CN111813052A - 一种数控系统结构和通用数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控系统结构；实现了数控系统的解释器，包括常用G代码和条件判断指令、跳转指令和子程序调用，公开了解释器系统程序流程图；开发了数控系统轨迹规划器，实现7段速度S曲线并具有速度前瞻功能；公开了数控系统插补器程序流程图，给出了得到当前时间电机轴位置的方法；开发了数控系统的自动模式、MDI模式、JOG模式、单步模式、回零模式，给出了软件界面；公开了数控系统动态倍率调整程序流程图；给出了数控系统多通道实现方法，及共享变量的使用；强调数控系统的柔性，也是工业4.0的重要基础内容，对上层开发了FTP文件传输服务器接口、Web Service服务接口、tcp/ip命令接口和JSON解析器，上层系统可以方便的对设备进行远程控制和监控，大大提高设备整体柔性。综上所述，该发明具有良好的应用前景。

Description

一种数控系统结构和通用数控系统

技术领域

本发明涉及核心基础类装备制造业技术领域，尤其涉及一种数控系统结构和通用数控系统。

背景技术

数控机床属于核心基础装备制造业，号称"工业母机"，其技能水平代表着一个国家的核心竞争力，尤其是五轴联动高级数控机床对一个国家的航空、航天、军事、科研、精细机械、高精医疗设备等职业有着无足轻重的影响力。数控系统是机床配备的大脑，是决定数控机床功能、可靠性、成本价格的要害因素，也是制约我国数控机床职业发展的瓶颈。

数控装置是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。

输入数据处理程序接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。

轨迹规划器是数控系统运动过程中的位移、速度和加速度的曲线轮廓，与机构的运动学和动力学都有关系。为了减少设备的振动，提高设备运行的平稳性，轨迹规划的最低要求是加速度曲线要连续。传统的CNC轨迹规划在单段NC程序上完成，这样加工效率较低。

插补控制器指的是决定坐标轴联动过程中各坐标轴的运动顺序、位移、方向和速度的协调过程即为插补。影响数控插补效果最重要的因素是实时性。由于数控系统的插补运算不但实时性要求高，而且运算数据量也大，因此较好的方案是在实时操作系统环境下实现主站的插补运算。目前，关于实时操作系统的研究比较成熟，市面上有很多成熟的产品可供选择，如RTX、VxWorks、uC/OS-II、RT-Linux、QNX、KRMotion等。

CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点、既定速度等进行中间输出点的插值密化运算。上述密化计算不仅要严格遵循给定轨迹要求还要符合机械系统平稳运动加减速的要求。根据运算结果，分别向各坐标轴发出形成进给运动的位置指令。这个过程称为插补运算。

插补运算计算得到进给运动的位置指令通过CNC内或伺服系统内的位置闭环、速度环、电流环控制调节，输出电流驱动电机带动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。在插补控制器与关键的伺服驱动器设备的实时通信方面，目前仍以脉冲技术为主。实时以太网总统技术作为脉冲技术的替代技术，最为突出的要数EtherCAT，己成为下一步技术发展趋势，正在处于快速发展阶段。实时以太网总线技术具有如下优点： (1)传输速度快，数据包容量大，传输距离长；(2)使用通用以太网元器件，性价比高。

随着经济全球化的发展，面对越来越残酷的市场竞争，只有简单的产品加工功能的单通道数控系统已经不能满足客户日益增长的需求。在目前数控加工、工业自动化应用中，存在多种复杂控制情况，如加工同时自动上下料，或工件需要不同刀具进行加工，但是二次夹装或者换刀都需要重新对位，影响加工精度。单一通道数控系统已经不能满足复杂加工的要求。

传统数控系统缺乏统一有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互联，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。加工制造的一个趋势是提高设备的柔性。机床的柔性，即指某一机床进行变更以适应加工不同工件的能力。柔性技术的发展和柔性概念的不断变化都是由于社会对产品需求的多样性与产品的多变性造成的。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于他是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明开发了一种数控系统结构和通用数控系统。能够实现指令解释、轨迹规划、插补、动态倍率调整，运行模式有自动、MDI、JOG、单步模式；开放了FTP服务器、tcp/ip命令通道和Web Service来响应上层如MES系统的文件和指令；硬件平台只需要在实时系统下即可。

为了达到上述目的，本发明开发出了一种数控系统解释器，该方法包括：

数控代码解释器关系到加工效率、加工质量,是解析用户代码的必要途径,具有重要的作用。数控程序编译水平及效率是影响数控加工效率的一项重要因素。解释器解释输入的零件加工程序，经过词法和语法分析后，得到数控系统其他模块需要的数据结构并放到队列中。

可以实现对常用G代码的解释，如快速定位、直线插补、圆弧插补、延时、坐标系变换等指令。

在此基础上，针对相同指令不同坐标位置且坐标位置有规律的循环运动场合，解释器支持变量运算。

为了在加工过程中，根据不同外部环境的条件有不同的执行效果，解释器支持条件判断指令、跳转指令和子程序调用。

为了达到上述目的，本发明开发出了一种数控系统轨迹规划器，该方法包括：

规划器根据加速度和轨迹误差度策略采用速度前瞻的算法来保证加工曲线在曲线过渡过程中速度不会降到零，有效实现了连续轨迹间过渡速度的高速衔接，大大缩短了加工时间，提高加工效率。

速度前瞻是在对解释器送来的每条指令，预先对加工轨迹进行分析，根据分析，来判定曲线过渡点的速度。

规划器采用7段速度S曲线，S曲线算法的核心思想是让加速度不产生突变，从而使被控对象的速度控制具有快速、平稳的特性。

为了达到上述目的，本发明开发出了一种数控系统插补器，该方法包括：

机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为“数据点的密化”。 插补器基本要求：（1）插补所需的原始数据较少。（2）有较高的插补精度，插补结果没有累计误差，局部偏差不能超过允许的误差（一般应保证小于规定的分辨率）。（3）沿进给路线，进给速度恒定且符合加工要求。（4）硬件实现简单可靠，软件算法简洁，计算速度快。

为了达到上述目的，本发明开发出了一种数控系统操作模式处理方式，该方法包括：

为了更好更方便的使用数控系统，数控系统应该有多种模式。系统的模式有自动模式、MDI模式、JOG模式、单步模式、回零模式。

为了达到上述目的，本发明开发出了一种数控系统动态倍率调整处理方式，该方法包括：

数控机床的倍率主要是改变快速运动、直线/圆弧插补的运行速度。为了调试方便，正常加工时，可以改变操作界面上的倍率旋钮开关来改变相应的运行速度。

为了达到上述目的，本发明开发出了一种数控系统多通道处理方式，该方法包括：

随着数控机床向大型化、复杂化方向的发展，数控机床的控制轴数也越来越多，所要求的功能也越多，对加工的同时性要求也越来越高，往往要求机床在同一时间能加工不同的零件、做不同的操作，且互相独立、互不影响，这就需要数控系统具备多通道技术。

通过配置文件的修改，系统可以控制多个同时加工的数控设备，设备之间可以通过共享全局变量进行信息的交换和互斥等操作。

为了达到上述目的，本发明开发出了一种数控系统加工指令柔性处理方式，该方法包括：

加工制造的一个趋势是提高设备的柔性。数控系统应该可以接收上层系统如MES系统下发的加工程序、修改参数和发送远程命令。

本系统提供了开放的文件传输接口来接受上层系统发送的加工程序；通过tcp/ip传输可以修改数控系统的参数和接收远程启停机的命令及发送系统本身状态数据。

附图说明

下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。

图1为本数控系统解释器系统的处理流程图。

图2为本数控系统插补器系统的处理流程图。

图3为本发明实施例的数控系统界面图。

图4为本发明实施例的数控系统动态倍率调整的处理流程图。

具体实施方式

为了达到上述目的，图1是示出本数控系统解释器系统的示例方法的程序流程图。

本数控系统解释器先对输入的一条指令进行块102的规范化，在块104处取出各部分关键词。在块106处如果判断是G代码，则交给块108的G代码解释器进行信息的提取，错误的检查，G代码解释器会记录运动模式，计算运动曲线的距离，运行速度等信息后调用轨迹规划模块进行速度前瞻相关运算，结果写入命令缓冲区后插入命令队列；如果不是G代码，在块110处判断是否是变量运算，如果是变量运算，则执行块112相应的变量运算处理；如果不是变量运算，在块114处判断是否是跳转、子程序调用、条件判断，如果是则同步到命令运行缓冲区中没有执行的命令时再执行块116的内容。如果不是跳转、子程序调用、条件判则进行块118的JSON表达式判断，如果是则进行块112的JSON解析器处理，否则报错未知指令。

规划器采用7段速度S曲线且有最大加速度限制，保证加速度连续不产生突变。规划器根据线段的起始速度、结束速度、运行允许的最大速度或运行时间、机械结构所允许的最大加速度、运行的曲线长度，首先计算实际的运行最大速度，然后确定7段曲线各段的运行时间，构建运行时间与曲线位置的函数关系。基本公式如下：

速度前瞻根据当前指令的距离、速度，计算当前命令缓冲区中各段运动指令的出入口速度。系统通过配置文件中设置的相关参数，根据加速度和轨迹误差策略计算出过渡点的运动速度，提高加工效率。

根据数控系统位置必须精确的应用需求，运行系统记录当前曲线的运行时间，从由规划器构建的运行时间与曲线位置的函数关系中得到当前的曲线位置。该位置确保了位置的精确，排除了计算机累计误差产生的不精确问题。由于在曲线结束时可能但前的时间间隙没有用完，将会规划下段运行曲线，把剩余的时间用在新曲线段，计算当前位置。这样可以很好的防止加速度突变引起的机械振动。

为了达到上述目的，图2是示出本数控系统插补器系统的示例方法的程序流程图。

本数控系统插补器先对当前的时间进行更新，时间间隔为任务周期，由规划器构建的运行时间与曲线位置的函数关系中得到当前的曲线位置，如202，此处使用的绝对时间确保了位置的精确，避免了累计误差的出现。在块204处判断是否有由于当前曲线结束还存在剩余时间，如果没有剩余时间（通常是当前曲线没有完成）则更新各轴位置信息并返回。如果存在剩余时间，在块208处取出缓冲区中的下一条指令，在块210处更新时间为剩余时间计算路径距离，并再次在块212处判断是否有剩余时间，此处是循环操作。

根据当前运行的曲线类型（直线或圆弧），由曲线的特征参数和得到的当前曲线位置，计算出各运动轴当前的坐标。

得到各运动轴当前坐标后，经过与机械结构有关的运动学逆解过程可以得到各电机轴的实际位置。

得到各电机轴的实际位置后，经过传动比和电机零点的数值，计算当前电机的脉冲当量。

考虑到通用数控系统的特性，不应该拘泥于某些特定硬件。从计算得到的电机轴的实际位置到执行器（步进电机或伺服电机等），没有定义具体的实现。

可选地对于步进电机单片机控制，可以使用DDA算法来实现微小线段的插补。

可选地对于PC实时系统加总线控制，可以在得到电机轴的实际位置后通过通讯方式下发到伺服驱动器，通讯方式如EtherCAT。

可选地对于PC系统加板卡脉冲控制，可以在得到电机轴的实际位置后通过板卡的API函数把位置发送到板卡的缓冲区，进而控制伺服驱动器的运动。

可选地对于运动控制器，可以在得到电机轴的实际位置后通过运动控制接口（如PLCopen part 3定义的接口），进而控制伺服驱动器的运动。

本系统的模式有自动模式、MDI模式、JOG模式、单步模式、回零模式。图3是示出本数控系统的操作界面。

自动模式是在选择了加工程序文件后，按照文件的指令自动运行直到加工结束的方式。

MDI（Manual Data Input）模式是手动输入程序控制模式，在MDI方式下通过手动在界面MDI输入区输入代码，比如G28归零，换刀，夹头松夹，动力头换刀，动力头转动等，按启动键，进行代码执行。一般可配合手动模式（手轮）用于找正、对刀、检测等工作。

JOG模式是“点动”功能，主要强调用户手动操作，用于数控系统的打点操作。具体来说，点动有两种操作方式：连续点动是最常用的一种方式，当用户按下点动按键时，对应的轴就会以设定好的速度连续转动，一旦用户松开按键，轴就会立即停止转动；增量点动是当用户按下点动按键时，轴就会以设定好的速度转动某个固定的角度（或距离），到达这个角度后，轴就会停止转动，而不管用户是否一直按着按键，当用户松开按键并再次按下按键时，轴又会以同样的方式运动。

单步模式是在选择了加工程序文件后，按照文件的指令运行一条语句，语句结束后再次按启动键，再运行一条语句，直到加工结束的方式。

回零模式有多种，主要是让数控系统有一个位置参考点。根据应用场合，各系统回零方式各有区别，可以通过配置文件选择确定。有传感器回零，编码器绝对位置回零，当前位置回零等方式。

数控机床的倍率主要是改变快速运动、直线/圆弧插补的运行速度。为了调试方便，正常加工时，可以改变操作界面上的倍率旋钮开关来改变相应的运行速度。当倍率修改时，不能对当前的运动加速度造成跳变，必须根据当前的速度、加速度、剩余距离等重新进行路经规划操作。

为了达到上述目的，图4是示出本数控系统动态倍率调整系统的示例方法的程序流程图。

本数控系动态倍率调整系统在进给倍率变化后进行工作，在块402处得到新的进给倍率的值。在块404处根据当前的运动状态来确定初始速度、位移等参数，修改指令缓冲区内容。在块406对全部指令缓冲区内的内容重新进行路径规划。在块408处修改当前运动参数。

系统对每一个通道的数控系统都组织成一个结构体，系统相关的配置、参数、状态等都相互独立，这样可以使多个系统单独运行而不互相影响。值得注意的是，对于电机位置参数，由于实时性要求较高，通常慢一个周期。在本周期前段把上一周期计算的电机位置下发到驱动器或其他实时模块，在本周期的后段计算下一周期应该达到的电机位置。

通常多个通道的设备之间需要进行信息的交互，比如数据和互斥的操作，可以通过系统共享全局变量进行信息的交换和互斥等操作。

加工制造的一个趋势是提高设备的柔性，方便接收上层如MES系统传来的加工程序、修改参数和发送远程命令。本系统开放出FTP文件传输服务器接口，上层系统可以通过用户名和密码来登录FTP服务器，把需要加工的文件传送到系统。开放tcp/ip命令接口，用自定义协议可以控制系统的启动、停止、暂停、装载文件等操作。

系统开发出JSON解析器，上层系统可以用JSON表达式通过网络命令接口修改系统的速度限制、加速度限制、jerk参数限制、软件限位等系统参数。

与现有技术相比，本发明包括：公开了一种数控系统结构；实现了数控系统的解释器，包括常用G代码和条件判断指令、跳转指令和子程序调用，公开了解释器系统程序流程图；开发了数控系统轨迹规划器，实现7段速度S曲线并具有速度前瞻功能；公开了数控系统插补器程序流程图，给出了得到当前时间电机轴位置的方法；开发了数控系统的自动模式、MDI模式、JOG模式、单步模式、回零模式，给出了软件界面；公开了数控系统动态倍率调整程序流程图；给出了数控系统多通道实现方法，及共享变量的使用；强调数控系统的柔性，也是工业4.0的重要基础内容，对上层开发了FTP文件传输服务器接口、Web Service服务接口、tcp/ip命令接口和JSON解析器，上层系统可以方便的对设备进行远程控制和监控，大大提高设备整体柔性。

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 (5)

1.一种数控系统结构和通用数控系统，包括：多通道的运行方式、系统解释器、轨迹规划模块、插补器、动态倍率调整、TP服务器、tcp/ip命令通道和Web Service服务。

2.根据权利要求1所述的数控系统结构和通用数控系统，其特征在于：数控系统提供多通道的运行方式，各通道之间互不影响，可以通过共享全局变量的方式进行信息传递和互斥等操作，使得系统可以用于更复杂的工况。

3.根据权利要求1所述的数控系统结构和通用数控系统，其特征在于：动态倍率调整可以随时调整倍率来改变运行的速度并给出了实现框图。

4.根据权利要求1所述的数控系统结构和通用数控系统，其特征在于：为了提高系统开放性和柔性，开发了FTP服务器、tcp/ip命令通道和Web Service来响应上层如MES系统的文件和指令。

5.通过本发明的方案，可以实现一个开放性很强的通用数控系统，为工业4.0实现硬件基础。

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