CN202159251U - 程序化自动测量与手动测量混合的机床 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种程序化自动测量与手动测量混合的机床，其特征在于，包括数控加工程序操作器、人机交互单元、程序代码解析器，设有测量运动服务器的插补器；还包括PLC子系统和伺服位置闭环控制器。本实用新型机床数控系统在线工件及刀具的测量系统，能够实现自动测量与手动测量的混合编程，为程序化的测量提供了更多调整机会，支持同工艺特征的零件族的测量，拓展了测量程序的工件适用范围，简化了被测工件安装调整时间。本实用新型利用自动测量的执行流程，在测量动作服务器的支持下实现手动测量动作与自动测量流程的同步；既发挥了自动测量的可编程运算的能力，又兼顾了手动点位测量的灵活性，从而拓展了数控机床在线测量的工艺能力。

Description

程序化自动测量与手动测量混合的机床

技术领域

本发明涉及一种数控机床，更具体地说，涉及精密加工中实现混合测量的数控机床。 

背景技术

在数控机床上安装在线测量系统，对工件及刀具在加工过程中和结束后对有严格要求的尺寸进行检测，测量系统会自动完成尺寸检测，修正刀具，建立坐标系等工作，这就是数控机床的在线测量系统。在数控机床上的测量可以避免被测零件在数控机床和测量机间反复拆卸、装卡，定位安装基准不一致，切削应力释放等原因造成的测量误差。 

现有技术的数控机床上的测量系统，如图1所示由以下几部分构成： 

测头包括工件测头和刀具测头，是高重复精度位置开关。测头通常采用机械触点与光电开关结合，将机械触碰信号转化为电信号，即形成测头触发信号。测头触发信号通常接入数控系统的快速I/O，从而保证数控系统能够通过周期性地检测，得到测头被触发的信息。对于不指定测头专用I/O点的数控系统而言，测头信号需要通过PLC系统编程转换为对特定机械结构运动坐标反馈的锁存控制信号。 

通常测量动作是令机械结构按特定方向运动，直到测头触发信号被感知，即停止运动。测量动作指令通常是由测量系统软件发出的，测量动作指令可以是用户可编程，或来自用户手动操作，也可以是固化于系统中的。测量动作指令通常会送到数控系统插补器中实现对伺服系统的控制，由伺服系统带动机械传动机构执行测量动作。 

目前，公知的数控系统的自动测量方式采用G代码(例如Fanuc的G31测量指令)描述测量测量运动轨迹；数控系统或PLC系统在执行该代码的时候查询测头信号情况；系统发现测头信号到位后将当前坐标保存到可供用户程序访问的宏变量中；用户测量程序可以应用宏语言提供的运算符，对包括保存测头触发位置坐标的宏变量进行运算，得到被测几何特征尺寸。上述测量过程中，测量动作的行程是程序既定的，难于在测量过程中调整，仅能实现针对特定零件的测量，不能适应相似几何特征的工件族的测量，甚至不能适应工件姿态的 变化，存在较大的工艺局限性。 

目前，公知的数控系统的手动测量方式下，仅能向用户提示被测点的坐标，无法进行程序化的计算，尚需人工记录坐标点，人工计算相关的几何特征尺寸，为实际加工带来许多不便。 

综上所述，现有技术的数控系统自动测量和手动测量都存在较大的工艺局限性。 

发明内容

本发明为了克服现有数控装置自动测量与手动测量的缺陷，拓展数控机床在线测量系统的工艺能力，提出一种程序化自动测量与手动测量混合的数控机床，利用自动测量的执行流程，在测量动作服务器的支持下实现手动测量动作与自动测量流程的同步；既发挥了自动测量的可编程运算的能力，又兼顾了手动点位测量的灵活性，从而拓展了数控机床在线测量的工艺能力。 

为了达到上述目的，本发明提供了一种程序化自动测量与手动测量混合的机床，包括数控加工程序操作器、人机交互单元、程序代码解析器，设有测量运动服务器的插补器；其中，所述数控加工程序操作器与所述程序代码解析器连接，所述程序代码解析器与所述插补器连接，所述人机交互单元与所述插补器连接。 

所述数控加工程序操作器，用于加载测量程序或包含测量工序的自动加工程序，送所述程序代码解析器解析；所述人机交互单元，用于接收操作者要求手动测量操作的指令或参数，送所述插补器；所述程序代码解析器，用于解析测量程序或包含测量工序的自动加工程序；具体说，解析执行用户自动加工程序中的宏指令，包括表达式计算、循环、调转、逻辑判断或系统参数或宏变量的读写操作；尤其对测量程序或包含测量工序的自动加工程序中的测量指令进行解析，并调用所述插补器中的测量运动服务器；同时利用解析执行用户自动加工程序中的宏指令的能力进行被测几何特征的计算；此外，所述程序代码解析器还用于锁定运行的状态，在处理到自动测量指令和手动测量指令时进入锁定状态，等待所述插补器中处理自动测量或手动测量运动服务请求的测量运动服务器执行测量动作完毕后，由所述插补器解除对程序代码解析器的锁定状态，所述程序代码解析器将继续运行； 

 所述插补器，用于执行自所述程序代码解析器和所述人机交互单元的程序或指令，包括直线、圆弧或其他常规几何轨迹运动服务请求程序或指令；此外， 所述插补器中的测量运动服务器，用于处理来自于所述程序代码解析器或所述人机交互单元发出的测量运动请求，包括依据测量运动请求所示的运动方向进行直线插补数据计算和输出，监测测头触发信号；当发现测头触发信号，进行运动请求所示的运动方向的减速插补，运动停止后解除所述程序代码解析器的运行锁定，另其继续运行； 

此外，机床还包括： 

PLC子系统，用于负责数控系统基本的逻辑控制功能外，将快速I/O接口接入的测头触发信号，转化为数控系统软件可以访问的系统变量； 

伺服位置闭环控制器，用于接收插补器计算结果，并根据结果及伺服位置信息对伺服驱动进行位置闭环控制，从而控制电机带动执行机构运动；所述还伺服位置闭环控制器设置有反馈锁存器，用于在测头触发信号的控制下实现对反馈计数器的锁存。 

本发明还提供了上述程序化自动测量与手动测量混合的机床的在线测量方法，包括如下步骤： 

S1、机床根据测量程序或者包含测量工序的自动加工程序代码开始运行； 

S2、当运行至所述测量程序或者包含测量工序的自动加工程序代码中出现自动测量指令时，机床依据自动测量动作指定的运动方向进行直线运动，直到测头被触碰并产生测头触发信号，进行减速停止；由测头触发信号被感知时刻的机床运动坐标被锁存，并被转存到测量程序或加工程序访问的系统变量或宏变量中； 

S3、当运行至所述测量程序或者包含测量工序的自动加工程序代码中出现手动测量指令时，机床停止运动，自动运行模式被锁定，手动运行模式有效，等待用户手动操作机床；其间测头触发信号一直被监控，直到测头被触碰并产生测头触发信号，进行减速停止；由测头触发信号被感知时刻的机床运动坐标被锁存，并被转存到测量程序或加工程序访问的系统变量或宏变量中；当测头触发信号被监测到与手动运动结束标志条件双重满足后，自动运行模式的锁定状态被解除； 

S4、所述测量程序或者包含测量工序的自动加工程序代码被继续执行，包括利用存储测头触发信号时刻的坐标位置的系统变量或宏变量进行运算，得到被测几何特征的尺寸，或者执行修改坐标系、刀具几何参数；执行测量程序或者包含测量工序的自动加工程序中的其他代码直至程序终止。 

本发明一种机床数控系统在线工件及刀具的测量系统，能够实现自动测量与手动测量的混合编程，为程序化的测量提供了更多调整机会，支持同工艺特征的零件族的测量，拓展了测量程序的工件适用范围，简化了被测工件安装调整时间。本发明利用自动测量的执行流程，在测量动作服务器的支持下实现手动测量动作与自动测量流程的同步；既发挥了自动测量的可编程运算的能力，又兼顾了手动点位测量的灵活性，从而拓展了数控机床在线测量的工艺能力。 

附图说明

图1是现有技术数控机床上测量系统的构成结构原理框图； 

图2是本发明数控机床上测量系统的构成结构原理框图； 

图3是一种具体实现本发明数控机床上测量系统的结构示意图； 

图4是测量运动服务器的算法流程示意图； 

图5是图4中加速插补算法的流程示意图； 

图6是图4中匀速插补算法的流程示意图； 

图7是图4中减速插补算法的流程示意图； 

图8是程序代码解析器实现流程的示意图。 

具体实施方式

本发明一种程序化自动测量与手动测量混合的机床测量系统，由以下相关组成部分构成，如图2所示： 

PLC子系统。本发明公开的PLC子系统除了负责数控系统基本的逻辑控制功能外，还负责将快速I/O接口接入的测头触发信号，转化为数控系统软件可以访问的系统变量。该系统变量可以被测量相关模块主动地周期性地查询，也可以由PLC子系统通过消息机制或回调函数机制主动通知测量相关模块。 

伺服位置闭环控制器。负责接收插补器计算结果，并根据该结果及伺服位置信息对伺服驱动进行位置闭环，从而控制电机带动执行机构实现精确的位置运动。本发明公开的伺服位置闭环控制器除了负责上述工作，还具备反馈锁存器，在测头触发信号的控制下实现对反馈计数器的锁存。 

程序代码解析器。负责解析用户编写的自动加工程序；为满足插补器的输入需要进行数据转化；解析执行用户自动加工程序中的宏指令，包括表达式计算、循环、调转、逻辑判断及系统参数和宏变量的读写操作。本发明公开的程序代码解析器除了负责上述工作，还对测量程序或包含测量工序的自动加工程 序中的测量指令进行解析，并调用插补器中的测量运动服务器。本发明公开的程序代码解析器还利用解析执行用户自动加工程序中的宏指令的能力进行被测几何特征的计算。为了支持程序化自动测量和手动测量的混合操作，本发明公开的程序代码解析器具有锁定运行的状态，即暂停运行直到被外部解除锁定。在程序代码解析器处理到自动测量指令和手动测量指令时进入锁定状态，等待插补器中处理自动测量或手动测量运动服务请求的测量运动服务器执行测量动作完毕后，由插补器解除对程序代码解析器的锁定状态，程序代码解析器将继续运行。 

插补器。负责对来自程序代码解析器和界面手动操作的运动服务请求。这些运动服务请求包括：直线、圆弧等常规几何轨迹。为了支持程序化自动测量和手动测量的混合操作，本发明公开的插补器中包括测量运动服务器，主要负责处理来自于程序代码解析器或数控人机交互子系统发出的测量运动请求，包括依据测量运动请求所示的运动方向进行直线插补数据计算和输出，监测测头触发信号；发现测头触发信号后，进行运动请求所示的运动方向的减速插补，运动停止后解除程序代码解析器的运行锁定，另其继续运行。 

本发明还公开了一种程序化自动测量与手动测量混合的机床测量系统的运行方法，包括如下步骤： 

S1、数控机床根据测量程序或者包含测量工序的自动加工程序代码开始运行； 

S2、当运行至所述测量程序或者包含测量工序的自动加工程序代码中出现自动测量指令时，数控系统控制下数控机床依据自动测量动作指定的运动方向进行直线运动，直到测头被触碰并产生测头触发信号，进行减速停止。由测头触发信号被感知时刻的机床运动坐标被锁存，并被转存到测量程序或加工程序可以访问的系统变量或宏变量中。 

S3、当运行至所述测量程序或者包含测量工序的自动加工程序代码中出现手动测量指令时，数控系统控制下的数控机床停止运动，自动运行模式被锁定，手动运行模式有效，等待用户手动操作机床；其间测头触发信号一直被监控，直到测头被触碰并产生测头触发信号，进行减速停止。由测头触发信号被感知时刻的机床运动坐标被锁存，并被转存到测量程序或加工程序可以访问的系统变量或宏变量中。当测头触发信号被监测到与手动运动结束标志条件双重满足后，自动运行模式的锁定状态被解除。 

S4、所述测量程序或者包含测量工序的自动加工程序代码被继续执行，包 括利用存储测头触发信号时刻的坐标位置的系统变量或宏变量进行运算，得到被测几何特征的尺寸，或者执行修改坐标系、刀具几何参数。执行测量程序或者包含测量工序的自动加工程序中的其他代码直至程序终止。 

本发明的技术方案主要利用自动测量的执行流程，在测量动作服务器的支持下实现手动测量动作与自动测量流程的同步。 

自动测量程序的运行机制与自动加工程序基本相同，均能实现运动、运动所需的运算(宏变量的可编程运算)和对系统变量的访问和修改操作。与通常意义上的自动加工程序不同的是自动测量程序支持测量的专用指令，包括自动测量指令和手动测量指令。 

自动测量指令，主要行为是指令向测量运动服务器发出测量运动请求，并指定方向的运动。测量运动服务器属于插补器的一部分。测量运动服务器依据运动方向，执行测量运动必须的插补运算，同时监控测头触发信号。当发现测头到位信号后即实现减速停止运动，将检测到测头触发信号瞬间的坐标值计入自动测量程序可以访问的系统变量存储区域或宏变量存储区。 

手动测量指令，主要行为是令自动测量程序暂停并锁定，等待手动测量。此后测量运动服务器接受的运动请求执行过程中均监控测头触发信号。当手动服务器发现测头触发信号后即实现减速停止运动，将检测到测头触发信号瞬间的坐标值计入自动测量程序可以访问的系统变量存储区域或宏变量存储区。随后运动服务器即解除对测头触发信号的监控，并，令原测量程序可以继续解析执行。 

上述指令的格式可以参考标准的G代码格式进行扩展，也便于与自动加工程序中其他数控功能G代码采用同样的解析处理流程(包括词法分析与语法检查)。通过上述指令可以实现了自动测量与手动测量的基本动作。此后，由宏变量接受测头触发时数控系统查询到的实时坐标信息，通过自动测量程序支持的可编程运算，得到所需的几何特征信息，即得到测量结果。 

实施例： 

本发明提出的控制方法依据数控系统选用的不同的操作系统和开发工具有多种实现方式。图3展示了本发明的一种实现方式。系统由数控系统硬件、实时操作系统、数控系统软件三大部分构成。 

数控系统硬件，可以有多种计算机系统构成，例如X86PC构架、ARM处理器构架、DSP处理器构架、单片机构架以及多个上述处理器构成的多CPU构 架。中央处理器CPU通过内部计算机总线与其他设备连接，包括数控系统所必需的实时钟、伺服及I/O设备接口、存储介质和显示设备及输入设备。采用X86PC构架的硬件系统可以用机内8253或其兼容时钟体系作实时钟；可通过PCI总线或ISA总线接口模拟量输出卡和数字量输入输出卡实现伺服及I/O设备接口，对于现场总线接口的伺服及I/O设备，可采用相应现场总线通讯接口卡实现伺服及I/O设备接口；可采用标准硬盘或SD卡、CF卡作为文件系统存储介质。本发明涉及的测头类设备，包括工件测头和刀具测头的测头触发电气信号可被处理为高速数字输入信号量，通过I/O设备接口接入数控系统。 

实时操作系统可以选用VxWorks，RTLinux等专业的实时操作系统，也可以选用Windows结合实时扩展RTX，或在系统性能要求较低时选择Windows CE等具有一定软实时特征的操作系统。实时操作系统中除了支持常规的文件管理及存储介质驱动和图形用户接口GUI，主要通过实时钟定时中断处理程序作为实现周期性地实时任务调度。数控设备驱动可以采用实时操作系统提供的标准驱动程序开发框架，封装对伺服及I/O设备接口的数据操作，这些数据包括对伺服的指令及对I/O的指令，也包括采集来自伺服的反馈数据及I/O的数据，也包括本发明涉及的测头触发信号。 

数控系统软件可用实时操作系统支持的应用程序开发工具来开发，例如RTLinux操作系统支持的GCC开发环境，对于选择Windows+RTX作为实时操作系统的选择VC开发环境进行数控系统软件的开发。数控系统软件主要包括多个实时任务：程序代码解析器、插补器、PLC子系统。依据不同的实时操作系统的工作方式，上述实时任务可以是实时线程，也可以是能够被实时任务调度系统加载运行的循环函数体。数控软件各部分实现的原理如下： 

数控加工程序文件操作器，负责从数控系统得文件系统中打开被选择的文件，也包括测量程序文件或包含测量工序的自动加工文件。数控加工程序大多以回车换行字符作为行结束的标志。通常数控加工程序文件操作器处于被调用的运行方式，不具备自主运行的要求，即可以一组服务函数的形式实现，也可以具有一组服务接口的对象实现。 

数控人机交互子系统，负责接受来自键盘等输入设备的用户操作信息，也包括本发明涉及的来自用户的手动测量操作；同时实现数控系统其他构成单元的信息显示。在操作系统图形用户接口的支持下，数控人机交互子系统可以进程的形式实现，与数控系统软件的其他构成部分以进程通信的方式进行信息交互，包括共享内存、管道、Socket等；数控人机交互子系统也可以与数控系统 软件的其他部分共用一个进程，以线程的形式实现，则与其它部分共享进程内存空间。在Windows族类操作系统支持下，数控人机交互子系统可以采用MFC提供的Doc/View模式开发实现。不论何种方式，数控人机交互子系统均采用主动运行的工作方式，包括查询操作输入和周期性的数据显示刷新。在Windows族类操作系统支持下，输入可以采用Windows消息实现，数据显示刷新可以在timer或多媒体定时器的周期任务中实现刷新触发。数控人机交互子系统作为主动运行的子系统因其实时性要求比较低，通常可以不纳入到实时任务调度中，或以较低的优先级参与任务调度。 

插补器，负责接受来自程序代码解析器解析和预处理过的宏观运动指令(直线、圆弧、NURBS曲线等)；将运动指令插值为伺服设备能够执行的微观增量指令，并且严格周期(1ms，2ms，4ms等)方式通过数控设备驱动向伺服位置闭环控制器输出。由于对插补器具有严格周期输出的需求，通常插补器以实时线程或实时任务的形式，纳入实时任务调度。通常插补器的核心插补算法可以是经典的逐点比较法、数值积分法，也可以其他具有微分功能的参数方程等算法。本发明公开的插补器中包括测量运动服务器，主要负责处理来自于程序代码解析器或数控人机交互子系统发出的测量运动请求，包括依据测量运动请求所示的运动方向进行直线插补数据计算和输出，监测测头触发信号；发现测头触发信号后，进行运动请求所示的运动方向的减速插补，运动停止后解除程序代码解析器的运行锁定，令其继续运行。测量运动服务器的插补算法同直线插补，可以采用逐点比较法、数值积分法，也可以采用其他具有微分功能的参数方程等算法。测量运动服务请求的输入包括以下信息： 

■测量运动方向，即进行测头触碰运动的运动方向。 

■测量运动速度，即进行测量运动的速度 

■测量运动极限，给定一个测头触碰运动的运动方向的距离，如果超过上述距离没有检到测头触碰信号则测量动作终止，并报警：测量触碰失败。 

■测量信号到位，来自PLC转化的测量信号到位标志。测量运动服务器根据此标志进入减速，直至停止。 

测量运动服务器输出沿测头运动方向插补计算的微观运动增量(每个位置闭环周期的各坐标位置增量)；在测头减速停止后还将向程序代码解析器输出解除锁定的标志。测量运动服务器的算法流程如图4-7所示。 

●系统变量及用户宏变量存储及管理器，负责数控系统软件中各组成部分信息交互必需的系统变量进行统一的注册(含内存分配)、访问操作。系统变量 及用户宏变量存储及管理器属于被调用的运行方式，不具备自主运行的要求，即可以一组服务函数的形式实现，也可以具有一组服务接口的对象实现。注册服务接口将为新的系统变量分配内存，并建立一个变量名到内存地址的索引，其间可以包括变量的类型、读写属性、数据范围等信息以供数据访问时进行必要的校验；内存分配可以是连续的，也可以是分散的；注册完毕后可以返回参数的地址，以供高速实时的数据访问。访问操作服务接口及实现通过变量字符串名称访问变量的服务，系统变量及用户宏变量存储及管理器根据注册服务生成的索引，实现对系统变量访问和修改操作。 

●伺服位置闭环控制器。负责接收插补器计算结果，并根据该结果及伺服位置信息对伺服驱动进行位置闭环，从而控制电机带动执行机构实现精确的位置运动。伺服位置闭环控制器具有运行调度接口，在实时任务调度子系统调度下严格周期性(1ms，2ms，4ms等)循环运行。位置闭环控制器可以采用常规的PID调节结合前馈控制算法，以给定位置为控制目标，以来自数控设备驱动的电机位置/角度反馈为反馈信息，以伺服驱动的速度控制量为控制输出；计算得到的速度控制量通过数控设备驱动，最终送达伺服执行。本发明公开的伺服位置闭环控制器除了负责上述工作，还具备反馈锁存器，在测头触发信号的控制下实现对反馈计数器的锁存。反馈锁存数据送系统变量及用户宏变量存储及管理器，以供程序代码解析器进行被测几何特征计算使用。 

●PLC子系统，主要负责设备(数控机床)控制所必需的辅助功能，包括冷却、润滑、主轴开关等。PLC子系统可以采用梯形图扫描方式执行，也可以将梯形图转化为布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言解释执行，或将逻辑语言最终编译为机器语言运行。为了响应数控系统自动加工程序中的M\S\T指令，PLC子系统为程序代码解析器提供M\S\T指令的服务接口；PLC子系统将接受到的M\S\T指令作为触发相应逻辑子程序的开关，一旦接受来自程序代码解析器的服务请求则启动相应的逻辑功能子程序。本发明公开的PLC子系统除了负责数控系统基本的逻辑控制功能外，还负责将快速I/O接口接入的测头触发信号，转化为数控系统软件可以访问的系统变量。该系统变量可以被测量相关模块主动地周期性地查询，也可以由PLC子系统通过消息机制或回调函数机制主动通知测量相关模块。 

●程序代码解析器，主要负责调用数控加工程序文件操作器服务接口，为插补 器提供宏观数据，具有一定的实时输出的需求，通常程序代码解析器以优先级较低的实时线程或实时任务的形式，纳入实时任务调度。程序代码解析器以行为单位获取数控加工程序；将字符串型的数控加工程序行经过词法分析(可以选用Lex)。指令类别甄别器在语法分析(可以选用Yacc)的基础上，针对每个解析出的关键字进行分类处理，例如对G代码的逐一处理，对坐标点的逐一处理，对M、S、T代码的逐一处理，上述工作由常规运动指令解析器完成，处理结果主要是根据G代码表征的运动请求结合坐标信息，转化为与插补器约定的数据结构，通过插补器对程序代码解析器的接口调用送入插补器。对于指令类别甄别器识别的测量指令，则送入测量指令解析器进行处理。测量指令解析器对测量程序或包含测量工序的自动加工程序中的测量指令进行解析，并调用插补器中的测量运动服务器接口。为了支持程序化自动测量和手动测量的混合操作，本发明公开的程序代码解析器具有锁定运行的状态，即暂停运行直到被外部解除锁定。在程序代码解析器处理到自动测量指令和手动测量指令时进入锁定状态，等待插补器中处理自动测量或手动测量运动服务请求的测量运动服务器执行测量动作完毕后，由插补器解除对程序代码解析器的锁定状态，程序代码解析器将继续运行。程序代码解析器的算法流程如图8所示。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种程序化自动测量与手动测量混合的机床，其特征在于，包括数控加工程序操作器、人机交互单元、程序代码解析器，设有测量运动服务器的插补器；其中，所述数控加工程序操作器与所述程序代码解析器连接，所述程序代码解析器与所述插补器连接，所述人机交互单元与所述插补器连接；

所述数控加工程序操作器，用于将加载的测量程序或包含测量工序的自动加工程序送至所述程序代码解析器解析；所述人机交互单元，用于接收操作者要求手动测量操作的指令或参数，送所述插补器；

此外，机床还包括PLC子系统和伺服位置闭环控制器。 

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