CN102662349A

CN102662349A - 跨平台数控系统

Info

Publication number: CN102662349A
Application number: CN2012101572649A
Authority: CN
Inventors: 胡德计; 孟庆国; 韩柳; 赵巍; 何平; 陈晓曦
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin Hageng Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-21
Also published as: CN102662349B

Abstract

本发明涉及一种跨平台数控系统，其主要技术特点是：在跨平台数控系统机箱的控制面板上安装有显示屏、MDI键盘箱、机床操作面板箱、软键箱和手轮箱，机箱内的控制电路包括以RS232方式依次相连接的PIC数控操作元件状态扫描主板、工控主板和运动控制卡，PIC数控操作元件状态扫描主板通过串口与MDI键盘箱、机床操作面板箱、手轮箱和软键箱连接，工控主板通过VGA端口与显示屏相连接，运动控制卡通过驱动器接口和编码器接口连接数控机床本体。本发明通过更换MDI键盘箱、机床操作面板箱、软键箱并通过改变功能映射，可以快速重构出不同类型的数控系统，在数控系统开发、功能展示、仿真及职业技能培训等领域具有广阔的市场和应用前景。

Description

跨平台数控系统

技术领域

本发明属于数控技术领域，尤其是一种跨平台数控系统。

背景技术

随着制造业的快速发展，数控设备在制造业中所占比重越来越大。数控系统作为数控设备的关键控制部件具有不同的结构形式，大致可分为传统数控系统、“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统、“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统、纯软件型开放式数控系统和网络数控系统等五种类型。可扩充、可重构、模块化的开放式数控系统是数控技术发展的主流方向,现有的开放式数控系统存在如下问题：

1、占据数控系统高端的国外老牌数控系统厂商如FANUC、SIMEMS、HEIDENHAIN等为了保护其既有的垄断市场地位，普遍采用“PC嵌入NC”的模式，即NC和PLC部分是专用的，PC是通用的。这种结构并没有实现真正意义上的开放，要对这一类系统进行扩展和系统重构几乎是不可能的。

2、国内的数控系统厂商普遍采用“NC嵌入PC”的开放式模式，但其发展思路是走独立数控品牌的道路，即定义自己的指令集合、参数区格式和操作模式，核心数控软件互不兼容。这种结构具有一定的开放性，但还不能实现不同类型数控系统的兼容和快速重构。

3、由于国内外数控系统厂家众多，数控系统缺乏足够的柔性，指令格式和操作模式各不相同，这在很多方面造成了极大的资源重复配置和浪费。以数控职业技能培训和数控维修培训领域为例，一个学校如果要培训不同的数控系统就需要购置不同数控系统的机床设备，而这些设备价格昂贵，投入巨大，资源重复配置和浪费比较严重，不符合绿色再制造的目标要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种跨平台数控系统，。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种跨平台数控系统，由跨平台数控系统机箱及其内部的控制电路连接构成，在跨平台数控系统机箱的控制面板上安装有显示屏、MDI键盘箱、机床操作面板箱、软键箱和手轮箱，在跨平台数控系统机箱的后背板上安装有与控制电路相连接的外部接口，通过上述外部接口与机床本体相连接；控制电路包括以RS232方式依次相连接的PIC数控操作元件状态扫描主板、工控主板和运动控制卡，PIC数控操作元件状态扫描主板通过串口与MDI键盘箱、机床操作面板箱、手轮箱和软键箱连接，工控主板通过VGA端口与显示屏相连接，运动控制卡通过驱动器接口和编码器接口连接数控机床本体。

而且，所述的工控机内安装有跨平台数控系统软件，该跨平台数控系统软件包括数控系统操作界面、数控系统动态建模、系统参数区、功能映射配置描述、数控系统基础功能组件层、虚拟NC层及虚拟PLC层模块，该数控系统操作界面提供数控系统软件界面以实现数控机床的操控，该数控系统基础功能组件是完成数控系统功能的功能组件，该数控系统动态建模用于实现功能组件的动态调用、组件库的动态扩展和维护功能，该功能映射配置描述作为一个配置描述文件，定义了系统的具体工作模式以实现数控系统内部功能组件的调用和快速重构，该虚拟NC层是不同NC驱动硬件的接口层以兼容不同的NC模块，虚拟PLC层是不同PLC模块的接口层用于兼容不同的PLC模块，NC模块和PLC模块通过系统参数区交换数据。

而且，所述的MDI键盘箱、机床操作面板箱、软键箱为可更换的部件，通过更换不同数控系统的MDI键盘箱、机床操作面板箱和软键箱以实现不同数控系统功能。

而且，所述的PIC数控操作元件状态扫描主板由PIC18LF6520芯片、MAX232芯片和四个串口连接构成；所述的工控主板采用威盛C3工控主板；所述的运动控制卡采用Turbo PMAC Clipper运动控制卡。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其能够在同一硬件平台环境下，通过改变功能映射，可以快速重构出不同类型的、常用的数控系统，如FANUC、SIMEMS和华中等加工中心和数控车的数控系统，实现数控系统的操作模式、指令格式、参数区格式和数控系统的驱动模式等主要功能的兼容；同时在同一软件平台环境下，可以兼容常见的运动控制硬件和PLC模块，从而实现了从硬件到软件的完全开放，其兼容性和快速重构的特点可以避免硬件资源重复的配置和浪费，充分体现了绿色再制造的理念，对促进绿色再制造的应用具有显著的经济效益和社会意义，同时在新型全开放式数控系统功能开发、数控系统功能展示、数控机床仿真器开发和职业技能培训等领域具有广阔的市场和应用前景，对于数控操作系统平台的研究也具有重要的战略意义。

附图说明

图1为本发明的机箱控制面板结构示意图；

图2为本发明的控制电路方框图；

图3是本发明的机箱后面板结构示意图；

图4为本发明的软件硬件关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种跨平台数控系统，由跨平台数控系统机箱及其内部的控制电路连接构成。如图1所示，在跨平台数控系统机箱的控制面板上安装有显示屏1、MDI键盘箱2、手轮箱3、机床操作面板箱4和软键箱5，其中显示屏位于控制面板的左上角，采用10英寸液晶显示屏用来显示操作菜单、机床状态、NC程序及机床运动轨迹图形仿真等数控系统操作界面；MDI键盘箱位于控制面板的右上角，在MDI键盘箱上设有数据输入键、功能键、程序编辑键、光标移动键和页面键等按键，用来完成NC程序的输入与输出；手轮箱位于控制面板的右下角，用于上电开关、机床紧急停止及以手摇方式使刀架增量进给。机床操作面板箱位于控制面板的左下角，在机床操作面板箱上设有方式选择、主轴速度倍率、进给倍率、移动方向、自动运行等按键或旋钮，用来完成机床的手动操作；软键箱位于显示屏和机床操作面板箱之间，其按键用来完成在显示屏内下方对应位置的各键功能，并且按键随着显示的页面不同，有着不同的功能。上述MDI键盘箱、机床操作面板箱、软键箱和手轮箱均设有串口，通过这些串行接口与机箱内的控制电路相连接。在跨平台数控系统机箱的侧部设有排热风扇，在跨平台数控系统机箱的后背板上安装有与控制电路相连接的外部接口，通过上述外部接口与机床本体相连接。

跨平台数控系统机箱上的MDI键盘箱、机床操作面板箱和软键箱为可更换部件，通过更换控制面板上的MDI键盘箱、机床操作面板箱和软键箱可以实现不同数控系统的功能。例如，将FANUC系统加工中心的MDI键盘箱和机床操作面板箱更换为FANUC系统数控车的相应组件，然后调用FANUC系统数控车控制软件，即成为FANUC系统数控车控制面板；将FANUC系统加工中心的MDI键盘箱、机床操作面板箱和软键箱更换为华中数控铣的相应组件，然后调用华中数控铣控制软件，即成为华中数控铣控制面板；将华中数控铣的MDI键盘箱、机床操作面板箱和软键箱更换为华中数控车的相应组件，然后调用华中数控车控制软件，即成为华中数控车控制面板。

跨平台数控系统机箱内的控制电路，如图2所示，包括PIC数控操作元件状态扫描主板、工控主板和运动控制卡，PIC数控操作元件状态扫描主板通过串口与MDI键盘箱、机床操作面板箱和软键箱连接，扫描它们的操作状态，按统一的通讯协议封装操作数据，然后经RS232接口传输到工控主板的CPU；工控主板通过VGA端口将操作状态显示在显示屏上，同时，工控主板通过RS232接口将操作信号传送给运动控制卡的CPU；运动控制卡通过驱动器接口和编码器接口驱动机床本体的伺服驱动器，从而控制机床X轴、Y轴、Z轴等进给运动及主轴电机运动，机床准确的运动状态通过驱动器接口和编码器接口反馈到运动控制卡的CPU，进行运动修正，然后通过RS232接口将机床准确的运动状态传送回工控主板，工控主板通过VGA端口将机床运动状态显示在显示屏上。

在本实施例中，PIC数控操作元件状态扫描主板上主要载有PIC18LF6520芯片、MAX232芯片和四个串口等元器件，四个串口分别与MDI键盘箱、机床操作面板箱、手轮箱和软键箱上的串口连接。MAX232芯片负责扫描上述四个部件的操作状态，并传输至PIC18LF6520芯片，然后PIC18LF6520芯片按统一的通讯协议对操作数据封装，经RS232接口传输至工控主板。

跨平台数控系统的工控主板采用威盛C3工控主板。该工控主板采用Mini-ITX构架，主板上载有VIA C3800M 133MHzCPU处理器、VIA CLE266+8235RPlus芯片组、1GDDR400内存、64M VIA Unichrome AGP graphics显卡、RTL 8100C10/100BaseT LAN自适应网卡、VT1616音效芯片、VT1622视频输出芯片、4个COM接口和1个PCI扩展等元器件；背板上载有VGA显示端口、PS2键盘鼠标端口、com端口、RJ-45网络端口、USB 2.0端口、串行端口和音频端口等输入输出接口。威盛C3工控主板为嵌入式结构、6层PCB线路板设计，加强了主板的抗电磁干扰、电磁兼容能力，增强了主板的稳定性；CPU功耗低，延长了设备使用时间；板载元器件能适应-20°C～60°C宽温环境，可以保证在寿命期内永久开机，并且在潮湿、振动大、多尘、高辐射及高温等恶劣环境下高稳定性的工作。

运动控制卡采用Turbo PMAC Clipper运动控制卡，该运动控制卡基于PC总线，利用高性能微处理器及大规模可编程器件能够实现多个伺服电机的多轴协调控制。该运动控制卡上载有80MHz DSP56303Turbo PMAC CPU、256k SRAM、1M flash memory、RS232串口、100Mbps EtherNet以太网接口、4通道轴接口电路、50-pin IDC插头、34-pin IDC插头、4-pin Molex插头、PID 32个通用的TTL-等级I/O点及两个手轮端口等元器件。该运动控制卡具有脉冲输出、脉冲计数、数字输入/输出功能，其可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机床运动的准确位置，纠正传动过程中产生的误差。运动控制卡还具有S曲线加减速的直线和圆弧插补、点到点快速运动、三次样条插补、位置补偿列表、力矩补偿列表、反向间隙补偿、刀具半径补偿等功能。支持高级程序语言，自动按顺序执行运动，自动匹配坐标系里的各轴，支持G代码和代码扩展。该运动控制卡的输入端口和输出端口与跨平台数控系统机箱的后面板相连接，实现与外部设备相连接。

如图3所示，跨平台数控系统机箱的后面板上设置有与外部设备相连接的接口，这些连接接口包括主轴控制接口、进给轴控制接口、开关量输出/输入接口、手操盒接口、RS232接口、以太网口、USB接口、键盘接口、电源接口和电源开关。主轴控制接口与机床主轴伺服电机连接，控制主轴运动；进给轴控制接口包含轴0到轴5六个接口，其中轴0控制机床X轴进给、轴1控制机床Y轴进给，轴2控制机床Z轴进给，轴3～轴5为扩展进给接口，用户可根据自身需要安装连接；开关量输出/输入接口控制或接收信号；手操盒接口与机床的手操盒；RS232接口、以太网口、USB接口、键盘接口可与外部计算机及存储器连接，进行数据交换和共享。

本跨平台数控系统采用软硬件结合的方式实现开放式数控功能，在工控机上安装有跨平台数控系统软件，该系统软件包括数控系统操作界面、数控系统动态建模、系统参数区、功能映射配置描述、数控系统基础功能组件层、虚拟NC层及虚拟PLC层模块，其之间的控制关系如图4所示。数控系统操作界面提供数控系统软件界面以实现数控机床的操控，该软件界面通过显示屏可以显示机床状态、数控加工程序、刀具补偿等数据；数控系统基础功能组件是系统内部定义的一系列完成数控系统功能的功能组件，这些功能组件具有统一的接口，并可以配置，数控系统的快速重构就是根据功能映射描述调用不同的功能组件，以实现相应的功能；数控系统动态建模是实现功能组件的动态调用、组件库的动态扩展和维护等功能；而功能映射配置描述是一个配置描述文件，该文件定义了系统的具体工作模式，以实现数控系统内部功能组件的调用和快速重构；虚拟NC层是不同NC驱动硬件的接口层，通过将不同的NC驱动硬件驱动接口映射为系统内部的统一运动控制接口，以兼容不同的NC模块，实现NC模块的运动控制功能；虚拟PLC层是不同PLC模块的接口层，以兼容不同的PLC模块，实现PLC模块的逻辑控制功能；NC模块和PLC模块通过系统参数区交换数据；NC模块和PLC模块与数控机床本体相连接并通过NC模块和PLC模块完成对数控机床本体的控制功能。

本跨平台数控系统软件是在传统数控系统内核结构的基础上，加入数控抽象层(NCAL)和PLC抽象层(PLCAL)，采用面向对象技术，建立数控系统底层基础功能组件抽象模型，通过对抽象结构模型的继承和派生以实现对不同数控系统软、硬件工作模式的兼容。在抽象层定义好数控系统的工作模式的统一接口，以实现对不同数控系统的统一驱动，而不同数控系统的具体工作方式则通过派生的子类模型来具体完成，并通过插件的形式与跨平台数控系统无缝连接。基于面向对象的数控系统建模方法具有很好的灵活性和扩展性，对于新型数控系统也可以兼容，只需要继承抽象的数控系统结构模型，开发新的子类模型，并以插件的形式插入系统中，从而实现功能的扩展。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种跨平台数控系统，其特征在于：由跨平台数控系统机箱及其内部的控制电路连接构成，在跨平台数控系统机箱的控制面板上安装有显示屏、MDI键盘箱、机床操作面板箱、软键箱和手轮箱，在跨平台数控系统机箱的后背板上安装有与控制电路相连接的外部接口，通过上述外部接口与机床本体相连接；控制电路包括以RS232方式依次相连接的PIC数控操作元件状态扫描主板、工控主板和运动控制卡，PIC数控操作元件状态扫描主板通过串口与MDI键盘箱、机床操作面板箱、手轮箱和软键箱连接，工控主板通过VGA端口与显示屏相连接，运动控制卡通过驱动器接口和编码器接口连接数控机床本体。

2.根据权利要求1所述的跨平台数控系统，其特征在于：所述的工控机内安装有跨平台数控系统软件，该跨平台数控系统软件包括数控系统操作界面、数控系统动态建模、系统参数区、功能映射配置描述、数控系统基础功能组件层、虚拟NC层及虚拟PLC层模块，该数控系统操作界面提供数控系统软件界面以实现数控机床的操控，该数控系统基础功能组件是完成数控系统功能的功能组件，该数控系统动态建模用于实现功能组件的动态调用、组件库的动态扩展和维护功能，该功能映射配置描述作为一个配置描述文件，定义了系统的具体工作模式以实现数控系统内部功能组件的调用和快速重构，该虚拟NC层是不同NC驱动硬件的接口层以兼容不同的NC模块，虚拟PLC层是不同PLC模块的接口层用于兼容不同的PLC模块，NC模块和PLC模块通过系统参数区交换数据。

3.根据权利要求1所述的跨平台数控系统，其特征在于：所述的MDI键盘箱、机床操作面板箱、软键箱为可更换的部件，通过更换不同数控系统的MDI键盘箱、机床操作面板箱和软键箱以实现不同数控系统功能。

4.根据权利要求1所述的跨平台数控系统，其特征在于：所述的PIC数控操作元件状态扫描主板由PIC18LF6520芯片、MAX232芯片和四个串口连接构成；所述的工控主板采用威盛C3工控主板；所述的运动控制卡采用Turbo PMACClipper运动控制卡。