专利名称：数控机床闭环虚拟系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种测试数控系统功能、性能和精度的测试系统，尤其是能够精确测试数控系统对伺服电机的控制性能和对离散I/O点的控制性能 的数控机床闭环虛拟系统及其控制方法。
技术背景近年来，随着国家经济的不断发展，对制造自动化要求越来越高，数 控机床开始普及，相应的对各类数控系统的需求量也越来越大，数控系统 开始大规模投入生产，原有的数控系统生产过程中，对数控系统采用的连 接伺服电机或者直接连接数控机床的在线测试手段变得不可行，这种测试 方法需要的伺服电机数量，机床数量、成本和时间对数控生产厂家来说是 很难实现或难以承受的。数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台 机械设备动作控制的技术，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量 和与机械量流向有关的开关量，数控机床的产生依赖于数据载体和二进制 形式数据运算的出现。数控系统是实现数控技术的计算机装置，它与伺服 电机的机床电气系统形成控制上的闭环，从而达到控制机床精确加工产品 的目的，对数控机床的性能评价包括它对位置、角度和速度等机械量和与 机械能量流向有关的开关量控制的精度、速度、通过数量以及容错和安全 保护等方面的控制能力综合评价。数控系统本身也是一台计算机，对于其 计算机特性的测试与检验可以釆用现在成熟的大规模计算机测试方法，但 是数控系统对各种机械量和与机械量流向有关的开关量的控制能力的检测 用一般的计算机的检测方法是不能实现的。在小规模的数控机床生产过程 中， 一般采用每台数控系统连接伺服电机，控制其转矩、转速或者将数控 系统安装到数控机床上进行实际加工来检测数控系统的可靠性以及是否满 足数控系统出厂标准，但是当需要大规模生产数控系统时，上面提到的检 测方法变得不可行，数控系统生产厂家不能够在为数控系统提供伺服电机 或者数控机床数量和测试时间上达到一个平衡点，并且不同型号的数控系 统能够控制的电机数量不同， 一种机床只能测试一种数控系统，显然难以 满足数控系统生产厂家的需求。发明内容为解决上述不足，本发明的目的在于提供一种可实现对数控机床伺服 系统中多个伺服电机的运行状态、内部逻辑位置定位、伺服电机位置反馈 信号输出的虛拟，同时能够进行与机械量流向有关的开关量的虛拟的，进 而虛拟这个数控机床特性的数控机床闭环虛拟系统及其控制方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是本发明系统具有中央控制卡、电源模块、伺服虛拟单元、机床电气虛 拟单元及外围硬件电路，由电源模块提供工作电源，伺服虛拟单元与数控 机床的机床数控系统轴控制器之间及机床电气虛拟单元与数控机床I/O控 制器之间进行控制或数据转换，伺服虛拟单元及机床电气虛拟单元分别与 中央控制卡相连，该中央控制卡中存有机床闭环虛拟系统软件。所述伺服虛拟单元内部具有FPGA，其包括总线接口模块、A/D釆集控 制状态机、存储模块、A/D采集时序控制模块、A/D釆集通道控制模块、 编码器反馈信号产生模块及逻辑轴位置测量模块，其中A/D釆集时序控制 模块在A/D采集控制状态机的控制下通过外围硬件电路中A/D转换器与机 床数控系统的伺服电机控制信号相连，并将该伺服电机控制信号采样后送 至存储模块；A/D釆集通道控制模块在A/D采集控制状态机的控制下通过 外围硬件电路中的多路控制开关将多个外部模拟信号源分时输入给A/D转 换器，转换后数据保存在上述存储模块中；编码器反馈信号产生模块在中 央控制卡的控制下产生编码器反馈信号经外围硬件电路中的差分信号产生 器送至机床数控系统，同时还送至逻辑轴位置测量模块，该逻辑轴位置测 量模块经控制信号线及数据线与中央控制卡相连。所述编码器反馈信号产生模块内部设置有任意频率发生模块、数据存 储接口模块、回零控制单元、轴逻辑位置测量模块、方波处理模块及Z信号处理模块，其中任意频率发生模块接收中央控制卡发送的配置数据，其 产生所需频率通过方波处理模块及Z信号发生模块送至机床数控系统，Z信号发生模块还接收数据存储接口模块的配置数据；回零控制单元接收z信号发生模块产生的回零控制信号，并将回零控制信号送至轴逻辑位置测 量模块，数据存储接口模块及轴逻辑位置测量模块与中央控制卡相连。 所述各单元或模块为插卡式，通过总线底板实现互联。本发明方法具有以下步骤a. 建立系统的数学模型；b. 系统的控制信号进行检测并转化为数学参数，代入上述数学模型；c. 将在数学模型中进行计算所得到的控制参数转换为相应的反馈信号返回机床数控系统(CNC);d. 机床数控系统(CNC)根据上述反馈信号输出下一控制周期的控制 信号，转至步骤b，开始下一个控制周期。所述数学模型包括伺服电机数学模型及刀架数学模型，其中伺服电机 数学模型具体为伺服电机的转速公式当win 2 Wi。时Q(t) = k"in (l — e-w)+ kWj。e-"" ( 3-4 )当",n < "'。时Q(t) = k"in (1 — e-"J)+ k",。e-" ' ( 3-5 )
其中Q(t)为机械角速度；", 为前一次电压值；", 为当前电压值；oc + 为加速因子；a-为减速因子，k为电压速度比。 所述步骤b包括bl.检测硬件并初始化数控机床闭环虛拟系统，生成各个线程，等待 机床数控系统发出伺服电机控制信号、机床电气控制信号或者机床刀架控 制信号；b2.数控机床闭环虛拟系统根据控制信号的变化进入相应线程，釆集 机床数控系统)的控制信号，并将其转化为数学模型参数代入数学模型进 行计算，并根据计算结果实时显示。其中所述步骤b2包括b21.分别对机床数控系统发出的伺服电机控制信号、机床电气控制信 号以及逻辑轴位置测量信号进行釆样；b22.读取上述釆样数值，将上述伺服电机控制信号的釆样值代入伺服 数学模型进行计算，得到编码器反馈参数，并将上述机床电气控制信号的 釆样值代入刀架数学模型进行计算，得到机床电气虛拟单元反馈参数。所述步骤c包括对编码器反馈信号产生模块进行参数设置，控制该模块产生相应的编 码器反馈信号输出，将编码器反馈信号送至机床数控系统，并根据上述机 床电气虛拟单元反馈参数设置机床电气虛拟单元输出，将输出信号反馈给 机床数控系统；逻辑轴位置测量模块对上述编码器反馈信号计数，计算出 逻辑轴目前所处的位置，对逻辑轴位置测量模块清零或读取目前的逻辑轴 位置信息。ii明具有以下有益效果及优点1. 解决了数控机床生产厂家大规模生产的测试问题。本发明系统釆用 嵌入式Umix系统，形成板级支持包，构建嵌入式搡作系统，对各种伺服电 机模型抽取共同特征进行数学建模，通过机床闭环虛拟系统软件对上面的 各个单元模块进行统一融合的控制，适应每台数控机床闭环虛拟系统，可 以同时精确的检测多台数控系统，为大规模数控生产提供了 一个良好的测 试手段，节约了数控机床生产厂家的生产成本及测试空间，很好地解决了 大规模生产的测试问题；2. 体积小，连接方便，各项机床参数可调节，测试容量大。由于本发 明的单元采用先进的插卡式设计，所有单元都插在总线底板上，有良好的 扩充性和可替换性；3. 操作简单、使用灵活。本发明具有专用的图形用户接口，为用户提 供一个简单、灵活的数控机床闭环虛拟系统；4. 可用于教学。本发明不仅可以用于工业生产，还可以用于教学，通 过配置仿真系统，虛拟机床故障，帮助学生直观的了解机床系统的行为， 可能出现的故障，机床伺服装置速度特性以及PLC控制时序，提高学生处 理故障的能力，提高教学质量并节省了教学投入。
图1为本发明系统软件、硬件配置图；图2为本发明系统结构框图； 图3为本发明伺服虛拟单元中FPGA结构原理图； 图4为本发明伺服虛拟单元中FPGA内部的编码器信号产生模块结构 原理图；图5为本发明机床虛拟系统程序流程图； 图6为本发明刀架虛拟装置程序流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明系统基于工业PC技术、采用嵌入式Limix系统、 编写驱动程序，形成一个板级支持包，构建一个嵌入式操作系统，设计伺 服电机虛拟专用硬件一一伺服虛拟单元SIM、机床电气虛拟单元一一1/0单 元(板)、对各种伺服电机模型抽取共同特征进行数学建模、对专用硬件设计 Limix驱动程序、专用的图形用户接口，最后通过机床闭环虛拟系统软件对 上面的各个模块进行统一融合的控制，为用户提供一个简单、灵活的数控 机床闭环虛拟系统。如图2所示，本发明系统包括中央控制卡CPU、电源模块POWER、 伺服虛拟单元SIM、机床电气虛拟单元MIO及外围硬件电路，由电源模块 POWER提供工作电源，伺服虛拟单元SIM与数控机床的机床数控系统CNC 轴控制器ECDA之间及机床电气虛拟单元MIO与数控机床I/O控制器IO 之间进行控制或数据转换，伺服虛拟单元SIM及机床电气虛拟单元MO分 别与中央控制卡CPU相连，该中央控制卡CPU中存有数控机床闭环虛拟系 统控制程序。本实施例中采用四套专用硬件(伺服虛拟单元和机床电气虛 拟单元)以后，可同时虛拟16个伺服电机轴和64输入/96输出的数控机床 行为，如果PC能力提高，可插入更多的专用硬件来增加本系统的虛拟能力。如图3所示，所述伺服虛拟单元SIM是本发明系统的关键部件，它主要 由FPGA (现场可编程门阵列)及外围电路构成，为伺服电机数学模型捕获 模拟式或者数字式伺服控制信号，转化为伺服电机数学模型输入参数进行 计算，并且根据伺服电机数学模型计算得到的转数向外输出标准增量式编 码器反馈信号+A、 +B、 +Z、 -A、 -B、 -Z;同时内部实现了A、 B脉冲计数器对增量式编码器反馈信号技术，在对虛拟伺服电机进行回零动作以后， 软件通过对该计数器的值计算得到当前电机轴的实际位置。本实施例中每 块伺服虛拟单元S1M可以提供四个伺服电机虛拟接口 。所述伺服虛拟单元SIM内部的FPGA模块包括总线接口模块、A/D采 集控制状态机、A/D数据存储装置、A/D釆集时序控制模块、A/D采集通 道控制模块、编码器反馈信号产生模块及逻辑轴位置测量模块，其中A/D 采集时序控制模块在A/D采集控制状态机的控制下通过外围硬件电路中 A/D转换器与机床数控系统CNC的伺服电机控制信号相连，并将机床数控系统CNC的伺服电机控制信号采样后送至A/D数据存储装置；A/D采集通 道控制模块在A/D采集控制状态机的控制下通过外围硬件电路中的多路控 制开关将多个外部模拟信号源分时输入给A/D转换器件AD7665，转换后 数据保存在A/D数据存储装置；机床闭环虛拟系统软件从A/D数据存储装 置读取釆集到的A/D信号值；机床闭环虛拟系统软件在用户输入和系统参 数配置下，将得到的A/D信号值代入伺服数学模型计算；机床闭环虛拟系 统软件在经过伺服数学模型计算以后得到编码器反馈参数，并将这些参数 写入编码器反馈信号产生模块；编码器信号产生模块产生编码器反馈信号 经差分信号产生器送至机床数控系统CNC,同时还送至逻辑轴位置测量模 块,该逻辑轴位置测量模块经控制信号线及数据线与中央控制卡CPU相连; 逻辑轴位置测量模块对编码器反馈信号测量得到逻辑轴位置信息，并将逻 辑轴位置信息返回给机床闭环虛拟系统软件。机床闭环虛拟系统软件根据 逻辑轴位置信息设置机床电器虛拟单元MIO中的逻辑轴正向超限、负向超限及回零信号。如图4所示，编码器反馈信号产生模块内部设置有任意频率发生模块、 数据存储接口模块、回零控制单元、轴逻辑位置测量模块、方波处理模块 及Z信号发生模块，其中任意频率发生模块接收中央控制卡CPU发送的配 置数据，产生所需频率信号，频率信号通过方波处理模块及Z信号发生模 块生成A、 B、 Z信号送至机床数控系统CNC; Z信号发生模块还接收数据 存储接口模块的配置数据产生相应频率的Z信号；回零控制单元根据用户 设置的参数接收Z信号发生模块产生的Z信号产生回零控制信号，并将回零控制信号送至轴逻辑位置测量模块；轴逻辑位置测量模块接受倒回零控 制信号，内部逻辑位置回到逻辑零点。数据存储接口模块及轴逻辑位置测 量模块与中央控制卡CPU相连。所述机床电气虛拟单元MIO同样是本发明系统实现机床电气虛拟的关 键部件，为机床电气离散量提供了输入输出量的硬件实现。本实施例中每 块机床电气虛拟单元可以提供48输出点和32输入点。该机床电气虛拟单元 MIO通过外围电路与机床数控系统CNC的数控系统I/0控制器相连，并将该 机床数控系统CNC发出的伺服电机使能信号和刀架控制信号采用后送入机床闭环虛拟系统软件，机床闭环虛拟系统软件获得伺服电机使能信号，根 据配置判断是否需要机床数控系统CNC伺服电机使能信号，如果需要使能 信号，等待机床数控系统CNC发出伺服电机使能信号到来，开始伺服电机 虛拟线程，如果不需要则直接开始伺服电机虛拟线程；机床闭环虛拟系统 软件根据用户设置的刀架类型参数和刀架配合文件抽象出刀架的各个刀架 控制信号的PN模型；机床闭环虛拟系统软件通过机床电器虛拟单元(I/O) 采集到机床数控系统CNC刀架控制信号输入PN模型；机床闭环虛拟系统软 件刀架PN模型根据输入信号，产生刀架的虛拟输出参数，配置机床电气虛
拟单元。机床电气虛拟单元根据刀架虛拟输出参数产生输出信号反馈给机 床数控系统CNC,完成一个闭环的刀架虛拟周期。上述各单元或模块为插卡式，通过总线底板实现互联。 本发明还具有专用的图形用户接口 ，该部分为本发明提供了良好的人 机接口，使用者可以通过该界面设置本发明系统，同时观察虛拟系统的运行状态，即通过显示单元显示机床数控系统CNC虛拟控制信号曲线、虛拟 伺服转速曲线、刀架位置信息、虛拟伺服电机的状态信息、刀架控制时序 波形以及配置文件编辑器，结合图l、图2将本发明系统的工作原理阐述如下机床数控系统CNC 发出的对伺服电机的控制信号(数字的或者模拟的)，输入图1A中的第1 4 伺服虛拟单元SIM1 4，由板级支持包BSP和操作系统OS控制，经过第1~4 伺服虛拟单元内部SIM1 4的A/D转换模块(或者频率计数单元)将输入控 制信号转化为伺服电机数学模型能够识别的参数；同时机床数控系统CNC 发出的机床电气控制信号输入机床电气虛拟单元MIO,由板级支持包BSP 和操作系统OS控制，经过TX第l、 2机床电气虛拟单元MI01、 MI02转换为机床闭环虛拟系统软件能够识别的参数，机床闭环虛拟系统软件根据参 数协调伺服电机数学模型的计算，通过计算机发送给图形用户接口GUI给用 户观察；同时，机床闭环虛拟系统软件将计算结果发送给板级支持包BSP 和操作系统OS,由板级支持包BSP和搡作系统OS将得到的结果设置给第1 4 伺服虛拟单元SIM1 4的输出寄存器产生编码器反馈信号返回给机床数控系 统CNC;机床闭环虛拟系统软件将计算结果发送给板级支持包BSP和操作系 统OS，由板级支持包BSP和操作系统OS将得到的结果设置给第l、 2机床电 气虛拟单元MIOl、 MI02的输出寄存器，产生离散I/0电气控制信号返回给 机床数控系统CNC。本发明方法包括以下步骤a. 建立系统的数学模型；b. 对系统的控制信号进行检测并转化为数学参数，代入上述数学模型；c. 在数学模型中进行计算所得到的控制参数转换为相应的反馈信号返 回机床数控系统CNC;d. 机床数控系统CNC根据上述反馈信号输出下一控制周期的控制信 号，转至步骤b,开始下一个控制周期。所述数学模型包括伺服电机数学模型及刀架数学模型，其中伺服电机 数学模型具体为伺服电机的转速公式当w,n 2 wi0时Q(t) = t"in (1 - e-)+ Ke—"+' ( 3-4 )当"in < Wi。时Q(t) = hm (1 — e-。 t)+ b,。e-a' ( 3-5 )其中Q(t)为机械角速度；",()为前一次电压值；", 为当前电压值；k为
电压速度系数，k^^,Obmax为伺服电机的最大转速，W,^为伺服电机的最大电压；oc+为加速因子， or丄=丄ln|，a .为减速因子，=——In —t2、 10k上述伺服电机数学模型通过以下过程建立假设伺服控制器信号无延迟；伺服电机为空载；无相电感；无涡流损耗；无磁滞损耗；反电动势为正弦波；推导过程用到的变量定义如下",, —"，《轴电压；^， ~--af， g轴电流；4y， Lq， A。--d，《，fit轴电感，丄。="=/^;&一一定子相电阻；w---转子电角速度，角频率；P——微分算子玍； /一一电机转动惯量；Of——永磁体产生的磁通(恒定)；—一转子励磁磁场链通过定子绕组的磁链；5—一粘滞摩擦系数；r，一一电机轴转矩； r/一一负载转矩；Kt— 一转矩系数；q, ft_ —转子角速度,机械角速度;A——磁极对数；w,——数控系统的指令电压；qa—一电机反馈回数控系统的转速;伺服电机转子参考坐标电压方程为 =尺'；+尸& + ^ = W +尸& +磁链方程为甲q =丄q "电磁转矩方程为 电机运动方程为(1-1) (l画2)(1-3) (1-4)(1-5) 7:.m =+ Qr + JPQr (1-6)由于忽略负载，所以T,= 0 机械角速度与电角速度的关系是wr = p Q, (1-7)将(1-3) (1-4)代入(1-1)有w(/ = A ~ + 、尸(,+A + (1 -8)其中尸=1，在一般的情况下，控制^使其为零。所以在这种条件下，"也就是电动机的定子电流。 据(1-8) =化+ V> + ^ + (1一9) 据(1-5)(1-10)将电动机的运动方程(1-6)代入(1-9)式有 r, +脇+ j尸a(1-11)将(1-11 )代入(1-9)式有(令Q二")+ + + +^^)Q = W — ~— ~^~7V (1-12)由上面一系列公式可推出W+/t2"+A =w - 、7] - A:57;' (1-13)其中令尽=乂， ^-丄(i 乂 +丄^) , 、=/W/+^_，厶.由于前面假设忽略了相电感；，所以上式变为yt2Q+yfc3Q = wv (1-14)由此经过拉氏变换得传递函数G(5)=， = 一_L_ (1-15)输入电压分析对于伺服驱动系统，接收的指令电压",与预计的电机转速为线性关系，即(2-1)通过前面传递函数可推出K,由于任一时刻输入电压^可视为一个阶 跃函数和一个脉冲函数的叠加，故有 f/ (."=^^ + 0"^, (2-2) w .v其中"。为上一次采样换算出来输入电压，f/^为本次釆样换算出来输 入电压；模型求解根据交流伺服电机手册，与模型相关的几个特性参数最大电压",_, 最大转速^^w，加速时间"，减速时间L加减速时间对应的标准转速i^ 由前推导出k = (3-1)加减速因子,216a 、"丄=丄int+丄m t10k216QS 10k(3-2)(3-3)转速公式当Win 2 W,0时Q(t) = hin (1 - e-。+')+ *",0e-"'t (3-4)当wm < w,。时Q(t) = )bm(l — e-"-' )+ib,。e-a-, (3-5) 所述步骤b包括bl.检测硬件并初始化数控机床闭环虛拟系统，生成各个线程，等待 机床数控系统(CNC)发出伺服电机控制信号、机床电气控制信号或者机 床刀架控制信号；b2.数控机床闭环虛拟系统根据控制信号的变化进入相应线程，采集 机床数控系统CNC的控制信号，并将其转化为数学模型参数代入数学模型 进行计算，并根据计算结果实时显示。其中步骤b2包括b21.分别对机床数控系统CNC发出的伺服电机控制信号、机床电气 控制信号以及逻辑轴位置测量信号进行采样；b22.读取上述采样数值，在用户输入和系统参数据配置下，将上述伺 服电机控制信号的采样值代入伺服电机数学模型进行计算，得到编码器反 馈参数，并将上述机床电气控制信号的采样值代入刀架数学模型(本实施 例中采用Petri NET方法建模)进行计算，得到机床电气虛拟单元反馈参数。所述步骤c包括机床闭环虛拟系统软件通过系统总线ISA对编码器反馈信号产生模块 进行参数设置，控制该模块产生相应的编码器反馈信号输出，将编码器反 馈信号送至机床数控系统CNC，并根据上述机床电气虛拟单元反馈参数设 置机床电气虛拟单元输出，将输出信号反馈给机床数控系统CNC;逻辑轴 位置测量模块对上述编码器反馈信号计数，计算出逻辑轴目前所处的位置， 对逻辑轴位置测量模块清零或读取目前的逻辑轴位置信息。如图5所示，以本发明控制方法具体表述如下程序启动以后，检测伺服虛拟单元SIM、机床电气虛拟单元MIO;硬件 检测正常以后，生成各个线程，包括伺服电机虛拟线程、机床电气虛拟 线程、机床刀架虛拟线程；线程生成以后，对伺服电机虛拟线程配置默认 参数，如果用户进行修改，则将用户修改的信息保存并更新到伺服电机虛 拟线程；机床刀架虚拟线程读取用户刀架配置文件，对所需对象进行实例 化；在各个线程都配置完成以后，各个线程等待用户输入和外部控制信号 变化；如果接受到用户换刀命令则进入换刀线程，读用户输入的PLC命令(通 过I/0点的形式)配置的刀架数学模型，虛拟刀架运转并实时向PLC反馈相 应信号(通过I/0点的形式)，本实施例中，应用Petri net方法对刀架行为进 行抽象和建模；如果接受到伺服电机运转命令(模拟电压信号和I/0点输入),则进入伺服电机虛拟线程，这个线程可以与刀架虛拟线程并发，伺服电机 虛拟线程读取伺服电机控制信号(模拟电压信号和i/o点输入)，将获得的量化信号输入伺服电机数学模型计算，得到相应的反馈参数后，设置伺服电 机虛拟的编码器反馈信号产生模块，使之产生对应当前机床数控系统CNC 控制信号的编码器反馈信号。如果用户输入退出命令，则关闭所有线程， 程序结東。如图6所示，为刀架虛拟程序流程图，描述了刀架的虛拟流程。本实施 例中，用一种统一的语言描述各种刀架，并用Petri网来对刀架的工作过程建 模，根据用户提供的刀架配置文件，自动建立相应的仿真程序模块进行相 关的仿真工作。利用PetriNet(以下简称PN)作为从刀架配置文件和仿真程 序模块之间转换的中间的抽象层次，相当于系统理解用户输入的配置文件 的过程，继而将这种PN转化成仿真程序模块；从抽象模型的角度来看，将 刀架的各个输入信号独立地抽象成各个输入PN模型，把刀架的输出信号独 立地抽象成各个输出PN模型，这些输入PN模型与输出PN模型之间根据一些 条件联系起来，当然这些条件也是抽象的PN模型，其中条件是指输出信 号的工作过程在一定程度上受到输入信号的控制，表现为因果关系或逻辑 关系，将这种控制关系抽象为条件，这样用条件联系起来之后就组成一个 完整的PN模型。刀架的仿真也就相当于该完整PN模型执行一系列动作的过 程。程序开始，根据配置文件获得刀架参数并初始化各个信号，建立独立 的PN模型，实例化相应的输入PN和输出PN的类对象，并向PLC反馈刀架初 始状态。然后仿真程序模块不断检测PLC命令，直到换刀命令到来，根据从 PLC得到的信号设置各个输入PN,然后判断输出信号的发生动作的条件， 即相当于联系输入PN和输出PN模型的条件是否满足，若满足则执行相应的 动作，同时设置输出PN，并实时向PLC反馈当前状态，直到挟刀琴卑。
权利要求
1.一种数控机床闭环虚拟系统，其特征在于具有中央控制卡(CPU)、电源模块(POWER)、伺服虚拟单元(SIM)、机床电气虚拟单元(MIO)及外围硬件电路，由电源模块提供工作电源，伺服虚拟单元(SIM)与数控机床的机床数控系统(CNC)轴控制器(ECDA)之间及机床电气虚拟单元(MIO)与数控机床I/O控制器(IO)之间进行控制或数据转换，伺服虚拟单元(SIM)及机床电气虚拟单元(MIO)分别与中央控制卡(CPU)相连，该中央控制卡(CPU)中存有机床闭环虚拟系统软件。
2. 按权利要求l所述的数控机床闭环虛拟系统，其特征在于所述伺 服虛拟单元(SIM)内部具有FPGA，其包括总线接口模块、A/D采集控制 状态机、存储模块、A/D采集时序控制模块、A/D采集通道控制模块、编 码器反馈信号产生模块及逻辑轴位置测量模块，其中A/D釆集时序控制模 块在A/D釆集控制状态机的控制下通过外围硬件电路中A/D转换器与机床 数控系统(CNC)的伺服电机控制信号相连，并将该伺服电机控制信号采 样后送至存储模块；A/D采集通道控制模块在A/D釆集控制状态机的控制 下通过外围硬件电路中的多路控制开关将多个外部模拟信号源分时输入给 A/D转换器，转换后数据保存在上述存储模块中；编码器反馈信号产生模 块在中央控制卡(CPU)的控制下产生编码器反馈信号经外围硬件电路中 的差分信号产生器送至机床数控系统(CNC),同时还送至逻辑轴位置测量 模块，该逻辑轴位置测量模块经控制信号线及数据线与中央控制卡(CPU) 相连。
3. 按权利要求2所述的数控机床闭环虛拟系统，其特征在于所述编 码器反馈信号产生模块内部设置有任意频率发生模块、数据存储接口模块、 回零控制单元、轴逻辑位置测量模块、方波处理模块及Z信号处理模块， 其中任意频率发生模块接收中央控制卡(CPU)发送的配置数据，其产生 所需频率通过方波处理模块及Z信号发生模块送至机床数控系统(CNC), Z信号发生模块还接收数据存储接口模块的配置数据；回零控制单元接收Z 信号发生模块产生的回零控制信号，并将回零控制信号送至轴逻辑位置测 量模块，数据存储接口模块及轴逻辑位置测量模块与中央控制卡(CPU) 相连。
4. 按权利要求1 3中任何一项所述的数控机床闭环虛拟系统，其特征 在于所述各单元或模块为插卡式，通过总线底板实现互联。
5. —种数控机床闭环虛拟系统的控制方法，其特征在于具有以下步骤a. 建立系统的数学模型；b. 对系统的控制信号进行检测并转化为数学参数，代入上述数学模型；c. 将在数学模型中进行计算所得到的控制参数转换为相应的反馈信号返回机床数控系统(CNC);d.机床数控系统(CNC)根据上述反馈信号输出下一控制周期的控制 信号，转至步骤b，开始下一个控制周期。
6. 按权利要求5所述的数控机床闭环虛拟系统的控制方法，其特征在于所述数学模型包括伺服电机数学模型及刀架数学模型，其中伺服电机 数学模型具体为伺服电机的转速公式当w,n》w,。时，Q(t) = k"in(1 — e-"'')+ kw,。e-"'i ( 3-4 )当"m < ",。时，Q(t) = k"m (1 — e《')+ k",。e-' ( 3-5 )其中Q(t)为机械角速度；",。为前一次电压值；", 为当前电压值；ct + 为加速因子；cc-为减速因子，k为电压速度比。
7. 按权利要求5所述的数控机床闭环虛拟系统的控制方法，其特征在 于所述步骤b包括bl.检测硬件并初始化数控机床闭环虛拟系统，生成各个线程，等待 机床数控系统(CNC)发出伺服电机控制信号、机床电气控制信号或者机 床刀架控制信号；b2.数控机床闭环虛拟系统根据控制信号的变化进入相应线程，采集 机床数控系统(CNC)的控制信号，并将其转化为数学模型参数代入数学模型进行计算，并根据计算结果实时显示。
8. 按权利要求7所述的数控机床闭环虛拟系统的控制方法，其特征在 于所述步骤b2包括b21.分别对机床数控系统(CNC)发出的伺服电机控制信号、机床电 气控制信号以及逻辑轴位置测量信号进行采样；b22.读取上述采样数值，将上述伺服电机控制信号的釆样值代入伺服 数学模型进行计算，得到编码器反馈参数，并将上述机床电气控制信号的 采样值代入刀架数学模型进行计算，得到机床电气虛拟单元反馈参数。
9. 按权利要求5所述的数控机床闭环虛拟系统的控制方法，其特征在 于所述步骤c包括对编码器反馈信号产生模块进行参数设置，控制该模块产生相应的编 码器反馈信号输出，将编码器反馈信号送至机床数控系统(CNC),并根据 上述机床电气虛拟单元反馈参数设置机床电气虛拟单元输出，将输出信号 反馈给机床数控系统(CNC);逻辑轴位置测量模块对上述编码器反馈信号 计数，计算出逻辑轴目前所处的位置，对逻辑轴位置测量模块清零或读取 目前的逻辑轴位置信息。
全文摘要
本发明公开一种数控机床闭环虚拟系统及其控制方法，具有中央控制卡、电源模块、伺服虚拟单元、机床电气虚拟单元及外围硬件电路，由电源模块提供工作电源，伺服虚拟单元与数控机床的机床数控系统轴控制器之间及机床电气虚拟单元与数控机床I/O控制器之间进行控制或数据转换，伺服虚拟单元及机床电气虚拟单元分别与中央控制卡相连，该中央控制卡中存有机床闭环虚拟系统软件；该方法包括建立数学模型；检测系统的控制信号并转化为数学参数代入数学模型计算；将计算所得控制参数转换为反馈信号给机床数控系统；机床数控系统根据反馈信号输出下一控制周期控制信号。本发明解决了数控机床生产厂家大规模生产的测试问题，有良好的扩充性和可替换性。
文档编号G05B19/406GK101154101SQ20061004792
公开日2008年4月2日 申请日期2006年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者方 何, 伟 刘, 陶耀东 申请人:沈阳高精数控技术有限公司;中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司