CN102221828B - 数控机床控制程序模块化系统 - Google Patents

Abstract

一种数控机床控制程序模块化系统，包括HMI人机界面，其特征为在数控系统NCU单元内的数控机床控制程序系统按各个功能程序细分、以模块形式体现，本系统的PLC内部存储设置功能选择参数数量核对模块，基本功能库模块是包含了数控机床功能分解后所对应的各个子功能的控制逻辑程序，调取PLC内部的存储数据与系统启动模块、轴控制模块及辅助功能选择模块进行数据处理、作相应功能的选择与启动；输入/输出信号映射模块用来进行内部存储数据与实际输入/输出信号之间的逻辑处理。通过在HMI人机界面上的功能选择来调用相关的功能模块，可补充或修订某一功能程序，提高数控机床的生产效率及减少数控机床的故障率，增强数控机床在实际使用过程中的可靠性。

Description

数控机床控制程序模块化系统

技术领域

本发明涉及自动控制领域，用于数控机床控制及运动控制的控制程序模块化系统。

背景技术

在数控机床的控制过程中往往需要进行大量的控制程序编制工作，而目前传统的编程方法和先进的控制应用要求之间形成了一个矛盾。目前控制程序质量的检验没有明确统一的标准，实际工程中，往往依据最后执行的结果来判定控制质量，结果控制程序编制成为了一件很个性化的工作，各自的控制程序有很大的随意性，给数控机床控制程序的互相交流造成了较大的障碍，当将一个数控机床硬件结构划分为几个不同的功能部分，由不同的人员分别进行编程时，这种情况更为严重。这种状态极大妨碍了控制程序编制水平的提高以及后期的生产调试及设备维护，同时数控机床的控制效果也很难在编程层次得到良好的保障。

发明内容

本发明的目的就是设计一种数控机床控制程序模块化系统，将控制程序存入通用的模块内，提高数控机床的生产效率及减少数控机床的故障率，增强数控机床在实际使用过程中的可靠性。

一种数控机床控制程序模块化系统，数控机床人机界面通过MPI总线、数控系统伺服单元分别通过驱动总线及设备总线与数控系统NCU单元联通，数控系统NCU单元通过profibus总线联通输入、输出模块，其特征在于把数控机床控制系统的各个功能程序封装在各个功能模块内，在PLC基座中的各模块的输入、输出端通过数据总线及电源总线与数控系统PLC处理器和电源模块的各脚相互对应连通；本系统的PLC内部存储设置功能选择参数数量核对模块，作为功能选择参数的标准量，其输出端通过输入信号映射模块连接基本功能库模块，并与系统启动模块、轴控制模块及辅助功能选择模块连通；输入信号映射模块将实际的输入信号赋值给PLC内部的存储区，并根据需要做相应的逻辑处理；基本功能库模块是包含了数控机床功能分解后所对应的各个子功能的控制逻辑程序模块，调取PLC内部的存储数据与系统启动模块、轴控制模块及辅助功能选择模块进行数据处理、根据不同机床的配置作相应功能的选择与启动，并将处理后的数据发给输出信号映射模块；输出信号映射模块用于将系统启动模块、轴控制模块、辅助功能选择模块的逻辑运算结果通过中间存储变量赋值给实际设备中的执行单元。

本发明的贡献是将数控系统NCU单元内的数控机床控制程序分解为各个功能单元后存入模块内，通过在HMI人机界面上的功能选择来调用相关的功能模块，需要补充或修订某一功能程序时，只要修改该功能模块，而不用重新编制或修改数控机床的全套控制程序即可实现数控机床的生产调试与设备维护，将程序控制系统的编制修订简化成像更换标准电子元件一样简单。

突出优点是：1.模块化编程方法是根据控制要求把数控机床控制程序需要完成的控制任务划分为几个较小功能块，然后对每个功能块分别进行编程，这样各模块之间相对独立、功能单一，具有清晰的程序结构，就大大降低了难度，避免了重复劳动，同时获得了较高的程序质量。

2.模块化编程使得程序结构良好，具有很好的可读性，易于后期的维护。这种方式对输出数据具有保护作用，模块之间通过中间变量传递数据，各自的点号都被良好地封装到了各自的模块中，比如，输出到设备的点号只通过输出信号映射单元来进行操作，这样大大提高了设备的安全性，可以防止因为程序混乱造成的误动作。模块化编程具有良好的可移植性，只要稍加修改，就可以应用到同类型的控制中。

3.在模块化编程的机床上，利用辅助功能选择模块可以快捷的实现某一项功能的选择与启动，同时也可以完成相同功能由于结构和配置所造成的控制逻辑有差别的模块单元选择，节省了控制程序编制与调试的时间。

4.控制程序具有很好的可读性，易于后期的维护。这种方式对输出数据具有保护作用，模块之间通过中间变量传递数据，各自的点号都被良好的封装到了各自的模块中，比如，输出到设备的点号只通过输出信号映射单元来进行操作，这样大大提高了设备的安全性。模块化编程具有良好的可移植性，只要稍加修改，就可以应用到同类型的控制中。

5.在模块化编程的机床上，利用辅助功能选择模块可以快捷的实现某一项功能的选择与启动，同时也可以完成相同功能由于结构和配置所造成的控制逻辑有差别的模块单元选择，节省了控制程序编制与调试的时间。

附图说明

图1是本发明的控制程序模块化系统在数控机床上的电路连接示意图；

图2是数控系统NCU单元的整体控制程序结构关系示意图；

图3是机床功能参数数量核对模块示意图；

图4是输入信号映射模块示意图；

图5是系统启动模块示意图；

图6是轴控制功能模块示意图；

图7是辅助功能选择模块示意图；

图8是液压基本功能模块示意图；

图9是输出信号映射模块示意图；

图10a是功能选择界面示意图；

图10b是功能选择界面示意图；

图10C是功能选择界面示意图。

具体实施方案

数控机床控制程序模块化系统，是以带有两个液压站(Z轴平衡液压站和松/夹刀控制液压站)的数控机床为简单示例来说明本发明的具体应用过程。在本示例中所有程序及应用都是基于目前数控机床通用配置的西门子840D数控系统编制的。

如图1所示，数控机床人机界面通过MPI总线、数控系统伺服单元分别通过驱动总线及设备总线与数控系统NCU单元联通，数控系统NCU单元通过profibus总线联通输入、输出模块。

在数控系统NCU单元内如图2所示，本发明的数控机床控制程序系统按各个功能程序细分、以模块形式体现，其特征为本系统的PLC内部存储区由设计者设置功能选择参数数量核对模块1的检查标准，其中数据是由该机床操作者在首次应用时，在人机界面的机床参数中设置与本机床原配控制系统相通的、且符合本模块化系统设计者提供使用的功能参数的标准量，用来核对功能选择参数的数量设置是否正确，防止各参数数量设置错误而造成的系统逻辑混乱、功能出错，阻止使数控机床的运行出现故障，甚至发生危险的错误扩大。使用状态下本控制系统首先检查机床操作人员在HMI输入的“选择参数数量”与本模块化系统设计可供使用的功能参数的标准量是否匹配，在匹配的情况下，其输出端通过输入信号映射模块2连接基本功能库模块6，输入信号映射模块2将实际的输入信号赋值给PLC内部的存储区，并根据需要做相应的逻辑处理；基本功能库模块6是包含了数控机床功能分解后所对应的各个子功能的控制逻辑程序模块，如轴控制程序模块、液压控制程序模块、排屑器控制程序模块、刀座控制程序模块等，并与系统启动模块3、轴控制模块4及辅助功能选择模块5连通，调取PLC内部的存储数据与系统启动模块3、轴控制模块4及辅助功能选择模块5内存进行数据处理、根据不同机床的配置(该配置由操作者在HMI的机床数据中预先设置)作相应功能的选择与启动，并将处理后的数据发给输出信号映射模块7；输出信号映射模块7用于将系统启动模块3、轴控制模块4、辅助功能选择模块5的逻辑运算结果通过中间存储变量赋值给实际设备中的执行单元，如电机、阀门等。

如果机床操作者在HMI中对于各个区域的数量设置与预先规定的数量不符，那么将造成的系统逻辑混乱、功能出错，进而使数控机床的运行出现故障，甚至发生危险，故必须首先执行功能选择参数数量核对模块1。只有执行完模块1的程序且没有错误发生时，本系统控制程序才可以按顺序执行下一步。而当这些参数数量核对发生错误时，控制程序进入停止等待状态。

本发明数控机床功能参数数量核对模块1，其特征在于由设计者设置功能选择参数数量核对模块1的检查标准，在本例中本系统模块设计者有如下规定：按机床功能选择参数表1中所列，整型数数量为30个、二进制数量为140个、浮点型数数量为30个。其中整型数据区域用来存储刀具数量、润滑时间等整型变量；二进制数据区域用来存储液压、排屑器、水箱、润滑、水冷、刀座控制等相关辅助功能的启动/关闭的标志位；浮点型数据区域用来存储机床坐标轴的换刀位置。在该模块的内部，分别用判断语句，将操作者在人机界面上设置的参数分别与模块中设定值30、140、30进行比较，如果均相等的程序正常运行，如有一个不相等，则程序进入停止状态。该过程用来判断操作者在人机界面中设置的整型数数量是否为30个、二进制数量是否为140个、浮点型数数量是否为30个。

这些作业数据的设置都是在首次使用本系统时由机床操作者在数控机床的人机界面上来完成的，在使用过程中还可通过界面上的相关操作来改变参数表中的变量值。作业状态下，本数控系统NCU单元的功能选择参数数量核对模块1首先要检查操作者在人机界面上设置参数的数量是否正确。即是否分别为30个、140个、30个，然后，如上所述，根据机床操作者在人机界面中对不同数据区的预先设置，辅助功能选择模块5进行数据处理，选择与启动基本功能库模块6中与之相对应的子功能程序。表1功能选择参数示意表

另外，对于表1中30个整型数变量、140个二进制变量、30个浮点型变量，本控制程序模块化系统并未全部定义，留有余量，用来日后的功能扩展。

输入信号映射模块2接收动态输入信号，同时根据实际应用的需要，选择性的将部分实际输入信号与内部存储数据进行逻辑处理，将实际的输入信号以及需要的逻辑结果赋值给PLC内部的存储数据，PLC通过这些赋值后的存储数据与系统启动模块3、轴控制模块4及辅助功能选择模块5进行逻辑运算处理。本发明输入信号映射模块2如图4所示，分别把PLC实际输入点映射到PLC中已经定义好的存储单元中。

这样PLC程序只需要处理已经定义好的存储单元的数据，而不是实际的输入点，当实际输入点发生变化时，只需修改输入信号映射模块2里的内容，而不是所有的程序。这样便实现了系统便于调试与程序管理。

系统启动模块3用于系统初始化，主要为PLC与数控系统NCU单元的数据交换、伺服系统的上/下电控制，伺服模块内部状态的监控等，它是图1中伺服系统单元及轴控制模块4正常工作的前提条件。当出现以下6种状况时，通道(通道的概念是西门子系统中定义的)中的进给使能禁止：1.主轴没激活或非G00时，主轴转速没有达到设定值(非手动状态下)；2.主轴实际扭矩大于驱动器中设定的极限扭矩；3.进给使能按钮没有按下；4.机床启动按钮没有激活；5.换刀时发生错误错误；6.主轴处于星/角转换过程中。系统启动模块3根据输入信号映射模块2所获得的输入信号存储数据、数控系统内部变量来判断系统启动的外围及内部条件是否满足要求，如果满足要求则启动伺服控制系统，为轴控制模块4的启动运行提供相应的准备条件，即伺服系统已经启动，各个轴控制已进入准备正常工作状态，可通过功能选择单元来调用控制单元，进而启动相应的轴控制进行工作。

轴控制模块4用于控制各个伺服轴的工作状态设置及状态监控。在系统启动模块3完成后，各轴控制已经进入准备工作状态，那么轴的控制模式等相关工作则需要轴控制模块4来完成。轴控制模块4主要实现轴控制使能启动/关闭、轴控制方式设置、编码器接口选择、轴当前状态获取功能。如图6所示轴控制模块4逻辑电路连接：第一输入端连接该模块使能电路端，第二输入端连接所要控制的轴号，第三输入端连接脉冲使能端，第四、五输入端连接该轴的正、负限位端，第六输入端连接该轴的回零端，第七输入端连接倍率控制端，第八输入端连接编码器控制端，第九输入端连接控制使能端，第十、十一输入端连接该轴的第二正、负限位端，第十二输入端连接该轴的进给保持端，第十三输入端连接该轴的跟随控制端；第一输出端连接该轴到达设定速度端，第二输出端连接该轴位置或速度控制器已激活，第三输出端连接轴准停没运动指令端，第四输出端连接轴回零端，第五输出端连接轴静止端，第六输出端连接轴将运动端，第七输出端连接轴静止且没有运动指令端，第八输出端连接脉冲使能取消端，第九输出端连接轴抱闸控制端。轴控制模块4可通过调用基本程序库模块6中的轴控制基本模块来分别启动三个基本坐标轴和主轴，主要实现轴控制使能启动/关闭、轴控制方式设置、编码器接口选择轴当前状态获取功能。

轴控制基本模块的接口定义如表2所示：

表2轴控制基本模块信号接口表

参见图7，辅助功能选择模块5用于数控机床辅助功能的选择及启动控制，如数控机床相关的液压、润滑、排屑、刀库等功能单元。然而不同的数控机机床，其辅助功能并非全部相同，例如辅助功能中液压，由于液压结构、液压原理、配置等不同，会造成不同的机床应用不同的PLC程序进行液压控制，辅助功能选择模块5就是提供了不同种类的机床配置形式，该配置由机床操作者在HMI的机床数据中做初始设置，进而选择适合该机床的辅助功能的PLC程序。机床操作者只有在HMI中正确配置了数控机床的各项功能后，该数控机床才可以进入到正常工作状态。对于三个基本坐标轴和主轴的控制，只需要改变相应的接口信号变量就可以实现轴的启动及相应的状态监，可通过功能选择模块5来控制相应轴的启动与监控。机床操作者在HMI的机床数据中预先设置会激活不同数据区的控制位，如图7中辅助功能选择模块5的第一到第N输入端连接相应的轴选择端，第N+1到第M端连接相应的辅助功能选择端；各个输出端则连接相应的子程序库激活端。

液压站的启动与相关信号的监控也是通过功能选择模块5来实现的,见图8，液压基本功能控制电路连接：第一输入端连接该模块使能电路端，第二、三输入端连接液压站启动、停止端，第四输入端连接液压站空开辅触信号端，第五输入端连接液压油位信号端，第六输入端连接液压过滤堵塞信号端，第七输入端连接液压站压力监控信号端，第八输入端连接液压站油温信号端，第九输入端连接供电启动端，第十输入端连接急停信号端、第十一输入端连接复位端，第十二输入端连接5Hz脉冲信号端，第十三输入端连接灯测试端，第十四输入端连接PLC第一次启动端，第十五输入端连接监控时间端；第一输出端连接液压站接触启动信号端，第二输出端连接液压站运行灯端，第三输出端连接液压泵站开关跳开（报警）端，第四输出端连接液压站过滤堵塞（报警）端，第五输出端连接液压站总压力故障（报警）端，第六输出端连接液压站油温高（报警）端，第七输出端连接液压站液位低（报警）端，第八输出端连接内部标志位端，第九输出端连接内部时间标志端。这里的液压站控制是通过调用基本程序库模块6中的液压基本功能块来实现的。液压基本功能块的接口定义见表3。

表3液压基本功能块信号接口表

基本功能库模块6是包含了数控机床功能分解后所对应的各个子功能的控制逻辑程序，通过调取PLC内部的存储数据与系统启动模块3、轴控制模块4及辅助功能选择模块5进行数据处理，根据不同机床的不同配置(该配置由操作者在HMI的机床数据中做初始设置)选择与启动基本功能库模块6中的子功能程序。

基本程序库6体现了模块化编程的思想。机床操作者根据自己机床的实际情况，在人机界面中进行选择，预先进行设置，所作的设置见图10a、10b、10c，这样，在整个数控机床的控制程序之中至少会有一个基本程序单元会被调用，以实现数控机床的基本功能。

图10a展示的用来控制数控床的HMI人机界面，机床操作者可以根据自己机床的实际配置分别进行相关辅助功能的选择，可供选择的辅助功能有：液压、润滑、排屑器、刀库、气动、水冷、轴控制。以配置液压系统为例(其他辅助功能的选择与液压同理)，如果机床操作者要选择适合自己机床的液压系统，则可以点按图10a界面左下方第一个“液压”按键，此时人机界面将会弹出图10b所示的界面，该界面提供了两套液压系统供操作者选择。操作者可以根据自己机床的液压配置来进行选择，以图10b为例，如果选择液压单元1，则可以点按图10b界面左下方第一个“液压单元1”按键，此时人机界面会出现图10c所示的界面，在此界面中，机床操作者可以点按图10c左下方的“功能描述”、“液压原理”、“I/O显示”按键，来查看液压单元1的液压功能、液压原理及与该液压单元1相关的输入输出点。操作者经过查看，如果确定无误，则可以点按图10c右下方的“启动”按键，这样，通过辅助功能选择模块(5)逻辑运行，在基本功能库模块6中，与液压单元1相关的plc程序就被选择了。

输出信号映射模块7用于将系统启动模块3、轴控制模块4、辅助功能选择模块5的逻辑运算结果通过中间存储变量赋值给实际的执行单元，以实现数控机床的各种指令动作。在本举例中主要处理与系统启动、轴控制及液压站控制相关的输出信号。见图9，第一至第七输入端分别连接相应的内部寄存器信号端；第一、二输出端分别连接两个液压站启动1、启动2端，第三、四输出端分别连接两个Z轴电机的制动端，第五至七输出端分别连接控制系统模块使能的T48、T63、T64控制端。

Claims (6)

1.一种数控机床控制程序模块化系统，数控机床人机界面通过MPI总线、数控系统伺服单元分别通过驱动总线及设备总线与数控系统NCU单元联通，数控系统NCU单元通过profibus总线联通输入、输出模块，其特征在于把数控机床控制系统的各个功能程序封装在各个功能模块内，在PLC基座中的各模块的输入、输出端通过数据总线及电源总线与数控系统PLC处理器和电源模块的各脚相互对应连通；本系统的PLC内部存储区设置功能选择参数数量核对模块（1），作为功能选择参数的标准量，其输出端通过输入信号映射模块（2）连接基本功能库模块（6），并与系统启动模块（3）、轴控制模块（4）及辅助功能选择模块（5）连通；输入信号映射模块（2）将实际的输入信号赋值给PLC内部的存储区，并根据需要做相应的逻辑处理；基本功能库模块（6）是包含了数控机床功能分解后所对应的各个子功能的控制逻辑程序模块，调取PLC内部的存储数据与系统启动模块（3）、轴控制模块（4）及辅助功能选择模块（5）进行数据处理、根据不同机床的配置作相应功能的选择与启动，并将处理后的数据发给输出信号映射模块（7）；输出信号映射模块（7）用于将系统启动模块（3）、轴控制模块（4）、辅助功能选择模块（5）的逻辑运算结果通过中间存储变量赋值给实际设备中的执行单元。

2.根据权利要求1所述的数控机床控制程序模块化系统，其特征在于由设计者设置功能选择参数数量核对模块（1）的检查标准，其中数据是由该机床操作者在首次应用时，在人机界面的机床参数中设置与本机床原配控制系统相通的、且符合本模块化系统设计者提供使用的功能参数的标准量，用来核对功能选择参数的数量设置是否正确，防止各参数数量设置错误而造成的系统逻辑混乱、功能出错，阻止使数控机床的运行出现故障，甚至发生危险的错误扩大。

3.根据权利要求1所述的数控机床控制程序模块化系统，其特征在于输入信号映射模块（2）接收动态输入信号，同时，根据实际应用的需要，选择性的将部分实际输入信号与内部存储数据进行逻辑处理，最后，将实际的输入信号以及需要的逻辑结果赋值给PLC内部的存储数据，PLC通过这些赋值后的存储数据与系统启动模块（3）、轴控制模块（4）、辅助功能选择模块（5）进行数据逻辑处理。

4.根据权利要求1所述的数控机床控制程序模块化系统，其特征在于系统启动模块（3）用于系统初始化，主要用于PLC与数控系统NCU单元的数据交换、伺服系统的上/下电控制以及伺服模块内部状态的监控，该模块是轴控制模块（4）正常工作的前提条件。

5.根据权利要求1所述的数控机床控制程序模块化系统，其特征在于轴控制模块（4）用于控制各个伺服轴的工作状态设置及状态监控，主要实现轴控制使能启动/关闭、轴控制方式设置、编码器接口选择、轴当前状态获取功能。

6.根据权利要求1所述的数控机床控制程序模块化系统，其特征在于辅助功能选择模块（5）用于数控机床辅助功能的选择及启动控制，辅助功能包括数控机床相关的液压、润滑、排屑、刀库；不同的数控机机床，选择不同的机床应用不同的PLC程序进行液压控制，辅助功能选择模块（5）提供了不同种类的机床配置形式，该配置由机床操作者在HMI的机床数据中做初始设置，进而选择适合该机床的辅助功能的PLC程序。

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