專利名稱：經濟型數控機床的控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種機床的控制系統，特別是一種經濟型數控機床的控制系統及方法。
背景技術：
數控機床采用控制軟件的集成技術，將PLC集成在CNC數控系統中。PLC作為數控機床各項功能的邏輯控制中心，它將來自CNC的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準確地、協調有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態傳送給CNC，使CNC能及時準確地發出進一步的控制指令，伺服系統接受來自CNC對每個運動坐標軸分別提供的速度指令，經速度與電流(轉矩)調節輸出驅動信號驅動伺服電機轉動，實現機床坐標軸運動，同時接受速度反饋信號實施速度閉環控制，通過PLC與CNC通信，通報現時工作狀態并接受CNC的控制。PLC與CNC的集成是采取軟件接口實現的，系統是將二者間各種通信信息分別指定其固定的存放地址，由系統對所有地址的信息狀態進行實時監控，根據各接口信號的現時狀態加以分析判斷，據此作出進一步的控制命令，完成對運動或功能的控制。由于數字技術的高度集成化，許多系統程序和用戶程序都被控制硬件制造廠家固化在系統中，隨系統硬件一起出售，不但增加了設備成本，而且限制用戶自我開發，降低了系統集成的能力。數字技術的高度集成化，軟件決定硬件，限制了用戶根據機床特點選用合適性價比數控系統的能力，不能充分發揮各系統硬件的優點。
經濟型數控機床由于只配備了PLC，難于實現對坐標軸的定位控制，往往需要增設外圍電路，才能實現坐標軸運動參數(距離、速度)的精確控制。
另外，現有的機床數控制系統采用的單片機或者計算機(MMC)作為上位機來實現控制。這樣雖然解決了對機械設備的實時控制，但外圍電路復雜，需要依靠操作面板作為人機交換的界面，通常存在大量的操作按鈕、開關和指示燈等硬件器件，還需要操作員輸入比較復雜的指令，操作起來比較麻煩，且硬件器件性能不佳，故障率較高，系統的穩定性差，維護工作量大，故障點不好查找，維護不方便。
綜上所說，現代數控機床還需要在以下幾點上進行改進(1)在提高數控機床定位精度的前提下，采用軟件編程代替硬件電路，實現硬件無按鈕操作化，減少外圍復雜電路，降低故障率。(2)使設計人員根據不同機床自身特點開發適合本體機床的程序，加快技術革新的能力，降低性價比，而不依賴數控系統本身的硬件配比能力。(3)在系統集成方面不依賴和局限于軟件對機床開發的限制，用戶可以自由組合硬件實現對數控機床的控制。
發明內容
本發明的目的，提供一種具有精確定位和實時監控功能，在硬件上實現無按鈕化操作的，在軟件方面用戶可自由開發和利用的一種經濟型數控系統。為達到上述目的，本發明采用如下技術解決方案一種經濟型數控機床的控制系統，包括機床伺服系統、機床伺服電機和對該伺服系統進行控制的PLC；其特征在于，還包括通過通信接口與PLC通信的觸摸屏，所述觸摸屏包括-數據輸入模塊，用于輸入、修改被控參數的參數值和操作指令，讀取觸摸屏的操作界面；-數據存儲模塊，用于存儲輸入、輸出數據；-數據處理計算模塊，用于對輸入、輸出參數數據進行處理、計算；包括輸入信號的編碼運算；輸出信號的解碼運算。
所述PLC包括
數據移位單元，用于根據操作指令分別把PLC內部高速記數脈沖值、數據存儲模塊數據值、控制代碼參數值實時移位到PLC編程分配的數據塊中；數據存儲單元，用于存儲移位單元傳遞來的數據；數據檢測單元，用于實時檢測坐標軸的當前運動狀態參數值，包括距離、速度值，以及控制方式參數值；數據比較單元，用于將檢測單元檢測到的坐標軸當前運動狀態參數值、控制方式參數值與觸摸屏存儲模塊的設定值進行比較；數據計算單元，用于根據比較結果計算出控制信號的值，即記數脈沖的數量值；控制方式確定單元，用于根據數據檢測單元檢測到的控制方式數據，確定正、反轉操作和定位方式；控制信號輸出單元，用于輸出確定了控制方式的方向脈沖和速度大小的記數脈沖信號。
所述觸摸屏還包括-開關模塊，用于接通/斷開控制坐標軸運動的電路；-選擇模塊，用于選擇、切換控制坐標軸運動的控制方式及觸摸屏的操作界面；-監視模塊，用于指示電路的工作狀態；-數據跟隨顯示模塊，用于監視機床實際運動情況，并顯示實際運行參數值。
一種用上述控制系統控制坐標軸運動位置的方法，包括步驟-信號輸入步驟通過觸摸屏上的鍵盤輸入工件的特征參數值和操作員的操作指令；-輸入信號處理步驟由觸摸屏的處理計算模塊對輸入信號進行處理、計算；將輸入信號進行單位進制換算和編碼，轉換成相應的數字信號；-第一存儲步驟，將數字信號存入觸摸屏的存儲模塊；
-移位步驟由PLC的移位單元根據操作指令分別把PLC內部高速記數脈沖值、數據存儲模塊數據值、控制代碼參數值實時移位到PLC編程分配的數據塊中；-第二存儲步驟，將移位單元傳遞來的數據存入PLC的存儲單元；-檢測步驟，由PLC檢測單元實時檢測坐標軸的當前距離參數值及控制方式參數值；-比較步驟，由PLC比較單元將檢測到的坐標軸當前距離參數值及控制方式參數值與觸摸屏存儲模塊中的設定值進行比較；-計算步驟，根據比較結果計算出控制信號的值，即記數脈沖的數量值；-控制方式確定步驟，根據數據檢測單元檢測到的控制方式數據，確定正、反轉操作和定位方式；-控制信號輸出步驟，將控制方式的方向脈沖信號和速度大小的記數脈沖信號送到伺服系統中。
技術效果一、由于采用觸摸屏，同時起了四方面作用1、代替了CNC數控系統，觸摸屏的CPU將接到的數據或者信號指令進行解碼、編碼、運算，然后有序地發出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，實現精確定位，精度可達0.002mm，取得與CNC同等的技術效果，大幅度降低了系統成本。
2、代替了數控機床中的人機操作面板(MMC)，用戶可以根據機床特點的需要，自己制作完成需要的控制畫面。而一般型數控機床人機操作畫面是由生產廠家固化在系統中的，作為系統整體出售，這樣增加了設計成本，也不利于設計人員對操作畫面的二次開發。
3、帶有配方數據卡，能實現對數據存儲和傳輸，對機床數據定位具有記憶功能，為PLC運行控制程序提供了必要條件。
4、操作方式上實現硬件無按鈕操作化，機床所有操作器件包括鍵盤都是通過編程人員在軟件中模擬實現，從而徹底消除了系統二次電路中的硬件器件，降低故障率，增強了系統的穩定性。
二、由于采用帶有高速記數脈沖的PLC，使其可以運行如下需要高速記數的控制程序坐標軸運動參數實時檢測；發出速度和位置指令；調節輸出控制信號；接受速度反饋信號到伺服系統實施速度閉環控制信號的數據處理；從而最終實現坐標軸運動參數的精確控制。
圖1是本控制系統的結構及流程圖具體實施方式
參見圖1本發明包括觸摸屏10、PLC可編程控制器20、機床伺服系統30三大部分。
觸摸屏10是用戶進行人機對話的窗口，所有的操作界面都是編程人員自己設計完成的，它具有機床操作，狀態顯示，數據跟隨，數據存儲與計算等功能。其具體控制部分主要包括功能選擇模塊1，數據輸入模塊2(鍵盤)，數據計算模塊3(CPU)，數據存儲模塊4，數據跟隨模塊5，開關控制模塊6，狀態監視模塊7；其中，除數據計算模塊3(CPU)和數據存儲模塊4是硬件外，其余都是軟件。
編程組態的方式，首先制作功能選擇模塊1，用戶可以自由切換操作界面，滿足不同軸的控制。制作數據輸入設備，用于對數字或者字母的輸入和刪除的控制鍵盤。有了數據輸入設備就必須有對數據計算的模塊3，數據計算模塊對操作者發出的位置指令和速度指令進行數學計算，進行機器編碼工作，編碼成PLC能識別的機器語言代碼，然后傳送到下一級模塊中；還會對PLC控制系統反饋回的實際距離進行解碼工作，送入數據跟隨模塊5進行實時監控。觸摸屏控制系統會對編碼的語言進行校驗并存儲在數據存儲模塊4，數據存儲是配方數據卡特有的功能，它可以存儲大量的控制數據與信息，進行數據傳輸和交換，所有的數據和信息的交換是通過觸摸屏與PLC控制器的網絡通信實現的。開關控制模塊6，用于接通/斷開電路，控制坐標軸的運動控制。狀態監視模塊7，對PLC輸出狀態的監控。
PLC控制器20是控制系統的神經中樞，它不僅對外部輸入信號進行邏輯處理，而且對內部數據進行存儲，檢測，比較，計算等。其主要控制部分包括數據移位單元11，數據檢測單元12，數據比較單元13，數據計算單元14，數據存儲單元15，輸入控制單元16，控制方式單元17，輸出控制單元18。為了保證控制精度，系統采用高速記數脈沖的PLC，例如松下FP∑系列的PLC控制器。
伺服系統30是本控制系統的第三部分，包括伺服驅動系統31、電機32、編碼器33。
本控制系統的工作原理如下當PLC與觸摸屏完全通信后，PLC程序的數據移位單元11識別觸摸屏配方數據卡里的數據，根據程序的需要實時檢測傳送到PLC的數據存儲單元15中，并按機器代碼存儲其中。
PLC程序會發出指令給數據檢測單元12，數據檢測單元12會根據系統不同的要求，檢測出操作者需要運行的速度、距離與操作方式等指令，并接受機床實際距離反饋值，分別存放到不同的地址中。速度指令值直接傳送到數據計算單元14，操作方式指令值直接送入控制方式單元17，檢測到的實際距離值反饋回數據計算模塊3中進行解碼，并在數據跟隨模塊5中顯示出來。
數據比較單元13通過尋址找到檢測單元12對機床實際距離和設定距離數據塊存放的地址，開始進行比較，當實際距離比設定距離小時，數據計算單元14與控制方式單元17有效。當實際距離比設定距離大時，數據比較單元13把檢測的數值重新反饋回檢測單元12，然后再比較，直到滿足條件時停止比較，數據比較單元13中選用合適的比較指令是提高機床精度的重要保證。
數據計算單元14，當數據比較單元13的比較結果判斷為“是”時，數據計算單元14開始接受數據檢測單元12傳送來的速度指令，并開始計算PLC需要觸發多少脈沖個數。
控制方式單元17，當數據比較單元13的比較結果判斷為“是”時，控制方式單元17開始接受數據檢測單元12傳送來的控制方式指令，當系統檢測到開關控制模塊6和輸入控制單元16的邏輯指令都滿足運行條件時，激活控制方式單元17，PLC輸出方向脈沖。
輸出控制單元18接受數據計算單元14所產生速度指令脈沖數和控制方式單元17所產生的方向脈沖，并驅動伺服系統運行。
伺服系統30在定位方面起了重要的作用，數字脈沖編碼器33作為位置檢查元件，它對機床位置間接測量，將測量值反饋回伺服系統中，該系統再反饋回數據測量單元12中，并且通過修改伺服驅動參數單位指令脈沖數，對應電機的速度和位移量，實現精確定位。
坐標軸位置控制過程包括如下步驟1.進入觸摸屏操作界面選定一坐標軸，通過數據輸入模塊2，設定坐標軸運動的距離和初始速度值。
2.由觸摸屏數據處理計算模塊3，對輸入的初始速度值和距離設定值進行計算和編碼，存放到存儲模塊4的配方數據塊中，對PLC系統反饋回的實際距離值和運行速度值解碼傳入數據跟隨模塊5中，實時顯示和監控它們。
3.PLC的數據移位單元11，通過尋址及時準確地把存儲模塊4的配方數據塊中各種信息和數據傳送到PLC的存儲單元15，實現存儲單元15存儲數據、記憶數據的功能。其所傳數據包括，速度數據，位置數據，PLC內部高速記數器發的脈沖數據，方向控制等數據。
4.檢測單元12對存儲單元15所存儲的數據和伺服系統31反饋回的實際距離數據信號處理檢測分類，使它們傳送到不同的控制數據塊中。
5.比較單元13對檢測單元12分配的實際距離和設定距離的位置進行比較。當比較結果被判斷為“是”時，速度計算和方向計算控制有效，系統會把速度數據塊和方向數據塊指令傳入相應的控制單元；反之，當比較結果被判斷為“否”時，速度和方向控制無效，指令不會傳入相應的控制單元。
6.數據計算單元14接受檢測單元12提供分配的速度指令，實時計算速度變化值，產生相應頻率的記數脈沖(YO)。
7.控制方式確定單元17接受檢測單元12提供分配的方向指令脈沖，通過控制開關模塊6產生相應的方向控制脈沖(YI)。
8.輸出控制單元18將記數脈沖(YO)、方向脈沖(YI)輸入伺服驅動系統31，對其進行控制。
本發明的一個突出特點是采用觸摸屏，它同時起四方面作用1、代替了數控機床中的人機操作面板MMC，用戶可以根據機床特點的需要，自己制作完成需要的控制畫面。而一般型數控機床人機操作畫面是由生產廠家固化在系統中的，作為系統整體出售，這樣增加了設計成本，也不利于設計人員對操作畫面的二次開發。2、用觸摸屏代替數控系統CNC，觸摸屏的CPU將接到的數據或者信號指令進行解碼、編碼、運算，然后有序地發出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，實現精確定位。3、帶有配方數據卡，能實現對數據存儲和傳輸，對機床數據定位具有記憶功能。4、操作系統二次電路中的器件都是通過編程人員在軟件中模擬實現，徹底消除硬件器件，降低故障率，增強系統穩定性。
本發明的另一個突出特點是PLC的功能、作用與常規數控機床的PLC不完全相同。本發明的PLC接受觸摸屏CPU處理后的各種信息，并在PLC中進行實時檢測，發出速度和位置指令，調節輸出驅動信號驅動伺服電機轉動，實現機床坐標軸運動，并接受速度反饋信號到伺服系統實施速度閉環控制信號的處理數據。而常規數控機床(PLC+CNC)，其PLC作為數控機床各項功能的邏輯控制中心，它將來自CNC的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準確地、協調有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態傳送給CNC，使CNC能及時準確地發出進一步的控制指令，伺服系統接受來自CNC對每個運動坐標軸分別提供的速度指令，經速度與電流(轉矩)調節輸出驅動信號驅動伺服電機轉動，實現機床坐標軸運動，同時接受速度反饋信號實施速度閉環控制，它也通過PLC與CNC通信，通報現時工作狀態并接受CNC的控制。
權利要求
1.一種經濟型數控機床的控制系統，包括機床伺服系統和對該伺服系統進行控制的PLC；其特征在于，還包括通過通信接口與PLC通信的觸摸屏，所述觸摸屏包括-數據輸入模塊，用于輸入、修改被控參數的參數值和操作指令，讀取觸摸屏的操作界面；-數據存儲模塊，用于存儲輸入、輸出數據；-數據處理計算模塊，用于對輸入、輸出參數數據進行處理、計算；包括輸入信號的編碼運算；輸出信號的解碼運算；所述PLC包括-數據移位單元，用于根據操作指令分別把PLC內部高速記數脈沖值、數據存儲模塊數據值、控制代碼參數值實時移位到PLC編程分配的數據塊中；-數據存儲單元，用于存儲移位單元傳遞來的數據；-數據檢測單元，用于實時檢測坐標軸的當前運動狀態參數值，包括距離、速度值，以及控制方式參數值；-數據比較單元，用于將檢測單元檢測到的坐標軸當前運動狀態參數值、控制方式參數值與觸摸屏存儲模塊的設定值進行比較；-數據計算單元，用于根據比較結果計算出控制信號的值，即記數脈沖的數量值；-控制方式確定單元，用于根據數據檢測單元檢測到的控制方式數據，確定正、反轉操作和定位方式；-控制信號輸出單元，用于輸出確定了控制方式的方向脈沖和速度大小的記數脈沖信號。
2.根據權利要求1所述的控制系統，其特征在于，所述觸摸屏還包括-開關模塊，用于接通/斷開控制坐標軸運動的電路；-選擇模塊，用于選擇、切換控制坐標軸運動的控制方式及觸摸屏的操作界面；-監視模塊，用于指示電路的工作狀態；-數據跟隨顯示模塊，用于監視機床實際運動情況，并顯示實際運行參數值。
3.一種用權利要求1所述控制系統控制坐標軸運動位置的方法，包括步驟-信號輸入步驟通過觸摸屏上的鍵盤輸入工件的特征參數值和操作員的操作指令；-輸入信號處理步驟由觸摸屏的處理計算模塊對輸入信號進行處理、計算；將輸入信號進行單位進制換算和編碼，轉換成相應的數字信號；-第一存儲步驟，將數字信號存入觸摸屏的存儲模塊；-移位步驟由PLC的移位單元根據操作指令分別把PLC內部高速記數脈沖值、數據存儲模塊數據值、控制代碼參數值實時移位到PLC編程分配的數據塊中；-第二存儲步驟，將移位單元傳遞來的數據存入PLC的存儲單元；-檢測步驟，由PLC檢測單元實時檢測坐標軸的當前距離參數值及控制方式參數值；-比較步驟，由PLC比較單元將檢測到的坐標軸當前距離參數值及控制方式參數值與觸摸屏存儲模塊中的設定值進行比較；-計算步驟，根據比較結果計算出控制信號的值，即記數脈沖的數量值；-控制方式確定步驟，根據數據檢測單元檢測到的控制方式數據，確定正、反轉操作和定位方式；-控制信號輸出步驟，將控制方式的方向脈沖信號和速度大小的記數脈沖信號送到伺服系統中。
全文摘要
本發明涉及一種經濟型數控機床的控制系統及方法，其特點是用觸摸屏代替CNC，該觸摸屏含有數據輸入模塊、數據存儲模塊、數據處理計算模塊，通過通信接口與PLC通信，實現坐標軸位置控制，定位精度可達0.002mm；該觸摸屏還含有開關模塊、選擇模塊、監視模塊、數據跟隨顯示模塊，使控制面板徹底消除了硬件器件，故障率低，系統的穩定性大幅度提高；用戶可以根據機床特點的需要，自己制作、修改控制畫面，與CNC的固化軟件相比，大幅度降低了軟件成本。
文檔編號G05B19/406GK1804743SQ20051002227
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月14日 優先權日2005年12月14日
發明者王其勛, 胡雪源, 王德貴, 周家剛 申請人:東方汽輪機廠