CN205301856U - 数控系统机床环境仿真仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数控系统机床环境仿真仪，包括控制器，以及与控制器对应连接的接口电路和显示器，接口电路包括进给信号输入接口、主轴信号输入接口、仿编码器输出接口、开关量输入接口和开关量输出接口。本实用新型可以与数控装置上的主要接口直接对接，通过仿真仪内部的电路和程序虚拟伺服驱动器、主轴驱动器、电机、传动机构、限位开关和开关量负载等数控装置外围设备运行情况，使数控装置能够在脱离电气控制柜和机床机构的情况下运行，并能在显示器上直观显示出数控装置外围电路和机床机构的运行情况，方便进行数控装置试机、调试和故障检测，避免在真实机床中调试、维修的危险性。

Description

数控系统机床环境仿真仪

技术领域

本实用新型涉及数控系统调试和故障诊断技术领域，具体涉及一种数控系统机床环境仿真仪。

背景技术

数控装置要在一个复杂的数控系统环境中才能正常工作，数控系统的工作环境包括数控装置、供电系统、伺服驱动器、主轴驱动器、电机、各种传感器和执行器、以及机床运动机构。数控装置的功能通过其内部的计算机系统执行数控参数、PLC程序和加工代码，输入输出相应的控制信号，最终使机床产生相应的运动来体现。

采用数控装置及其外围部件构成数控系统时，应当如何快速调试验证数控装置内参数和PLC程序的正确性，安全搭建数控系统，以及当数控系统出现故障时，如何快速定位故障部件，查明故障原因，这些都是数控系统应用中的重要问题。如将数控装置置于真实外围电气部件和机床中进行调试，一旦参数和PLC程序发生错误，将可能损坏电气元件和机床机构，甚至发生安全事故。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够使数控装置在虚拟的外围运行环境下进行调试和故障诊断数控系统机床环境仿真仪。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

设计一种数控系统机床环境仿真仪，包括控制器，以及与所述控制器对应连接的接口电路和显示器，所述接口电路包括进给信号输入接口、主轴信号输入接口、仿编码器输出接口、开关量输入接口和开关量输出接口；

所述进给信号输入接口与数控系统的进给信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的速度指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟机床运动产生的位置信息；

所述主轴信号输入接口与数控系统的主轴信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的表示主轴转速的模拟电压指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟主轴转动产生的主轴位置信息；

所述控制器接收进给信号输入接口送入的脉冲指令，并通过仿编码器输出接口输出电机转速、螺母直线运动速度和位置数据；

所述控制器接收主轴信号输入接口送入的模拟电压指令，并通过仿编码器输出接口输出主轴转速数据；

所述开关量输入接口与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号；所述开关量输出接口与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送的开关量信号。

优选的，所述进给信号输入接口为三个速度方向脉冲输入接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴速度方向脉冲输出接口对应连接。

优选的，所述仿编码器输出接口为四路仿正交编码器差分信号输出接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴位置脉冲输入接口和主轴位置脉冲输入接口对应连接。

优选的，所述主轴信号输入接口为模拟电压输入接口。

根据数控系统输出的速度方向脉冲信号和模拟电压信号，在所述显示器上显示最终合成的虚拟机床运动的画面。

优选的，所述开关量输入接口为两个，每个开关量输入接口内包含16个开关量输入点，所述开关量输入点分别与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号。

优选的，所述开关量输出接口为两个，每个开关量输出接口内包含16个开关量输出点，所述开关量输出点分别与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送开关量信号。

优选的，所述开关量输出点为继电器型开关量输出点。

优选的，所述控制器为STM32F407VET6型Cortex-M4微控制器。

优选的，所述显示器包括采用液晶屏驱动芯片SSD1963驱动的AT070TN92型液晶屏。

优选的，所述数控系统为华中HNC-21M型数控系统。

本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型数控系统机床环境仿真仪可以与数控装置上的主要接口直接对接，通过仿真仪内部的电路和程序虚拟伺服驱动器、主轴驱动器、电机、传动机构、限位开关和开关量负载等数控装置外围设备运行情况，辅助数控装置运行；通过模拟数控装置运行所必需的外围电路和机床环境，使数控装置能够在脱离电气控制柜和机床机构的情况下运行，并能在显示器上直观显示出数控装置外围电路和机床机构的运行情况，方便进行数控装置试机、调试和故障检测，避免在真实机床中调试、维修的危险性。

2.本实用新型数控系统机床环境仿真仪可以配置出不同的虚拟轴数、传功比、传动档位，通过编程模拟限位开关、刀库、冷却润滑等开关量逻辑，从而配置成各种不同类型的“虚拟机床”。将数控装置与本实用新型对接，可以进行验收试机、初装配置，以及在出现PLC程序故障或参数错误时进行故障定位排除。本实用新型是一种低成本小型化便携式应用的仪器，不仅可以在实验室环境下应用，也方便进行现场操作。

附图说明

图1是本实用新型与数控系统的硬件连接关系图；

图2是本实用新型的硬件原理图；

图3是本实用新型的方向脉冲输入电路图；

图4是本实用新型的位置编码器输出电路图；

图5是本实用新型的模拟电压输入电路图；

图6是本实用新型的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本实用新型的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本实用新型，并不以任何方式限制本实用新型的范围。

实施例1：一种数控系统机床环境仿真仪，包括控制器，以及与控制器对应连接的接口电路和显示器，其中，控制器为STM32F407VET6型Cortex-M4微控制器；显示器包括采用液晶屏驱动芯片SSD1963驱动的AT070TN92型液晶屏。采用STM32F407VET6型Cortex-M4微控制器，其集成多个多通道定时器，每个通道均具有可编程输入捕获和PWM输出功能，可以用于接收解析脉冲指令，输出仿正交编码器脉冲。其上集成ADC可用于接收模拟电压指令。STM32F407VET6外部FSMC并行总线可挂载液晶驱动芯片SSD1963，用于驱动7寸液晶屏起显示作用。

接口电路包括进给信号输入接口、主轴信号输入接口、仿编码器输出接口、开关量输入接口和开关量输出接口。进给信号输入接口与数控系统的进给信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的速度指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟机床运动产生的位置信息。进给信号输入接口为三个速度方向脉冲输入接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴速度方向脉冲输出接口对应连接。

主轴信号输入接口与数控系统的主轴信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的表示主轴转速的模拟电压指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟主轴转动产生的主轴位置信息。仿编码器输出接口为四路仿正交编码器差分信号输出接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴位置脉冲输入接口和主轴位置脉冲输入接口对应连接。

控制器接收进给信号输入接口送入的脉冲指令，并通过仿编码器输出接口输出电机转速、螺母直线运动速度和位置数据；控制器接收主轴信号输入接口送入的模拟电压指令，并通过仿编码器输出接口输出主轴转速数据。开关量输入接口与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号；开关量输入接口为两个，每个开关量输入接口内包含16个开关量输入点，开关量输入点分别与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号。开关量输出接口与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送的开关量信号，开关量输出接口为两个，每个开关量输出接口内包含16个开关量输出点，开关量输出点分别与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送开关量信号。开关量输出点为继电器型开关量输出点。

在以上实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件。

本实用新型数控系统机床环境仿真仪可以通过内部电路和程序模拟数控机床X、Y、Z三个伺服轴传动机构和一个机床主轴传动机构的运行状态，并根据三个虚拟伺服传动机构输出的位置数据生成类似数控铣床的工作台和刀具之间的相对运动，根据虚拟主轴传动机构输出的数据生成主轴运动，最终合成虚拟铣床运动的画面，显示在显示器上。

控制器接收进给信号输入接口送入的脉冲指令，输出电机转速、螺母直线运动速度和位置等数据，模拟由脉冲指令伺服电机和一级丝杠螺母传动机构构成的伺服传动系统运行情况。其中脉冲指令伺服电机的脉冲比例系数、丝杠螺母传动机构的传动比、直线运动行程、机械原点位置可设置，从而模拟不同的数控机床伺服传动机构。控制器接收主轴信号接口输入的模拟电压指令，输出主轴转速数据，模拟由电压指令变频器、电机和两个由换挡开关切换的单极齿轮传动机构构成的主轴传动机构的运行情况。其中变频器模拟电压-电机转速比例系数、两个齿轮传动机构传动比可设置，从而模拟不同数控机床的主轴传动机构。

以本实用新型应用于华中HNC-21M数控装置为例，其实施方式如下：华中HNC-21M数控装置主要有主轴接口、伺服接口和PLC接口。主轴接口用于输出主轴的控制信号，接收主轴的反馈信号；伺服接口用于输出机床工作台速度（位置）的控制信号，接收工作台速度（位置）的反馈信号；PLC接口用于接收开关量信号、控制机床上的各种开关量负载，例如位置超程信号、驱动器使能和报警信号等。主轴接口和伺服接口输出的控制信号为脉冲指令和模拟指令形式，接收的位置反馈信号为ABZ正交编码器差分信号，故本实用新型数控系统机床环境仿真仪需要能够与华中HNC-21M数控系统主轴、伺服和PLC接口连接（参见图1），能够接收脉冲指令和模拟指令虚拟机床运动，显示运动画面，反馈仿正交编码器位置脉冲，并能够执行PLC输入输出设备功能。

根据仿真仪内部虚拟的数控机床X、Y、Z伺服轴的运动位置和预设的伺服轴行程、原点等信息，输出相关开关量信号给数控系统。每个伺服轴具有正限位、负限位和原点三个开关量信号，共九个开关量信号。这些开关量信号在开关量输出接口内的对应点可配置，保证开关量输出接口与数控系统PLC输入接口对接后，能够将这些限位开关信号输入至数控系统相应的PLC功能点上。

该数控系统机床环境仿真仪的接口电路包含三个速度方向脉冲输入接口，四路仿正交编码器差分信号输出接口，一个模拟电压输入接口（参见图2），以及32个开关量输入点和32个继电器型开关量输出点。仿真仪三个速度方向脉冲输入接口分别连接HNC-21M数控系统的X、Y、Z轴速度方向脉冲输出接口，即分别与HNC-21M数控系统的三个进给信号输出接口XS30、XS31、XS32连接，用于接收数控系统输出的速度指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟机床运动产生的位置信息。

四路仿正交编码器输出接口分别与HNC-21M数控系统的X、Y、Z轴位置脉冲输入接口和主轴位置脉冲输入接口对应连接。其中主轴信号输入接口与HNC-21M数控系统的主轴信号输出口XS9连接，接收数控系统输出的表示主轴转速的模拟电压指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟主轴转动产生的主轴位置信息。

两个开关量输入接口内各包含16个开关量输入点，与HNC-21M数控系统的PLC输出点连接，其中开关量输入点的顺序与数控系统开关量输出接口XS20、XS21引脚顺序相同，可以直接与XS20、XS21连接，接收数控系统输出的开关量信号。仿真仪通过开关量输入接口接收主轴正反转信号、主轴换挡信号、开关冷却液信号、开关润滑信号、Z轴抱闸信号、送刀信号等开关量信号，执行相应功能并在显示器上进行显示。这些开关量信号在开关量输入接口内的对应点可配置，使数控装置PLC输出端子与仿真仪开关量输入接口连接后，能得到对应的数控装置PLC输出信号。

两个开关量输出接口内各包含16个开关量输出点，与HNC-21M数控系统的PLC输入点和急停、超程解除输入点连接。其中开关量输出点的顺序与数控系统的开关量输入接口XS10、XS11引脚顺序相同，可以直接与XS10、XS11连接，向数控系统发送的开关量信号。

该数控系统机床环境仿真仪采用STM32F407VET6型Cortex-M4微控制器，采用群创7寸液晶屏AT070TN92作为显示器件，可以显示虚拟数控铣床运动画面、运行参数、数据等，并可通过触摸输入功能输入参数、对输入输出开关量进行编程等。AT070TN92液晶屏的分辨率为800*480，外部接口有帧同步VS、行同步HS、像素时钟PCLK和24位RGB信号。采用液晶屏驱动芯片SSD1963驱动液晶屏，液晶屏驱动芯片包含MCU并行接口和液晶驱动接口，并内置1215K显示RAM。液晶屏驱动芯片通过并行接口与微控制器的外部并行总线FSMC连接，通过FSMC中的8位数据线D0～D7、读使能线WE、写使能线OE、地址线A0和片选线，将微控制器输出的显示数据并存入片内显示RAM中，并同时将显示RAM中的显示数据通过输出的VS、HS、PCLK和24位RGB信号，将显示数据对应的图像显示在液晶屏上。通过液晶屏驱动芯片可以在显示静态图像时不占用CPU资源，微控制器只需将图像数据输出到液晶屏驱动芯片中，液晶屏驱动芯片的数据可在液晶屏上通过帧、行扫描显示图像。FSMC总线上同时挂载256M字节的NANDflashHY27UF082G2M，用于存储图片等大量数据。7寸液晶屏上覆盖四线电阻触摸屏，触摸屏连接相应的控制芯片ADS7843，ADS7843通过SPI接口和具有中断功能的GPIO口与微控制器相连，可使微控制器读入触摸屏上的按键信息。

HNC-21M数控系统输出的脉冲和方向信号为差分形式，方向脉冲输入电路通过光电隔离器将差分信号转换为TTL信号，其中差分信号的同相端与光耦的阴极相连，反相端与光耦的阳极相连，当输入负差分信号时光耦导通，输出TTL低电平，连接到微控制器的计数器输入端。速度脉冲输入信号采用高速光耦6N137处理，方向脉冲输入信号采用普通光耦EL817处理，参见图3。

位置编码器输出电路参见图4，其中采用差分发送器75174，使用其中的三个发送单元，将微控制器输出模拟编码器的A、B、Z三路单端脉冲转换为差分信号输出。

模拟电压输入电路参见图5，由OP07构成的差分放大器和基准电路构成，基准源为TL431产生的1.25V电压，基准电路的输出电压提供给差分放大器作为差分放大器输出的中间电压。差分放大器的放大倍数为0.125，可以将HNC-21M数控系统输出+10V~－10V的模拟电压转换为以1.25V为中心，2.5V~0V之间变化的电压，输入到微控制器的ADC输入端，同时将基准电路输出的1.25V基准电压也输入到ADC端进行校准。

仿真仪微控制器的功能程序由六项并行的任务程序构成，分别是X、Y、Z轴和主轴运动换算程序、PLC逻辑执行程序、仿真画面和数值显示程序，参见图6。其中X、Y、Z轴运动换算程序分别由各自的速度脉冲输入捕获中断驱动，主轴运动换算程序由解析主轴模拟电压的ADC中断驱动，PLC逻辑执行程序由定时器中断定时执行，仿真画面和数值显示程序由主程序驱动。X、Y、Z三轴运动转换算程序相似，如图6中a部分所示，通过对应轴速度脉冲捕获中断触发执行，并将捕获脉宽换算为频率，进一步根据预设脉冲倍率换算为目标速度，在假定虚拟的电机驱动——速度反馈系统的刚性足以克服切削力和惯性力的理想状况下，通过预设传动比和离散时间，换算出工作台的位移增量，并读取方向信号，根据方向的正负累加到工作台的位置上，得到虚拟工作台的新位置，同时根据预设的位置反馈脉冲倍率输出位置反馈脉冲到数控系统主机，当运动方向发生变化时还要累加上预设的传动背隙参数。主轴运动换算程序如图6中b部分所示，通过主轴控制电压ADC转换中断触发执行，根据预设电压转速倍率换算出目标速度，并同样在假定的理想电机驱动刚性状况下，通过预设传动比换算出主轴转速，同时根据预设的主轴位置反馈脉冲倍率输出位置反馈脉冲到数控系统主机。开关量处理程序如图6中c部分所示，通过定时器定时中断执行，处理过程与一般PLC处理流程相似，首先读取开关量输入信号和内部输入标志，进行逻辑运算并更新内部输出标志和开关量输出。例如每次进行逻辑运算时，都要读取虚拟工作台位置，若工作台位置超过预设工作台行程，则代表相应轴超程的开关量输出点闭合输出；再例如读入的开关量输入点信号中主轴1档或2档信号哪个闭合，执行主轴运动换算程序时就采用哪个档的传动比进行运算。显示刷新程序如图6中d部分所示，由主程序循环执行。主程序在复位后首先初始化输入捕获、ADC等中断，以及显示驱动、触摸屏等硬件，然后循环执行读取工作台位置，以动画的形式显示在显示器上，得到直观的模拟机床运动图像。同时显示工作台三轴方向的位置值、速度值，主轴转速值，以及主轴档位，冷却、润滑、气压报警信号，升降轴抱闸，刀具松紧，冷却液开关等开关量信息，直观反映数控系统主机的PLC处理状况。

上面结合附图和实施例对本实用新型作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本实用新型宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本实用新型的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，包括控制器，以及与所述控制器对应连接的接口电路和显示器，

所述接口电路包括进给信号输入接口、主轴信号输入接口、仿编码器输出接口、开关量输入接口和开关量输出接口；

所述进给信号输入接口与数控系统的进给信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的速度指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟机床运动产生的位置信息；

所述主轴信号输入接口与数控系统的主轴信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的表示主轴转速的模拟电压指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟主轴转动产生的主轴位置信息；

所述控制器接收进给信号输入接口送入的脉冲指令，并通过仿编码器输出接口输出电机转速、螺母直线运动速度和位置数据；

所述控制器接收主轴信号输入接口送入的模拟电压指令，并通过仿编码器输出接口输出主轴转速数据；

所述开关量输入接口与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号；所述开关量输出接口与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送的开关量信号。

2.根据权利要求1所述的数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，所述进给信号输入接口为三个速度方向脉冲输入接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴速度方向脉冲输出接口对应连接。

3.根据权利要求2所述的数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，所述仿编码器输出接口为四路仿正交编码器差分信号输出接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴位置脉冲输入接口和主轴位置脉冲输入接口对应连接。

4.根据权利要求3所述的数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，所述主轴信号输入接口为模拟电压输入接口。

5.根据权利要求1所述的数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，所述开关量输入接口为两个，每个开关量输入接口内包含16个开关量输入点，所述开关量输入点分别与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号。

6.根据权利要求1所述的数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，所述开关量输出接口为两个，每个开关量输出接口内包含16个开关量输出点，所述开关量输出点分别与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送开关量信号。

7.根据权利要求6所述的数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，所述开关量输出点为继电器型开关量输出点。

8.根据权利要求1所述的数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，所述控制器为STM32F407VET6型Cortex-M4微控制器。

9.根据权利要求1所述的数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，所述显示器包括采用液晶屏驱动芯片SSD1963驱动的AT070TN92型液晶屏。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的数控系统机床环境仿真仪，其特征在于，所述数控系统为华中HNC-21M型数控系统。