CN101859127B - 一种用于数控设备的远程在线监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数控设备的远程在线监控方法，属于数控设备领域，所述方法包括以下步骤：(1)获取数控设备的各运动部件的起始位置信息；(2)获取数控设备的各运动部件的当前位置信息；(3)对所述当前位置信息进行数据转换，获取OpenGL中各运动部件模型的位置变量值；(4)根据所述位置变量值和所述起始位置信息进行数控设备的OpenGL建模，通过OpenGL模型对数控设备进行实时在线监视；(5)当获取到的所述位置变量值在所述OpenGL模型中相应运动部件的第一运动区间内，则为有效运动位置；否则，控制数控设备停止工作；(6)判断数控设备的控制过程是否结束，如果是，流程结束；如果否，重新执行步骤(2)。

Description

一种用于数控设备的远程在线监控方法

技术领域

本发明涉及数控设备领域，特别涉及包括数控机床、机器人和伺服控制系统等领域中的用于数控设备的远程在线监控方法。

背景技术

在各种数控加工设备中，往往配有高精度的脉冲编码器，或者装有光栅尺等精密定位装置，以提高数控加工设备的控制精度，实现闭环或者半闭环的数字化控制；工业机器人则由于运动过程的复杂性，通常只是通过伺服电机自身的脉冲编码器实现半闭环的运动控制。在实际的数控设备运动工作过程中，设计开发人员往往通过光栅尺等反馈信号进行数控设备的实时监控，当数控设备运行到理论极限位置之外时，反馈的信号被控制系统接收，进而做出相应处理，这个过程通常在程序后台执行，用户无法直观感受到数控设备的当前工作状态。对于特殊加工任务场合的数控设备，如弧焊机器人、激光加工数控机床、火焰切割等，数控设备在正常工作时，由于物理上的外界干扰，也不方便用户直接用眼睛观察数控设备的运行状态，从而影响用户对设备的运行情况做出恰当的判断；而各种工业机器人的运动过程就更为复杂，很难对各轴的运动情况设定一个理论极限位置，而且工业机器人运动到不同的地方，各个关节轴的理论极限位置也不尽相同。

因此，在数控设备工作运行过程中，需要有一个能实时远程显示数控设备位置与工作状态的工具或手段，即实现对数控设备的远程在线监视与控制。

目前，在某些机床生产厂家中的产品中配有摄像头，用户可以从显示屏幕上的某一块区域中观察机床当前的工作状态，实现对数控设备的远程在线显示。这种方法可以让用户直观的判断出数控设备的工作情况，帮助用户作出比较合理的判断，但是当设备运行至极限位置时，无法做到实时准确的反应，而是取决于使用者的观察过程与反应速度，而且对于前面提到的特殊加工任务场合，有时为了保护摄像头，在数控设备工作时又需要停止视频信号的采集，或者在摄像头前加入一个滤光装置，这势必对使用者造成进一步的不方便。国内的科研院所及数控设备制造企业中，有人曾经用OpenGL(Open Graphics Library，开放的图形程序接口)进行过数控设备的仿真研究，通常是针对某台设备进行OpenGL三维模型的建立，然后通过提供一系列的数学模型轨迹数据，驱动模型进行仿真运动，从仿真效果上对数学模型与轨迹数据进行性能评估，然后再将结果应用于实际的数控设备中。也有人用OpenGL设计制造过功能完整的数控设备仿真系统，可以识别数控加工G代码，实现对数控程序的完美仿真等等。这些设计人员的工作目前也都停留在对数控设备的仿真阶段，与数控设备的远程实时在线监控存在很大不同。在某些车床生产厂家的产品控制系统中，有人用C++进行过简单的机床形状与刀具形状的绘图工作，并对机床、刀具状态位置进行了实时的显示，实现了概念上的在线监视过程。此种方法比较简单，也能帮助使用者对数控设备的运行状态做出合理的判断与准确的控制，但是这种设计过程只能在一定范围内进行有限视口下的在线监视，无法从全局或者细节方面做到更加完美的在线监视，当用户想从机床背面、侧面观察机床工作状态时，就显得力不从心。

发明内容

为了实现数控设备在不同位置的远程实时在线监控，扩大数控设备的在线监控范围，增加使用的灵活性，本发明提供了一种用于数控设备的远程在线监控方法，所述方法包括以下步骤：

(1)获取数控设备的各运动部件的起始位置信息；

(2)获取数控设备的各运动部件的当前位置信息；

(3)对所述当前位置信息进行数据转换，获取OpenGL中各运动部件模型的位置变量值；

(4)根据所述位置变量值和所述起始位置信息进行数控设备的OpenGL建模，通过OpenGL模型对数控设备进行实时在线监视；

(5)当获取到的所述位置变量值在所述OpenGL模型中相应运动部件的第一运动区间内，则为有效运动位置；否则，控制数控设备停止工作；

(6)判断数控设备的控制过程是否结束，如果是，流程结束；如果否，重新执行步骤(2)；

其中，步骤(5)中所述当获取到的所述位置变量值在所述OpenGL模型中相 应运动部件的第一运动区间内，具体为：

所述位置变量值大于负向极限模型位置数据值，小于正向极限模型位置数据值；

其中，步骤(3)中所述对所述当前位置信息进行数据转换，获取OpenGL中各运动部件模型的位置变量值，具体为：

将当前位置信息代入到公式 

中进行数据转换，获取OpenGL中各运动部件模型的位置变量值，其中，position为OpenGL中某一运动部件建模时的位置变量值、pos_current为该运动部件的当前位置信息、pos_start为该运动部件实际工作允许运动的负极限位置反馈数据值、pos_end为该运动部件实际工作允许运动的正极限位置反馈数据值、d_start为OpenGL模型中该运动部件的负向极限模型位置数据值、d_end为OpenGL模型中该运动部件的正向极限模型位置数据值。

所述方法还包括：

根据步骤(3)中获取到的所述位置变量值和步骤(1)中获取到的所述起始位置信息及静止部件的实际位置进行数控设备的OpenGL建模。

所述方法还包括：

在建立所述OpenGL模型时，加入通过鼠标拖动实现对所述OpenGL模型的任意平移与旋转，通过滚轮的滚动实现对所述OpenGL模型的任意缩放。

所述方法还包括：

当数控设备中的运动部件的结构复杂时，根据数控设备具体的机械结构特点以及结构参数，进行数学模型的计算及推导，得出运动部件模型在某一姿态时第二运动区间，将所述位置变量值与所述第二运动区间进行比较；并对运动部件模型与周围部件模型进行干涉检查。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

通过本发明实施例提供的方法实现了数控设备在不同位置的远程实时在线监控，扩大了数控设备的在线监控范围、增加了使用的灵活性，满足了实际应用中的需要；并且该方法没有硬件投入，避免了因需要摄像头而造成的不必要成本。

附图说明

图1是本发明提供的用于数控设备的远程在线监控方法的流程图；

图2是本发明提供的某三维数控多功能加工机床简单在线监控系统运行效果图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：底座；2：载物台；3：工件；4：枪头；5：挂板；6：立柱；7：横梁；8：竖梁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现数控设备在不同位置的远程实时在线监控，扩大数控设备的在线监控范围、增加使用的灵活性，本发明实施例提供了一种用于数控设备的远程在线监控方法，研究对象为使用IPC(Industry Personal Computer工业计算机)作为控制核心的数控设备，如数控加工机床、基于PC(Personal Computer，个人计算机)控制的机器人等，控制系统的开发基于某一种操作系统，通常为Windows系统或者DOS(Disk Operating System，磁盘操作系统)系统，在控制系统开发平台下加入对OpenGL的支持与调用，如VC(Visual C++)、VB(VisualBasic)、Visual Studio等，在此平台下对数控设备进行远程在线监控系统的设计开发，参见图1，该方法内容如下：

101：获取数控设备的各运动部件的起始位置信息；

具体地，通过一定的技术手段来获取数控设备的各运动部件的起始位置信息，一定的技术手段包括：1、增量式反馈元件，通过读取位置数据文件，分析位置数据文件来获取到数控设备的各运动部件的起始位置信息；2、绝对式反馈元件，通过分析由绝对式反馈元件提供的反馈信号来获取到数控设备的各运动部件的起始位置信息。具体实现时，还可以包括其他的技术手段，本发明实施例对此不做限制。

102：获取数控设备的各运动部件的当前位置信息；

通过读取增量式反馈元件或绝对式反馈元件提供的位置反馈信息来获取到数控设备的各运动部件的当前位置信息，该当前位置信息通常为一个具体的整数值。

103：对当前位置信息进行数据转换，获取OpenGL中各运动部件模型的位置变量值；

将当前位置信息代入到公式1中，其中，position为OpenGL中某一运动部件建模时的位置变量值、pos_current为该运动部件的当前位置信息、pos_start为该运动部件实际工作允许运动的负极限位置反馈数据值、pos_end为该运动部件实际工作允许运动的正极限位置反馈数据值、d_start为OpenGL模型中该运动部件的负向极限模型位置数据值、d_end为OpenGL模型中该运动部件的正向极限模型位置数据值。

$\mathrm{position}=\frac{\mathrm{pos}\_\mathrm{current}-\mathrm{pos}\_\mathrm{start}}{\mathrm{pos}\_\mathrm{end}-\mathrm{pos}\_\mathrm{start}}(d\_\mathrm{end}-d\_\mathrm{start})+d\_\mathrm{start}---\left(1\right)$

通过上述公式1就可以获取到OpenGL中各运动部件模型的位置变量值。由于在数控设备制作完成出厂之前，各运动部件都有一个运动允许范围，例如：一个运动轴由电机丝杠驱动运动，由于丝杠上有效螺纹长度一定，假定为0-dmm，则该运动部件有效的运动范围就是0-dmm，反映给反馈元件上，就存在对应于区间0-d的一段有效数值范围，即pos_start-pos_end。在OpenGL中，由于所有的模型以实际数控设备原型为依据进行设计，所以可以得到d_start-d_end。

104：根据步骤103中获取到的位置变量值和步骤101中获取到的起始位置信息进行数控设备的OpenGL建模，通过OpenGL模型对数控设备进行实时在线监视；

实际应用中，在进行数控设备的OpenGL建模之前，如果已经存在OpenGL模型，则先将已经存在的OpenGL模型清除，再根据步骤103中获取到的位置变量值和步骤101中获取到的起始位置信息进行数控设备的OpenGL建模。通过获取到的OpenGL模型对数控设备进行实时在线监视来判断数控设备工作是否正常，当数控设备工作不正常时，则对数控设备进行应急处理，使其可以正常的工作。

实际应用中，当从进行第二次建模开始，就只需根据步骤103中获取到的 位置变量值进行数控设备的OpenGL建模，获取OpenGL模型。

模型建立时通常将机床结构进行分析归类：一类为在设备工作过程中不动的部件，称为静止部件；另一类为在设备工作过程中由电机等驱动运动的部件，称为运动部件。通常在实际应用的过程中只考虑运动部件，为了帮助用户更方便、准确地判断各运动部件的位置，本发明实施例还考虑了静止部件，即提供根据步骤103中获取到的位置变量值和步骤101中获取到的起始位置信息及静止部件的实际位置进行数控设备的OpenGL建模。其中，静止部件的建立以绝对坐标系为基准进行设计。依据数控设备实际机械结构中静止部件的特点，进行简化模型处理，如用一个长方体表示一台数控机床的底座，然后在OpenGL中的绝对坐标系中，按照与运动部件一致的尺寸规格进行绘制；也可以对静止部件进行详细分析，用OpenGL对其进行真实全面的建模。

进一步地，对于特殊应用场合下的数控设备，如数控切割机、弧焊机器人等，本发明实施例对该类数控设备进行运动部件远程在线监控之外，还包括对数控设备具体的加工过程信号进行反馈信息提取，如对激光切割机的激光工作信号提取，对弧焊机器人的焊接工作信号提取等，将这些信号统称为加工信号，在数控设备OpenGL模型中，设计一个表示此加工信号的图形，如激光束模型，用该加工信号模型的显示与不显示来代表加工信号的启动或停止。加工信号模型的显示与否通过对加工信号进行分析得到，如果加工信号的分析结果为当前数控设备正在进行加工过程，则显示加工信号模型；如果加工信号的分析结果为当前数控设备没有进行加工过程，则不显示加工信号模型。通过给用户一个直观的图形效果，帮助用户实现对加工信号的在线监视，进而实现更为全面的远程在线监控过程。

进一步地，为了使用户更能了解数控设备作用于被加工运动部件的工作情况，本发明实施例在建立OpenGL模型时，加入通过鼠标拖动实现对OpenGL模型的任意平移与旋转，通过滚轮的滚动实现对OpenGL模型的任意缩放，以满足用户在线监控过程中对数控设备的细节处进行准确定位监视。

105：当步骤103中获取到的位置变量值在OpenGL模型中相应运动部件的第一运动区间内，则为有效的运动位置；否则，控制数控设备停止工作；

其中，当获取到的位置变量值在OpenGL模型中相应运动部件的第一运动区间内，具体为：位置变量值大于负向极限模型位置数据值，小于正向极限模 型位置数据值，即d_start＜position＜d_end时，则为有效地运动位置，认为数控设备当前处在合理位置范围内，继续进行监控；否则，当位置变量值处于上述第一运动区间外，认为数控设备当前状态处于危险位置，应对数控设备进行应急控制处理，并提示用户进行实际数控设备工作状态的检查，排除故障错误后数控设备继续执行任务，继续进行数控设备的在线监控过程。

进一步地，当数控设备中的运动部件的结构复杂时，例如：基于PC的多轴机器人等，当多轴机器人处在不同的空间姿态位置时，多轴机器人的各个运动部件的合理位置范围通常有所不同，例如：多轴机器人中的某一运动部件在第一姿态时，处于合理的位置范围，所处的位置为有效位置，在第二姿态时，有可能与其他运动部件发生碰撞、干涉，上述有效位置就不再是有效位置了。对于这种情况，则根据数控设备具体的机械结构特点以及结构参数，首先进行数学模型的计算及推导，得出运动部件模型在某一姿态时的第二运动区间，将位置变量值与第二运动区间进行比较，并按照上述原则进行判断与控制，即判断位置变量值是否在OpenGL模型中相应运动部件的第二运动区间内；同时，借助OpenGL技术提供的模型干涉检测功能，对运动部件模型与周围部件模型进行干涉检查，若运动部件模型与另外某一部件发生干涉，则表明运动部件发生碰撞行为，此时需立即停止数控设备工作，并提示用户进行故障确认与排除，若没有任何模型干涉结果，则表明数控设备工作正常，可以继续进行数控设备的在线监控过程。

106：判断数控设备的控制过程是否结束，如果是，流程结束；如果否，重新执行步骤102。

当IPC在执行过程中有时会发生循环错误，使得数控设备的控制系统不能进行正常控制，为此本发明实施例增加了定时的过程，该定时的过程通过定时器完成，具体为：每隔一定时间强制执行步骤101-106，来实现数控设备的控制系统能进行正常的控制，这样宏观上，就可以看到OpenGL模型随着数控设备的运动而连续运动。通过对数控设备整体，以及具体某一细节部位精确观察监视，就可以实现对数控设备的远程在线监控过程，系统退出的时候，关闭定时器，停止监控过程。

综上所述，本发明实施例提供了一种用于数控设备的远程在线监控方法，通过该方法实现了数控设备在不同位置的远程实时在线监控，扩大了数控设备 的在线监控范围，增加了使用的灵活性，满足了实际应用中的需要；并且该方法没有硬件投入，避免了因需要摄像头而造成的不必要成本。

参见图2，本发明实施例给出了某三维多功能数控加工机床简单在线监控系统运行效果图，该数控加工机床用于小型激光焊接工作，由三个交流伺服电机驱动滚珠丝杠，进而驱动执行机构运动，带动激光焊枪进行激光加工过程。交流伺服电机带有增量式编码器，可以提供增量式的反馈数据信息。通过对数控加工机床进行分析，将此数控加工机床分为八部分，分别为底座1、载物台2、工件3、枪头4、挂板5、立柱6、横梁7和竖梁8，其中1、6、7和8为静止部件，2、3、4和5为运动部件，速度设定为每秒20mm，X-为数控加工机床向左运动、X+为数控加工机床向右运动、Y-为数控加工机床向下运动、Y+为数控加工机床向上运动、Z-为数控加工机床沿垂直方向向下运动和Z+为数控加工机床沿垂直方向向上运动。

系统上电启动后，首先读取工业计算机硬盘上存储的位置数据文件，将其中记录的数控加工机床位置信息提取出来，作为数控加工机床的上电起始参考位置值。系统监控过程中，静止部件的建模过程在绝对坐标系中进行，运动部件的建模过程则通过分析伺服电机中的增量式编码器的反馈信息后进行数据转换，以得到的位置变量为依据进行运动部件的建模，通过模型的建立与更新，完成数控设备的在线监视过程。由于本数控加工机床中的运动部件简单，各运动部件在各个位置状态时的正、负极限位置相同，反映到OpenGL模型中，就表现为正、负向模型极限位置数据值一定，因此任意时刻各运动部件的位置数据变量值均与相应的正、负向模型极限位置数据值进行比较，从而实现对数控设备的软限位控制功能。由于本数控加工机床用于激光焊接，在远程监控过程中，加入了对激光器工作状态的反馈过程。通过提取激光器的反馈信息，判断当前时刻激光器是否工作，即数控加工机床是否处于激光焊接工作状态。如果分析结果得到激光器处于工作状态，则在枪头4的端部加入一个光束模型，表示数控加工机床正处于工作状态，如果分析结果得到激光器处于非工作状态，则清除枪头4的端部的光束模型，表示数控加工机床正处于非工作状态，从而实现对数控加工机床的全面性远程在线监控。数控加工机床执行完加工工作任务后，停止机床运动，读取机床停止运动后的各运动部件位置数据反馈信息，并保存成工业计算机硬盘上的一个位置数据文件，以备数控加工设备下次启动时调用 参考。

通过该运行效果图可以看出本发明实施例提供的方法的可行性，可以满足实际应用中的需要。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于数控设备的远程在线监控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)获取数控设备的各运动部件的起始位置信息；

(2)获取数控设备的各运动部件的当前位置信息；

(3)对所述当前位置信息进行数据转换，获取OpenGL中各运动部件模型的位置变量值；

(4)根据所述位置变量值和所述起始位置信息进行数控设备的OpenGL建模，通过OpenGL模型对数控设备进行实时在线监视；

(5)当获取到的所述位置变量值在所述OpenGL模型中相应运动部件的第一运动区间内，则为有效运动位置；否则，控制数控设备停止工作；

(6)判断数控设备的控制过程是否结束，如果是，流程结束；如果否，重新执行步骤(2)；

其中，步骤(5)中所述当获取到的所述位置变量值在所述OpenGL模型中相应运动部件的第一运动区间内，具体为：

所述位置变量值大于负向极限模型位置数据值，小于正向极限模型位置数据值；

其中，步骤(3)中所述对所述当前位置信息进行数据转换，获取OpenGL中各运动部件模型的位置变量值，具体为：

将当前位置信息代入到公式

中进行数据转换，获取OpenGL中各运动部件模型的位置变量值，其中，position为OpenGL中某一运动部件建模时的位置变量值、pos_current为该运动部件的当前位置信息、pos_start为该运动部件实际工作允许运动的负极限位置反馈数据值、pos_end为该运动部件实际工作允许运动的正极限位置反馈数据值、d_start为OpenGL模型中该运动部件的负向极限模型位置数据值、d_end为OpenGL模型中该运动部件的正向极限模型位置数据值。

2.根据权利要求1所述的用于数控设备的远程在线监控方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据步骤(3)中获取到的所述位置变量值和步骤(1)中获取到的所述起始位置信息及静止部件的实际位置进行数控设备的OpenGL建模。

3.根据权利要求1所述的用于数控设备的远程在线监控方法，其特征在于，所述方法还包括：

在建立所述OpenGL模型时，加入通过鼠标拖动实现对所述OpenGL模型的任意平移与旋转，通过滚轮的滚动实现对所述OpenGL模型的任意缩放。

4.根据权利要求1所述的用于数控设备的远程在线监控方法，其特征在于，所述方法还包括：

当数控设备中的运动部件的结构复杂时，根据数控设备具体的机械结构特点以及结构参数，进行数学模型的计算及推导，得出运动部件模型在某一姿态时的第二运动区间，将所述位置变量值与所述第二运动区间进行比较；并对运动部件模型与周围部件模型进行干涉检查。

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