CN110083124B - 数控机床旋转轴的控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于数控加工技术领域，提供了一种数控机床旋转轴的控制方法及控制系统。该控制方法包括：机床数控系统通过操作面板接收输入的旋转角度参数，生成携带有所述旋转角度参数的机床控制代码并发送至解码单元；在与解码单元所连接的伺服控制器相对应的解码模式下，解码单元将机床控制代码解析成伺服控制器可识别的旋转角度值，并将旋转角度值发送至伺服控制器；伺服控制器根据旋转角度值控制电机旋转，以带动旋转轴转动到指定角度。本发明中的解码单元具有多种解码模式，且各解码模式与各伺服控制器的类型一一对应，由于解码单元可匹配多种类型的伺服控制器，因此具备很好的通用性。

Description

数控机床旋转轴的控制方法及控制系统

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，尤其涉及一种数控机床旋转轴的控制方法及控制系统。

背景技术

数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床，其按照事先编制好的加工程序，自动对被加工零件进行加工。目前大部分数控系统厂商对国内数控机床均只开放了三轴（通常为X、Y、Z三正交的直线坐标轴）加工功能，如需增加更多轴向的加工功能则需要额外进行扩展。

扩展的加工功能中“旋转轴”加工较为常见，即绕X轴或Y轴进行旋转加工，其中，绕X轴旋转的旋转轴称为第四轴，绕Y轴旋转的旋转轴称为第五轴，控制方式主要采用数控系统自有的总线通讯方式来实现沿X轴或Y轴的旋转。

但是增加第四轴和第五轴加工功能需要找原数控系统厂商开通对应权限及购买与之匹配的驱动器和电机才可实现，原因在于不同数控系统厂商之间的驱动器、电机等往往也无法共用，通用性较差。例如使用日本发那科（FAUNC)数控系统，如果想增加第四轴或第五轴功能的话，只能购买日本发那科公司生产的伺服控制器和电机，不能使用德国西门子（SIMENS)公司生产的伺服控制器和电机。

发明内容

本发明实施例旨在提供一种通用型的数控机床的旋转轴向加工控制技术。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例是这样实现的，一种数控机床旋转轴的控制方法，包括：

控制代码生成步骤：机床数控系统通过操作面板接收输入的旋转角度参数，生成携带有所述旋转角度参数的机床控制代码并发送至解码单元；

解码步骤：在与解码单元所连接的伺服控制器相对应的解码模式下，解码单元将所述机床控制代码解析成所述伺服控制器可识别的旋转角度值，并将所述旋转角度值发送至所述伺服控制器；其中，所述解码单元具有多种解码模式，且各解码模式与各伺服控制器的类型一一对应；

控制步骤：所述伺服控制器根据所述旋转角度值控制电机旋转，以带动旋转轴转动到指定角度。

第二方面，本发明实施例还提供了一种数控机床旋转轴的控制系统，包括操作面板、机床数控系统、解码单元、伺服控制器和电机；

所述操作面板用于接收旋转角度参数；

所述机床数控系统用于根据所述操作面板接收的旋转角度参数生成机床控制代码并发送至所述解码单元；

所述解码单元在与解码单元所连接的伺服控制器相对应的解码模式下，解码单元将所述机床控制代码解析成所述伺服控制器可识别的旋转角度值，并将所述旋转角度值发送至所述伺服控制器；其中，所述解码单元具有多种解码模式，且各解码模式与各伺服控制器的类型一一对应；

所述伺服控制器用于根据所述旋转角度值控制电机旋转，以带动旋转轴转动到指定角度。

本发明实施例中，解码单元具有多种解码模式，且各解码模式与各伺服控制器的类型一一对应，机床控制代码先通过解码单元解析成伺服控制器可识别的旋转角度值，然后伺服控制器再根据该旋转角度值控制电机的旋转。由于解码单元可匹配多种类型的伺服控制器，因此具备很好的通用性。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的数控机床旋转轴的控制方法的流程图；

图2是本发明第二实施例提供的数控机床旋转轴的控制系统的结构图；

图3是图2中解码控制器的电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明第一实施例提供的数控机床旋转轴的控制方法的流程，参照图1，该控制方法包括：

控制代码生成步骤S101，机床数控系统通过操作面板接收输入的旋转角度参数，生成携带有所述旋转角度参数的机床控制代码并发送至解码单元。

本实施例中，机床数控系统具有操作面板，该操作面板可以采用触摸屏实现。旋转轴是指外置的第四轴或第五轴，其中，第四轴围绕X轴方向旋转，第五轴围绕Y轴方向旋转。用户可以通过在操作面板上输入预置格式的参数来设置希望旋转轴旋转的角度，例如，可以在操作面板上输入G900A128.474，表示第四轴旋转128.474度。

机床数控系统接收到该旋转角度参数后，可以调用数控机床的宏程序将该旋转角度参数写入机床相应的宏变量中，并结合相应的通讯方式（例如RS232通讯方式）生成相应的机床控制代码。生成的机床控制代码可以是M代码，可以包含第四轴或第五轴的旋转角度控制信息，还可以包含传输此机床控制代码的通讯端口的控制信息（例如RS232通讯端口的打开或关闭等），当采用某种类型的端口发送此机床控制代码时，端口也会进行相应的格式转换，例如RS232通讯端口将G900A128.474解析成D8 A0 A0 A0 B1 B2 B8 2E B4 B7 B4 A0B2 33 0A发送给解码单元。

解码步骤S102，在与解码单元所连接的伺服控制器相对应的解码模式下，解码单元将所述机床控制代码解析成所述伺服控制器可识别的旋转角度值，并将所述旋转角度值发送至所述伺服控制器。

本实施例中，解码单元具有多种解码模式，且各解码模式与各伺服控制器的类型一一对应，例如，第一解码模式与日本发那科（FAUNC)的伺服控制器对应，第二解码模式与德国西门子（SIMENS)公司生产的伺服控制器对应，诸如此类。具体地，可以在解码单元中设置多种解码应用程序来对应各种解码模式。并且，考虑到伺服控制器与电机还可能出现新的类型，也可能有一些不能满足现实需求的伺服控制器与电机被淘汰，解码单元允许写入新的解码应用程序或删除不用的解码应用程序。

具体工作时，解码单元首先接收解码模式选择指令，然后调用与所选择的解码模式相对应的解码应用程序，利用所述解码应用程序将所述机床控制代码解析成所述伺服控制器可识别的旋转角度值。

进一步地，在解码步骤S102之前，控制方法还可以包括校验步骤：解码单元对所述机床控制代码进行有效性和/或正确性校验，校验通过之后再进行解析。其中，有效性校验是指对机床控制代码的值进行判断，以确定是否属于大于等于-360.0并小于等于360.0范围内、且不为空数据的数值，其中，空数据在机床控制代码中一般用“#0”来表示。正确性校验是指对接收过来的机床控制代码的长度、格式和特殊标记标识进行校验。只有满足以上所有条件的数据，解码单元才会解析成电机可以旋转的角度值128.474发送给伺服控制器。

更进一步地，为适用不同的场合和用户使用习惯，本实施例在机床数控系统与所述伺服控制器之间具有两条传输通道。具体地，解码单元包括解码控制器和PLC，所述机床数控系统通过RS232接口与所述解码控制器连接，所述PLC一端连接所述机床数控系统、另一端通过机床外部I/O端口与所述解码控制器连接。

其中，第一传输通道包括所述RS232接口和解码控制器，第二传输通道包括所述PLC、机床外部I/O端口和所述解码控制器。

在控制代码生成步骤S101之后，控制方法还包括传输通道选择步骤：接收目标传输通道选择指令，以使机床数控系统通过所选择的目标传输通道将所述机床控制代码发送至解码单元；

其中，当选择所述第一传输通道作为目标传输通道时，由所述解码控制器作为解码单元执行所述解码步骤；当选择所述第二传输通道作为目标传输通道时，由PLC作为解码单元执行所述解码步骤。

控制步骤S103，伺服控制器根据旋转角度值控制电机旋转，以带动旋转轴转动到指定角度。

解码单元解析得到旋转角度值之后，伺服控制器即可据此控制电机以预设的转动速度带动旋转轴旋转到指定的角度。

另外，电机在旋转到位之后逐级通过所述伺服控制器、解码控制器向机床数控系统中的PLC反馈执行完成信号，以使数控机床进入加工状态。

图2示出了本发明第二实施例提供的数控机床旋转轴的控制系统的结构，为了便于描述，仅示出了与本实施例相关的部分。

参照图2，该数控机床旋转轴的控制系统包括操作面板21、机床数控系统22、解码单元23、伺服控制器24和电机25。其中，旋转轴是指外置的第四轴或第五轴，其中，第四轴围绕X轴方向旋转，第五轴围绕Y轴方向旋转。

其中，操作面板21用于接收旋转角度参数。操作面板21可以采用触摸屏实现。用户可以通过在操作面板上输入预置格式的参数来设置希望旋转轴旋转的角度，例如，可以在操作面板上输入G900A128.474，表示第四轴旋转128.474度。

机床数控系统22用于根据操作面板21接收的旋转角度参数生成机床控制代码并发送至所述解码单元23。接收到该旋转角度参数后，机床数控系统22可以调用数控机床的宏程序将该旋转角度参数写入机床相应的宏变量中，并结合相应的通讯方式（例如RS232通讯方式）生成相应的机床控制代码。生成的机床控制代码可以是M代码，可以包含第四轴或第五轴的旋转角度控制信息，还可以包含传输此机床控制代码的通讯端口的控制信息（例如RS232通讯端口的打开或关闭等），当采用某种类型的端口发送此机床控制代码时，端口也会进行相应的格式转换，例如RS232通讯端口将G900A128.474解析成D8 A0 A0 A0 B1 B2B8 2E B4 B7 B4 A0 B2 33 0A发送给解码单元。

解码单元23用于在与其所连接的伺服控制器24相对应的解码模式下，将所述机床控制代码解析成伺服控制器24可识别的旋转角度值，并将所述旋转角度值发送至伺服控制器24。

其中，解码单元23具有多种解码模式，且各解码模式与各伺服控制器的类型一一对应，例如，第一解码模式与日本发那科（FAUNC)的伺服控制器对应，第二解码模式与德国西门子（SIMENS)公司生产的伺服控制器对应，诸如此类。具体地，可以在解码单元23中设置多种解码应用程序来对应各种解码模式。并且，考虑到伺服控制器与电机还可能出现新的类型，也可能有一些不能满足现实需求的伺服控制器与电机被淘汰，解码单元23允许写入新的解码应用程序或删除不用的解码应用程序。

进一步地，当解码单元23仅包括一个解码器件时，解码单元23包括解码模式选择模块、调用模块和解码模块，其中，解码模式选择模块用于接收解码模式选择指令；调用模块用于调用与所选择的解码模式相对应的解码应用程序；解码模块，利用所述解码应用程序将所述机床控制代码解析成所述伺服控制器可识别的旋转角度值。

进一步地，解码模块23在解码之前，解码单元23还用于对所述机床控制代码进行有效性和/或正确性校验，校验通过之后再进行解析。其中，有效性校验是指对机床控制代码的值进行判断，以确定是否属于大于等于-360.0并小于等于360.0范围内、且不为空数据的数值，其中，空数据在机床控制代码中一般用“#0”来表示。正确性校验是指对接收过来的机床控制代码的长度、格式和特殊标记标识进行校验。只有满足以上所有条件的数据，解码单元23才会解析成电机25可以旋转的角度值128.474发送给伺服控制器24。

更进一步地，为适用不同的场合和用户使用习惯，解码单元可以有两个器件进行解码，相应地，本实施例在机床数控系统与所述伺服控制器之间具有两条传输通道。从结构层面划分，解码单元23可以包括解码控制器231、PLC 232和模式选手模块233，所述机床数控系统通过RS232接口与所述解码控制器231连接，所述PLC 232一端连接所述机床数控系统22、另一端通过机床外部I/O端口与解码控制器231连接，模式选择模块233与解码控制器231连接。其中，解码控制器231和PLC 232均内置有多种解码应用程序。

第一传输通道包括所述RS232接口和解码控制器231，第二传输通道包括所述PLC232、机床外部I/O端口与所述解码控制器231。

模式选择模块233，用于接收目标传输通道选择指令以选择由解码控制器231与PLC232中的一个进行解码，还用于供用户设置所采用的解码应用程序，以使机床数控系统22通过所选择的目标传输通道将所述机床控制代码发送至解码控制器231或PLC232中并指定解码采用的应用程序；

其中，当选择所述第一传输通道作为目标传输通道时，由所述解码控制器231作为解码单元进行解码；当选择所述第二传输通道作为目标传输通道时，由PLC作为解码单元进行解码。

伺服控制器24用于根据所述旋转角度值控制电机25旋转，以带动旋转轴转动到指定角度。电机24还可以在旋转到位之后逐级通过伺服控制器24、解码控制器231向机床数控系统中的PLC反馈执行完成信号，以使数控机床进入加工状态。

图3进一步示出了解码控制器231的电路结构，具体实现时可以将图3中的各电路模块封装在一个控制盒中，具有支持手动操作的手动档和支撑自动操作的自动档。各电路模块的功能介绍如下（下文以CNC表示机床数控系统）：

解码控制器231基于一MCU实现，该MCU中集成有所述多种解码应用。其中，MCU用于根据选定的解码应用对机床控制代码进行解码、接口控制、数据存储等，DC/DC可以为伺服控制器24提供24V直流电流，还用于产生2路电压，1路5V提供给CNC232隔离电源模块、手轮电源、手轮485通讯接口，另一路3.3V提供给MCU、驱动485通讯。

解码控制器231的MCU与机床数控系统22通过一RS232接口单元连接，RS232接口单元包括：RS232通讯模块和一个可分离式232接口，RS232一端连接所述MCU，另一端通过所述可分离式232接口连接至所述机床数控系统的RS232接口。可分离式232接口用于实现同CNC232接口的通讯。

隔离电源模块用于产生5V的隔离电源供给RS232通讯模块，目的是防止共地产生干扰与电压差损坏CNC。

解码控制器231还包括数控系统输入输出隔离驱动模块和数控系统输入输出接口；所述数控系统输入输出隔离驱动模块一端连接所述MCU，另一端通过所述数控系统输入输出接口连接至所述机床外部I/O端口。其中，数控系统输入输出隔离驱动模块用于通过光耦隔离方式实现CNC与控制盒输入输出信号隔离，实现与机床数控系统22的安全隔离。数控系统输入输出接口用于I/O口模式的输入口、急停信号、完成信号的输入输出等。

所述解码控制器还包括驱动器输入输出隔离驱动模块和电机驱动接口；所述驱动器输入输出隔离驱动模块一端连接所述MCU，另一端通过所述电机驱动接口连接至所述伺服控制器。驱动器输入输出隔离驱动模块用于通过光耦隔离实现完成伺服控制器24与控制盒输入输出信号的隔离。电机驱动接口为可分离式接口，用于通过驱动485通讯模块实现与电机25之间的485通讯、脉冲、速度选择及I/O口的控制。

控制系统还包括一手轮；所述解码控制器还包括手轮485通讯模块和可分离式手轮485接口；所述手轮485通讯模块一端连接所述MCU，另一端通过所述可分离式手轮485接口连接至所述手轮的485通讯接口。手轮485通讯模块通过可分离式手轮485接口用于实现同手轮的通讯。

LED指示灯用于指示工作时的各种状态，如通讯指示、输入输出口指示、完成信号、急停信号等。

图3所示解码控制器231的工作原理如下：

1、根据控制要求选择控制模式，其中串口模式对应于第一传输通道，IO模式对应于第二传输通道。

2、MCU上电，进入相应的工作模式，调用对应的解码应用程序对机床控制代码进行解析。

3、通过手轮切换到手动档进行调试，相应的LED点亮，MCU进入手动状态，根据手轮485通讯接口发送的信息，发送脉冲至电机驱动接口，同时通过驱动485读取相关信息，发送至手轮485通讯接口。

4、通过手轮切换到自动档，MCU进入自动状态。串口模式下，MCU收到CNC RS232的数据，进行判断和解析，将旋转角度参数等信息转换为标准的MODBUS数据格式，通过驱动485发送至伺服控制器24。

5、IO模式下，MCU根据CNC输入接口的IO口信号组合，将存储器中的旋转角度值通过驱动485接口以标准的MODBUS数据格式发送至伺服控制器24。

6、伺服控制器24将相关信息反馈至MCU，MCU通过CNC输出接口传送至CNC。本发明实施例所提供的数控机床旋转轴的控制方法和系统可用于各种CNC加工中心，作为半四轴使用，只需一个M代码即可启动。接口简单、安装快捷及成本低廉使蓝蓝产品成为替代笨重、高价的进口伺服控制器和电机的四轴设备的完美选择。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数控机床旋转轴的控制方法，其特征在于，包括：

控制代码生成步骤：机床数控系统通过操作面板接收输入的旋转角度参数，生成携带有所述旋转角度参数的机床控制代码并发送至解码单元，所述解码单元包括模式选择模块、解码控制器和PLC，所述模式选择模块与所述解码控制器连接，所述机床数控系统通过RS232接口与所述解码控制器连接，所述PLC一端连接所述机床数控系统、另一端通过机床外部I/O端口与所述解码控制器连接，所述机床数控系统与伺服控制器之间具有两条传输通道，其中第一传输通道包括所述RS232接口和所述解码控制器，第二传输通道包括所述PLC、机床外部I/O端口和所述解码控制器；

传输通道选择步骤：接收目标传输通道选择指令，以使机床数控系统通过所选择的目标传输通道将所述机床控制代码发送至解码单元，其中，当选择所述第一传输通道作为目标传输通道时，由所述解码控制器作为解码单元执行解码步骤；当选择所述第二传输通道作为目标传输通道时，由所述PLC作为解码单元执行解码步骤；

解码步骤：在与解码单元所连接的伺服控制器相对应的解码模式下，解码单元将所述机床控制代码解析成所述伺服控制器可识别的旋转角度值，并将所述旋转角度值发送至所述伺服控制器；其中，所述解码单元具有多种解码模式，且各解码模式与各伺服控制器的类型一一对应；

控制步骤：所述伺服控制器根据所述旋转角度值控制电机旋转，以带动旋转轴转动到指定角度。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述解码步骤之前，所述控制方法还包括：

解码单元对所述机床控制代码进行有效性和/或正确性校验，校验通过之后再进行解析。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述解码步骤具体为：

解码单元接收解码模式选择指令；

解码单元调用与所选择的解码模式相对应的解码应用程序，利用所述解码应用程序将所述机床控制代码解析成所述伺服控制器可识别的旋转角度值。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在所述控制步骤之后，所述控制方法还包括：

电机在旋转到位之后逐级通过所述伺服控制器、所述解码控制器向机床数控系统中的PLC反馈执行完成信号。

5.一种数控机床旋转轴的控制系统，其特征在于，包括操作面板、机床数控系统、解码单元、伺服控制器和电机；

所述操作面板用于接收旋转角度参数；

所述机床数控系统用于根据所述操作面板接收的旋转角度参数生成机床控制代码并发送至所述解码单元；

所述解码单元在与解码单元所连接的伺服控制器相对应的解码模式下，解码单元将所述机床控制代码解析成所述伺服控制器可识别的旋转角度值，并将所述旋转角度值发送至所述伺服控制器，其中，所述解码单元具有多种解码模式，且各解码模式与各伺服控制器的类型一一对应，所述解码单元包括模式选择模块、解码控制器和PLC，所述解码控制器和PLC中均内置有多种解码应用程序，所述模式选择模块与所述解码控制器连接，所述机床数控系统通过RS232接口与所述解码控制器连接，所述PLC一端连接所述机床数控系统、另一端通过机床外部I/O端口与所述解码控制器连接，所述机床数控系统与所述伺服控制器之间具有两条传输通道，其中第一传输通道包括所述RS232接口和所述解码控制器，第二传输通道包括所述PLC、机床外部I/O端口和所述解码控制器，所述模式选择模块，用于接收目标传输通道选择指令以选择由解码控制器与PLC中的一个进行解码，还用于供用户设置所采用的解码应用程序，以使机床数控系统通过所选择的目标传输通道将所述机床控制代码发送至解码控制器与PLC中并指定解码采用的应用程序，其中，当选择所述第一传输通道作为目标传输通道时，由所述解码控制器作为解码单元进行解码；当选择所述第二传输通道作为目标传输通道时，由所述PLC作为解码单元进行解码；

所述伺服控制器用于根据所述旋转角度值控制电机旋转，以带动旋转轴转动到指定角度。

6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述解码单元还用于对所述机床控制代码进行有效性和/或正确性校验，校验通过之后再进行解析。

7.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述解码单元包括：

解码模式选择模块，用于接收解码模式选择指令；

调用模块，用于调用与所选择的解码模式相对应的解码应用程序；

解码模块，利用所述解码应用程序将所述机床控制代码解析成所述伺服控制器可识别的旋转角度值。

8.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述电机还用于在旋转到位之后逐级通过所述伺服控制器、所述解码控制器向机床数控系统中的PLC反馈执行完成信号。

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