CN101733678B - 图形化刀具位置跟踪及控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种图形化刀具位置跟踪及控制的系统和方法，该系统包括计算机以及与其连接的显示设备和设置于数控机床上的传感器和一PCI卡，传感器检测数控机床的刀具位置信息，并将之传送给PCI卡；PCI卡对该位置信息进行模数转换和数据处理，生成数字信号形式的刀具坐标数据，并将其传送给计算机；计算机包括一图形化显示控制模块，接收并存储数字信号形式的刀具坐标数据，根据一段时间内记录的刀具坐标数据用方向矢量算法得出刀具的动态位置，并绘制其动态位置曲线，根据刀具坐标数据在显示设备上以图形化形式显示刀具的实际轨迹并同时显示其预设轨迹。本发明实现了对加工轨迹进行实时的动态检测和图形化显示、跟踪，增强了系统反应能力，提高了加工精度和效率。

Description

图形化刀具位置跟踪及控制的系统和方法

技术领域

本发明涉及机械加工工具——数控机床，特别是涉及到对数控机床的刀具轨迹进行图形化显示和控制的系统和方法。

背景技术

机械制造业是制造业中的支柱与核心，关乎国民经济的命脉。数控机床作为机械制造业的主要设备，其先进程度直接影响国民经济的发展快慢。在数控机床的使用中，编程和加工过程的监控是最主要的两项工作。

现在的数控加工已经通过图形化编程、自动编程等技术实现了加工代码的自动化生成。而之后将生成的代码输入机床进入实际加工的过程中，刀具轨迹是否与预想轨迹相吻合，二者的误差大小等信息将直接影响加工精度和加工效率，因此对加工过程中刀具轨迹的实时跟踪检测显的尤为重要。

在对加工过程刀具轨迹实时显示跟踪的问题上，现有技术通常是采集编码器、传感器等反馈的信息，使用特别编制的程序通过对反馈信息的处理得到加工刀具的坐标位置，进而通过显示刀具坐标位置来实现加工过程的实时跟踪。这种表现方法有诸多缺点：第一不够直观形象，显示的信息仅仅局限在刀具的坐标，实时轨迹分析不便，对实际加工轨迹与理论轨迹的误差比较只能通过人工对刀具坐标的比对来实现，从而对加工中出现的错误及时反应性差；第二，能够显示的信息量太少，也给后续的分析工作带来麻烦，不能实现准确分析；第三，由于使用专门软件，平台依赖性强，软件的编制和升级都很麻烦，也不利于数据记录。

图形化是比文字更直观的表现形式，但是目前图形化在数控加工中的应用集中在图形化编程技术上，通过人机交互的图形化界面实现加工代码的自动化生成，这一过程属于加工前的代码生成阶段；而在对于刀具轨迹的处理方面，现有技术还不能实现完整轨迹的图形化显示和跟踪。这主要是因为现有的控制架构不适宜做图形化的显示和控制，也没有合适的方法来实现图形化显示和分析的过程。

发明内容

针对以上不足，发明人在传统数控机床的基础上，设计出一种新型的控制架构和控制方法，以能够方便地对刀具轨迹进行图形化显示和控制。

为此，本发明提出了一种图形化刀具位置跟踪及控制的系统，包括计算机以及与其连接的显示设备和设置于数控机床上的传感器，以及一PCI卡，其中，所述传感器检测数控机床的刀具的位置信息，并将之传送给所述PCI卡；所述PCI卡对接收的位置信息进行模数转换，对模数转换后的数据进行处理，生成数字信号形式的刀具坐标数据，并将所述数字信号形式的刀具坐标数据传送给与其连接的计算机；所述计算机包括一图形化显示控制模块，接收并存储所述数字信号形式的刀具坐标数据，根据在一段时间内记录的所述数字信号形式的刀具坐标数据用方向矢量算法得出刀具的动态位置，并绘制其动态位置曲线，根据所述数字信号形式的刀具坐标数据在一显示设备上以图形化形式显示刀具的实际轨迹并且同时显示刀具的预设轨迹。

其中，所述传感器包括编码器和光栅尺，所述编码器安装在数控机床的丝杠上，用以测量丝杠的转速；光栅尺由主尺和读数头两部分构成，主尺安装在数控机床的工作台上，随机床走刀而动，读数头固定在数控机床的床身上。

此外，本发明还提供了一种图形化刀具位置跟踪及控制的方法，所述方法包括以下步骤：S1：由设于数控机床上的传感器采集刀具位置信息，并送至一PCI卡；S2：所述PCI卡对刀具位置信息进行模数转换，对模数转换后的数据进行处理，生成数字信号形式的刀具坐标数据，并将之送至一计算机的图形化显示控制模块；S3：所述图形化显示控制模块接收并存储所述数字信号形式的刀具坐标数据，根据在一段时间内记录的所述数字信号形式的刀具坐标数据用方向矢量算法得出刀具的动态位置，并绘制其动态位置曲线，根据所述数字信号形式的刀具坐标数据在一显示设备上以图形化形式显示刀具的实际轨迹并且同时显示刀具的预设轨迹。

其中，所述图形化显示控制模块为运行于windows操作系统之上。

其中，步骤S1中所述传感器包括编码器和光栅尺，所述编码器安装在数控机床的丝杠上，测量丝杠的转速信息；光栅尺由主尺和读数头两部分构成，主尺安装在数控机床的工作台上，随机床走刀而动，读数头固定在数控机床的床身上，测量走刀位移信息。

较佳地，所述步骤S3中，所述图形化显示控制模块还设有一轨迹判别单元，根据所述刀具的预设轨迹和实际轨迹判断刀具的运行是否正常，并在判断出发生异常时进行提示。

本发明的有益效果在于，本发明实现了对加工轨迹进行实时的动态检测和图形化显示、跟踪，增强了系统反应能力，有效地克服了现有技术的缺陷，提高了系统软实力改造性，提高了加工精度和效率，实践效果非常好。通过提供图形化的人机交互界面，也提高了系统的交互能力。并且本发明在传统数控基础上，推出了与普通PC结合，采用在Windows平台上增加嵌入板图形化数控控制架构，由于图形化是在PC机上完成，因此可随大众电子平台的升级而同步升级，减少了对数控机床专有配套设备的依赖。

附图说明

图1是本发明控制系统硬件架构的结构示意图；

图2是本发明控制系统的控制关系示意图；

图3是本发明控制方法的数据流示意图；

图4是本发明一实施例的控制方法流程示意图。

具体实施方式

本发明的数控机床图形化控制系统的硬件架构如图1所示。主要包括数控机床、PCI（Peripheral Component Interconnection，外设部件互连）卡和PC机。其中，数控机床上设有用于检测刀具位置的各种检测装置，该等检测装置通过数据线连接到PCI卡，PCI卡中包含数据处理器，对接收到的信号进行A/D转换和数据处理。之后，由PCI卡将转换后的数字信号传送到PC机，由PC机上的相应软件对数据进行处理并进行刀具位置的图形显示和控制。

所述检测装置主要包括作为传感器的编码器和光栅尺，这也是数控机床常用的两种传感器。其中，编码器安装在丝杠上，用以测量丝杠的转速；而光栅尺由主尺和读数头两部分构成，主尺安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，在主尺的下方，光栅尺得到包含刀具移动距离信息的光信号。编码器和光栅尺通过数据线连接到PCI卡，将检测到的信息传送到PCI卡。

PCI卡中包含有一数据处理器，对接收到的信号进行A/D转换和数据处理。A/D转换的过程与一般11的A/D转换类似，包括量化和编码，即先将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级，然后对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。经A/D转换后的数据再经过处理，将传感器输入转换为刀具位置的坐标，并处理成适于PCI卡和PC机之间通信的格式，传输到PC机。

经过PCI卡数据处理得到刀具位置的坐标数据输入PC机后，在PC机中可利用软件的方向矢量算法得出刀具的动态位置。例如在计算机上设置有一图形化显示控制模块，其可在显示设备上设置交互界面，并将刀具坐标轨迹以图形化显示来便于操作者观察。例如，实时地将刀具的预设轨迹和实际轨迹以不同颜色显示在界面上。此外，还可根据操作者的命令，绘制各种轨迹曲线。观察者可以通过对两条轨迹关键点的比对来分析轨迹的吻合程度，从而更为直观的判断加工过程的异常。而更进一步地，则可设置相应的指标函数，通过对两条轨迹的误差的计算来由运行于PC机的程序自动判断加工过程中的异常。例如，将轨迹点间的允许误差阈值定在1μm，则当误差大于该阈值时，即判为出现加工异常。

PCI卡中的数据处理器是局部控制器，仅在刀具数据采集和处理过程中起作用，而中央处理器在整个加工过程的各个阶段都起作用，两个处理器之间的关系和指令传输如图2所示。而主要刀具位置信息的流转则如图3所示。

如欲进行刀具的跟踪，首先由PC机的中央处理器发出命令给PCI卡，加工开始显示刀具轨迹，PCI卡的数据处理器接收命令后开始采集传感器的信号并进行处理；于此同时，计算机的CPU与数控机床之间另有其他的数据通道和指令通道，以与数控机床之间传输加工数据和加工指令等。当数据采集完成后，由PCI卡将轨迹处理完成后的刀具位置坐标传送给PC机的中央处理器，由形化显示控制模块完成轨迹的显示。

参见图3，整个过程中，由传感器采集来自数控机床的刀具信息，将之送至PCI卡做数据处理，再送到计算机进行图形化显示，而PCI卡对传感器数据的采集是在中央处理器的控制下进行。

图4是本发明图形化刀具位置跟踪及控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1：由设于数控机床上的传感器采集刀具位置信息，并送至一PCI卡。步骤S1中所述传感器包括编码器和光栅尺，所述编码器安装在数控机床的丝杠上，测量丝杠的转速信息；光栅尺由主尺和读数头两部分构成，主尺安装在数控机床的工作台上，随机床走刀而动，读数头固定在数控机床的床身上，测量走刀位移信息。

S2：所述PCI卡对刀具位置信息进行处理，生成刀具坐标数据，并将之送至一计算机的图形化显示控制模块。其中，PCI卡对刀具位置信息进行的处理包括：对其进行模数转换并生成坐标数据，并将坐标数据转换为适于与计算机通信的形式。

S3：所述图形化显示控制模块根据刀具坐标数据在一显示设备上以图形化形式显示刀具轨迹。为能有效利用现有技术的图形处理工具，较佳的是所述图形化显示控制模块为运行于windows操作系统之上。并且所述图形化显示控制模块控制显示装置同时显示刀具的预设轨迹和实际轨迹。所述图形化显示控制模块还可设有一轨迹判别单元，根据所述刀具的预设轨迹和实际轨迹判断刀具的运行是否正常，并在判断出发生异常时进行提示。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种图形化刀具位置跟踪及控制的系统，包括计算机以及与其连接的显示设备和设置于数控机床上的传感器，其特征在于，所述系统还包括一PCI卡，其中，

所述传感器检测数控机床的刀具的位置信息，并将之传送给所述PCI卡；

所述PCI卡对接收的位置信息进行模数转换，对模数转换后的数据进行处理，生成数字信号形式的刀具坐标数据，并将所述数字信号形式的刀具坐标数据传送给与其连接的计算机；

所述计算机包括一图形化显示控制模块，接收并存储所述数字信号形式的刀具坐标数据，根据在一段时间内记录的所述数字信号形式的刀具坐标数据用方向矢量算法得出刀具的动态位置，并绘制其动态位置曲线，根据所述数字信号形式的刀具坐标数据在一显示设备上以图形化形式显示刀具的实际轨迹并且同时显示刀具的预设轨迹。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括编码器和光栅尺，所述编码器安装在数控机床的丝杠上，用以测量丝杠的转速；光栅尺由主尺和读数头两部分构成，主尺安装在数控机床的工作台上，随机床走刀而动，读数头固定在数控机床的床身上。

3.一种图形化刀具位置跟踪及控制的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：由设于数控机床上的传感器采集刀具位置信息，并送至一PCI卡；

S2：所述PCI卡对刀具位置信息进行模数转换，对模数转换后的数据进行处理，生成数字信号形式的刀具坐标数据，并将之送至一计算机的图形化显示控制模块；

S3：所述图形化显示控制模块接收并存储所述数字信号形式的刀具坐标数据，根据在一段时间内记录的所述数字信号形式的刀具坐标数据用方向矢量算法得出刀具的动态位置，并绘制其动态位置曲线，根据所述数字信号形式的刀具坐标数据在一显示设备上以图形化形式显示刀具的实际轨迹并且同时显示刀具的预设轨迹。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述图形化显示控制模块为运行于windows操作系统之上。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述传感器包括编码器和光栅尺，所述编码器安装在数控机床的丝杠上，测量丝杠的转速信息；光栅尺由主尺和读数头两部分构成，主尺安装在数控机床的工作台上，随机床走刀而动，读数头固定在数控机床的床身上，测量走刀位移信息。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述图形化显示控制模块还设有一轨迹判别单元，根据所述刀具的预设轨迹和实际轨迹判断刀具的运行是否正常，并在判断出发生异常时进行提示。

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