CN101349907B - 一种数控系统及其数据流优化方法 - Google Patents

Abstract

一种数控系统及其数据流优化方法，首先由PC机读入用户程序，输出控制信息给数据流控制器，所述控制信息包括数据流形信息；数据流控制器接收控制信息并对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵；然后由数据流控制器将包括数据流分布矩阵的控制信息输出给执行机构；最后由执行机构根据控制信息的指令动作。本发明对本申请人的在先申请进行了改进，将数据流形的优化步骤放置在数据流控制器中完成，扩展了数据流控制器的功能，从而可以将数据流控制器嵌入现有的CNC系统，无须移植现有的应用软件，略为调整后便可应用数据流关联控制技术，从而使现有CNC系统方便地采用数据流关联控制技术，体现控制信息优化和执行效率高的优点。

Description

一种数控系统及其数据流优化方法

技术领域

本发明涉及数控系统，尤其是涉及一种数控系统及其数据流优化方法。

背景技术

现有计算机数控(Computer Numerical Control，简称CNC)系统采用的插补迭代控制算法是：已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，CNC系统实时计算出一个中间点的坐标值或坐标值增量，并立即输出到进给伺服系统，使之进给，直至完成该曲线的轨迹运动。而在将插补和进给过程合起来的所谓“算步走步过程”中，每一个“算步走步过程”都是下一个“算步走步过程”的输入，构成一种过程的迭代。这是一种“边设计，边施工”的控制模式，在最优化、智能化、标准化等方面存在许多问题。本申请人的在先专利申请《计算机数字控制系统的数据流关联控制方法与体系结构》(中国专利申请号：200710124304.9，申请日：2007年10月29日)，提出了一种数据流关联控制的数控系统的控制方法，采用数据流形，建立了面向执行机构的完全软开放式CNC系统，克服了现有的CNC系统存在的上述问题。然而，其中的数据流控制器，功能单一，不能直接嵌入现有CNC系统，尤其是对数据流形的优化需要依靠CNC装置的PC机完成，不利于对现有CNC设备的改造和升级。

发明内容

本发明要解决的技术问题是对本申请人的上述在先专利申请作出改进，提出一种数控系统及其数据流优化方法。

本发明提出的数控系统的控制方法是通过以下技术方案予以实现的。

这种数控系统的控制方法的特点在于，包括以下步骤：

(1)PC机读入用户程序，输出控制信息给数据流控制器，所述控制信息包括数据流形信息；

(2)数据流控制器对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵；所述对数据流形进行优化包括以下步骤：

(2·1)删去“空穴”，所述数据流分布矩阵中数据包全是“0”的列称之为“空穴”；

(2·2)删去对角包中的“0”和新产生的“空穴”，数据包中，具有

或

结构的数据包视为对角包；

(2·3)保持“1”的连续性；

(3)数据流控制器的CPU将包括数据流分布矩阵的控制信息输出给执行机构；

(4)执行机构根据所述包括数据流分布矩阵的控制信息的指令动作。

所述步骤(2)通过以下方式实现：数据流控制器的CPU将接收的控制信息储存在数据存储器中，再对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵。

所述步骤(2)通过以下方式实现：数据流控制器的CPU接受控制信息，并对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵；再将包括数据流分布矩阵的控制信息储存在数据存储器中。

进一步地，步骤(1)中所述的数据流形信息包括各个坐标轴的正、反转信息以及各个坐标轴的进给数据信息。

所述步骤(2)中，数据流控制器将各个坐标轴的正、反转信息储存在数据存储器的数据属性表，将各个坐标轴的进给数据信息储存在数据存储器的数据区。

所述步骤(2)中，数据流控制器将各个坐标轴的进给数据信息和各个坐标轴的正、反转信息储存在矢量数据存储器。

所述步骤(2)中，对数据流形进行优化包括以下步骤：

(2·1)删去“空穴”；

(2·2)删去对角包中的“0”和新产生的“空穴”；

(2·3)保持“1”的连续性。

所述步骤(1)中的控制信息还包括程序控制信息，所述程序控制信息包括程序开始信息和程序结束信息。

所述执行机构包括伺服系统和伺服系统的驱动模块。

本发明提出的数控系统是通过以下技术方案予以实现的。

这种数控系统，包括PC机、数据流控制器和执行机构，PC机的输出端与数据流控制器的输入端连接，数据流控制器的输出端与执行机构的输入端连接。

这种数控系统的特点在于：所述数据流控制器包括CPU、数据存储器，所述数据流控制器的CPU接受PC机的控制信息，并对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵；所述对数据流形进行优化包括以下步骤：

(2·1)删去“空穴”，所述数据流分布矩阵中数据包全是“0”的列称之为“空穴”；

(2·2)删去对角包中的“0”和新产生的“空穴”，数据包中，具有

或

结构的数据包视为对角包；

(2·3)保持“1”的连续性；

所述数据存储器存储控制信息。

所述数据流控制器和执行机构至少为两组，所述数据流控制器的输入端分别与PC机的输出端连接，所述数据流控制器的输出端分别与相应的执行机构的输入端连接。

本发明与本申请人在先申请相比的有益效果是：数据流形的优化步骤放置在数据流控制器中完成，扩展了数据流控制器的功能，从而可以将数据流控制器嵌入现有的CNC系统，略为调整后便可应用数据流关联控制技术，从而使现有CNC系统方便地采用数据流关联控制技术，体现控制信息优化和执行效率高的优点。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一的CNC系统结构图；

图2是本发明具体实施方式一的CNC系统控制流程图；

图3是本发明具体实施方式二的CNC系统结构图。

具体实施方式

具体实施方式一

如图1所示的一种CNC系统，包括CNC装置1、数据流控制器2和执行机构3。

CNC装置1包括PC机。数据流控制器2包括CPU及其I/O接口，数据存储器。执行机构3包括进给伺服系统及其驱动模块。数据流控制器2的CPU接受PC机的控制信息，并对控制信息进行优化。数据流控制器2的数据存储器存储接受的控制信息。

PC机输出给数据流控制器2的信号线包括X坐标轴进给数据信息线4、Y坐标轴进给数据信息线6、X坐标轴正反转信息线5、Y坐标轴正反转信息线7以及其他控制信息线。数据流控制器2输出给驱动模块的信号线包括X坐标轴进给数据信息线8、X坐标轴正反转信息线9、Y坐标轴进给数据信息线10、Y坐标轴正反转信息线11以及其他控制信息线。

如图2所示，上述步进式CNC系统的控制方法包括以下步骤：

(1)PC机读入用户程序，输出控制信息给数据流控制器2，控制信息包括数据流形信息以及程序控制信息。数据流形信息包括X坐标轴和Y坐标轴的正、反转信息以及X坐标轴和Y坐标轴的进给数据信息。程序控制信息包括程序开始信息和程序结束信息。

PC机输出的控制信息包括X坐标轴数据流和Y坐标轴数据流，即X坐标和Y坐标的进给数据信息，二者在时序上是关联的。X坐标轴数据流和Y坐标轴数据流之间的时序关联性取决于两者之间的函数y＝f(x)，即运动轨迹。不同的运动轨迹，具有不同的时序关系。这种具有时序关联性的数据流，可用矩阵表示，n个具有时序关联的数据流用n行矩阵表示，构成数据流形，即CNC系统输出的数据流形信息。

PC机输出的数据流形信息还包括X坐标轴、Y坐标轴数据流的属性，即X坐标正反向信息和Y坐标正反向信息。规定坐标轴顺时针旋转为正转“+”，坐标轴逆时针旋转为反转“-”。

(2)数据流控制器2的CPU将接收到的控制信息储存在数据存储器中。

数据流控制器2中设置了储存X-Y数据流形的数据存储器。该数据存储器储存了X坐标轴、Y坐标轴的数据流形信息。将X坐标轴和Y坐标轴的正、反转信息存储在数据存储器的X数据属性表和Y数据属性表，将X坐标轴和Y坐标轴的进给数据信息储存在数据存储器的X数据区和Y数据区。设置指针BIPX、BIPY为X数据区、Y数据区的位指针，指明数据区中某字节中某位的数据；设置指针XT、YT为X、Y数据属性表的指针。

当然，也可以将数据存储器设置为矢量数据存储器。数据及其“±”属性构成矢量数据，用两位来储存，构成一个矢量数据存储器。设置指针IPX、IPY为X数据、Y数据的指针，指明X、Y矢量数据存储器某字节中某个数据及其属性。

数据流控制器中还设置有终点计数器，用于控制程序的开始、结束等程序控制，终点计数器包括X坐标轴终点计数器和Y坐标轴终点计数器。

(3)数据流控制器2对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵。

对于PC机计算输出给数据流控制器2的未经优化的数据流形，需要进行优化。例如，消除“空穴”，减小逼近折线的总长度，从而提高进给速度，减少能量的消耗；减少拐点，提高表面质量等。

将数据流形划分为若干子矩阵，每个子矩阵的列数应等于或大于3，这样的子矩阵作为一个数据流包，简称为数据包。在数据包中，有些列可能全是“0”，即对于某个进给脉冲，所有坐标轴的坐标数据均为“0”，所有的坐标轴都不进给。这些列称之为“空穴”。“空穴”可以删除，因为执行机构对于“空穴”没有任何动作。

另外，在数据包中，具有

或结构的数据包视为对角包；对角包中的“0”可以删除。因此，数据流形的优化包括：删去“空穴”；删去对角包中的“0”和新产生的“空穴”。而对于数据包中的X坐标轴、Y坐标轴的连续数据流，即连续为“1”的部分仍保持不变。经过优化后全部数据为连续数据流的轴成为主动轴，即对于每一个时间当量，该坐标轴都要进给；而相对的为联动轴，联动轴可能是连续数据流，也可能是离散数据流。优化后形成的数据流形就是联动轴数据流对主动轴数据流的分布，即数据流分布矩阵。

优化可以在两个过程中完成，一个是在PC机输出完所有控制信息后储存在数据存储器中，再由数据流控制2的CPU从数据存储器中读取后进行优化；另一个是在数据流控制器2接收PC机的控制信息的过程中，由数据流控制2的CPU对其中的数据流形同时进行优化，生成数据流分布矩阵，并将包括数据流分布矩阵在内的控制信息存储在数据存储器中。

(4)数据流控制器2将包括数据流分布矩阵的控制信息输出给执行机构3。为控制程序的启动和结束，数据流控制器2的CPU向驱动模块每输出一次X坐标轴、Y坐标轴数据时，相应的X坐标轴、Y坐标轴终点计数器便减1。当X、Y终点计数器同时为0时，表示用户程序已执行完毕。数据流控制器2的CPU输出一个停机信号，然后停止工作。

(5)执行机构3根据控制信息的指令动作。执行机构3的进给速度可以由PC机给出，也可以由执行机构3的检测信号给出。对于前者，PC机输出X坐标轴、Y坐标轴数据的速度就是进给速度。数据流控制器2在接收CNC系统的输出时，对进给速度进行计算并储存在数据流控制器2的进给速度寄存器中。对于后者，数据流控制器2接收来自执行机构的检测信息，对于执行机构的每个检测脉冲，向执行机构输出一个X坐标轴、Y坐标轴的进给数据。

对于数据属性表储存模式，其步骤如下：

(5·1)数据流控制器2在输出之前，先查看X坐标轴、Y坐标轴数据属性表，将表中关于X坐标轴、Y坐标轴正、反向信息输出给执行机构3的驱动模块。

(5·2)将X坐标轴、Y坐标轴数据区中的X坐标轴、Y坐标轴数据同时分别输出给执行机构3的X驱动模块和Y驱动模块；然后将X坐标轴、Y坐标轴数据属性表中的位指针各减1。

(5·3)如果X坐标轴、Y坐标轴数据属性表中的位指针为0，则查看下一张X坐标轴或Y坐标轴数据属性表，并将新的X坐标轴、Y坐标轴正、反向信息输出给执行机构3的X驱动模块和Y驱动模块。

对于矢量数据储存模式，数据流控制器2只要简单地将矢量数据存储器中关于X坐标、Y坐标的正、反向信息与数据信息同时分别输出给执行机构3的驱动模块。

本具体实施方式中，对于伺服系统为步进电机的执行结构，执行结构3的驱动模块将具有一定进给速度、一定进给量和方向的进给脉冲控制信息转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号，从而驱动进给电机工作，实现传统的步进电机的驱动方式。

具体实施方式二

如图1所示的一种CNC系统，包括CNC装置1、数据流控制器2和执行机构3。CNC装置1包括PC机。其与具体实施方式一不同之处在于：数据流控制器2和执行机构3包括两组。PC机对多个用户程序进行处理后生成相应的控制信息，分别输出给各个数据流控制器2，并相应地由各个执行机构3执行。

上述CNC系统的数据流优化方法与具体实施方式一的不同之处在于，一台CNC装置1可以为多个用户程序生成控制信息，并输出给各个数据流控制器2，再由各个执行机构3执行，其他方法步骤都相同。PC机以离线方式生成用户程序的控制信息，不参与实时控制，由于PC机强大的数值计算能力、信息处理能力和实时管理能力得以充分发挥，成为控制信息的集中的专用的制造系统。这样，一台PC机可以为多个数据流控制器2生产控制信息。价格低廉的数据流控制器2与相应的执行机构3构成一台CNC系统，节省了为每一台CNC系统配置包括PC机在内的CNC设备的高昂费用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种数控系统的数据流优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)PC机读入用户程序，输出控制信息给数据流控制器，所述控制信息包括数据流形信息；

(2)数据流控制器对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵；所述对数据流形进行优化包括以下步骤：

(2·1)删去“空穴”，所述数据流分布矩阵中数据包全是“0”的列称之为“空穴”；

(2·2)删去对角包中的“0”和新产生的“空穴”，数据包中，具有

或结构的数据包视为对角包；

(2·3)保持“1”的连续性；

(3)数据流控制器的CPU将包括数据流分布矩阵的控制信息输出给执行机构；

(4)执行机构根据所述包括数据流分布矩阵的控制信息的指令动作。

2.如权利要求1所述的数控系统的数据流优化方法，其特征在于：所述步骤(2)通过以下方式实现：数据流控制器的CPU将接收的控制信息储存在数据流控制器的数据存储器中，再对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵。

3.如权利要求1所述的数控系统的数据流优化方法，其特征在于：所述步骤(2)通过以下方式实现：数据流控制器的CPU接受控制信息，并对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵；再将包括数据流分布矩阵的控制信息储存在数据存储器中。

4.一种数控系统，包括PC机、数据流控制器和执行机构，PC机的输出端与数据流控制器的输入端连接，数据流控制器的输出端与执行机构的输入端连接，其特征在于：所述数据流控制器包括CPU、数据存储器，所述数据流控制器的CPU接受PC机的控制信息，并对控制信息中的数据流形进行优化，生成数据流分布矩阵；所述对数据流形进行优化包括以下步骤：

(2·1)删去“空穴”，所述数据流分布矩阵中数据包全是“0”的列称之为“空穴”；

(2·2)删去对角包中的“0”和新产生的“空穴”，数据包中，具有

或

结构的数据包视为对角包；

(2·3)保持“1”的连续性；

所述数据存储器存储控制信息，所述数据流控制器和执行机构至少为两组，所述每组的数据流控制器的输入端分别与所述PC机的输出端连接，所述每组的数据流控制器的输出端分别与所述执行机构的输入端连接。

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