CN85105473A - 数控系统图形显示的产生方法 - Google Patents

Abstract

控制机床操作的计算机数控系统，机床对工作件进行特定的操作，定制机床控制逻辑软件中包括软件包，用来伪实时地产生图形显示。当机床操作者请求显示机床状态信息的显示页面时，便执行子程序包，并进一步包括例行程序，在数控软件的显示控制文件中启动预定的图形显示送至数控台的视频监视器。接着有第二例行程序，当图形显示动态更新时，被周期地执行。在两个例行程序中执行任一程序时，从数控软件的显示控制文件中请求调用6个“绘图”步骤中一个或多个以产生所需的图形显示，如车床主轴转速的水平条形图。

Description

本发明与1982年9月7日申请的美国专利申请号№415，041“计算机数控系统的定制窗口”有关。这份专利申请已经转让给本发明的受让人，并且打算在此作为一个参考。

本发明一般地说与机床的计算机数控系统有关，明确地说，是关于机床操作和加工过程的信息图形显示。

根据数字计算机存储的程序来控制机床的数控系统是众所周知的，这种系统对一个或多个例如由穿孔纸带装入存储器内的部件加工程序作出响应，控制加工的操作。部件加工程序则根据需要，通过一系列加工步骤指挥这部机床。例如，机床中若包括有切屑刀具，则工作件和切屑刀具之间的相对运动，根据支配切屑刀具运动的部件加工程序，通常是沿着三个互相垂直的轴方向的。此外，计算机数控（CNC）系统还具有其它的控制功能，例如更换刀具、控制主轴转速、冷却剂流动的控制、棘爪的选择，以及图形和信息的产生。这些功能的数目和类型，根据被控机床的类型，可以大不相同。在过去，控制是由专门提供的硬件电路完成，这些电路对敏感到的机床状态、作出反应，然后在部件加工程序中的命令做出响应以进行操作。

然而在最近，同机床控制系统有关的逻辑是利用一套存储的程序（即软件）实现，由计算机系统来提供总的控制。软件按特殊应用编制，并且根据需要可以立即修改来满足特殊的要求。在数控系统中加入可编程序控制，会有许多优点，第一和最重要的优点是，只要对控制重新编程，就能使它适合特定的机床。此外，由于采用正常的指令系统形式和使用正常的编辑类型，对用户来说编制程序是比较容易的。

控制机床操作的计算机数字控制，或简称为CNC，包括两套分开的软件，一套称为“数控逻辑”，又称NC软件，它在内容上是比较固定的，另一套称为“机床控制逻辑”，又称MCL程序，它是比较灵活的，并可以改制以对特定的机床定制。在工业上，定制通常由原设备制造商（简称为OEM）来完成。NC软件能控制部件的加工轴的运动、CRT的显示以及其它的辅助功能，而MCL程序主要（如果不是唯一的话）控制机床的操作。在上面提到的专利申请，即“计算机数控系统的定制窗口”中，进一步公开了一个软件接口，即定制窗口，它包括一组程序，输入/输出数组以及联系NC软件、MCL程序和机床的状态标志。定制窗口的利用，可使OEM或顾客在改编CNC使其适合特定机床时，具有高度的灵活性。本发明的一个方面就是定制窗口的利用。

编好程序并开始运转后，计算机数控就自动完成它们的功能，实质上不需要操作者的参与。然而，对于操作者（或其它人）来说，有时需要能够迅速地看看操作结果、加工的数据、机床的状态等等。简言之，在计算机数控系统和对控制过程有兴趣的人之间需要有及时的通信。一个典型的数控系统是通过阴极射线管（CRT）屏幕上的显示来提供大量的这种通信。但这种显示信息大部分是文字信息形式，必须读了全盘以后才能完全理解。因此，需要有图形支持，使操作者CRT能很快且容易地知道加工的情况，例如主轴的转速、累加刀具的使用情况等等。

因此，本发明的一个目的是对机床的数控系统提出一种改进。

本发明的一个更明确的目的是对计算机数控系统的图形显示装置在显示信息的方法上提出一种改进，使机床操作者、维护人员和其它支持人员能及时地和迅速地看到机床的运行情况和性能。

简言之，只要在计算机数控系统中提供一种新的子程序包，上述和其它的目的都能达到，这种子程序包包括在机床控制逻辑（MCL）程序中，特别做成可读写的以便改变计算机数控系统使适合于特定机床。当机床操作者要求显示机床状态信息的一个显示负面时，该子程序即被执行。子程序包括一个例行程序，它从数控（NC）软件的显示控制文件中启动一个预定的图形显示。随后跟有第二例行程序，它在该图形显示运行时，以动态更新被显示的图形时而被周期地执行。在执行两个例行程序中每一程序期间，可调用6个“绘图”程序中一个或几个程序，以便产生出所需的图形显示。这些步骤包括：把一个图形光标移动到CRT屏幕上给定的位置、画出一条直线、画出一个矩形、画一段园弧、画一个园、填满一块预定的面积，以及清除整个显示屏幕。

组合这些程序，就能在CRT屏幕上显出物理量的图形表达。这些图形的形式使观看者很快能看懂。在某些情况下，它们有点象模拟计量表，例如，组合两段相邻的园弧，可以做出一幅主轴转速做为全速的百分数的模拟显示。在这种情况下，光标移至一特定位置，画第一段园弧，它的大小代表实际的转速，然后再画第二段园弧，与第一段园弧相邻，这两段弧一起代表主轴的全转速。当主轴转速改变时，这两段弧彼此间的张角也变化。给出的印象有点象模拟的测速表读出。我们将看到，这种方法可以绘出条形图、园并图、以及各种其它的图形形式。

本发明是由所附的且作为这份说明书一部分的权利要求书所规定，然而若参考这里的附图及其下列说明，则可以更好地理解本发明，在这些附图中：

图1是一个简图，它说明用来控制机床的已知的计算机数控系统（CNC）;

图2概略地说明图1所示CNC系统中包括的软件;

图3进一步说明图2所示的CNC软件;

图4说明机床控制（MCL）程序产生的方式;

图5一般说明CNC软件操作顺序的方框图;

图6说明在阴极射线管（CRT）屏幕上能够显示的各种显示页面，CRT位于图1所示数控台内;

图7的方框图说明图3所示的OEM    MCL程序中称为“程序包”的子程序的各个部分;

图8的方框图进一步说明本发明的优选实施方案，其中在图1所示数控台的CRT上显示的原设备制造商（OEM）规定的显示页面中已加入了图形;以及

图9是在数控台所示的OEM显示页面上实现图形显示的方法的流程图。

现在参看附图，特别是图1，它的透露是为了说明本发明所处的工作环境。例如，图1公开了一个控制机床10的计算机数控（CNC）系统，它包括三个主要硬件。它们是：数控台12、机床控制台14以及NC系统机柜16，机柜的用途是安装图中未画的印刷电路板。这种结构典型地说明了通用电气公司（General    Electric    Co.）的Mark    Century    2000型计算机数控系统。这个系统能够存入整个计算机程序，并按所需顺序对它们调用，能够通过加入或删除称为程序包的程序段或程序块中的子程序以对程序加以编辑，然后便能够实现在机床（例如车床或铣床）上完成特定任务的一整套指令。

数控台12包括CRT屏幕显示18的视频监视器以及一台有特殊功能键的键盘20，用来把称之为文件的一套信息输入到存储器中，然后为了程序的执行，要按已知方式去命令检索这些文件信息。

机床控制台14包括一套人工控制和按钮22，后者由操作者控制，用来使机床执行诸如模式选择、偏差调整、缓行、主轴转速、进刀量等功能。

图1所示计算机数控（CNC）所完成的功能是由内部存储的称之为CNC软件的程序所决定。CNC软件由图2所示的三套不同的程序组成，它包括数控逻辑24（下面将称之为NC软件）、MCL窗口26以及机床控制逻辑28（下面将称之为MCL程序）。NC软件24控制部件的加工、机床轴的运动以及在阴极射线管（CRT）上的显示信息。NC软件包括CNC系统的固定或永久部分，用户通常不能改变它。MCL程序特别用来控制机床的操作，它由许多子程序组成，具有模块程序段的形式，称之为程序包，它可由原设备制造商（OEM）根据用户要求来定制。MCL窗口26由一套软件组成如在上述专利申请号№415，041中公开过的那样，它使MCL程序28与NC软件24通讯，并能访问机床10的输入与输出。

图3进一步表明，MCL程序28包括两部分，即固定的MCL30和定制的MCL32。定制的MCL包括控制机床10操作的程序，同时利用MCL窗口26的软件来提供必要的机床接口。就是这个定制的MCL32能被改制以便定制一个计算机数控系统CNC使其控制一部特定的机床。另一方面，固定的MCL30是套软件，它的基本功能是监视和控制机床控制台14（图1）上的操作装置，对大多数应用中所用的功能是一样的。

MCL窗口26由一系列窗口程序及功能34、状态标记数组36及输入输出数组38组成，它的大部分是不能改变的，因此，编入MCL28内任何用户的可编程功能和程序都不能损害NC软件的整体性。

NC软件24包括若干个例行程序，用来控制部件加工40、轴的运动42和操作者的显示44，以及提供诸如控制主轴运动、控制定时器、数学函数和机床设置数据等的程序。在本发明中，特别感兴趣的是显示例行程序44，它包括的例行程序能使定制的MCL32任意选取或“调用”NC软件的某些显示页面例行程序，以便按操作者的需要提供出所需机床状态信息的显示。

在详细讨论本发明之前，首先简单考虑一下MCL程序28的结构。MCL程序包括一系列用类似于自然语言（例如英语）的高级计算程序语言写的可执行子程序。这种语言，叫做可编程序控制器语言（PCL），它包括一组有关的数据和类似于PASCAL语言的语句，并用来进行特殊的操作。子程序都分开编造，需要时即能用来执行或者完成一个操作的程序或者完成一个操作并返回一个值的功能。每个程序有一个标识符（称为“调用”），遇到标识符时，就去执行这个程序。每个子程序由说明作导引，随后跟任意常数、变量、数组或它所包含的数字数据。对于Mark    Century    2000型的计算机数控系统，读者可参看通用电气公司出版的“PCL/MCL引论”（“Introduction    To    PCL/MCL”）NEC    1214，1983年11月，以得到关于PCL语言的详细说明。当本发明连同Mark    Century    2000型计算机数控系统一起应用时，可看出本发明具有特殊的效用，虽然将可以清楚地看出，本发明不局限于这种系统，也可用于其它的数控系统，同样能产生很好的效果。

现在参看图4，定制机床10的MCL程序28是这样开始的，先由系统设计者通过数控台12的键盘20把一系列PCL子程序46输入到CNC系统中的文件编辑程序48。这些子程序改变成PCL文件后存入存储器内（图中未画）。PCL文件还送到PCL编译程序52，PCL文件在那儿依次被译成机器代码并作为机器代码文件54存储起来。为了完成这个程序的处理，机器代码文件然后被送至连接程序56，产生出单个机器代码文件58。连接的机器代码文件再被送至定位程序60，使连接程序输出文件所包含的信息在随机存取存储器中赋有地址，产生一个赋有RAM存储器地址的新的文件62。连接程序文件中的信息就是MCL程序的最终机器代码形式，此后当机床10操作时而被执行。

有了这种包括MCL程序28的CNC软件，当执行NC软件24时，它反复调用MCL程序28，如图5所示。每经一个MCL程序就叫一个扫描。在每个MCL程序扫描期间，首先执行固定的MCL程序，以便监视并控制机床控制台14的装置。随后执行定制的MCL程序，后者对机床的子程序进行排序并调用。

定制的MCL程序32可以包含许多子程序包，每个子程序包用于单独的定制要求。在任何特定的定制要求中，子程序包的数目可增加或减少，这取决于现时的应用。图7说明了一些可用的典型子程序包。本发明关系到其中一个子程序包;即MCL显示页面32₁。但为了举例说明，子程序包可包括：加功率程序包32₂，它包括启动和机床启动时用于机床的安全互锁程序;输送程序包32₃，它包括所有输送中的人工和部件加工程序控制;尾座程序包32₄，它控制车床的尾座;润滑程序包32₅，它自动进行机器的润滑，润滑必须经常进行监视;套轴程序包32₆，它在部件加工程序的控制下控制尾座的套轴;卡盘程序包32₇，它在执行部件加工程序时控制卡盘的夹紧和松开;刀具转台程序包32₈，它在部件加工程序控制下，控制刀具转台;主轴程序包32₉，它控制车床主轴的转速，以及冷却剂程序包32₁₀，它控制机床的冷却剂。

有了这样的操作环境，现在来考虑本发明的细节。这件发明涉及到图1所示数控台12的视频监视器18的CRT屏幕上显示的信息图形。数控台12的键盘20包括一行10个键66，操作者靠这10个键就能任意选择10个常用主显示页面中的任意一个页面。每幅显示页面包括一个屏面型的视频显示，并由存在存储器（图中未画）的作为NC软件24一部分的显示控制文件产生出来。图6进一步画出了这一行显示页面键66。用图1标有数目字68的一套键或按钮，也能够选择称为子页面的附加显示页面。还有4个光标键，用在数据编辑和垂直滚动上对光标作上、下和左、右的控制。右子页面的选择表示在显示页面键66行的上方，而左子页面的选择表示在显示页面键行的下方，且各标以参考数目67和69。右子页面选择67例如包括：“刀具状态”、“程序位置”、“切削数据”等，而左子页面选择69可包括“技术状态”、“程序位置”等。

通过定制的MCL32，CNC系统软件给机床制造者或OEM设计者提供选择以形成三种“机床”显示页面格式。因此，定制的办法可用来显示对操作者或服务人员有帮助的任何所需的机床状态信息。而这些显示页面可分别用图6中“机床”键70、右及左子页面显示页面选择72及74来选取。

现参阅图8，当操作者选择三个机床显示页面中之一个页面时，NC软件24根据所选页面是左、右或主页面，就对显示页面程序78作出响应。与图形相反，文字信息是从原先已存入的显示控制文件80中调出。然后把适当形式的文字信息耦合到CRT显示18。

当要把图形包括在整个CRT显示中并作为它的一部分时，插在显示控制文件80中的一个“调用”就启动实现显示的图形部分所必需的程序。显示页面例行程序78通过窗口26的入口点79调用MCL显示页面例行程序32，以响应对图形显示的插入请求。作为响应，图形显示改变例行程序82就被执行。这个例行程序82是可以读写的以便对图形显示的静态部分定制，读写例如可由原设备制造商进行以使控制适用于特定机床。定制如上所述是写在PCL中。

由图形显示改变例行程序82提供的图形显示是静态的，这意味着一旦图形的格式和接点被选定后，它们在重新定制以前一直保持不变。

图形显示改变例行程序82利用窗口26中的入口点83能够调用某些基本的图形功能。例如，能用于图形显示改变例行程序82的功能有：（1）移动CRT的光标至屏幕上某个特定的位置;（2）在规定的点间画一条直线;（3）给定相对两顶角的坐标，画出一个矩形;（4）画出给定半径和角度的一段园弧;（5）画一个园;（6）填满一块特定的屏幕面积;以及（7）清除一块屏幕面积。

三种图形功能本身就是通常的软件例行程序，可以从CNC存储器（图中未画）内调用。这些功能一起组成了图形显示例行程序84。每种图形功能都有分开的窗口入口点83，因此每个功能均可利用，这一点在构成定制显示是必要的。

图形显示例行程序84通过显示控制文件80和文字材料相结合，然后一起显示在CRT18上。

图形显示的静态部分提供了一个背景或骨架，由此可显示出有图形形式的实时操作数据。图形显示更新例行程序86就在伪实时的基础上提供出动态的操作数据。在显示页面模式时，显示页面程序78通过窗口入口点81周期性调用图形更新例行程序86，例如每150毫秒请求一次。例行程序86设计得能对数控系统内本来可用的所需信息进行采样。例如对于车床来说，实时的主轴转速就是马上要用的信息。这个信息由图形显示更新例行程序86简单地标定，然后这个程序模拟一种或多种图形功能（通过入口点83），于是所显示的信息是同实际的实时值成比例的。

因此，图形显示更新例行程序86的功能实质上等同于图形显示改变例行程序82，除了后者是被反复调用，并且设计得包括立即的操作数据。如此产生出来的静态和动态图形通过显示控制文件80和显示页面例行程序78同文字材料合并以便显示在CRT上。

讨论一下也许是所希望的一个典型的图形显示，会有助于对本发明的理解。例如，为了画出车床主轴转速对其最大转速的百分数条形图，定制的MCL32可简单地设计以画出两个相接触的矩形，如图8的CRT18上参考数目88所示。虽然整个显示可能存在一个静态部分，但画出的条形图由反复更新的实时数据组成。由于静态部分和动态部分可以十分相似的进行方式达到的，所以只需讨论显示图形的动态部分就够了。

为了画出图8的条形图，显示页面例行程序78，通过MCL窗口的入口点81，每150毫秒调用一次图形显示更新例行程序86。而图形显示更新例行程序86从控制系统得到已有的车床主轴转速可用的实时数据。这个信息被标定，然后依照标定的信息发出绘图指令。例如，需要4个指令：（1）把光标移至预先选好的第一个矩形的左下角开始点;（2）画出第一个矩形直到右上角的终点，这点的位置是实际主轴转速的函数;（3）再把光标移至第二个矩形的左下角开始点，第二个矩形即在第一个矩形终止的地方开始;以及（4）然后画第二个矩形直到其右上角的终点，这点代表主轴的最大转速。于是，主轴转速增加或减小时，这两个矩形的长度亦相应地增加和/或减小。这样条形图就以直观的形式表示实际的主轴转速。

附录Ⅰ是画上述条形图的PCL程序。提供窗口调用以产生图形的例行程序包括在附录Ⅱ。

现在参看图9，这是一个流程图，用来表示为了在视频监视器18上所显示的定制的OEM    MCL显示页面上产生图形软件中所完成的操作步骤。第一步用参考数目90表示，通过MCL显示页面程序包32，根据操作者对一特定的MCL显示页面的要求，调用三个“机床”显示页面中的一个。这是操作者按动数控台12（图1）键盘66及68中一个键的结果，重新请求时也将如此。其次对于特定的页面要检验一下存在性和可用性，如步骤92所显示的那样。再次作为图形显示源所需参数的值是由步骤94所示那样得到。

决定了显示页面和参数值以后，发出显示这显示页面的调用请求，于是如步骤96所示，开始执行显示页面例行程序78。然后执行图形产生的起始部分（步骤98），接着就是图形显示的周期更新，如步骤100所示。在图形产生步骤98及100的每一步骤期间，从定制的MCL程序32发出程序调用82和86去执行具有适当参数的七个绘图程序102、104、…114，通过完成前面公开的七种功能，即：把图形光标移至给定的位置、画一矩形等等，以产生所需图形显示。

因此，以上所表明和描述的是一种应操作者对OEM显示页面的显示请求，在数控机床显示监视器上产生图形的方法和手段。

这里所描述的是本发明目前所认为的一种优选实施方案，但是本领域的专家对此很快能作一些修改。因此，我们不希望这件发明仅限于已表明和描述的这种具体方案，而是打算包括所有属于所附权利要求书中定义的本发明的精神和范围内的修改、变种和变化。

Claims (16)

1、一种控制计算机数控(CNC)系统操作的方法，用来以图形方式显示同加工系统操作有关的预定信息，它包括下列步骤：

(a)要求把一个屏面型的显示在操作者能看到的显示装置上显示；

(b)决定所述的需要显示的预定信息的值；

(c)开始产生所述的预定信息的图形；以及

(d)为了显示所述的预定信息的变化值，周期地更新所述的图形的产生。

2、权利要求1的方法，其中所述的预定信息包括加工状态信息。

3、权利要求1的方法，其中所述的屏面型显示包括视频监视器上产生的许多显示页面中的一个页面，用来显示原设备制造商规定的机床状态信息。

4、权利要求1的方法，其中所述的预定的显示页面还包括字母数字形式的消息信息。

5、权利要求1的方法，其中所述的产生和更新所述的图形的步骤可选择地包括下列步骤：把图形光点移至给定位置、画一条直线。画一矩形、画一园弧、画一园、填满所述的图形位置中预定的一块面积，以及清除所述的图形位置中预定的一块面积。

6、权利要求5的方法，其中所述的CNC系统包括软件实现的数控逻辑（NC）和机床控制逻辑（MCL）程序段，而其中所述的请求显示页面的步骤包括请求预定机床状态信息的MCL显示页面。

7、权利要求6的方法，其中所述的请求MCL显示页面的步骤进一步包括在NC段的显示控制文件中的用于产生图形的调用请求，所述的NC段响应所述的调用请求并启动对MCL段的调用请求，所述的MCL段执行一个或多个例行子程序，这些子程序包括对NC段的回调以产生所述图形。

8、权利要求7的方法，其中所述的CNC还包括能在所述的NC段和所述的MCL段与所述的加工系统的输入/输出装置之间提供通信连接的软件实现的接口，且其中所述的做出执行调用的步骤包括通过所述的接口传送所述的调用。

9、权利要求8的方法，其中所述的MCL段包括由原设备制造商编程的软件实现的定制程序段，并且所述的图形显示的软件执行调用起源于定制MCL段的子程序包。

10、权利要求9的方法，其中所述的显示装置包括一台有可看部分的视频型监视器，其中所述的产生和更新所述的图形的步骤可选择地包括下列步骤：把图形光标移至所述的目视屏幕上给定位置、画出一条预定长度的直线，画一个有预定尺寸的矩形、画一段有预定长度的园弧、画一个有预定直径的园、填满所述的屏幕上一块预定的面积、以及清除所述的屏幕上一块预定的面积。

11、控制机床的一种数控系统，包括对操作者显示信息的装置，且包括：

数控逻辑（NC）软件和机床控制逻辑（MCL）软件，它们分别包括第一及第二套根据需要可执行的存储的计算机程序以控制所述的系统的操作;

所说的第一套程序当被调用时是可操作的，以存取和读出显示控制文件，并把信号耦合到所说的显示装置，用来给操作者显示文字信息，并且对所述的第二套程序启动一个调用请求，使产生出图形显示;

所述的第二套程序包括一套子程序，响应所述的调用请求时被执行，以对所述的第一套程序产生返回调用，以便以所述的图形显示形式显示预定的信息。

12、权利要求11所定义的系统，其中所述的第二套程序，至少部分地包括多个能由原设备制造商定制的子程序包。

13、权利要求12所定义的系统，其中所述的子程序包包括一个程序包，用来调用至少一个以机床状态信息的显示页面的形式表示的图形显示。

14、权利要求13所定义的系统，其中调用所述的图形显示的程序包包括一个用来初始调用产生图形显示的第一子程序以及一个用来周期地更新初始产生的图形显示并可在屏幕上清除所述的图形显示的第二子程序。

15、权利要求14所定义的系统，其中所述的两个子程序都包括调用NC程序的例行程序，并且其中的NC程序包括下列的例行程序：实现图形光标的运动、画出一条直线、画出一个矩形、画出一段园弧、画出一个园、填满一块预定的面积、清除一块预定的面积以及清除整个图形显示。

16、权利要求15定义的系统，其中所述的系统还包括一个由第三套存储程序组成的接口、多个状态标志和一套输入/输出数组，所述的接口连接所述的第一和第二套程序以及机床，其中在所说第一和第二套程序之间的程序调用是通过所述的接口来进行通信的。

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