利要求5所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：上述分析并判断是否为控制器的换刀命令的结果如果为否，则继续采集控制器输出状态。

8.按权利要求1所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于还具有以下步骤：在人机界面上实时显示各个功能机构的状态，并对控制器的控制过程进行出错处理，当采集的控制器状态与当前刀架输出信号变化前后的控制器的设置值不同时，在人机界面上给出相应提示。