一种基于总线控制的CNC控制方法及其系统与流程

一种基于总线控制的cnc控制方法及其系统
技术领域
1.本发明涉及智能化数控技术领域，特别涉及一种基于总线控制的cnc控制方法及其系统。


背景技术：

2.工业软件是工业技术与信息技术融合的产物，因此工业软件的开发难度较大且成本高昂，通过产品定制或者开发专属应用软件的方式不是最佳选择。
3.数控是数字控制的简称，数控技术是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。数控模块(nc)是工业软件平台其中重要的一个子单元，对cnc控制系统的开发必不可少。根据中国数控机床行业发展前景预测报告，目前，在高端数控机床方面，国内产品仅占2％，而在普及型数控机床中，虽然国产化率达到70％左右，但国产数控机床当中大约80％使用国外数控系统；国内数控系统在高速、高精、五轴加工和智能化等方面仍有明显差距。
4.目前，cnc控制系统主要依赖于国外的数控系统，世界著名的数控系统生产厂家如日本的发那科，德国的西门子，德国海德汉，日本三菱等占有数控系统产品的比重非常巨大，国产的数控机床过于依赖国外的数控系统，而且高精度的多轴数控系统对中国也是技术封闭的。
5.目前生产中使用的绝大多数系统(以funac，siemens等为代表)，所采用的是一种专用的封闭式体系结构，即组成系统的硬件模块和软件结构由各数控系统厂家自行设计，是专用的，互不兼容的，系统各模块的交互方式、通讯机制也互不相同，这种专用的封闭式结构的数控系统，虽然结构简单，技术成熟，产品批量大，生产成本低，但随着技术的进步，市场竞争的加剧，越来越暴露出其固有的缺陷，各个系统之间的互联能力较差，协议之间的不匹配，增加了使用与维护费用；系统的封闭性使得对其二次开发及扩展用户的专门技术，工艺经验集成于系统中，形成自己的产品特点等方面局限；专用的硬、软件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。


技术实现要素：

6.本发明主要解决的技术问题是提供一种基于总线控制的cnc控制方法，采用开放式的数控系统方式，同时采用高集成的嵌入方式，从而具有高集成度，简洁干练的操作界面易于无数控技术的人员进行操作；而且基于高速可靠的总线进行数据传输，抗干扰能力更强劲，系统更安全可靠，提高了数控控制系统的可定制性和可扩展性；还提供了一种基于总线控制的cnc控制系统。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于总线控制的cnc控制方法，其中，包括如下步骤：
8.步骤s1、将集成式的cnc控制器嵌入数控机床的控制系统内，cnc控制器通过控制
总线与机床控制面板连接；
9.步骤s2、上位机与cnc控制器通过控制总线连接并进行数据交互；
10.步骤s3、开发设计模块将编辑的控制程序和库文件传输至cnc控制器内，通过操作上位机，将cnc控制器内的控制程序通过信号命令传输至数控执行平台；
11.步骤s4、通过操作机床控制面板设置参数，可控制所述数控执行平台按照所述cnc控制器内的控制程序的信号命令进行工作。
12.作为本发明的一种改进，在步骤s3内，数据存储模块可将所述开发设计模块的控制程序及数控机床的控制系统的设置参数进行保存。
13.作为本发明的进一步改进，在步骤s3内，数据采集模块可调用所述数据存储模块内存储的数据。
14.作为本发明的更进一步改进，在步骤s3内，所述数据采集模块将调用的数据传输至cnc控制器内。
15.作为本发明的更进一步改进，所述开发设计模块可对所述数据存储模块内存储的数据进行修改。
16.作为本发明的更进一步改进，所述数据存储模块采用数据库的形式存储数据。
17.作为本发明的更进一步改进，所述上位机、开发设计模块、数据存储模块及数据采集模块均集成在cnc控制器上。
18.一种基于总线控制的cnc控制系统，其中，包括：
19.cnc控制器，用于与机床控制面板连接；
20.上位机，用于与所述cnc控制器通过控制总线连接并进行数据交互；
21.开发设计模块，用于将编辑的控制程序和库文件传输至所述cnc控制器。
22.作为本发明的一种改进，还包括：
23.数据存储模块，用于将所述开发设计模块的控制程序及数控机床的控制系统的设置参数进行保存。
24.作为本发明的进一步改进，还包括：
25.数据采集模块，用于调用所述数据存储模块内存储的数据。
26.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用开放式的数控系统方式，同时采用高集成的嵌入方式，从而具有高集成度，简洁干练的操作界面易于无数控技术的人员进行操作；而且基于高速可靠的总线进行数据传输，抗干扰能力更强劲，系统更安全可靠，提高了数控控制系统的可定制性和可扩展性，逐渐替代传统的plc和控制器相互独立的硬件结构，在稳定可靠的前提下大大节省了控制系统的成本，具有全模块化的软件体系结构和实时的配置系统，能够兼容各种软硬件平台，从而打破专用数控控制系统的软件结构，不依赖于硬件plc控制器的状况。
附图说明
27.图1为本发明的基于总线控制的cnc控制方法的步骤框图；
28.图2为本发明的基于总线控制的cnc控制系统的框图；
29.图3为本发明的一个实施例的cnc控制器与上位机、设计开发模块的交互示意图；
30.图4为本发明的一个实施例的运行功能示意图；
31.图5为本发明的一个实施例的支持t函数的t指令刀盘准备流程示意图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.请参照图1至图5，本发明的一种基于总线控制的cnc控制方法，包括如下步骤：
34.步骤s1、将集成式的cnc控制器嵌入数控机床的控制系统内，cnc控制器通过控制总线与机床控制面板连接；
35.步骤s2、上位机与cnc控制器通过控制总线连接并进行数据交互；
36.步骤s3、开发设计模块将编辑的控制程序和库文件传输至cnc控制器内，通过操作上位机，将cnc控制器内的控制程序通过信号命令传输至数控执行平台；
37.步骤s4、通过操作机床控制面板设置参数，可控制所述数控执行平台按照所述cnc控制器内的控制程序的信号命令进行工作。
38.在本发明内，采用开放式的数控系统方式，同时采用高集成的嵌入方式，从而具有高集成度，简洁干练的操作界面易于无数控技术的人员进行操作；而且基于高速可靠的总线进行数据传输，抗干扰能力更强劲，系统更安全可靠，提高了数控控制系统的可定制性和可扩展性，逐渐替代传统的plc和控制器相互独立的硬件结构，在稳定可靠的前提下大大节省了控制系统的成本，具有全模块化的软件体系结构和实时的配置系统，能够兼容各种软硬件平台。
39.目前，市面上绝大多数的数控系统所采用的是专用的封闭式体系结构，大量依赖于各个生产厂商的硬件模块，专用性强，互不兼容，造成数控系统集成商系统中间用户对系统供应商的依赖，难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控制系统并形成自己的产品特点，不利于提高主机产品的竞争力，专用的硬件、软件结构本身也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资巨大、开发周期时间长，风险过高，更新换代速度较慢，不利于数控技术的产品应用。
40.本发明打破了专用nc控制系统的软件结构，不依赖于硬件plc控制器，具有全模块化的软件体系结构和实时的配置系统，能够兼容各种软硬件平台。
41.在本发明内，在步骤s3内，数据存储模块可将开发设计模块的控制程序及数控机床的控制系统的设置参数进行保存；进一步，数据存储模块采用数据库的形式存储数据。
42.在本发明内，数据采集模块可调用数据存储模块内存储的数据，数据采集模块将调用的数据传输至cnc控制器内；同时开发设计模块可对所述数据存储模块内存储的数据进行修改。
43.在本发明内，上位机、开发设计模块、数据存储模块及数据采集模块均集成在cnc控制器上，从而达到高集成化。
44.如图3至图5所示，本发明提供一个实施例，该实施例基于codesys内核框架结构，提供标准的ide开发环境，并支持标准的通讯协议，支持多种高级编程语言，其美观、简洁的hmi交互界面，均采用一套硬件平台，通过内部协议机制与nc、plc、mcp进行数据交互，可以实现cnc轴移动控制、倍率选择、单步执行、报警日志、刀具测量、坐标系测量等丰富的nc功
能。
45.该实施例提高了数控系统的可定制性和可扩展性，逐渐替代传统的plc和控制器相互独立的硬件结构，在稳定可靠的前提下大大节省了控制系统的成本。
46.如图2所示，本发明提供了一种基于总线控制的cnc控制系统，包括：
47.cnc控制器，用于与机床控制面板连接；
48.上位机，用于与所述cnc控制器通过控制总线连接并进行数据交互：
49.开发设计模块，用于将编辑的控制程序和库文件传输至所述cnc控制器；
50.数据存储模块，用于将所述开发设计模块的控制程序及数控机床的控制系统的设置参数进行保存；
51.数据采集模块，用于调用所述数据存储模块内存储的数据。
52.本发明可基于多种总线形式，其中以ethercat总线为例，ethercat在网络性能上达到了一个新的高度；1000个分布式i/o数据的刷新周期仅为30μs，其中包括端子循环时间，通过一个以太网帧，可以交换高达1486字节的过程数据，几乎相当于12000个数字量i/o，而这一数据量的传输仅用300μs，通过总线形成的超高速控制回路，可以对数控系统的实时数据更新提供极大的支持，控制频率可以到达更高。
53.具体地讲，在实施例中，开发设计模块基于codesys可划分为ide开发环境程序开发(plc、nc)与rte组件开发，ide与控制器之间通过codesys转换为二进制代码下发至cnc控制器，上位机实现gui界面交互功能，gui采用qt应用程序开发架构，负责操作人员通过界面与cnc控制器进行数据交互，上位机与cnc控制系统采用共享内存的方式进行交互，实现一些配置信息及机床控制和参数设置等功能下发至cnc控制器，控制系统中的一些重要数据需要掉电保存的数据通过sqlite开源数据库进行存储与访问。
54.cnc控制器实现机床设备的控制及驱动功能，需要与外部机床设备和外部io模块等进行通讯，codesys几乎集成了ethercat等所有通用工业控制总线，满足实际工作中不同总线需求，实现驱动系统，外设等总线控制，上位机中hmi提供友好的编辑界面和多种编程环境，便于操作者在界面上进行g代码编辑及实时监控数据信息等，hmi是上位机的图形显示界面，hmi与cnc控制器共用一套控制硬件，hmi程序开发采用qt应用程序开发架构，负责操作者通过界面与cnc控制器进行数据交互，hmi与cnc控制器采用定义内部协议进行交互，实现一些配置信息及机床控制和参数设置等功能下发至cnc控制器，并接受cnc控制器返回的当前状态信息及轴、坐标系、刀具相关信息等；显示g代码执行到第几行、轴位置值、各个轴转动方向等轴运动数据、nc程序运行、停止等命令、总线状态和周期及报警状态等状态信息显示。
55.cnc控制器采用linux基于ubuntu的实时操作系统，硬件采用嵌入式控制器，开发层采用codesys开发编译环境，控制器内核采用实时内核系统，nc内核基于codesys软件softmotion(cnc)模块基础上开发，iec代码编译成机器代码下载到运行时里。如图4所示，执行cnc控制进程主要实现对hmi下发的g代码文件通过nc内核进行处理，通过codesys cnc插补器将g代码文件插补成机器人运动的插补点，并通过codesys本身支持的主流总线下发至数控硬件平台，实现机床加工，与hmi的交互过程，通过在runtime内核搭建需要实现功能模块的组件，实现运动状态及位置的实时显示，各个组件的搭建均封装为独立的库函数。
56.在该实施例中，数控执行平台用来接收cnc控制器下发的总线数据，并实现g代码
规划的运动路径运动，不同的数控执行机构需要按照给出的模型进行相关配置文件的配置，也可以通过正逆运动学建立相应模型，可以支持客户二次开发。
57.在该实施例中，机床控制面板mcp，通过机床控制面板可以向机床释放动作，例如：运行轴或者开始加工工件等；cnc控制器可选用的mcp面板为全键盘类型，通过标准总线进行交互，mcp面板功能可分为plc功能按键和nc功能按键，plc与nc功能均通过codesys提供的ide开发环境进行功能块开发，实现控制面板操作。
58.开发设计模块内的codesys ide用于对cnc、plc控制功能进程及相关库文件进行编译并将程序及库下发至cnc控制器中执行，而且codesys ide具有编辑器、配置器、编译器、调试器等功能，可以实现g代码编写，plc程序编写，可以通过nc程序预读模块实现.nc文件调用，实现g代码加工，ide支持iec 61131-3国际标准的六种编程语言，支持din66025编程语言(g代码)。
59.如图5所示，为实现数控加工任务，需要对机床设备及刀库，系统参数进行设置，通过hmi与cnc控制器进行相应的数据交互，如刀具表、报警信息等，需要提供一种方式完成数据存储，数据调用，系统参数掉电保持，报警数据及刀库状态存储等；数据存储模块采用数据库形式进行相关数据保存，它占用资源非常的低，在嵌入式设备中，可能只需要几百k的内存就够了，在系统中，储存在单一磁盘文件中的一个完整的数据库，由数据采集模块采集到的nc控制内相关数据存储在数据表中，系统参数，cnc相关数据如刀具表等信息也会保存在本数据库中；开发设计模块可实现数据库的增、删、改、查功能，实现cnc控制系统的数据存储与调用，相关变量定义为全局类型，供nc程序及plc程序调用。
60.由于codesys提供的可用g代码有限，而且目前支持的m函数功能需要自己开发，t、d等相关函数与主流厂商的cnc系统不同，t函数不支持，d函数只能对应刀具半径数值等；为实现相应g代码及m函数、t函数等功能，需要通过codesys ide提供的子程序调用功能；经常重复执行的任务(例如型腔铣削，孔钻和换刀)可以换成g代码子程序并从那里调用，在调用期间，可以将参数传递给子程序；为此，允许使用数据类型bool，lreal和string，每个子程序都存储在一个单独的文件中，这些文件保存在控制器上的一个或多个子目录中，他们必须具有文件扩展名.cnc，文件名必须与子程序的名称相对应，并且必须小写，示例：子程序名称“drill
”‑
＞文件名drill.cnc。
61.本发明的cnc控制系统可扩展至多通道系统，可集成数字孪生功能，可以为用户提供三维仿真平台，为生成的g代码程序提供直观的测试环境，并且具有虚拟调试、离线编程等功能，在传统数控系统的基础上增加了智能控制的理念；本系统的数控加工数据可以通过工业总线上传至mes系统中对生产物料及加工数据进行统一管理，为实现工业4.0奠定良好的基础及技术前瞻性。
62.本发明作为国内数控系统技术的产物，主要用于特定数控加工设备、实现国内数控高速，高精，智能化的数控系统，可以适用于普通型数控系统、也适用于专用型数控系统，模块化的结构设计，模块之间可扩展性、可移植性得到充分的发挥与体现。
63.本发明在工艺及机床模型的设计开发及刀具补偿中也得到了相应的改进功能，通过增加子程序功能，可以实现机床的切换及相应的工具、工件测量功能，为客户提供了高速、高精度、智能化的数控系统平台，融入mes等工业软件系统数据交互接口，可以实现工业4.0定制化开发，为小批量客户提供了更优良的数控解决方案；这种方式能够迅速吸收计算
机技术的最新成果，具有良好的灵活性和可扩展性，可方便地采用新的控制方法，也易于实现物理设备和操作系统的更新换代；由于处理机技术进步的摩尔效应，使得以硬件方式出现的运动控制器部件，在可预见的时间内，完全可以用应用软件的方式来实现。随着处理机性能的日新月异和操作系统技术的不断进步，这种“硬件功能软件化”不仅不会导致任何系统性能损失，而且软件实现的灵活性和硬件平台无关性将有利于系统实现更深入的开放性和系统性能的快速增长，这也正是“软件数控”的基本思想，同时也是数控系统完全开放的实现基础。
64.本发明的数控系统的各项功能，如编译、解释、插补和plc功能、工艺方面等，均由软件模块来实现。此发明借助现有的操作系统平台，在应用软件codesys的支持下，通过对软件的适当组织、划分、规范定义和开发，可望实现系统体系结构的开放。在此控制模式下的硬件成本可以降至最低，与目前市面的传统数控系统相比，集成度更好，平台的开放性更好，易于对用户进行二次开发的特定数控系统开发周期将大大缩短。在数控功能方面，此发明集成了数字孪生功能，可以有效的提高编程人员的效率和直观感觉，更易上手，功能接口更加丰富。而且系统不依赖于硬件，打破了传统国外数控系统对国内市场的封锁及垄断价值，为国内数控技术的发展打下了良好的基础。
65.本发明的具备如下有益效果：
66.1、全新cnc控制系统开发，采用开放式、模块化的设计结构，在codesys ide基础上进行二次开发，可靠、高效的总线控制方式，丰富且可二次开发的执行机构模型，摆脱对国际数控系统的垄断性，可支持多轴数控系统的体系结构，为传统、特殊的数控加工提供可开发的系统平台。
67.2、实现硬件集成度高的特点，将nc功能、plc控制功能、hmi集成于一台嵌入式控制器中，与传统数控系统的plc、控制器、hmi控制器等多控制器实现形成鲜明对比，优化其兼容性并且大大降低硬件成本。
68.3、搭建数字孪生功能模块、开放工业总线，并可以对加工数据进行收集并与数字工厂中的mes系统完美衔接，支持系统定制开发，开发环境通用性更强，可支持多种操作系统(windows\linux\vxworks等或无操作系统)。
69.4、具有丰富的调试和仿真环境，可以实现数控系统的环路仿真功能，可以模拟真实的测试和调试情况，包括顺序和运动控制的所以功能，使用户对程序进行更直观的仿真示教操作。
70.以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。