CN201904023U - 单机多平台数控加工硬面板仿真器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于数控加工仿真的硬面板仿真器硬件系统。整个硬件系统包括仿真器主机、数控系统键盘面板、数控系统软键盘面板和机床操作辅助面板等几部分。该硬件系统通过对硬面板的更换实现在同一硬件平台上对不同数控系统的操作仿真，可以模拟真实数控系统的基本操作和机床控制操作。仿真器通过串口与上位PC机相连接，通过运行于PC机上的数控加工仿真软件模拟显示数控系统运行状态，并可与PC机上的数控加工仿真软件中的虚拟机床仿真模块连接，驱动虚拟机床进行数控加工仿真。本实用新型由于以高性能单片机为核心构建，采用多级CPU通讯结构，具有易于实现硬件面板的更换，操作真实，仿真度高等特点，对于节省数控仿真成本，提高效率，具有显著的社会和经济效益。

Description

单机多平台数控加工硬面板仿真器

技术领域

本实用新型涉及一种用来对数控系统操作状态进行模拟的单机多平台硬面板仿真器硬件系统。

背景技术

数控加工仿真技术是数控加工实际生产和教学的重要技术手段，目前主流的数控加工仿真培训方式有两种：数控加工仿真软件方式和实际机床硬件设备方式。数控加工仿真软件方式可以实现大规模培训，材料消耗少，培训成本低廉，由于只能在电脑上模拟进行数控面板操作或元件的状态变化等，难以仿真现实中数控面板的操作和硬件状态的变化，功能较单一、真实感不强，扩展性较差。实际机床硬件设备培训方式和真实操作一样，但昂贵的设备投入、培训资源消耗大，培训成本高，只能实现单一系统的培训，难以实现大规模培训等是实际机床硬件设备培训方式所面临的瓶颈问题。基于这种现状，利用虚实结合的硬面板仿真器的仿真模式可以有效解决以上两种仿真方式的瓶颈问题，基于高性能单片机的主从CPU架构的硬面板仿真器硬件系统，可以在单一硬件平台上通过硬件面板的更换实现不同数控的仿真，容易实现大规模培训，能够有效地提高仿真操作真实感，节省培训投入，降低培训成本，具有很好的适应性和扩展性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题是提供一种单机多平台硬面板仿真器硬件系统，这种硬件控制系统是一种硬件方式实现数控系统操作模拟的仿真模式，可以模拟实际数控系统的操作和数控系统硬件的状态变化，通过对仿真器操作面板(数控系统键盘、数控系统软键盘、机床操作辅助面板)的更换实现对不同数控系统的面板操作仿真、仿真器通过外围通讯接口和上位PC机通讯，可以实时显示数控系统操作数据和状态信息，并可接收PC机下行指令，更新仿真器硬件状态。

本实用新型提供的技术方案是：一种单机多平台硬面板仿真器硬件系统，包括仿真器主机、数控系统键盘、数控系统软键盘、机床操作辅助面板和仿真器外围通讯接口系统等几部分。仿真器主机通过外围通讯接口与仿真器操作键盘和PC机通讯，主机通过串口实时扫描系统键盘、系统软键盘和辅助面板的操作状态，并将操作状态数据通过与PC机连接的上行通讯串口送入PC机中，在PC机中模拟显示数控系统操作状态，同时仿真器主机接收PC机的下行指令更新各操作面板的硬件状态。

上述硬面板仿真器主机由机壳及其内部的控制电路连接构成，在机壳上设有数控系统键盘、数控系统软键盘、机床操作辅助面板和串行接口，所述的控制电路包括一主CPU、三从CPU、四个串行通信接口、数控系统键盘模块、数控系统软键盘模块、机床操作辅助面板模块和操作元件模块，主CPU通过第一串行通信接口与PC机串行通信接口相连接，主CPU通过其他串行通信接口分别连接到与三从CPU相连接的串行通信模块，三从CPU分别通过数控系统键盘模块、数控系统软键盘模块、机床操作辅助面板模块与仿真器主机相连接。

上述硬面板仿真器数控系统键盘、数控系统软键盘和机床操作辅助面板的结构相似，均由机壳及其内部的控制电路连接构成，在操作面板的机壳上设有串行接口，通过通讯电缆和仿真器主机连接，操作面板控制电路由二级从CPU为控制核心，包括单片机CPU、存储器、开关量输入模块、开关量输出模块、通讯接口等，负责扫面具体的面板操作状态，并通过通讯接口传送到主CPU，经主CPU传送到PC机中。

上述硬面板仿真器采用两级主从CPU构架，主CPU置于面板仿真器主机内，属不可更换部分，三从CPU置于各自操作面板机壳内，为可更换部分，主CPU和从CPU简、主CPU和PC间均采用统一的通讯协议通讯，操作面板更换时，各CPU间的通讯协议不变，以保证PC端软件对协议的统一解析。

上述硬面板仿真器采用同一的通讯协议与PC机通讯，以保证对不同数控系统面板模拟时PC机端软件对操作对象的统一识别。其通讯协议结构包括：协议头、命令字、CPU号、版本号、对象类型号、对象标识号、事件号、属性值、校验和和协议尾。此通讯协议格式基于面向对象方法定义，可以保证对不同类型操作元件的操作状态的统一表达。

上述控制电路主CPU为PIC18F8520单片机，所述的三从CPU均为PIC18F4520单片机，所述的串行通信模块为MAX232芯片，所述的操作元件模块为CD4502芯片，所述的数控系统键盘模块、数控系统软键盘模块和机床操作辅助面板模块均为CD4501芯片。

本实用新型由于采用高性能单片机的主从两级CPU结构，主CPU置于不可更换的仿真主机内负责与PC机和仿真器操作面板通讯，从CPU置于可更换的操作面板内，通过更换不同的操作面板，实现对不同数控系统的硬面板仿真，这种结构各操作面板相对独立，更换快捷方便，配合PC极端的数控加工仿真系统，可以形成虚实结合的仿真模式，该模式有效地结合了纯软件仿真和真实数控设备仿真的优点，可以在单一平台上模拟多种不同的数控系统，易于系统的扩展，具有操作真实感强，成本低廉的特点，是一种全新的硬面板仿真器产品，如推广使用将具有显著的社会和经济效益。

附图说明

图1为本实用新型的仿真器工作原理示意图；

图2为本实用新型的仿真器组成简图；

图3为本实用新型的仿真主机电路原理图；

图4为本实用新型的可更换硬面板电路原理图；

图2中1-数控系统键盘面板2-仿真器主机3-机床操作辅助面板4-数控系统软键盘面板5-上位PC主机显示器

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施方式做进一步详述。

参见图1所示，单机多平台数控加工硬面板仿真器系统由数控系统显示设备、硬面板仿真器主机和仿真器操作面板通过串行通讯接口连接构成，数控系统显示设备为一台安装数控操作状态模拟显示并具有串行接口的PC机，数控系统显示设备通过串行接口与硬面板仿真器主机连接，硬面板仿真器主机串行接口分别与仿真器操作面板连接，仿真器操作面板包括数控系统键盘、数控系统软键盘和机床操作辅助面板，同时仿真器主机通过开关显输入输出模块扫描不进行更换的通用数控操作元件，通用操作元件包括手轮、急停开关、循环启停、上电开关等数控设备必备的操作元件。

硬面板仿真器主机由机壳及其内部的控制电路连接构成，在机壳的背侧面分别设有四个串行接口，其中第一串行接口通过RS232通信电缆与数控系统显示设备的串行接口相连接实现通信功能；仿真器主机开关量输入输出模块通过内部并行线缆和通用操作元件连接，以完成对通用操作元件的操作状态扫描；硬面板仿真器主机通过其他三个串行接口分别与数控系统键盘、数控系统软键盘和机床操作辅助面板通讯，以完成对仿真器操作面板操作状态的扫描；仿真器主机的内部控制电路如图3所示，该控制电路包括主CPU、存储器、开关量输入模块、开关量输出模块、通讯接口五部分组成。

硬面板仿真器操作面板由机壳及其内部的控制电路连接构成，在操作面板的侧面设有一个串行通讯接口，该通讯接口通过RS232通信电缆与硬面板仿真器主机的串行接口相连接，实现与主机的通讯功能；数控系统键盘、数控系统软键盘和机床操作辅助面板的结构类似，硬面板仿真器操作面板元件通过操作面板通过内部并行线缆与开关量输入输出模块连接，由从CPU负责扫描操作状态，并将操作状态通过串行接口传送到主CPU中，并经主CPU传入PC机中；硬面板仿真器操作面板内部控制电路如图4所示，该控制电路包括从CPU、单片机最小外围系统和通讯接口三部分组成。

硬面板仿真器的操作信号传送过程分为两部分：(1)数控主机通用操作元件的操作信号上行传送，其过程为操作元件操作，主CPU扫描操作状态，按统一的通讯协议封装操作数据，经外部串行接口传输到PC端，下行信号传输过程与上行相反；(2)硬面板仿真器操作面板的操作信号上行传送，其过程为从CPU扫描操作状态，按内部通讯格式通过外部通讯接口传给主CPU，由主CPU对操作数据进行统一的通讯协议封装后，再经外部串行接口传输到PC端，下行信号传输过程与上行相反。

本实用新型由于采用高性能的单片机为核心构建，采用主从CPU的两级通讯结构，系统结构灵活，易于扩展，数控操作面板独立性高，更换操作方便，通过对操作面板的更换可以实现单一硬件平台下对不同类型数控系统操作方式的硬件模拟，还可以和运行于PC端的虚拟数控仿真平台系统连接，以实现虚实结合的新的仿真模式，该硬面板仿真器系统操作真实感强，适应范围广，易于扩展，非常适合于大规模的数控加工培训，是一种高效、低耗、低成本的数控加工仿真硬件设备，具有显著的社会和经济效益。

Claims (5)

1.一种用于数控加工仿真的硬面板仿真器硬件系统，其特征是包括仿真器主机、数控系统键盘、数控系统软键盘、机床操作辅助面板和仿真器外围通讯接口系统五部分，仿真器主机通过串行通讯接口与系统键盘、软键盘、辅助面板通讯采集面板操作数据，并将操作数据由通讯接口传送到上位PC中，在PC上进行数控系统操作状态的模拟显示。

2.根据权利要求1所述的硬面板仿真器硬件系统，其特征是：仿真器主机由高性能单片机CPU、存储器、开关量输入模块、开关量输出模块、通讯接口五部分组成；

3.根据权利要求1所述的硬面板仿真器硬件系统，其特征是：仿真器采用两级主从CPU结构，主机CPU为主CPU，负责扫描下一级操作面板从CPU，获取面板操作状态信息，并与上位PC机通讯，将面板操作信息传入PC机中，同时主CPU将状态更新信息传入从CPU，由从CPU更新操作面板状态。

4.根据权利要求1所述的硬面板仿真器硬件系统，其特征是：数控系统键盘、数控系统软键盘、机床操作辅助面板为系统可更换部分，均由独立的机壳和内部控制电路系统组成，控制电路系统的核心为从CPU，负责扫描操作面板的操作状态数据，并将状态数据由通讯接口传给主CPU，并通过主CPU传入上位PC机中，同时通过通讯接口接收主CPU的下传数据，进行操作面板状态的更新。

5.根据权利要求1所述的硬面板仿真器硬件系统，其特征是：仿真器主机具有四个外部串行通讯接口，一个用于和上位PC机通讯，其他三个分别用于和数控系统键盘、数控系统软键盘、机床操作辅助面板通讯，每一操作面板具有一个外部串行通讯接口，用于和主CPU通讯。 

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