经济型数控机床的控制系统及方法

1.一种经济型数控机床的控制系统，包括机床伺服系统和对该伺服系统 进行控制的PLC；其特征在于，还包括通过通信接口与PLC通信的触摸屏，所 述触摸屏包括：
-数据输入模块，用于输入、修改被控参数的设定值和操作员的操作指 令，读取触摸屏的操作界面；
-数据存储模块，用于存储输入、输出数据；
-数据处理计算模块，用于对输入、输出参数数据进行处理、计算；包括 输入信号的编码运算；输出信号的解码运算；
所述PLC包括：
-数据移位单元，用于根据操作指令分别把PLC内部高速记数脉冲值、数 据存储模块数据值、控制代码参数值实时移位到PLC编程分配的数据块中；
-数据存储单元，用于存储移位单元传递来的数据；
-数据检测单元，用于实时检测坐标轴的当前运动状态参数值，包括距 离、速度值，以及控制方式参数值；
-数据比较单元，用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参数值、 控制方式参数值与触摸屏存储模块的设定值进行比较；
-数据计算单元，用于根据比较结果计算出控制信号的值，即记数脉冲的 数量值；
-控制方式确定单元，用于根据数据检测单元检测到的控制方式数据，确 定正、反转操作和定位方式；
-控制信号输出单元，用于输出确定了控制方式方向的脉冲和速度大小的 记数脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述触摸屏还包括：
-开关模块，用于接通/断开控制坐标轴运动的电路；
-选择模块，用于选择、切换控制坐标轴运动的控制方式及触摸屏的操作 界面；
-监视模块，用于指示电路的工作状态；
-数据跟随显示模块，用于监视机床实际运动情况，并显示实际运行参数 值。
3.一种用权利要求1所述控制系统控制坐标轴运动位置的方法，包括步 骤：
-信号输入步骤：通过触摸屏上的键盘输入工件的特征参数设定值和操作 员的操作指令；
-输入信号处理步骤：由触摸屏的处理计算模块对输入信号进行处理、 计算；将输入信号进行单位进制换算和编码，转换成相应的数字信号；
-第一存储步骤，将数字信号存入触摸屏的存储模块；
-移位步骤：由PLC的移位单元根据操作指令分别把PLC内部高速记数脉冲 值、数据存储模块数据值、控制代码参数值实时移位到PLC编程分配的数据 块中；
-第二存储步骤，将移位单元传递来的数据存入PLC的存储单元；
-检测步骤，由PLC检测单元实时检测坐标轴的当前距离参数值及控制方 式参数值；
-比较步骤，由PLC比较单元将检测到的坐标轴当前距离参数值及控制方 式参数值与触摸屏存储模块中的设定值进行比较；
-计算步骤，根据比较结果计算出控制信号的值，即记数脉冲的数量值；
-控制方式确定步骤，根据数据检测单元检测到的控制方式数据，确定 正、反转操作和定位方式；
-控制信号输出步骤，将确定了控制方式方向的脉冲信号和速度大小的记 数脉冲信号送到伺服系统中。

技术领域\n本发明涉及一种机床的控制系统，特别是一种经济型数控机床的控制系 统及方法。\n背景技术\n数控机床采用控制软件的集成技术，将PLC集成在CNC数控系统中。PLC作 为数控机床各项功能的逻辑控制中心，它将来自CNC的各种运动及功能指令进 行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的 各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指 令，伺服系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与 电流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同 时接受速度反馈信号实施速度闭环控制，通过PLC与CNC通信，通报现时工作 状态并接受CNC的控制。PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，系统是将二 者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状 态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一 步的控制命令，完成对运动或功能的控制。由于数字技术的高度集成化，许 多系统程序和用户程序都被控制硬件制造厂家固化在系统中，随系统硬件一 起出售，不但增加了设备成本，而且限制用户自我开发，降低了系统集成的 能力。数字技术的高度集成化，软件决定硬件，限制了用户根据机床特点选 用合适性价比数控系统的能力，不能充分发挥各系统硬件的优点。\n经济型数控机床由于只配备了PLC，难于实现对坐标轴的定位控制，往往 需要增设外围电路，才能实现坐标轴运动参数(距离、速度)的精确控制。\n另外，现有的机床数控制系统采用的单片机或者计算机(MMC)作为上位 机来实现控制。这样虽然解决了对机械设备的实时控制，但外围电路复杂， 需要依靠操作面板作为人机交换的界面，通常存在大量的操作按钮、开关和 指示灯等硬件器件，还需要操作员输入比较复杂的指令，操作起来比较麻 烦，且硬件器件性能不佳，故障率较高，系统的稳定性差，维护工作量大， 故障点不好查找，维护不方便。\n综上所说，现代数控机床还需要在以下几点上进行改进：(1)在提高数 控机床定位精度的前提下，采用软件编程代替硬件电路，实现硬件无按钮操 作化，减少外围复杂电路，降低故障率。(2)使设计人员根据不同机床自身 特点开发适合本体机床的程序，加快技术革新的能力，降低性价比，而不依 赖数控系统本身的硬件配比能力。(3)在系统集成方面不依赖和局限于软件 对机床开发的限制，用户可以自由组合硬件实现对数控机床的控制。\n发明内容\n本发明的目的，提供一种具有精确定位和实时监控功能，在硬件上实现 无按钮化操作的，在软件方面用户可自由开发和利用的一种经济型数控系 统。为达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：\n一种经济型数控机床的控制系统，包括机床伺服系统、机床伺服电机和 对该伺服系统进行控制的PLC；其特征在于，还包括通过通信接口与PLC通信 的触摸屏，所述触摸屏包括：\n-数据输入模块，用于输入、修改被控参数的设定值和操作员的操作指 令，读取触摸屏的操作界面；\n-数据存储模块，用于存储输入、输出数据；\n-数据处理计算模块，用于对输入、输出参数数据进行处理、计算；包括 输入信号的编码运算；输出信号的解码运算；\n所述PLC包括：\n数据移位单元，用于根据操作指令分别把PLC内部高速记数脉冲值、数据 存储模块数据值、控制代码参数值实时移位到PLC编程分配的数据块中；\n数据存储单元，用于存储移位单元传递来的数据；\n数据检测单元，用于实时检测坐标轴的当前运动状态参数值，包括距 离、速度值，以及控制方式参数值；\n数据比较单元，用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参数值、 控制方式参数值与触摸屏存储模块的设定值进行比较；\n数据计算单元，用于根据比较结果计算出控制信号的值，即记数脉冲的 数量值；\n控制方式确定单元，用于根据数据检测单元检测到的控制方式数据，确 定正、反转操作和定位方式；\n控制信号输出单元，用于输出确定了控制方式方向的脉冲和速度大小的 记数脉冲信号。\n所述触摸屏还包括：\n-开关模块，用于接通/断开控制坐标轴运动的电路；\n-选择模块，用于选择、切换控制坐标轴运动的控制方式及触摸屏的操作 界面；\n-监视模块，用于指示电路的工作状态；\n-数据跟随显示模块，用于监视机床实际运动情况，并显示实际运行参数 值。\n一种用上述控制系统控制坐标轴运动位置的方法，包括步骤：\n-信号输入步骤：通过触摸屏上的键盘输入工件的特征参数设定值和操作 员的操作指令；\n-输入信号处理步骤：由触摸屏的处理计算模块对输入信号进行处理、计 算；将输入信号进行单位进制换算和编码，转换成相应的数字信号；\n-第一存储步骤，将数字信号存入触摸屏的存储模块；\n-移位步骤：由PLC的移位单元根据操作指令分别把PLC内部高速记数脉冲 值、数据存储模块数据值、控制代码参数值实时移位到PLC编程分配的数据 块中；\n-第二存储步骤，将移位单元传递来的数据存入PLC的存储单元；\n-检测步骤，由PLC检测单元实时检测坐标轴的当前距离参数值及控制方 式参数值；\n-比较步骤，由PLC比较单元将检测到的坐标轴当前距离参数值及控制方 式参数值与触摸屏存储模块中的设定值进行比较；\n-计算步骤，根据比较结果计算出控制信号的值，即记数脉冲的数量值；\n-控制方式确定步骤，根据数据检测单元检测到的控制方式数据，确定 正、反转操作和定位方式；\n-控制信号输出步骤，将确定了控制方式方向的脉冲信号和速度大小的记 数脉冲信号送到伺服系统中。\n技术效果：\n一、由于采用触摸屏，同时起了四方面作用：\n1、代替了CNC数控系统，触摸屏的CPU将接到的数据或者信号指令进行解 码、编码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控 制指令，实现精确定位，精度可达0.002mm，取得与CNC同等的技术效果，大 幅度降低了系统成本。\n2、代替了数控机床中的人机操作面板(MMC)，用户可以根据机床特点 的需要，自己制作完成需要的控制画面。而一般型数控机床人机操作画面是 由生产厂家固化在系统中的，作为系统整体出售，这样增加了设计成本，也 不利于设计人员对操作画面的二次开发。\n3、带有配方数据卡，能实现对数据存储和传输，对机床数据定位具有记 忆功能，为PLC运行控制程序提供了必要条件。\n4、操作方式上实现硬件无按钮操作化，机床所有操作器件包括键盘都是 通过编程人员在软件中模拟实现，从而彻底消除了系统二次电路中的硬件器 件，降低故障率，增强了系统的稳定性。\n二、由于采用带有高速记数脉冲的PLC，使其可以运行如下需要高速记数 的控制程序：坐标轴运动参数实时检测；发出速度和位置指令；调节输出控 制信号；接受速度反馈信号到伺服系统实施速度闭环控制信号的数据处理； 从而最终实现坐标轴运动参数的精确控制。\n附图说明\n图1是本控制系统的结构及流程图\n具体实施方式\n参见图1：本发明包括触摸屏10、PLC可编程控制器20、机床伺服系统30 三大部分。\n触摸屏10是用户进行人机对话的窗口，所有的操作界面都是编程人员自 己设计完成的，它具有机床操作，状态显示，数据跟随，数据存储与计算等 功能。其具体控制部分主要包括功能选择模块1，数据输入模块2(键盘)，数 据计算模块3(CPU)，数据存储模块4，数据跟随模块5，开关控制模块6，状 态监视模块7；其中，除数据计算模块3(CPU)和数据存储模块4是硬件外， 其余都是软件。\n编程组态的方式，首先制作功能选择模块1，用户可以自由切换操作界 面，满足不同轴的控制。制作数据输入设备，用于对数字或者字母的输入和 删除的控制键盘。有了数据输入设备就必须有对数据计算的模块3，数据计算 模块对操作者发出的位置指令和速度指令进行数学计算，进行机器编码工 作，编码成PLC能识别的机器语言代码，然后传送到下一级模块中；还会对 PLC控制系统反馈回的实际距离进行解码工作，送入数据跟随模块5进行实时 监控。触摸屏控制系统会对编码的语言进行校验并存储在数据存储模块4，数 据存储是配方数据卡特有的功能，它可以存储大量的控制数据与信息，进行 数据传输和交换，所有的数据和信息的交换是通过触摸屏与PLC控制器的网络 通信实现的。开关控制模块6，用于接通/断开电路，控制坐标轴的运动控制。 状态监视模块7，对PLC输出状态的监控。\nPLC控制器20是控制系统的神经中枢，它不仅对外部输入信号进行逻辑处 理，而且对内部数据进行存储，检测，比较，计算等。其主要控制部分包括 数据移位单元11，数据检测单元12，数据比较单元13，数据计算单元14，数 据存储单元15，输入控制单元16，控制方式单元17，输出控制单元18。为了 保证控制精度，系统采用高速记数脉冲的PLC，例如松下FP∑系列的PLC控制 器。\n伺服系统30是本控制系统的第三部分，包括伺服驱动系统31、电机32、 编码器33。\n本控制系统的工作原理如下：\n当PLC与触摸屏完全通信后，PLC程序的数据移位单元11识别触摸屏配方 数据卡里的数据，根据程序的需要实时检测传送到PLC的数据存储单元15中， 并按机器代码存储其中。\nPLC程序会发出指令给数据检测单元12，数据检测单元12会根据系统不同 的要求，检测出操作者需要运行的速度、距离与操作方式等指令，并接受机 床实际距离反馈值，分别存放到不同的地址中。速度指令值直接传送到数据 计算单元14，操作方式指令值直接送入控制方式单元17，检测到的实际距离 值反馈回数据计算模块3中进行解码，并在数据跟随模块5中显示出来。\n数据比较单元13通过寻址找到检测单元12对机床实际距离和设定距离数 据块存放的地址，开始进行比较，当实际距离比设定距离小时，数据计算单 元14与控制方式单元17有效。当实际距离比设定距离大时，数据比较单元13 把检测的数值重新反馈回检测单元12，然后再比较，直到满足条件时停止比 较，数据比较单元13中选用合适的比较指令是提高机床精度的重要保证。\n数据计算单元14，当数据比较单元13的比较结果判断为“是”时，数据 计算单元14开始接受数据检测单元12传送来的速度指令，并开始计算PLC需要 触发多少脉冲个数。\n控制方式单元17，当数据比较单元13的比较结果判断为“是”时，控制 方式单元17开始接受数据检测单元12传送来的控制方式指令，当系统检测到 开关控制模块6和输入控制单元16的逻辑指令都满足运行条件时，激活控制方 式单元17，PLC输出方向脉冲。\n输出控制单元18接受数据计算单元14所产生速度指令脉冲数和控制方式 单元17所产生的方向脉冲，并驱动伺服系统运行。\n伺服系统30在定位方面起了重要的作用，数字脉冲编码器33作为位置检 查元件，它对机床位置间接测量，将测量值反馈回伺服系统中，该系统再反 馈回数据测量单元12中，并且通过修改伺服驱动参数单位指令脉冲数，对应 电机的速度和位移量，实现精确定位。\n坐标轴位置控制过程包括如下步骤：\n1.进入触摸屏操作界面选定一坐标轴，通过数据输入模块2，设定坐标 轴运动的距离和初始速度值。\n2.由触摸屏数据处理计算模块3，对输入的初始速度值和距离设定值进 行计算和编码，存放到存储模块4的配方数据块中，对PLC系统反馈回的实际 距离值和运行速度值解码传入数据跟随模块5中，实时显示和监控它们。\n3.PLC的数据移位单元11，通过寻址及时准确地把存储模块4的配方数 据块中各种信息和数据传送到PLC的存储单元15，实现存储单元15存储数据、 记忆数据的功能。其所传数据包括，速度数据，位置数据，PLC内部高速记数 器发的脉冲数据，方向控制等数据。\n4.检测单元12对存储单元15所存储的数据和伺服系统31反馈回的实际 距离数据信号处理检测分类，使它们传送到不同的控制数据块中。\n5.比较单元13对检测单元12分配的实际距离和设定距离的位置进行比 较。当比较结果被判断为“是”时，速度计算和方向计算控制有效，系统会 把速度数据块和方向数据块指令传入相应的控制单元；反之，当比较结果被 判断为“否”时，速度和方向控制无效，指令不会传入相应的控制单元。\n6.数据计算单元14接受检测单元12提供分配的速度指令，实时计算速 度变化值，产生相应频率的记数脉冲(YO)。\n7.控制方式确定单元17接受检测单元12提供分配的方向指令脉冲，通 过控制开关模块6产生相应的方向控制脉冲(YI)。\n8.输出控制单元18将记数脉冲(YO)、方向脉冲(YI)输入伺服驱动 系统31，对其进行控制。\n本发明的一个突出特点是采用触摸屏，它同时起四方面作用：1、代替 了数控机床中的人机操作面板MMC，用户可以根据机床特点的需要，自己制作 完成需要的控制画面。而一般型数控机床人机操作画面是由生产厂家固化在 系统中的，作为系统整体出售，这样增加了设计成本，也不利于设计人员对 操作画面的二次开发。2、用触摸屏代替数控系统CNC，触摸屏的CPU将接到的 数据或者信号指令进行解码、编码、运算，然后有序地发出各种需要的运动 指令和各种机床功能的控制指令，实现精确定位。3、带有配方数据卡，能实 现对数据存储和传输，对机床数据定位具有记忆功能。4、操作系统二次电路 中的器件都是通过编程人员在软件中模拟实现，彻底消除硬件器件，降低故 障率，增强系统稳定性。\n本发明的另一个突出特点是PLC的功能、作用与常规数控机床的PLC不完 全相同。本发明的PLC接受触摸屏CPU处理后的各种信息，并在PLC中进行实时 检测，发出速度和位置指令，调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机 床坐标轴运动，并接受速度反馈信号到伺服系统实施速度闭环控制信号的处 理数据。而常规数控机床(PLC+CNC)，其PLC作为数控机床各项功能的逻辑 控制中心，它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准 确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给 CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，伺服系统接受来自CNC对每 个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流(转矩)调节输出驱动信号 驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度 闭环控制，它也通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。