一種數控工具機控制系統的製作方法
2023-05-21 00:01:11
專利名稱：一種數控工具機控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數控工具機的控制系統，特別是關於一種在Windows作業系統下工作的數控工具機控制系統。
背景技術：
在線切割加工、雷射加工和大型的工具機、銑床等設備中早已實現了數位化控制，但是，這種數位化控制還只是局限在應用單片機作為下位機或使用DOS作業系統的計算機來實現控制，這樣雖然解決了對機械設備的實時控制，但其外圍電路複雜，需要依靠操作面板作為人機交換界面，通常是採用大量的操作按鈕、開關和指示燈，這就需要專業人員輸入比較複雜的工作指令，操作起來比較麻煩，且有時性能不佳，對系統進行維護也不方便且不容易分級。
目前，Windows作業系統已經取代DOS作業系統在各個領域裡得到了廣泛的應用，但是，由於Windows作業系統自身不能提供精確的時鐘周期，而且在Windows系統下要對底層硬體進行訪問也比較困難，因此現有的絕大多數數字控制工具機還是使用DOS作業系統，這不但使操作和維護都不方便，更對工具機的操作人員提出了比較高的專業要求。
另外，也有極少數的機械設備使用了Windows作業系統下的控制系統，它是將Windows作業系統的計算機與單片機連接，計算機作為上位機、單片機作為下位機控制機械設備，這雖然解決了實時控制的問題，但其外圍電路仍較複雜，操作上也需要對單片機編程，在實際使用中還是不方便。
此外，還有一些則選用DSP(Digital Signal Process)晶片，把它作為實時控制與運算，同時它可以以視窗，通過計算機總線進行通訊，但它電路和軟體複雜，開發周期長且價格高。
綜上所述，如何解決Windows作業系統中對機械設備的實時控制問題，已成為解決應用Windows作業系統對機械設備進行數位化控制的核心問題。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種具有很強的精確性和實時性，不需要複雜的外圍電路就可以實現較好的操作性能，且控制方便的數控工具機控制系統。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種數控工具機控制系統，它包括計算機，工具機電機，連接所述計算機與所述工具機電機的數據交換卡；所述計算機包括一數據輸入單元，一連接所述數據交換卡的輸入輸出控制單元，其特徵在於它還包括一可將所述數據輸入單元輸送的NC代碼逐條轉換生成電機指令的指令生成單元，以及一可確定NC代碼加工時間和生成的各電機指令之間精確時鐘周期的實時控制模塊；所述數據交換卡將數位訊號轉換為模擬電信號傳送給所述工具機電機，所述計算機界面採用Windows操作界面。
所述實時控制模塊與所述輸入輸出控制單元之間設置有數據反饋，所述實時控制模塊與所述指令生成單元之間設置有中斷指令發送控制。
在所述指令生成單元與所述輸入輸出控制單元之間設置一反饋判斷單元，所述工具機電機反饋回的錯誤信號通過所述數據交換卡轉換為數位訊號傳遞給輸入輸出控制單元，並通過所述反饋判斷單元中斷指令生成單元向輸入輸出控制單元的電機指令傳送。
在所述輸入輸出控制單元上連接一操作監控單元，在所述反饋判斷單元的N端與所述實時控制模塊之間連接一意外處理單元，所述操作監控單元可將所述輸入輸出控制單元與所述數據交換卡的往來數據轉換為圖形顯示在所述計算機操作界面上，並監控是否需要將所述錯誤信號送入所述意外處理單元進行處理。
本發明還包括一設置在所述數據輸入單元與所述指令生成單元之間的代碼解釋單元。
所述數據輸入單元的輸入方式為圖形直接輸入或輸入坐標生成圖形。
所述計算機與所述數據交換卡的連接採用PCI接口，所述的數據交換卡與所述工具機電機的連接採用標準工業接口。
本發明由於採取以上設計，其具有以下優點1、本發明不經過下位機(如單片機等)，而是直接在基於Windows作業系統的計算機的數據輸入單元編輯加工指令，並將編輯的指令實時地轉換成控制機械設備運動的電機指令，也就是說，跳過了上位機與下位機之間的信息傳遞，直接由上位機控制機械設備運動，從而解決了外圍電路複雜，操作時對單片機編程等問題。2、本發明在界面上採用典型的Windows界面的風格，可以為用戶提供豐富的信息和圖形，不但支持對字符的拷貝、粘貼等操作，而且處理的指令代碼長度幾乎不受限制，操作人員只需直接面對計算機屏幕就可以實現對工具機的操作和控制，有效的降低了對操作人員的技術專業要求；同時操作人員還可以在計算機屏幕上對即將加工的部件形狀等進行預覽，對加工過程中的情況進行實時監控，並在出現問題時隨時中斷加工，操作非常方便。3、本發明設置了指令生成單元和實時控制模塊，因此當通過數據輸入單元直接輸入或通過代碼解釋單元轉換生成NC代碼後，實時控制模塊可以通過計算確定每條NC代碼加工所需要的時間，並在指令生成單元中通過插補運算逐條將NC代碼轉換生成電機指令後，通過實時控制模塊提供精確的時間定時，保證每條電機指令之間的時間間隔，使加工中不會出現錯誤，有效的解決了在Windows作業系統下不使用單片機等，就可以實現對機械設備精確的實時控制問題。4、本發明由於是工作在Windows作業系統下，不但可以充分地利用Windows的各種豐富資源，還可以方便地構建工業網絡，實現集中操作的監控，綜合信息的管理等工業控制模式。本發明沒有複雜的外設電路，操作簡單方便，它可以廣泛用於各種數控工具機的控制系統中。
圖1是本發明控制流程2是本發明操作界面的一實施例具體實施方式
如圖1所示，本發明主要包括計算機1，工具機電機2，連接在計算機1與工具機電機2之間的數據交換卡3，以及其它進行工具機控制的輔助設備及線路。計算機1的操作界面採用Windows操作界面，控制部分主要包括數據輸入單元11，代碼解釋單元12，指令生成單元13，輸入輸出控制單元14，反饋判斷單元15，意外處理單元16和操作監控單元17，同時在整個控制流程過程中嵌入一實時控制模塊18。
本發明的實時控制模塊18可以採用Windows多線程的編程技術，將德國SYBERA公司提供的SHA(Sybera Hardware Access)實時軟體內核嵌入本發明的控制系統中，通過使用自定義的消息，可達到在多個線程中進行數據通信的目的。一個線程向另一個線程發送消息是通過作業系統實現的。利用Windows作業系統的消息驅動機制，當一個線程發出一個消息時，作業系統首先接受到該消息，然後把該消息轉發給該消息的目標線程，接受消息的線程必須已經創建了消息循環。
在線程的同步問題上，即使隸屬於一個進程的各線程協調一致地工作。在MFC中提供多種同步對象，如CEvent、CCriticalSection、CSemaphore、CMutex等，進行線程同步的處理。本發明採用CEvent類進行線程同步的處理。
CEvent類提供了對事件的支持。事件是一個允許一個線程在某種情況發生時，喚醒另外一個線程的同步對象。事件告訴線程如何去執行某一個給定的任務，從而使多個線程平滑。每一個CEvent對象可以有兩種狀態有信號狀態(signaled)和無信號狀態(nonsignaled)。線程監視位於其中的CEvent類對象的狀態，並在相應的時候採取相應的操作。這就形成了本發明中的實時控制模塊18。
具體程序如下①使用全局變量進行通信
typedef struct ThreadInfo{CFrame Wnd *pMainFrame；HANDLE hSHATimer；HANDLE hSHAEvent；bool Stop Timer；}ThreadInfo；ThreadInfo Info；②定義用戶自定義消息#define WM_SHATIMER(WM_USER+1)③調用SHA的API(應用程式接口)函數，得到Timer的句柄Error＝ShaConnectTimer(0，4，NULL，NULL，szEventName，Info.hSHATimer)；④根據Timer句柄創建CEvent類的對象Info.hSHA Event＝OpenEvent(SYNCHRONIZE，FALSE，szEventName)；⑤創建線程，啟動TimerCreateThread(NULL，0，(LPTHREAD_START_ROUTINE)TimerThread，Info，0，ThreadID)；ShaStartTimer(Info.hSHATimer)；⑥實現線程函數void WINAPI TimerThread(LPVOID lpParam){ThreadInfo *pInfo＝(ThreadInfo*)lpParam；for(；；){WaitForSingleObject(pInfo-＞hSHAEvent，INFINITE)；∷SendMessage(pInfo-＞pMainFrame-＞GetSafeHwnd， WM_SHATIMER，0L，0L)； if(Info-＞StopTimer)break；}ShaStopTimer(pInfo-＞hSHATimer)；CloseHandle(pInfo-＞hSHAEvent)；dp/ShaDisconnectTimer(pInfo-＞hSHATimer)；}⑦LRESULT CMainFrame∷OnShaTimer(WPARAM wParam，LPARAM lParam){處理以上諸單元；return 0；}在本發明的控制系統操作時，首先啟動實時控制模塊18，其可以為各個單元提供極其精確的時鐘脈衝，具體的控制方式將在下面的描述中進一步加以說明。
在數據輸入單元11，操作人員可以直接應用軟體的操作界面，使用滑鼠在屏幕上畫出所要加工的圖形，也可以通過鍵盤輸入坐標完成所要加工的圖形，還可以直接輸入計算機能夠識別的所要加工圖形的NC代碼，且隨時可通過預覽按鈕，預覽在預覽加工零件視圖區中的二維幾何形狀。
輸入的要加工的圖形數據等可以應用代碼解釋單元12轉換為計算機可以識別的代碼，如果數據輸入單元11直接輸入NC代碼則可以直接進入指令生成單元13。
在指令生成單元13中，NC代碼被逐條通過插補運算轉換為m條電機加工指令，NC代碼不同，每條NC代碼轉換成為的電機指令的條數m也可能不同。實時控制模塊18可以通過計算確定每條NC代碼加工所需要的時間t，NC代碼不同其加工時間t也可能不同；同時，實時控制模塊可以根據每條NC代碼加工所需要的時間t和指令指令生成單元13轉換的指令條數m，確定每條電機指令之間的時間間隔，比如第一條NC代碼的加工時間是t1，其轉換為m1條電機指令，那麼每條電機指令的時間間隔t1/m1便被確定，亦即指令發出的脈衝周期就被確定。
由於實時控制模塊18可以進行精確到1微秒級的時間定時，因此不但可以為在Windows作業系統下的本發明提供精確的時間定時，而且可以保證每條電機指令之間的時間間隔，具體說是當指令生成單元13將設置有精確時間定時的電機指令逐條發送給輸入輸出控制單元14時，實時控制模塊18還監督著輸入輸出控制單元14是否在計算出的時間間隔內將該條電機指令輸出給數據交換卡3。如果在計算出的時間間隔內輸入輸出控制單元14沒有將電機指令輸出，那麼實時控制模塊18將控制指令生成單元13停止下一條電機指令的發出，只有當該條電機指令順利通過輸入輸出控制單元14發出後，下一條電機指令才會發出，這樣就可以避免加工時，工具機電機2在第一條指令還沒有加工完成，第二條指令就開始的加工錯誤。
反饋判斷單元15設置在指令生成單元13之後，是為了在指令傳送給輸入輸出控制單元14之前，先對要加工指令的前一條指令加工正確性進行判斷。如果正確(Y)，便進入輸入輸出控制單元14；如果錯誤(N)，便直接中斷指令生成單元13的指令輸出，或者通過實時控制模塊18中斷指令生成單元13的指令輸出，或通過意外處理單元16，再通過實時控制模塊18中斷指令生成單元13的指令輸出。
輸入輸出控制單元14將電機指令傳送給數據交換卡3，數據交換卡3可以把數位訊號轉換為模擬電信號傳送給工具機電機2，以控制工具機加工。工具機電機2的反饋信號可以反過來通過數據交換卡3轉換為數位訊號傳回輸入輸出控制單元14。與輸入輸出控制單元14連接的操作監控單元17可以得到輸入輸出控制單元14輸出給數據交換卡3的數據和數據交換卡3反饋給輸入輸出控制單元14的數據，還可以通過操作監控單元計算出加工進度，並轉換為圖形在計算機屏幕上顯示。操作人員可以通過操作監控單元17了解整個加工的運行狀態，判斷是否需要意外處理，並進行相應操作。
當反饋信號包含錯誤信號的時候，輸入輸出控制單元14可以給出一個中斷信號，直接停止工具機電機轉動，或直接停止指令生成單元13繼續傳送指令；也可以通過反饋判斷單元15或再通過意外處理單元16，向指令生成單元13發出中斷信號；當錯誤排除後，開啟實時控制模塊18，整個流程再次進行。
如圖2所示，為本發明的操作界面的一實施例，其包括有加工圖形顯示區21、當前加工點坐標顯示區22、加工開始按鈕23、加工停止按鈕24、NC代碼編輯區25和下拉菜單26等。加工圖形顯示區21顯示輸入的NC代碼轉換成的圖形，當操作人員認可時可用滑鼠點擊加工開始按鈕23，加工開始，當前加工點坐標顯示區22實時的顯示刀具加工的位置，而且加工圖形顯示區21也可以顯示出當前的加工位置，此外，操作人員在加工時也可以隨時用滑鼠點擊加工停止按鈕24，則加工停止；此外，還可以直接在加工圖形顯示區21拖動滑鼠輸入欲加工的圖形，也可以通過下拉菜單26選擇輸入坐標轉換為圖形的方式，而相應的NC代碼則在NC代碼編輯區25處生成，NC代碼編輯區25處的代碼可以直接編輯，更可以複製、儲存，方便以後的再次使用。
下面以切割圓為例，簡述本發明操作過程。
啟動系統，打開已儲存好的NC文件，讀入包含切割圓的G(G代碼是NC代碼的一種)代碼文件，或者直接在屏幕顯示的NC代碼編輯區25通過數據輸入單元11輸入該圓的G代碼；然後，按下加工開始按鈕，程序開始運行，執行以下步驟1、啟動實時控制模塊18；2、在指令生成單元將G代碼生成與圓對應的數據結構，在這個數據結構中，存儲該圓的起點、終點以及該圓的圓心坐標等數據；3、在指令生成單元根據圓的插補算法，將該圓的有關數據轉化為電機指令；4、由實時控制模塊18計算出每條電機指令之間的時間間隔；5、由實時控制模塊18發出以計算出的每條電機指令之間的時間間隔為周期的時鐘脈衝，保證每條電機指令在計算出的時間間隔內發送給工具機電機；6、通過反饋判斷單元15以及數據交換卡3，判斷各工具機電機2的運行狀態；如果出現運行意外，停止電機指令的傳送並通過意外處理單元16進行意外處理。
權利要求
1.一種數控工具機控制系統，它包括計算機，工具機電機，連接所述計算機與所述工具機電機的數據交換卡；所述計算機包括一數據輸入單元，一連接所述數據交換卡的輸入輸出控制單元，其特徵在於它還包括一可將所述數據輸入單元輸送的NC代碼逐條轉換生成電機指令的指令生成單元，以及一可確定NC代碼加工時間和生成的各電機指令之間精確時鐘周期的實時控制模塊；所述數據交換卡將數位訊號轉換為模擬電信號傳送給所述工具機電機，所述計算機界面採用Windows操作界面。
2.如權利要求1所述的一種數控工具機控制系統，其特徵在於所述實時控制模塊與所述輸入輸出控制單元之間設置有數據反饋，所述實時控制模塊與所述指令生成單元之間設置有中斷指令發送控制。
3.如權利要求1所述的一種數控工具機控制系統，其特徵在於在所述指令生成單元與所述輸入輸出控制單元之間設置一反饋判斷單元，所述工具機電機反饋回的錯誤信號通過所述數據交換卡轉換為數位訊號傳遞給輸入輸出控制單元，並通過所述反饋判斷單元中斷指令生成單元向輸入輸出控制單元的電機指令傳送。
4.如權利要求2所述的一種數控工具機控制系統，其特徵在於在所述指令生成單元與所述輸入輸出控制單元之間設置一反饋判斷單元，所述工具機電機反饋回的錯誤信號通過所述數據交換卡轉換為數位訊號傳遞給輸入輸出控制單元，並通過所述反饋判斷單元中斷指令生成單元向輸入輸出控制單元的電機指令傳送。
5.如權利要求3或4所述的一種數控工具機控制系統，其特徵在於在所述輸入輸出控制單元上連接一操作監控單元，在所述反饋判斷單元的N端與所述實時控制模塊之間連接一意外處理單元，所述操作監控單元可將所述輸入輸出控制單元與所述數據交換卡的往來數據轉換為圖形顯示在所述計算機操作界面上，並監控是否需要將所述錯誤信號送入所述意外處理單元進行處理。
6.如權利要求1或2或3或4所述的一種數控工具機控制系統，其特徵在於它還包括一設置在所述數據輸入單元與所述指令生成單元之間的可將圖形轉換成NC代碼的代碼解釋單元。
7.如權利要求5所述的一種數控工具機控制系統，其特徵在於它還包括一設置在所述數據輸入單元與所述指令生成單元之間的可將圖形轉換成NC代碼的代碼解釋單元。
8.如權利要求6所述的一種數控工具機控制系統，其特徵在於所述數據輸入單元的輸入方式為圖形直接輸入或輸入坐標生成圖形。
9.如權利要求1或2或3或4或7或8所述的一種數控工具機控制系統，其特徵在於所述計算機與所述數據交換卡的連接採用PCI接口，所述的數據交換卡與所述工具機電機的連接採用標準工業接口。
10.如權利要求5或6所述的一種數控工具機控制系統，其特徵在於所述計算機與所述數據交換卡的連接採用PCI接口，所述的數據交換卡與所述工具機電機的連接採用標準工業接口。
全文摘要
本發明涉及一種數控工具機控制系統，它包括計算機，工具機電機，連接所述計算機與所述工具機電機的數據交換卡；所述計算機包括一數據輸入單元，一連接所述數據交換卡的輸入輸出控制單元，其特徵在於它還包括一可將所述數據輸入單元輸送的NC代碼逐條轉換生成電機指令的指令生成單元，以及一可確定所述NC代碼加工時間和所述生成的各電機指令之間精確時鐘周期的實時控制模塊；所述數據交換卡將數位訊號轉換為模擬電信號傳送給所述工具機電機，所述計算機界面採用Windows操作界面。本發明跳過了上位機與下位機之間的信息傳遞，直接由上位機控制機械設備運動，同時界面上採用典型的Windows界面的風格，可以為用戶提供豐富的信息和圖形，不但支持對字符的拷貝、粘貼等操作，而且處理的指令代碼長度幾乎不受限制，操作非常方便。
文檔編號G05B19/18GK1558302SQ200410001198
公開日2004年12月29日 申請日期2004年2月4日 優先權日2004年2月4日
發明者王振華, 蔡志芳, 張磊, 葉平, 吳項東, 周建南 申請人:周建南