专利名称：基于计算机在线或离线方法控制的数控系统及运行方法
技术领域：
本发明涉及一种工业生产过程中数控机床的控制系统，更具体地说，涉及该系统中数控机床与控制终端的连接结构，本发明还涉及了该系统中计算机与运动控制器控制数控机床的运行方法。
背景技术：
工业生产过程控制系统按控制技术分类可分为两大类一种是NC(数字控制)技术；另一种是CNC(计算机数字控制)技术，也称基于计算机的嵌入式运动控制技术。工业生产过程控制常用的控制系统就是NC系统和CNC系统。
早期的数字控制(NC)技术将运动控制核心程序固化于单片机内，专用于特定的数控机床上。该控制方式实时性和稳定性好，但开放性差，系统难以进行功能升级，不能适应当今制造业市场变化与竞争，也逐渐不能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要。
计算机数字控制(CNC)技术的核心是嵌入式运动控制技术，载体就是各种基于计算机的运动控制轴卡，通过ISA或PCI总线与计算机进行数据交换。该控制方式开放性强，便于进行系统功能升级，标准的计算机界面提高了可操作性，降低了操作员的技术要求。可同时这种基于计算机的嵌入式运动控制技术继承了计算机的各种优缺点，因而先天性地患有容易死机的毛病，这对于需要高可靠性高稳定性的工业控制是绝对不允许的。基于计算机的嵌入式CNC系统是现时主流应用的自动化数字控制方式。
综上所诉现在还没有一种工业生产控制技术方法不但具有NC系统的高稳定性，而且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，提高系统可操作性和易升级性，同时不会因为计算机死机影响控制可靠性。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种既有高稳定性又便于操作易于升级的运动控制系统以及提供了该系统的运行方法。具体地说，当计算机将控制程序通过通讯连接传送到运动控制器之后，运动控制器可以独立驱动控制数控机床的操作，同时运动控制器还可以将控制状态反馈到计算机中，计算机在实时进行参数调整，从而本发明的控制系统解决了目前工业生产控制技术中无法兼顾NC系统的高稳定性及CNC系统软硬件资源丰富、易操作、易升级的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于计算机在线或离线方式控制数控系统的方法，包括如下步骤1、将计算机通过RS232串行口、USB串行口、局域网网线或无线通讯方式连接于运动控制器；将运动控制器连接于用于驱动数控机床的驱动器及电机。2、计算机上安装数控软件并集成产品数据管理信息，这些信息包括原材料、机床、产品、生产任务、刀具、操作者的信息。3、在计算机上，利用数控软件基于产品数据管理信息编制数控程序；数控程序的编制包括数控编程和宏图形库集成两种方式；数控编程方式是通过国际标准的机床编程语言G代码、M代码、T代码或D代码进行程序编写并在图形界面中表示出零件图形，或者通过绘制零件图形转化成程序代码；宏图形库集成方式，是通过调用用户自定义的宏图形库数控程序模板，进行相应的参数设置而形成数控程序，并表示成零件图形。4、将数控程序传送到运动控制器。5、计算机离线方式下，运动控制器根据数控程序向电机驱动器发送和反馈脉冲数字信号或电压模拟信号，使驱动器及电机带动数控机床运行加工零件。6、计算机在线方式下，计算机对运动控制器进行直接控制，包括控制流程选择、参数设置和在线控制指令、加工现场图形仿真、故障报警和排除以及故障日志；控制工艺流程选择包括选择偏置、选择自动加工或者选择手动加工；参数设置和在线控制指令包括计算机的数控软件通过动态链接库实现与运动控制器通讯实现控制器全局控制参数修调以及在线指令控制；加工现场图形仿真包括运动控制器反馈加工中的各个状态，并在所述数控软件中图形化体现当前位置、速度、I/O、运动程序、运动流程、运动轴或故障的信息，为进一步控制提供参考；故障报警和排除以及故障日志，包括对控制过程中出现的故障及时以图形化或声音的形式报警，提供相应错误号协助工作人员排除故障，并记录故障日志。
上述基于计算机在线或离线方式控制数控系统的方法，其进一步特点在于，在加工过程中，运动控制器根据制定的数控程序完成伺服环和计算功能、输入输出功能、变量和内存管理功能或PLC功能。
上述基于计算机在线或离线方式控制数控系统的方法，其进一步改进在于，将计算机连接于企业信息网中，用于获取企业信息网中的产品数据管理信息。
根据上述基于计算机在线或离线方式控制数控系统的方法，本发明还提供了一种基于计算机在线或离线方式控制的数控系统，包括数控机床、连接并驱动数控机床的驱动器及电机，还包括设有数控软件的计算机；计算机通过连接单元与运动控制器相连，连接单元采用RS232串行口、USB串行口、局域网网线或无线通讯的方式连接，并且计算机利用数控软件向运动控制器传送数控程序以及运动控制器向计算机反馈控制状态；运动控制器连接驱动器及电机并向驱动器及电机传送控制指令；运动控制器包括DSP芯片。
上述基于计算机在线或离线方式控制的数控系统，进一步改进在于，计算机连接于企业信息网中，数控软件包括图形化的交互界面以及用于产品数据管理的数据库。
通过上述技术方案，本发明的运动控制系统，基于计算机在线和离线方式的两种运动控制技术，具有NC与CNC两套独立系统，中间通过标准的通讯接口特别利用RS232或USB串行口进行通讯连接。控制数据(数控程序)由计算机系统通过串行口下载到NC系统之后，可由NC系统独立(脱机)完成工业生产过程控制；也可将NC控制状态通过串行口连接反馈给计算机系统，以交互对话的方式进行在线图形化控制。因此，本发明的系统可实时选择两种控制方式NC系统离线(脱机)运行和计算机在线图形化控制。计算机在线运行状态下，可进行数控程序的编制与NC载入、零件图形的绘制与排列、NC参数设置、NC手动与自动控制、机床系统选配与升级、PDM产品数据管理、故障报警与恢复等功能。在NC系统离线运行状态下，可根据选配的机床系统与载入的NC代码进行手动与自动控制。同时可以释放PC系统资源进行绘图、排料、生产管理等其他功能，以准备下一次的生产任务，提升生产效率。
其中，本系统采用了开放的多轴运动控制器，基于DSP 40MHZ以上处理器，支持模拟量速度控制方式和数字量位置控制方式，支持开环控制和闭环控制，支持最多32个轴，具有极强的开放性特点。多轴运动控制器的开放特点具体表现为(1)变量开放--包括初始化和设置变量、全局用户变量、通用的用户变量、存储定义变量。其中，初始化和设置变量，用于对运动控制器功能特性进行全局的初始化设置；全局用户变量，在内存中有固定的位置，为48位浮点变量，没有预先定义用途，在程序中可任意使用位置、距离、速度、时间、模式、角度、中间计算等等；通用的用户变量，与使用它的坐标系有关；存储定义变量，为使用户存取内存和I/O空间更容易，用户可根据自己的需求来定义M变量指向特定寄存器，并即时解释。
(2)开放的坐标系及轴定义--用户可根据运动控制的需要来定义坐标系、轴与电机的对应关系，达到各个电机的协调复合运动，并可设定虚拟轴、笛卡尔轴来完成轴特殊运动功能。
(3)开放的用户程序编辑--用户根据运动控制需要读写运动程序和PLC程序。运动程序是指按照程序运动顺序执行运动程序，一次执行程序的一条指令，进行该运动命令的所有计算，从而为执行该运动做好准备。PLC程序是指在处理器时间允许的情况下尽可能快的连续扫描运动程序的操作，以完成一些对于运动顺序上不同步的任务。
(4)开放的通讯接口--用户可根据不同的环境来选配各种国际化标准的单线缆通讯方式，比如USB，RS232串口，网线，无线网等。
此外，本系统中的计算机采用标准的个人PC计算机，配有标准的Windows操作窗口和具有标准的通讯接口，有如下特点(1)数控编程与图形排列--通过国际标准的机床编程语言G代码、M代码和T代码进行程序编写，并表示成图形，在数控切割机等行业还需将生产零件图形在板材上进行排料等功能。
(2)机床系统选配与升级--基于离线式运动控制技术的系统，计算机可快速集成各种数控机床系统，在不同的机床环境下可选配不同的数控系统，而且系统升级不需改变机床硬件环境，节约成本，提高可靠性。
(3)在线实时图形化控制--PC机在线数控软件可对NC运动控制系统进行实时的手动自动运动控制、参数设置等功能，同时可通过通讯线缆将NC运动控制的所有状态即时反馈，形成图形化的控制界面。
(4)PDM产品数据管理--对原材料、机床、产品、生产任务、刀具、员工录入数据库管理，接入企业的信息网络来进行统一管理。
(5)故障报警与恢复--对NC运动控制过程中出现的故障即时图形化或声音报警，提供相应错误号协助工作人员排除故障，并做好故障日志。
并且，本发明的系统中，在线的图形化交互软件和离线的运动控制系统之间具有标准的单线缆通讯线路，主要有国际标准的USB串行口、RS232串行口、网线以及各种无线通讯方式。在通讯畅通时进行在线控制，在通讯不畅时进行离线控制，这种方式的转变是实时的，即热插拔方式，从而扩展了系统的应用性。
总上，本发明的运动控制系统其有益效果如下1.工业生产过程控制系统可以脱离计算机单独运行，即使由于计算机死机也不会影响控制系统的可靠性。
2.计算机端的在线图形化交互软件像其他计算机应用软件一样易于开发，可根据具体的制造要求灵活快速地升级，提高大型机器设备的利用率。
3.控制操作在绝大多数用户熟悉的计算机环境下完成。在线图形化的生产过程模拟增强了用户对设备的可操作性。
4.在切割控制的同时能进行数控编程或其他功能，提高工作效率和灵活度。
5.计算机端与控制器端仅通过串行口、网线或无线蓝牙连接，运动控制卡可放置在PC机外的任意地方进行远程式数控，节省空间，减少了复杂的连线，提高了可维护性。
图1是本发明控制系统的总体结构示意图；图2是本发明控制系统中系统软件的功能结构示意图。
图中1.计算机中图形化的交互数控软件 2.计算机 3.运动控制器 4.驱动器及电机 5.数控机床具体实施方式
下面结合具体实施例参考附图更详细的说明本发明基于计算机在线或离线方法控制的数控系统及运行方法。
如图1所示，计算机2上安装有图形化交互数控软件1，开放式的运动控制卡3具有NC系统，计算机2同开放式的运动控制器/卡3之间通过国际化标准的RS232或USB等通用串行口连接，也可以通过局域网网线或蓝牙无线通讯方式实现计算机与运动控制器之间的数据交换，用于在计算机与运动控制器/卡3之间单线缆远程通讯，传输数控程序、图形、指令以及参数。
计算机其图形化交互软件是在运动控制器/卡3连接(即在线式)状态下用于在线图形化模拟工业生产过程，并向运动控制器发送生产控制指令，参数设置，并对生产故障进行排查和处理。在与运动控制器/卡3脱离(即离线式)状态下用于数控程序编制和排列、PDM(Product Data Management产品数据管理)以及其他生产管理功能。优选方式下，运动控制器3采用包括DSP(数字信号处理器)芯片的处理器，例如美国DeltaTAU公司开放体系结构的PMAC(programmable multiaxiscontroller)多轴运动控制卡，其运动控制系统通过全局控制参数设置和运动过程逻辑流程的编制，向上用于与计算机交互“控制”与“状态”信息，向下用于与电机驱动器进行数字或模拟信号的输入输出控制。而运动控制器3与电机或驱动器4的连接和输入输出控制用于开放体系结构的多轴运动控制卡向电机驱动器发送以及反馈位置数字信号或电压模拟信号。
总上，计算机2应用图形化交互数控软件1将编写的数控程序传递给开放式的运动控制器/卡3，开放式的运动控制器/卡3上的NC系统可以独立执行数控程序，并将I/O Signal(控制输入输出信号)传输给驱动器及电机4，驱动器及电机4的I/O输入输出控制数控机床5按照规定的程序运行。当计算机2和开放的运动控制器/卡3连接时，计算机2可以应用图形化的交互数控软件1产生Online Command(在线命令)，并发送至开放式的运动控制卡3进行在线输入/输出控制。开放是的运动控制卡3上的各种状态也可通过通用通讯连接反馈给计算机2，并在图形化交互数控软件1上图形仿真。此外，计算机还连接于企业信息网中，用于获取企业信息网中的产品数据管理信息。
如图2显示了运动控制系统在线和离线两种状态下的系统软件功能情况，其中，离线的运动控制系统具有如下操作及功能直线圆弧插补、4-8轴脉冲输出、运动中调速、梯形和曲线加速功能、运动程序控制功能以及PLC控制功能。在线运动控制系统中，计算机上的在线图形化交互软件具有如下功能汉字显示及菜单管理、数控程序编辑、手动数据输入、参数修改设置、偏置、自动或手动功能的设定，以及故障处理和恢复及运行日志的记录。其中，自动功能包括位置显示、程序跟踪、动态图形显示以及译码和查错功能。而数控程序的编辑包括静态图形显示的编辑功能和辅助计算功能。
基于以上描述，本发明的系统在线式或离线式的控制方法，包括以下步骤1、PC机集成的PDM(产品数据管理)对原材料、机床、产品、生产任务、刀具、操作者进行数据库管理，并接入企业的信息网络来进行统一管理。
2、在一个机床加工中心中，基于离线式运动控制技术的系统，计算机可通过开放性控制功能模块和开放的数据库信息快速集成各种不同的数控机床系统，比如为车床、铣床、切割机、绘图仪、激光刻字机、雕刻仪等一般选配二轴插补控制系统，为磨床等选配多轴联动控制系统；或在同一类型机床比如数控切割机，可增加三轴调高功能、四轴和五轴用于切割坡口功能等。
3、在PC机和NC运动控制器脱离(离线式)状态下，根据不同的机床环境，通过PC机的图形化交互软件进行现场编制零件数控程序；对于一些下料机床如数控切割机，要对需要加工的零件实现有序排列(现场套料功能)。数控程序的形成包括数控编程和宏图形库集成两种方式上述数控编程，即通过国际标准的机床编程语言G代码、M代码、T代码和D代码进行程序编写或图形自动转化，并表示成零件图形。
上述宏图形库集成，即通过调用用户自定义的宏图形库数控程序模板，进行相应的参数设置而集成数控程序，并表示成零件图形。
4、PC机将数控程序通过国际化标准的USB串行口、RS232串行口、局域网网线口以及蓝牙无线通讯方式传送到NC运动控制器运动控制系统；NC运动控制器运动控制系统根据相应的机床环境和需要加工的数控程序，通过全局的控制参数设置和全局的控制流程再造，为零件的加工做好准备。
5、通过两种方式控制零件的加工，PC机和NC运动控制器联接(在线式)和PC机和NC运动控制器脱离(离线式)。两种方式可随时转变，使用的技术即通讯线缆的热插拔和相应的驱动支持。
在线式方式则继续以下步骤6，完成此次加工。
离线式方式则NC运动控制器跳至步骤7运作，继续完成此次加工；同时PC机转向步骤3进行现场数控程序编制和现场套料以及生产管理功能，为下次机床加工做好准备。
6、PC机对NC运动控制器的直接控制包括控制流程选择、参数设置和在线控制指令、加工现场图形仿真、故障报警和排除以及故障日志。
上述控制工艺流程选择，包括选择偏置、选择自动加工、选择手动加工等。
上述参数设置和在线控制指令，即PC机交互数控软件通过动态链接库实现与NC运动控制器通讯实现控制器全局控制参数修调以及在线指令控制。
上述加工现场图形仿真，通过NC运动控制器反馈加工中的各种状态，在PC机交互数控软件中图形化体现机床当前位置、速度、I/O、运动程序、运动流程、运动轴、故障等运动状态信息，供控制作参考。
上述故障报警和排除以及故障日志，即对NC运动控制过程中出现的故障及时以图形化或声音的形式报警，提供相应错误号协助工作人员排除故障，一般会产生的错误故障类型有回零报警、限位报警，I/O状态报警、运动坐标系状态报警、运动轴状态报警、伺服报警，控制部件报警等，对发生的故障做好故障日志，供以后处理相同相似的故障作参考。
7、NC运动控制器数控系统根据制定的加工控制流程完成伺服环和计算功能、输入输出功能、变量和内存管理功能、PLC功能。
上述伺服环和计算功能，伺服环具有PID(Proportional Integral Derivative，即比例积分微分)参数调整、速度和加速度前馈、阶式滤波器等功能；计算功能具有数学、逻辑和超越函数的运算，完成直线和圆弧插补、运动中调速、梯形和曲线加速等功能。
上述输入输出功能，DSP通过被称为DSP Gate的特殊门阵列与受控轴相连，每个DSP Gate控制四路编码器和四个模拟输出通道。
上述变量和内存管理功能，定义了四种变量(I、P、Q、M)，其中I变量(初始化和设置变量)对运动控制器功能特性进行全局的初始化设置；P变量(全局用户变量)在程序中可任意使用位置、距离、速度、时间、模式、角度、中间计算等等；Q变量(通用的用户变量)与使用它的坐标系有关；M变量(存储定义变量)为使用户存取内存和I/O空间更容易。
开放的运动控制器的I/O与内存同一编址为双16位地址空间。如果使用DPRAM，则DPRAM将映射到PMAC内存空间的固定位置。
上述PLC功能，PLC程序存储在程序缓冲区，在实际运行过程中，将伺服环更新、运动程序执行、PLC程序执行等任务分时运行，实现多任务并行控制。
8、开放的运动控制器通过I/O向电机驱动器发送和反馈脉冲数字信号或电压模拟信号，使电机驱动器带动数控机床运行加工零件。一次零件加工任务结束，返回步骤1。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于计算机在线或离线方法控制数控系统的方法，其特征在于，包括如下步骤(S1)将计算机(2)通过RS232串行口、USB串行口、局域网网线或无线通讯方式连接于运动控制器(3)；将所述运动控制器(3)连接于用于驱动数控机床(5)的驱动器及电机(4)；(S2)所述计算机(2)上安装数控软件并集成产品数据管理信息，所述信息包括原材料、机床、产品、生产任务、刀具、操作者的信息；(S3)在计算机(2)上，利用所述数控软件基于产品数据管理信息编制数控程序；所述数控程序的编制包括数控编程和宏图形库集成两种方式；所述数控编程方式是通过国际标准的机床编程语言G代码、M代码、T代码或D代码进行程序编写并在图形界面中表示出零件图形，或者通过绘制零件图形转化成程序代码；所述宏图形库集成方式，是通过调用用户自定义的宏图形库数控程序模板，进行相应的参数设置而形成数控程序，并表示成零件图形；(S4)将所述数控程序传送到运动控制器(3)；(S5)所述计算机(2)离线方式下，所述运动控制器(3)根据所述数控程序向电机驱动器发送和反馈脉冲数字信号或电压模拟信号，使所述驱动器及电机(4)带动所述数控机床(5)运行加工零件；(S6)所述计算机(2)在线方式下，所述计算机(2)对所述运动控制器(3)进行直接控制，包括控制流程选择、参数设置和在线控制指令、加工现场图形仿真、故障报警和排除以及故障日志；所述控制流程选择，包括选择偏置、选择自动加工或者选择手动加工；所述参数设置和在线控制指令，包括所述计算机(2)的数控软件通过动态链接库实现与所述运动控制器(3)通讯实现控制器全局控制参数修调以及在线指令控制；所述加工现场图形仿真，包括所述运动控制器(3)反馈加工中的各个状态，并在所述数控软件中图形化体现当前位置、速度、I/O、运动程序、运动流程、运动轴或故障的信息，为进一步控制提供参考；所述故障报警和排除以及故障日志，包括对控制过程中出现的故障及时以图形化或声音的形式报警，提供相应错误信号协助工作人员排除故障，并记录故障日志。
2.根据权利要求1所述基于计算机在线或离线方法控制数控系统的方法，其特征在于，在步骤(S5)和(S6)中，所述运动控制器(3)根据制定的数控程序完成伺服环和计算功能、输入输出功能、变量和内存管理功能或PLC功能。
3.根据权利要求1或2所述基于计算机在线或离线方法控制数控系统的方法，其特征在于，还包括将所述计算机(2)连接于企业信息网中，用于获取企业信息网中的产品数据管理信息。
4.一种基于计算机在线或离线方法控制的数控系统，包括数控机床(5)、连接并驱动所述数控机床的驱动器及电机(4)，其特征在于，还包括设有数控软件的计算机(2)；所述计算机(2)通过连接单元与运动控制器(3)相连，所述运动控制器(3)包括DSP芯片，所述连接单元为RS232串行口、USB串行口、局域网网线或无线通讯的方式连接，并且所述计算机(2)利用数控软件向所述运动控制器(3)传送数控程序以及所述运动控制器(3)向所述计算机(2)反馈控制状态；所述运动控制器(3)连接所述驱动器及电机(4)并向所述驱动器及电机(4)传送控制指令。
5.根据权利要求4所述基于计算机在线或离线方法控制的数控系统，其特征在于，所述计算机(2)连接于企业信息网中，所述数控软件包括图形化的交互界面以及用于产品数据管理的数据库。
全文摘要
本发明公开了一种基于计算机在线或离线方式控制的数控系统及其运行的方法，系统包括与运动控制器通讯的计算机；运动控制器连接于用于驱动数控机床的驱动器及电机。在运行过程中，计算机上安装数控软件并集成产品数据管理信息；利用数控软件编制数控程序并传送到运动控制器；离线方式下，控制器根据数控程序使驱动器及电机带动数控机床运行加工零件；在线方式下，计算机对运动控制器进行直接控制。本发明控制系统可以脱离计算机单独运行，既具有数字控制系统的高稳定性又可以利用计算机数字控制系统丰富的软硬件资源，具有高可靠性、易操作、易升级的优点，从而有益于提高工作效率。
文档编号G05B19/18GK101093392SQ20061004702
公开日2007年12月26日 申请日期2006年6月20日 优先权日2006年6月20日
发明者倪海峰 申请人:大连创亿科技发展有限公司