CN102339020A

CN102339020A - 一种使用伺服现场总线通信的机床运动动态图形仿真系统

Info

Publication number: CN102339020A
Application number: CN2011101916613A
Authority: CN
Inventors: 郇极; 肖文磊
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2012-02-01

Abstract

本发明公开了一种机床运动动态图形仿真系统的构建方法，以及基于此方法建立的一种机床运动动态图形仿真系统。所述的仿真系统包括数控系统、伺服装置、现场总线、总线数据接收器、仿真PC计算机、CAD造型系统。PC计算机使用由CAD系统提供的机床布局结构和部件造型数据，数控系统运行时，每周期通过伺服现场总线发送数据帧，仿真系统通过总线数据接收器接收到位置指令数据帧，通过以太网传给仿真计算机，仿真系统根据机床造型数据和各个伺服位置产生机床部件的三维虚拟运动。通过这种机床运动动态图形仿真系统的构建方法，简化了数控系统的软件结构，减少数控系统的仿真运算时间，不占用系统操作显示界面，构成通用的数控机床运动仿真系统，降低软件开发费用。

Description

一种使用伺服现场总线通信的机床运动动态图形仿真系统

技术领域

本发明涉及一种使用伺服现场总线通信的机床运动动态图形仿真系统，属于工业自动化控制领域。

技术背景

先进数控机床控制系统具有机床运动动态图形仿真功能，数控加工程序运行时，可以在数控机床操作显示器上显示机床结构和部件的运动，用于数控加工程序的检查、修改和优化，提高数控机床的使用效率和方便性。目前使用的数控机床运动动态图形仿真系统如图1所示，数控系统1，包括译码器模块2，插补器模块3，伺服装置现场总线接口4，集成式仿真系统5。伺服装置现场总线接口4通过总线电缆6连接伺服装置7，所述的伺服装置可以设有多个，各伺服装置之间通过总线电缆串联。伺服装置控制伺服电机产生机床工作台的运动。机床结构布局和部件造型由CAD机床造型系统10完成，它根据机床结构和运动部件11生成机床结构和运动部件数据12，通过造型数据接口13提供给集成式仿真系统5。数控系统1运行时，译码器模块2读入数控加工程序14，完成数控程序段的译码，提供给后续的插补器模块3使用，插补器模块3产生机床坐标轴运动位置坐标指令15，由伺服装置现场总线接口4将坐标轴运动位置坐标指令15转换成现场总线数据帧16，通过总线电缆6连接伺服装置7和后续的伺服装置9，控制伺服电机产生机床工作台的运动。同时，插补器模块3产生的机床坐标轴运动位置坐标指令15也提供给集成式仿真系统5。集成式仿真系统5根据机床结构布局和运动部件数据12在机床操作显示器17上产生机床部件的三维动态图形显示。

这种虚拟仿真系统存在以下缺点：1.仿真软件运行占用大量计算机运行时间，降低了数控系统的性能；2.仿真显示占用了操作显示界面，有时影响机床操作；3.虚拟仿真系统不具备通用性，不能在不同的数控系统中运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用伺服现场总线通信的机床运动动态图形仿真系统，以解决现有技术中存在的问题。

本发明一种使用伺服现场总线通信的机床运动动态图形仿真系统，包括数控系统、总线电缆、伺服装置、总线接收器、CAD机床造型系统和分布式仿真系统。

所述的数控系统包括：译码器模块，插补器模块，伺服装置现场总线接口；

所述的CAD机床造型系统为动态图形仿真计算机提供机床布局结构和部件造型数据；

所述的总线接收器硬件包括现场总线接收器接口、FPGA接收和转发控制器、以太网接口、以及辅助电路；

所述的分布式仿真系统由网络数据接收模块、内部数据映射模块、几何造型模块和三维显示模块组成。所述的数据接收模块负责从网络中接收总线数据接收器发送的数据帧，并传递到内部数据映射模块；所述的内部数据映射模块将接收到的数据帧进行处理，将其中封装的各个伺服轴的数据映射到伺服轴内部数据变量中；所述的几何造型模块读取并解析CAD机床造型系统生成的机床造型文件，在分布式仿真系统内部生成机床造型数据；所述的三维显示模块将机床造型数据渲染成三维可视的效果，并根据伺服轴内部数据变量产生各伺服轴的运动；

它们的连接关系为：数控系统通过总线电缆与伺服装置相连，伺服装置通过总线电缆与总线接收器相连。所述的伺服装置可以设有多个，各伺服装置之间通过总线电缆串联。伺服装置驱动伺服轴完成数控系统指定的运动。CAD机床造型系统根据机床结构和运动部件生成机床结构和运动部件数据，以文本数据方式提供给动态图形仿真计算机，动态图形仿真计算机运行分布式仿真系统，动态图形仿真计算机通过以太网线连接总线接收器。另外，所述的总线接收器进一步与数控系统的伺服装置现场总线接口4连接，接收数控系统发送的伺服装置的位置控制指令，通过FPGA接收和转发控制器从以太网接口发送给动态图形仿真计算机。

所述的动态图形仿真计算机使用由CAD机床造型系统提供的机床结构和运动部件数据，动态图形仿真计算机上安装的动态图形仿真程序根据机床造型数据和各个伺服装置的位置指令产生机床部件的三维虚拟运动。

所述的机床运动动态图形仿真系统的配套软件包括FPGA控制程序和动态图形仿真程序。

所述的FPGA控制程序的软件流程图如图4所示，总线数据接收器能够读取数控系统发送给各个伺服装置的位置控制指令或者专门发送给仿真计算机的位置指令数据。FPGA控制程序在运行时，按总线周期侦听总线数据帧，如果接收到仿真数据帧，则对总线数据帧进行标准以太网帧的打包，并从总线接收器的以太网口发送出去。

所述的动态图形仿真程序的软件流程图如图5所示，仿真计算机能够接收并解析总线数据接收器发送的以太网数据帧，获取各个伺服轴的数据值，并完成机床运动仿真。动态图形仿真程序在运行时，按一定周期侦听以太网数据帧，如果接收到以太网数据帧，则首先对以太网数据帧进行解析，并从以太网数据帧中获取各个伺服轴的数值，然后用伺服轴的数值驱动仿真机床的运动。

使用本发明后，不必将虚拟仿真系统集成到数控系统中，能够减少数控系统用于运动仿真运算和三维显示的时间，简化了数控系统软件结构，提高系统可靠性，不占用系统操作显示界面。通过开发数据接收器的通信协议，实现多种现场总线通信，构成适合多种数控系统的通用数控机床动态图形仿真系统。

本发明的优点及功效在于：1、不必将庞大的动态图形仿真软件集成到数控系统中，简化了数控系统软件结构，提高系统可靠性；2、减少数控系统用于动态图形仿真运算时间，提高数控系统控制性能；3、不占用系统操作显示界面，操作更方便；4、构成适合多种数控系统的通用数控机床运动动态图形仿真系统，软件重复使用，降低软件开发费用。

附图说明

图1是目前使用的数控机床运动虚拟仿真方法；

图2是本发明的工作原理示意图；

图3是本发明的总线接收器工作原理图；

图4是FPGA控制程序的软件流程图；

图5是动态图形仿真程序的软件流程图。

图中具体标号如下：

1、1’数控系统 2、译码器模块 3、插补器模块 4、伺服装置现场总线接口

5、集成式仿真系统 5’、分布式仿真系统

6、总线电缆 7、伺服装置 8、总线电缆

9、伺服装置 10、CAD机床造型系统 11、机床结构和运动部件

12、机床结构和运动部件数据 13、造型数据接口 14、数控加工程序

15、机床坐标轴运动位置坐标指令 16、现场总线数据帧 17、机床操作显示器

18、总线接收器 19、总线电缆 20、动态图形仿真计算机 21、以太网线

22、现场总线接收器接口 23、FPGA接收和转发控制器 24、以太网接口

具体实施方式

本发明是一种数控机床运动图形仿真装置和软件，由伺服现场总线接收器和配套的计算机程序组成，工作原理如图2所示。本发明一种机床运动动态图形仿真系统，包括数控系统1’、总线电缆、伺服装置7、总线接收器18、CAD机床造型系统10和分布式仿真系统5’。

所述的数控系统1’包括：译码器模块2，插补器模块3，伺服装置现场总线接口4。

所述的CAD机床造型系统10为动态图形仿真计算机20提供机床布局结构和部件造型数据12。

所述的总线接收器18硬件包括现场总线接收器接口22、FPGA接收和转发控制器23、以太网接口24、以及辅助电路。

所述的分布式仿真系统5’由网络数据接收模块、内部数据映射模块、几何造型模块和三维显示模块组成。所述的数据接收模块负责从网络中接收总线数据接收器发送的数据帧，并传递到内部数据映射模块；所述的内部数据映射模块将接收到的数据帧进行处理，将其中封装的各个伺服轴的数据映射到伺服轴内部数据变量中；所述的几何造型模块读取并解析CAD机床造型系统生成的机床造型文件，在分布式仿真系统内部生成机床造型数据；所述的三维显示模块将机床造型数据渲染成三维可视的效果，并根据伺服轴内部数据变量产生各伺服轴的运动。

它们的连接关系为：数控系统1’的伺服装置现场总线接口4通过总线电缆连接伺服装置7，伺服装置7通过总线电缆连接后续的伺服装置9。所述的伺服装置的数量可以为多个，各伺服装置之间通过总线电缆8串联。伺服装置通过总线电缆19与总线接收器相连。CAD机床造型系统10根据机床结构和运动部件11生成机床结构和运动部件数据12，以文本数据方式提供给动态图形仿真计算机20，动态图形仿真计算机20运行分布式仿真系统5’，动态图形仿真计算机20通过以太网线21连接总线接收器18。另外，所述的总线接收器18与数控系统的伺服装置现场总线接口4连接，接收数控系统发送的伺服装置的位置控制指令，通过FPGA接收和转发控制器23从以太网接口24发送给动态图形仿真计算机20。

所述的动态图形仿真计算机20使用由CAD机床造型系统10提供的机床结构和运动部件数据12，动态图形仿真计算机上安装的动态图形仿真程序根据机床造型数据和各个伺服装置的位置指令产生机床部件的三维虚拟运动。

所述的动态图形仿真系统的配套软件包括FPGA控制程序和动态图形仿真程序。

数控系统运行时，每个控制周期通过总线电缆向伺服装置7、9发出现场总线数据帧16，总线接收器18通过总线电缆19也同时接收到现场总线数据帧16，通过以太网线21转发给动态图形仿真计算机20。动态图形仿真计算机20的分布式仿真系统5’根据机床结构和运动部件数据12和各个伺服装置的现场总线数据帧16产生机床部件的动态图形运动。

总线接收器18硬件，如图3所示，其包括现场总线接收器接口22、FPGA接收和转发控制器23、以太网接口24、以及辅助电路。总线接收器通过总线电缆19接收现场总线数据帧16，FPGA接收和转发控制器23将其转换成以太网数据帧，通过以太网接口24以及以太网线21发送给动态图形仿真计算机20。根据数控系统的伺服总线类型，通过匹配现场总线接收器接口22，可以使其与多种数控系统匹配，为动态图形仿真计算机通过数控系统位置指令数据。

FPGA接收和转发控制器23转换的以太网数据帧具有两种形式：

以MAC帧打包转发当前现场总线数据帧，总线接收器一对一的传输仿真数据给动态图形仿真计算机；

以TCP/IP报文打包转发当前现场总线数据帧，每个总线接收器具有一个独立的IP地址。总线接收器和动态图形仿真计算机组成局域网，完成一个动态图形仿真计算机对多个数控机床或多个动态图形仿真计算机对多个数控机床的运动动态图形仿真。

Claims

1.一种使用伺服现场总线通信的机床运动动态图形仿真系统，其特征在于：其包括数控系统、总线电缆、伺服装置、总线接收器、CAD机床造型系统和分布式仿真系统；

它们的连接关系为：数控系统通过总线电缆与伺服装置相连，伺服装置通过总线电缆与总线接收器相连；CAD机床造型系统根据机床结构和运动部件生成机床结构和运动部件数据，以文本数据方式提供给一动态图形仿真计算机，动态图形仿真计算机运行分布式仿真系统，动态图形仿真计算机通过以太网线连接总线接收器；另外，所述的总线接收器进一步与数控系统的伺服装置现场总线接口连接，接收数控系统发送的伺服装置的位置控制指令，通过FPGA接收和转发控制器从以太网接口发送给动态图形仿真计算机。

2.根据权利要求1所述的一种使用伺服现场总线通信的机床运动动态图形仿真系统，其特征在于：所述的伺服装置可以设有多个，各伺服装置之间通过总线电缆串联。

3.根据权利要求1所述的一种使用伺服现场总线通信的机床运动动态图形仿真系统，其特征在于：所述的分布式仿真系统由网络数据接收模块、内部数据映射模块、几何造型模块和三维显示模块组成；数据接收模块负责从网络中接收总线数据接收器发送的数据帧，并传递到内部数据映射模块；内部数据映射模块将接收到的数据帧进行处理，将其中封装的各个伺服轴的数据映射到伺服轴内部数据变量中；几何造型模块读取并解析CAD机床造型系统生成的机床造型文件，在分布式仿真系统内部生成机床造型数据；三维显示模块将机床造型数据渲染成三维可视的效果，并根据伺服轴内部数据变量产生各伺服轴的运动。