CN201845498U - 基于网络连接的多数控系统教学设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于网络连接的多数控系统教学设备，该设备包括显示器、通用数控机床控制面板、多系统主机和常规数控机床。该多系统主机具有存储器，其内存储至少三种不同的数控系统程序和多数控系统教学设备通讯协议，该显示器、该通用数控机床控制面板通过电缆与所述多系统主机电连接，该多系统主机具有第一通讯接口，该常规数控机床具有第二通讯接口，该第一通讯接口与第二通讯接口相连接，该多系统主机与常规数控机床通过所述多数控系统教学设备通讯协议进行通讯，将选择的存储器内的数控系统程序用于控制所述常规数控机床的工作。该教学设备具有成本低、升级方便的特点，且学生只需在一台机床上就可以学习多套数控系统。

Description

基于网络连接的多数控系统教学设备

技术领域

本实用新型涉及一种多数控系统教学设备。

背景技术

数控机床在机加工中应用越来越广泛，而目前大多学校和数控加工培训单位采用的教学培训设备都是常规数控机床或者电脑仿真软件。常规数控机床都是一台机床只配有一套数控系统，不同的数控系统操作方法和编程指令均有不同，如果想针对多套数控系统进行教学，那么就必须购买多台机床，还需要有足够大的空间来放置机床；而数控仿真软件虽然能在电脑上模拟多套系统，但是由于是通过显示屏显示控制按键和加工图形来模拟机床的加工过程，所以培训效果比较抽象，学生理解起来较为困难。

中国实用新型专利CN200620016891.0公开了一种教学数控机床，包括机械本体、驱动机构、主机、运动控制卡，所述运动控制卡与主机相连并通过一I/O接口板与驱动机构连接，其特征在于：所述教学数控机床还包括至少两套不同的控制系统及控制系统切换电路，每一控制系统均包括相应的操作界面，所述控制系统切换电路分别与各控制系统及主机相连且还连接于I/O接口板上，通过控制系统切换电路实现不同控制系统之间的切换；所述运动控制卡根据主机及控制系统的信号控制驱动机构的动作。该教学数控机床采用硬件电路实现各控制系统之间的切换，硬件电路制作成本高，且难以升级，当需要升级时，需要重新设计新的硬件电路，费时费力费钱。

实用新型内容

本实用新型解决了传统的多数控系统教学设备需要设计专用的硬件电路的技术问题，大大提高多数控系统教学设备的应用范围，并提高其升级速度，大幅度降低升级成本，安装调试方便。

本实用新型的一种技术方案是，一种基于网络连接的多数控系统教学设备，所述多数控系统教学设备包括显示器、通用数控机床控制面板、多系统主机和常规数控机床，其特征在于：所述多系统主机具有存储器，该存储器内存储至少三种不同的数控系统程序，所述显示器和所述通用数控机床控制面板通过电缆与所述多系统主机电连接，所述多系统主机还具有第一通讯接口，所述常规数控机床具有第二通讯接口，所述第一通讯接口与所述第二通讯接口相连接，所述多系统主机将经解释器译码后的G代码文件与通过驱动程序从面板获取的MCP指令一起作为打包数据进行打包，并通过所述第一通讯接口发送给所述常规数控机床，所述常规数控机床通过所述第二通讯接口接收到打包数据后进行解包操作获取解包数据，然后通过调用常规数控机床底层函数从解包数据中获取G代码文件和MCP指令，并使用G代码文件和MCP指令对机床进行指令控制，将选择的存储器内的数控系统程序用于控制所述常规数控机床的工作；所述常规数控机床将机床状态数据、PLC状态数据和故障报警数据打包成数据包后通过所述第二通讯接口发送给所述多系统主机，所述多系统主机通过所述第一通讯接口接收所述数据包后进行解包操作获取机床状态数据、PLC状态数据和故障报警数据，用于机床状态的显示。

其中，G代码文件是以规定的格式书写的数控代码，其构成加工程序，主要包括G指令(如G00、G01、G90、G91)、M指令(如M03、M04、M02、M30)和F、S、T指令(如F100、S1000)等，G代码文件先经过解释器译码，然后以规定的数据包格式打包发送；MCP指令是控制面板上的按键指令，主要包括模式选择、程序启停(急停、复位、循环启动、进给保持)、倍率设置、手动指令、主轴指令和辅助动作指令等，MCP指令通过面板驱动程序获取。

本实用新型的另一种技术方案是，一种基于网络连接的多数控系统教学设备，所述多数控系统教学设备包括显示器和通用数控机床控制面板、多系统主机和常规数控机床，其特征在于：所述多系统主机具有存储器，该存储器内存储至少三种不同的数控系统程序和多数控系统教学设备通讯协议，所述显示器和所述通用数控机床控制面板通过电缆与所述多系统主机电连接，所述多系统主机还具有第一通讯接口，所述常规数控机床具有第二通讯接口，所述第一通讯接口与所述第二通讯接口相连接，所述多系统主机与所述常规数控机床通过所述多数控系统教学设备通讯协议进行通讯，将选择的存储器内的数控系统程序用于控制所述常规数控机床的工作。

优选地，所述第一通讯接口和/或第二通讯接口为RJ-45接口、USB接口、串口或无线蓝牙接口。所述第一通讯接口和第二通讯接口为RJ-45接口时，所述第一通讯接口与第二通讯接口通过网线电连接。

优选地，所述数控系统程序具有显示界面和编辑界面，所述显示器为触摸屏，具有显示和编辑功能。

优选地，任一数控系统程序单独控制床身进行自动加工、编辑、手轮、JOG(手动连续进给)、DNC(数据传输)、MDI(手动数据输入)、增量进给和回零等各种动作，不同数控系统之间的切换简单方便。

与现有的技术相比，通过该基于网络连接的多数控系统教学设备可在一台数控机床上实现多套数控系统的教学，避免了购买多台不同控制系统的数控机床，节省了设备成本。学习不同的数控系统时只需选择相应的程序，不需要更换任何硬件配件，且设备体积小，占地少；学生只需在一台教学数控机床上学习多套数控系统后，就能操作工厂里安装了相应数控系统的数控机床，教学成本大为降低。

附图说明

图1是本实用新型的基于网络连接的多数控系统教学设备的原理图。

图2是本多数控系统教学设备的通讯方法的原理图。

图3是数据包的示意图。

图4是通讯数据的打包和解包流程图。

图5是临时缓冲区指令执行方式。

图6是下位机工作流程。

图7是上位机工作流程。

具体实施方式

如图1所示，本基于网络连接的多数控系统教学设备，所述多数控系统教学设备包括显示器1、通用数控机床控制面板2、多系统主机3和常规数控机床4。其中，多系统主机具有存储器5，其内存储至少三种不同的数控系统程序；所述显示器1、所述通用数控机床控制面板2通过电缆与所述多系统主机3电连接，所述多系统主机具有第一通讯接口6，所述常规数控机床4具有第二通讯接口7，所述第一通讯接口6与所述第二通讯接口7相连接。

如图2所示，所述多系统主机与所述常规数控机床的通讯流程如下，所述多系统主机将经解释器译码后的G代码文件与通过驱动程序从面板获取的MCP指令一起作为打包数据进行打包，并通过所述第一通讯接口发送给所述常规数控机床，所述常规数控机床通过所述第二通讯接口接收到打包数据后进行解包操作获取解包数据，然后通过调用常规数控机床底层函数从解包数据中获取G代码文件和MCP指令，并使用G代码文件和MCP指令对机床进行指令控制，将选择的存储器内的数控系统程序用于控制所述常规数控机床的工作；所述常规数控机床将机床状态数据、PLC状态数据和故障报警数据打包成数据包后通过所述第二通讯接口发送给所述多系统主机，所述多系统主机通过所述第一通讯接口接收所述数据包后进行解包操作获取机床状态数据、PLC状态数据和故障报警数据，用于机床状态的显示。将选择的存储器5内的数控系统程序用于控制所述常规数控机床4的工作。

其中，所述机床状态数据包括机床位置、速度和模态等，所述PLC状态数据包括伺服状态和主轴状态等，所述故障报警数据包括数控系统的硬件故障、软件故障、编程和操作错误引起的故障等。

其中，G代码文件是以规定的格式书写的数控代码，其构成加工程序，主要包括G指令(如G00、G01、G90、G91)、M指令(如M03、M04、M02、M30)和F、S、T指令(如F100、S1000)等，G代码文件先经过解释器译码，然后以规定的数据包格式打包发送；MCP指令是控制面板上的按键指令，主要包括模式选择、程序启停(急停、复位、循环启动、进给保持)、倍率设置、手动指令、主轴指令、辅助动作指令等，MCP指令通过面板驱动程序获取。

更进一步地，为了方便设计以及后续的升级操作，将所述多系统主机与所述常规数控机床的通讯方式封装为多数控系统教学设备通讯协议，存储在多系统主机中的存储器5中，方便使用。

所述多数控系统教学设备通讯协议的实现方法如下：

步骤1)：多系统主机作为上位机，上位机采用WINDOWS操作系统，常规数控机床作为下位机，下位机采用DOS采用系统；

步骤2)：上位机将经解释器译码后的G代码文件与通过驱动程序从面板获取的MCP指令一起作为打包数据进行打包，将打包后的数据包作为下行帧发送给下位机；

步骤3)：下位机接收到下行帧后进行解包操作获取解包数据，然后通过调用常规数控机床底层函数从解包数据中获取G代码文件和MCP指令，并使用G代码文件和MCP指令对机床进行指令控制；

步骤4)：下位机将通过用户接口函数从机床获取的机床状态数据、PLC状态数据和故障报警数据作为打包数据进行打包，将打包后的数据包作为上行帧发送给上位机；

步骤5)：上位机接收到上行帧后进行解包操作获取解包数据，然后通过调用上层函数从解包数据中获取机床状态数据、PLC状态数据和故障报警数据，用于机床状态的显示。

如图3所示，数据包由8字节指令头、n字节数据和4字节CRC数据校验码构成，其中，n为大于0的整数。

其中，指令头用于定义区分不同的指令，包括指令长度(1Byte)、指令序号(4Byte)、指令类型(1Byte)、指令名称(1Byte)、指令等级(1Byte)，其中，指令长度包含数据区长度加指令头长度加校验码长度；指令序号是标明指令的发出端顺序的，用于反馈信息的时候，表明当前机床执行的内容；指令类型说明指令的按照指令用途的划分，分为运动指令、主轴指令、倍率设置、刀具与刀库、其他动作、信息反馈和报警；指令名称说明指令的具体功能；指令等级说明指令的安全级别，重要程度等。

数据区用于封装指令的n字节的数据，根据不同指令所含数据的多少，数据区有(0～n)字节，n为大于0的整数。

CRC数据校验码用于校验数据传输的正确性，它有4字节。

本实用新型涉及到的指令的具体数据格式如下：

1.运动指令：

(1)手动运动：(包含点动、快速)

数据格式：速度f(浮点，4)+轴名称(字符，1)+方向(整数，4)；

(2)手动停止：(包含点动、快速)

数据格式：轴名称(字符，1)；

(3)增量：

数据格式：轴名称(字符，1)+方向(整数，4)+倍率(整形10的幂，1)；

(4)手轮运动：

数据格式：速度f(浮点，4)+轴名称(字符，1)+方向(整数，4)+倍率(整形10的幂，1)；

(5)参考点：(回参考点运动)

数据格式：轴名称(字符，1)；

(6)快速定位：(G00运动)

数据格式：速度f(浮点，4)+轴数n(整数，1)+轴1名称(字符，1)+轴2名称(字符，1)+…+轴n名称(字符，1)+目的轴1坐标(整数脉冲数，4)+目的轴2坐标(整数脉冲数，4)+…+目的轴n坐标(整数脉冲数，4)；

(7)直线插补：(G01运动)

数据格式：速度f(浮点，4)+轴数n(整数，1)+轴1名称(字符，1)+轴2名称(字符，1)+…+轴n名称(字符，1)+目的轴1坐标(整数脉冲数，4)+目的轴2坐标(整数脉冲数，4)+…+目的轴n坐标(整数脉冲数，4)；

(8)顺圆插补：(G02运动)

数据格式：速度f(浮点，4)+圆弧平面(整数，1)+轴数n(整数，1)+轴1名称(字符，1)+轴2名称(字符，1)+…+轴n名称(字符，1)+目的轴1坐标(整数脉冲数，4)+目的轴2坐标(整数脉冲数，4)+…+目的轴n坐标(整数脉冲数，4)+圆心轴1坐标(整数脉冲数，4)+圆心轴2坐标(整数脉冲数，4)+…+圆心轴n坐标(整数脉冲数，4)；

(9)逆圆插补：(G03运动)

数据格式：速度f(浮点，4)+圆弧平面(整数，1)+轴数n(整数，1)+轴1名称(字符，1)+轴2名称(字符，1)+…+轴n名称(字符，1)+目的轴1坐标(整数脉冲数，4)+目的轴2坐标(整数脉冲数，4)+…+目的轴n坐标(整数脉冲数，4)+圆心轴1坐标(整数脉冲数，4)+圆心轴2坐标(整数脉冲数，4)+…+圆心轴n坐标(整数脉冲数，4)；

2、主轴指令：

(1)主轴正转，数据格式：转速(浮点，4)；

(2)主轴反转，数据格式：转速(浮点，4)；

(3)主轴停，数据格式：(无数据)；

(4)主轴制动，数据格式：(无数据)；

(5)主轴定向，数据格式：定位角度(脉冲数，4)；

(6)主轴点动，数据格式：(无数据)；

3、刀具与刀库：

(1)选刀，数据格式：刀具号(整数，1)；

(2)换刀，数据格式：(无数据)；

(3)刀库正转，数据格式：(无数据)；

(4)刀库反转，数据格式：(无数据)；

4、其他动作：

(1)卡盘松紧：(车床卡盘动作)

数据格式：夹紧方向(整数，1)+松紧动作(整数，1)；

(2)刀具松紧(铣床主轴刀具夹紧动作)

数据格式：松紧动作(整数，1)；

(3)冷却液，数据格式：冷却液喷头号(整数，1)+开关动作(整数，1)；

(4)照明灯，数据格式：照明灯具号(整数，1)+开关动作(整数，1)；

(5)运屑动作，数据格式：运屑动作(整数，1)；

(6)急停，数据格式：开关动作(整数，1)；

(7)循环启动，数据格式：(无数据)；

(8)进给保持，数据格式：(无数据)；

(9)程序终止，数据格式：(无数据)；

(10)模式选择，数据格式：模式(整数，1)；

(11)输出点，使用I/O配置文件实现其他未定义功能；

5、倍率设置：(修调)

(1)进给倍率，数据格式：倍率(浮点，4)；

(2)快速倍率，数据格式：倍率(浮点，4)；

(3)主轴倍率，数据格式：倍率(浮点，4)；

6、信息反馈：

(1)当前机床坐标：

数据格式：轴数n(整数，1)+轴1名称(字符，1)+轴2名称(字符，1)+…+轴n名称(字符，1)+轴1坐标(整数脉冲数，4)+轴2坐标(整数脉冲数，4)+…+轴n坐标(整数脉冲数，4)；

(2)伺服状态，数据格式：状态(整数，1)；

(3)主轴状态，数据格式：主轴状态(整数，1)；

(4)执行指令，数据格式：指令序号(整数，4)；

(5)指令完毕，数据格式：指令序号(整数，4)；

(6)脉冲当量，数据格式：脉冲当量(浮点，4)；

(7)合成速度，数据格式：合成速度(浮点，4)；

(8)主轴速度，数据格式：实际速度(整数，4)；

(9)主轴位置，数据格式：主轴角度(脉冲数)；

(10)输入点，通过I/O配置文件实现机床基本状态的查询(比如刀具是否夹紧等)

7、报警：

(1)报警，数据格式：报警索引号(整数，4)。

如图4a所示，所述数据包的打包过程如下：

步骤a)：采集信息，用于获取要进行打包操作的数据及指令；

步骤b)：计算指令的长度，为该指令分配内存，并写入指令长度；

步骤c)：写入指针后移1字节，写入指令头；

步骤d)：写入指针后移7字节，写入数据，指针后移n字节；

步骤e)：判断采集信息是否完成，如果否，则，返回步骤a)，如果是，进入步骤f)；

步骤f)：写入4字节的CRC数据校验码，结束。

如图4b所示，所述解包操作的过程如下：

步骤a)：读取数据包的第一字节值，将其与收到的字节数进行比较，如果相等，则进行步骤b)，如果不相等，则进入步骤e)；

步骤b)：读取指针后移1字节，读取指令头；

步骤c)：读取指针后移7字节，读取数据，指针后移n字节；

步骤d)：读取4字节的CRC数据校验码；

步骤e)：结束。

其中，n为大于零的整数。

采用上述多数控系统教学设备通讯协议进行多系统主机与常规数控机床之间的通讯还有以下优点：

1、确保指令执行的连续性

一方面考虑到下位机内存的限制，另一方面为了解决指令发送速度与指令执行速度的不匹配问题，以保证指令执行的连续性，在下位机设置了临时缓冲区，用来暂时存放指令，优选的一种情况是临时缓冲区大小为20，即最多可以存放20条指令。

上位机不断向下位机发送下行帧数据直到填满缓冲区，缓冲区指令被循环顺序执行，执行完一条指令就将存放该指令的指令缓冲区清空，上位机在判断前半部指令缓冲区为空之后，又继续发送数据将缓冲区填满，这样可以保证在上位机还有数据发送时，下位机临时缓冲区还有指令可供执行，这样程序可以连续执行而不间断，并且又节约了下位机的内存空间。

2、确保指令执行的实时性

为了保证如进给保持、循环启动、急停、复位等程序控制指令的实时执行，将下位机的临时缓冲区分为高优先级缓冲区和低优先级缓冲区，高优先级缓冲区的指令一旦被接收到，就立即执行，低优先级缓冲区的指令则放在缓冲区中循环顺序执行。

如图5所示，高优先级指令缓冲区中的指令优先抢占式执行，高、低优先级指令缓冲区内部各指令顺序循环执行。低优先级指令主要是指G代码程序，从上位机接收，然后依次放到低优先级缓冲区顺序循环执行。高优先级指令主要是MCP面板指令，一旦从上位机接收，就立即执行。也就是说，高优先级指令缓冲区中的指令优先抢占式执行，低优先级指令缓冲区内部各指令顺序循环执行。

图6示出了下位机工作流程，下位机在和上位机建立连接后，除了采集机床设备的信息以外，也要准备接收上位机发来的控制命令，以对机床设备进行操作。所以下位机的工作流程，在连接建立后，下位机工作流程分为两支，一支用于系统及设备信息的采集发送，一支用于接收上位机的控制命令。

图7示出了上位机在与下位机建立连接后，一方面，它要接收并处理来自下位机的系统及设备信息，另一方面，它还要将通过操作面板或其他方式输入的控制指令发送到下位机以实现对数控设备的远程操作，在连接建立后，上位机的工作流程同样分为两支：一支用于接收来自面板或其他途径的控制信息并发送至下位机，一支用于接收下位机(服务端)传递的状态信息。

采用上述多数控系统教学设备通讯协议的基于网络连接的多数控系统教学设备硬件结构与图1所示的结构相同，其具体操作过程为：所述多数控系统教学设备包括显示器1、通用数控机床控制面板2、多系统主机3和常规数控机床4，所述多系统主机具有存储器5，其内存储至少三种不同的数控系统程序和多数控系统教学设备通讯协议，所述显示器1、所述通用数控机床控制面板2通过电缆与所述多系统主机3电连接，所述多系统主机3具有第一通讯接口6，所述常规数控机床具有第二通讯接口7，所述第一通讯接口6与所述第二通讯接口7相连接，所述多系统主机3与所述常规数控机床4通过所述多数控系统教学设备通讯协议进行通讯，将选择的存储器5内的数控系统程序用于控制所述常规数控机床4的工作。

此外，所述第一通讯接口6、第二通讯接口7为RJ-45接口、USB接口、串口或无线蓝牙接口，满足不同的客户需要。如使用RJ-45接口时，可通过网线连接即可，方便快捷。

此外，所述数控系统程序具有显示界面和编辑界面，所述显示器为触摸屏，具有显示和编辑功能。

此外，任一数控系统程序单独控制床身进行自动加工、编辑、手轮、手动连续进给(JOG)、数据传输(DNC)、手动数据输入(MDI)、增量进给和回零等各种动作，不同数控系统之间的切换简单方便。

由于本基于网络连接的多数控系统教学设备采用了触摸显示屏，每套数控系统专用的MDI面板就集成到了显示屏上面，当更换不同的数控系统来控制机床运行时，就不用再去更换MDI面板，直接就能在显示屏上显示出很完美的按键并可进行触控操作，主机内安装的数控系统数量越多，数控系统的性价比就越高。每套控制程序的操作界面及操作方式分别与目前市场上几套主流数控系统相同，均执行相同的工艺规范，且可兼容标准G代码，使用Mastercam、UG等软件生成的加工程序能被本数控系统直接调用。每套数控程序都能独立运行，只需在触摸屏上根据提示选择，就可以进入不同的数控系统，且操作方法与目前实际应用中的几种主流数控系统一致，在一台教学数控机床上进行多套数控系统的教学，避免了购买多台不同数控系统的数控机床，设备体积小，节省教室空间，并可以大幅度的节约教育经费，且该设备升级方便，费用低。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

例如，在本实施方式中，上位机采用的操作系统是windows操作系统，而下位机采用的是dos操作系统；但是本发明对上位机和下位机采用的操作系统并没有具体的限制，本领域普通技术人员可以为上位机和下位机采用任何合适的操作系统。

Claims (5)

1.一种基于网络连接的多数控系统教学设备，所述多数控系统教学设备包括显示器、通用数控机床控制面板、多系统主机和常规数控机床，其特征在于：所述多系统主机具有存储器，所述显示器和所述通用数控机床控制面板通过电缆与所述多系统主机电连接，所述多系统主机还具有第一通讯接口，所述常规数控机床具有第二通讯接口，所述第一通讯接口与所述第二通讯接口相连接。

2.根据权利要求1所述的基于网络连接的多数控系统教学设备，其特征在于：所述第一通讯接口和/或第二通讯接口为RJ-45接口、USB接口、串口或无线蓝牙接口。

3.一种基于网络连接的多数控系统教学设备，所述多数控系统教学设备包括显示器、通用数控机床控制面板、多系统主机和常规数控机床，其特征在于：所述多系统主机具有存储器，所述显示器和所述通用数控机床控制面板通过电缆与所述多系统主机电连接，所述多系统主机还具有第一通讯接口，所述常规数控机床具有第二通讯接口，所述第一通讯接口与所述第二通讯接口相连接，所述多系统主机与所述常规数控机床通过所述多数控系统教学设备通讯协议进行通讯，将选择的存储器内的数控系统程序用于控制所述常规数控机床的工作。

4.根据权利要求3所述的教学设备，其特征在于：所述第一通讯接口和/或第二通讯接口为RJ-45接口、USB接口、串口或无线蓝牙接口。

5.根据权利要求4所述的教学设备，其特征在于：所述第一通讯接口和第二通讯接口为RJ-45接口时，所述第一通讯接口与第二通讯接口通过网线电连接。 

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