数控系统机床环境仿真仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数控系统调试和故障诊断技术领域，具体涉及一种数控系统机床环境仿真仪。
【背景技术】
[0002]数控装置要在一个复杂的数控系统环境中才能正常工作，数控系统的工作环境包括数控装置、供电系统、伺服驱动器、主轴驱动器、电机、各种传感器和执行器、以及机床运动机构。数控装置的功能通过其内部的计算机系统执行数控参数、PLC程序和加工代码，输入输出相应的控制信号，最终使机床产生相应的运动来体现。
[0003]采用数控装置及其外围部件构成数控系统时，应当如何快速调试验证数控装置内参数和PLC程序的正确性，安全搭建数控系统，以及当数控系统出现故障时，如何快速定位故障部件，查明故障原因，这些都是数控系统应用中的重要问题。如将数控装置置于真实外围电气部件和机床中进行调试，一旦参数和PLC程序发生错误，将可能损坏电气元件和机床机构，甚至发生安全事故。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种能够使数控装置在虚拟的外围运行环境下进行调试和故障诊断数控系统机床环境仿真仪。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
设计一种数控系统机床环境仿真仪，包括控制器，以及与所述控制器对应连接的接口电路和显示器，所述接口电路包括进给信号输入接口、主轴信号输入接口、仿编码器输出接口、开关量输入接口和开关量输出接口 ；
所述进给信号输入接口与数控系统的进给信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的速度指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟机床运动产生的位置信息；
所述主轴信号输入接口与数控系统的主轴信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的表示主轴转速的模拟电压指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟主轴转动产生的主轴位置信息；
所述控制器接收进给信号输入接口送入的脉冲指令，并通过仿编码器输出接口输出电机转速、螺母直线运动速度和位置数据；
所述控制器接收主轴信号输入接口送入的模拟电压指令，并通过仿编码器输出接口输出主轴转速数据；
所述开关量输入接口与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号;所述开关量输出接口与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送的开关量信号。
[0006]优选的，所述进给信号输入接口为三个速度方向脉冲输入接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴速度方向脉冲输出接口对应连接。
[0007]优选的，所述仿编码器输出接口为四路仿正交编码器差分信号输出接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴位置脉冲输入接口和主轴位置脉冲输入接口对应连接。
[0008]优选的，所述主轴信号输入接口为模拟电压输入接口。
[0009]根据数控系统输出的速度方向脉冲信号和模拟电压信号，在所述显示器上显示最终合成的虚拟机床运动的画面。
[0010]优选的，所述开关量输入接口为两个，每个开关量输入接口内包含16个开关量输入点，所述开关量输入点分别与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号。
[0011]优选的，所述开关量输出接口为两个，每个开关量输出接口内包含16个开关量输出点，所述开关量输出点分别与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送开关量信号。
[0012]优选的，所述开关量输出点为继电器型开关量输出点。
[0013]优选的，所述控制器为STM32F407VET6型Cortex-M4微控制器。
[0014]优选的，所述显示器包括采用液晶屏驱动芯片SSD1963驱动的AT070TN92型液晶屏。
[0015]优选的，所述数控系统为华中HNC-21M型数控系统。
[0016]本发明的有益效果在于:
1.本发明数控系统机床环境仿真仪可以与数控装置上的主要接口直接对接，通过仿真仪内部的电路和程序虚拟伺服驱动器、主轴驱动器、电机、传动机构、限位开关和开关量负载等数控装置外围设备运行情况，辅助数控装置运行;通过模拟数控装置运行所必需的外围电路和机床环境，使数控装置能够在脱离电气控制柜和机床机构的情况下运行，并能在显示器上直观显示出数控装置外围电路和机床机构的运行情况，方便进行数控装置试机、调试和故障检测，避免在真实机床中调试、维修的危险性。
[0017]2.本发明数控系统机床环境仿真仪可以配置出不同的虚拟轴数、传功比、传动档位，通过编程模拟限位开关、刀库、冷却润滑等开关量逻辑，从而配置成各种不同类型的“虚拟机床”。将数控装置与本发明对接，可以进行验收试机、初装配置，以及在出现PLC程序故障或参数错误时进行故障定位排除。本发明是一种低成本小型化便携式应用的仪器，不仅可以在实验室环境下应用，也方便进行现场操作。
【附图说明】
[0018]图1是本发明与数控系统的硬件连接关系图；
图2是本发明的硬件原理图；
图3是本发明的方向脉冲输入电路图；
图4是本发明的位置编码器输出电路图；
图5是本发明的模拟电压输入电路图；
图6是本发明的处理流程图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例来说明本发明的【具体实施方式】，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
[0020]实施例1:一种数控系统机床环境仿真仪，包括控制器，以及与控制器对应连接的接口电路和显示器，其中，控制器为STM32F407VET6型Cortex-M4微控制器;显示器包括采用液晶屏驱动芯片SSD1963驱动的AT070TN92型液晶屏。采用STM32F407VET6型Cortex-M4微控制器，其集成多个多通道定时器，每个通道均具有可编程输入捕获和PWM输出功能，可以用于接收解析脉冲指令，输出仿正交编码器脉冲。其上集成ADC可用于接收模拟电压指令。STM32F407VET6外部FSMC并行总线可挂载液晶驱动芯片SSD1963，用于驱动7寸液晶屏起显示作用。
[0021]接口电路包括进给信号输入接口、主轴信号输入接口、仿编码器输出接口、开关量输入接口和开关量输出接口。进给信号输入接口与数控系统的进给信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的速度指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟机床运动产生的位置信息。进给信号输入接口为三个速度方向脉冲输入接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴速度方向脉冲输出接口对应连接。
[0022 ]主轴信号输入接口与数控系统的主轴信号输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的表示主轴转速的模拟电压指令，并向数控系统反馈仿真仪内部虚拟主轴转动产生的主轴位置信息。仿编码器输出接口为四路仿正交编码器差分信号输出接口，分别与数控系统的X、Y、Z轴位置脉冲输入接口和主轴位置脉冲输入接口对应连接。
[0023]控制器接收进给信号输入接口送入的脉冲指令，并通过仿编码器输出接口输出电机转速、螺母直线运动速度和位置数据;控制器接收主轴信号输入接口送入的模拟电压指令，并通过仿编码器输出接口输出主轴转速数据。开关量输入接口与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号;开关量输入接口为两个，每个开关量输入接口内包含16个开关量输入点，开关量输入点分别与数控系统的开关量输出接口对应连接，用于接收数控系统输出的开关量信号。开关量输出接口与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送的开关量信号，开关量输出接口为两个，每个开关量输出接口内包含16个开关量输出点，开关量输出点分别与数控系统的开关量输入接口对应连接，用于向数控系统发送开关量信号。开关量输出点为继电器型开关量输出点。
[0024]在以上实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件。
[0025]本发明数控系统机床环境仿真仪可以通过内部电路和程序模拟数控机床Χ、Υ、Ζ三个伺服轴传动机构和一个机床主轴传动机构的运行状态，并根据三个虚拟伺服传动机构输出的位置数据生成类似数控铣床的工作台和刀具之间的相对运动，根据虚拟主轴传动机构输出的数据生成主轴运动，最终合成虚拟铣床运动的画面，显示在显示器上。
[0026]控制器接收进给信号输入接口送入的脉冲指令，输出电机转速、螺母直线运动速度和位置等数据，模拟由脉冲指令伺服电机和一级丝杠螺母传动机构构成的伺服传动系统运行情况。其中脉冲指令伺服电机的脉冲比例系数、丝杠螺母传动机构的传动比、直线运动行程、机械原点位置可设置，从而模拟不同的数控机床伺服传动机构。控制器接收主轴信号接口输入的模拟电压指令，输出主轴转速数据，模拟由电压指令变频器、电机和两个由换挡开关切换的单极齿轮传动机构构成的主轴传动机构的运行情况。其中变频器模拟电压-电机转速比例系数、两个齿轮传动机构传动比可设置，从而模拟不同数控机床的主轴传动机构。
[0027]以本发明应用于华中HNC-21M数控装置为例，其实施方式如下:华中HNC-21M数控装置主要有主轴接口、伺服接口和PLC接口。主轴接口用于输出主轴的控制信号，接收主轴的反馈信号；伺服接口用于输出机床工作台速度(位置)的控制信号，接收工作台速度(位置)的反馈信号;PLC接口用于接收开关量信号、控制机床上的各种开关量负载，例如位置超程信号、驱动器使能和报警信号等。主轴接口和伺服接口输出的控制信号为脉冲指令和模拟指令形式，接收的位置反馈信号为ABZ正交编码器差分信号，故本发明数控系统机床环境仿真仪需要能够与华中HNC-21M数控系统主轴、伺服和PLC接口连接(参见图1)，能够接收脉冲指令和模拟指令虚拟机床运动，显示运动画面，反馈仿正交编码器位置脉冲，并能够执行PLC输入输出设备功能。
[0028]根据仿真仪内部虚拟的数控机床X、Y、Z伺服轴的运动位置和预设的伺服轴行程、原点等信息，输出相关开关量信号给数控系统。每个伺服轴具有正限位、负限位和原点三个开关量信号，共九个开关量信号。这些开关量信号在开关量输出接口内的对应点可配置，保证开关量输出接口与数控系统PLC输入接口对接后，能够将这些限位开关信号输入至数控系统相应的PLC功能点上。
[0029]该数控系统机床环境仿真仪的接口电路包含三个速度方向脉冲输入接口，四路仿正交编码器差分信号输出接口，一个模拟电压输入接口(参见图2)，以及32个开关量输入点和32个继电器型开关量输出点。仿真仪三个速度方向脉冲输入接口分别连接HNC-2