專利名稱：數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測試數(shù)控系統(tǒng)功能、性能和精度的測試系統(tǒng)，尤其是能夠精確測試數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機的控制性能和對離散I/O點的控制性能 的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)及其控制方法。
技術背景近年來，隨著國家經濟的不斷發(fā)展，對制造自動化要求越來越高，數(shù) 控機床開始普及，相應的對各類數(shù)控系統(tǒng)的需求量也越來越大，數(shù)控系統(tǒng) 開始大規(guī)模投入生產，原有的數(shù)控系統(tǒng)生產過程中，對數(shù)控系統(tǒng)采用的連 接伺服電機或者直接連接數(shù)控機床的在線測試手段變得不可行，這種測試 方法需要的伺服電機數(shù)量，機床數(shù)量、成本和時間對數(shù)控生產廠家來說是 很難實現(xiàn)或難以承受的。數(shù)控技術是指用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺 機械設備動作控制的技術，它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量 和與機械量流向有關的開關量，數(shù)控機床的產生依賴于數(shù)據載體和二進制 形式數(shù)據運算的出現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)控技術的計算機裝置，它與伺服 電機的機床電氣系統(tǒng)形成控制上的閉環(huán)，從而達到控制機床精確加工產品 的目的，對數(shù)控機床的性能評價包括它對位置、角度和速度等機械量和與 機械能量流向有關的開關量控制的精度、速度、通過數(shù)量以及容錯和安全 保護等方面的控制能力綜合評價。數(shù)控系統(tǒng)本身也是一臺計算機，對于其 計算機特性的測試與檢驗可以釆用現(xiàn)在成熟的大規(guī)模計算機測試方法，但 是數(shù)控系統(tǒng)對各種機械量和與機械量流向有關的開關量的控制能力的檢測 用一般的計算機的檢測方法是不能實現(xiàn)的。在小規(guī)模的數(shù)控機床生產過程 中， 一般采用每臺數(shù)控系統(tǒng)連接伺服電機，控制其轉矩、轉速或者將數(shù)控 系統(tǒng)安裝到數(shù)控機床上進行實際加工來檢測數(shù)控系統(tǒng)的可靠性以及是否滿 足數(shù)控系統(tǒng)出廠標準，但是當需要大規(guī)模生產數(shù)控系統(tǒng)時，上面提到的檢 測方法變得不可行，數(shù)控系統(tǒng)生產廠家不能夠在為數(shù)控系統(tǒng)提供伺服電機 或者數(shù)控機床數(shù)量和測試時間上達到一個平衡點，并且不同型號的數(shù)控系 統(tǒng)能夠控制的電機數(shù)量不同， 一種機床只能測試一種數(shù)控系統(tǒng)，顯然難以 滿足數(shù)控系統(tǒng)生產廠家的需求。發(fā)明內容為解決上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可實現(xiàn)對數(shù)控機床伺服 系統(tǒng)中多個伺服電機的運行狀態(tài)、內部邏輯位置定位、伺服電機位置反饋 信號輸出的虛擬，同時能夠進行與機械量流向有關的開關量的虛擬的，進 而虛擬這個數(shù)控機床特性的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)及其控制方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是本發(fā)明系統(tǒng)具有中央控制卡、電源模塊、伺服虛擬單元、機床電氣虛 擬單元及外圍硬件電路，由電源模塊提供工作電源，伺服虛擬單元與數(shù)控 機床的機床數(shù)控系統(tǒng)軸控制器之間及機床電氣虛擬單元與數(shù)控機床I/O控 制器之間進行控制或數(shù)據轉換，伺服虛擬單元及機床電氣虛擬單元分別與 中央控制卡相連，該中央控制卡中存有機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件。所述伺服虛擬單元內部具有FPGA，其包括總線接口模塊、A/D釆集控 制狀態(tài)機、存儲模塊、A/D采集時序控制模塊、A/D釆集通道控制模塊、 編碼器反饋信號產生模塊及邏輯軸位置測量模塊，其中A/D釆集時序控制 模塊在A/D采集控制狀態(tài)機的控制下通過外圍硬件電路中A/D轉換器與機 床數(shù)控系統(tǒng)的伺服電機控制信號相連，并將該伺服電機控制信號采樣后送 至存儲模塊；A/D釆集通道控制模塊在A/D采集控制狀態(tài)機的控制下通過 外圍硬件電路中的多路控制開關將多個外部模擬信號源分時輸入給A/D轉 換器，轉換后數(shù)據保存在上述存儲模塊中；編碼器反饋信號產生模塊在中 央控制卡的控制下產生編碼器反饋信號經外圍硬件電路中的差分信號產生 器送至機床數(shù)控系統(tǒng)，同時還送至邏輯軸位置測量模塊，該邏輯軸位置測 量模塊經控制信號線及數(shù)據線與中央控制卡相連。所述編碼器反饋信號產生模塊內部設置有任意頻率發(fā)生模塊、數(shù)據存 儲接口模塊、回零控制單元、軸邏輯位置測量模塊、方波處理模塊及Z信號處理模塊，其中任意頻率發(fā)生模塊接收中央控制卡發(fā)送的配置數(shù)據，其 產生所需頻率通過方波處理模塊及Z信號發(fā)生模塊送至機床數(shù)控系統(tǒng)，Z信號發(fā)生模塊還接收數(shù)據存儲接口模塊的配置數(shù)據；回零控制單元接收z信號發(fā)生模塊產生的回零控制信號，并將回零控制信號送至軸邏輯位置測 量模塊，數(shù)據存儲接口模塊及軸邏輯位置測量模塊與中央控制卡相連。 所述各單元或模塊為插卡式，通過總線底板實現(xiàn)互聯(lián)。本發(fā)明方法具有以下步驟a. 建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；b. 系統(tǒng)的控制信號進行檢測并轉化為數(shù)學參數(shù)，代入上述數(shù)學模型；c. 將在數(shù)學模型中進行計算所得到的控制參數(shù)轉換為相應的反饋信號返回機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC);d. 機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC)根據上述反饋信號輸出下一控制周期的控制 信號，轉至步驟b，開始下一個控制周期。所述數(shù)學模型包括伺服電機數(shù)學模型及刀架數(shù)學模型，其中伺服電機 數(shù)學模型具體為伺服電機的轉速公式當win 2 Wi。時Q(t) = k"in (l — e-w)+ kWj。e-"" ( 3-4 )當",n < "'。時Q(t) = k"in (1 — e-"J)+ k",。e-" ' ( 3-5 )
其中Q(t)為機械角速度；", 為前一次電壓值；", 為當前電壓值；oc + 為加速因子；a-為減速因子，k為電壓速度比。 所述步驟b包括bl.檢測硬件并初始化數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)，生成各個線程，等待 機床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出伺服電機控制信號、機床電氣控制信號或者機床刀架控 制信號；b2.數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)根據控制信號的變化進入相應線程，釆集 機床數(shù)控系統(tǒng))的控制信號，并將其轉化為數(shù)學模型參數(shù)代入數(shù)學模型進 行計算，并根據計算結果實時顯示。其中所述步驟b2包括b21.分別對機床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的伺服電機控制信號、機床電氣控制信 號以及邏輯軸位置測量信號進行釆樣；b22.讀取上述釆樣數(shù)值，將上述伺服電機控制信號的釆樣值代入伺服 數(shù)學模型進行計算，得到編碼器反饋參數(shù)，并將上述機床電氣控制信號的 釆樣值代入刀架數(shù)學模型進行計算，得到機床電氣虛擬單元反饋參數(shù)。所述步驟c包括對編碼器反饋信號產生模塊進行參數(shù)設置，控制該模塊產生相應的編 碼器反饋信號輸出，將編碼器反饋信號送至機床數(shù)控系統(tǒng)，并根據上述機 床電氣虛擬單元反饋參數(shù)設置機床電氣虛擬單元輸出，將輸出信號反饋給 機床數(shù)控系統(tǒng)；邏輯軸位置測量模塊對上述編碼器反饋信號計數(shù)，計算出 邏輯軸目前所處的位置，對邏輯軸位置測量模塊清零或讀取目前的邏輯軸 位置信息。ii明具有以下有益效果及優(yōu)點1. 解決了數(shù)控機床生產廠家大規(guī)模生產的測試問題。本發(fā)明系統(tǒng)釆用 嵌入式Umix系統(tǒng)，形成板級支持包，構建嵌入式搡作系統(tǒng)，對各種伺服電 機模型抽取共同特征進行數(shù)學建模，通過機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件對上面的 各個單元模塊進行統(tǒng)一融合的控制，適應每臺數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)，可 以同時精確的檢測多臺數(shù)控系統(tǒng)，為大規(guī)模數(shù)控生產提供了 一個良好的測 試手段，節(jié)約了數(shù)控機床生產廠家的生產成本及測試空間，很好地解決了 大規(guī)模生產的測試問題；2. 體積小，連接方便，各項機床參數(shù)可調節(jié)，測試容量大。由于本發(fā) 明的單元采用先進的插卡式設計，所有單元都插在總線底板上，有良好的 擴充性和可替換性；3. 操作簡單、使用靈活。本發(fā)明具有專用的圖形用戶接口，為用戶提 供一個簡單、靈活的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)；4. 可用于教學。本發(fā)明不僅可以用于工業(yè)生產，還可以用于教學，通 過配置仿真系統(tǒng)，虛擬機床故障，幫助學生直觀的了解機床系統(tǒng)的行為， 可能出現(xiàn)的故障，機床伺服裝置速度特性以及PLC控制時序，提高學生處 理故障的能力，提高教學質量并節(jié)省了教學投入。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)軟件、硬件配置圖；圖2為本發(fā)明系統(tǒng)結構框圖； 圖3為本發(fā)明伺服虛擬單元中FPGA結構原理圖； 圖4為本發(fā)明伺服虛擬單元中FPGA內部的編碼器信號產生模塊結構 原理圖；圖5為本發(fā)明機床虛擬系統(tǒng)程序流程圖； 圖6為本發(fā)明刀架虛擬裝置程序流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)基于工業(yè)PC技術、采用嵌入式Limix系統(tǒng)、 編寫驅動程序，形成一個板級支持包，構建一個嵌入式操作系統(tǒng)，設計伺 服電機虛擬專用硬件一一伺服虛擬單元SIM、機床電氣虛擬單元一一1/0單 元(板)、對各種伺服電機模型抽取共同特征進行數(shù)學建模、對專用硬件設計 Limix驅動程序、專用的圖形用戶接口，最后通過機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件對 上面的各個模塊進行統(tǒng)一融合的控制，為用戶提供一個簡單、靈活的數(shù)控 機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)。如圖2所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括中央控制卡CPU、電源模塊POWER、 伺服虛擬單元SIM、機床電氣虛擬單元MIO及外圍硬件電路，由電源模塊 POWER提供工作電源，伺服虛擬單元SIM與數(shù)控機床的機床數(shù)控系統(tǒng)CNC 軸控制器ECDA之間及機床電氣虛擬單元MIO與數(shù)控機床I/O控制器IO 之間進行控制或數(shù)據轉換，伺服虛擬單元SIM及機床電氣虛擬單元MO分 別與中央控制卡CPU相連，該中央控制卡CPU中存有數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系 統(tǒng)控制程序。本實施例中采用四套專用硬件(伺服虛擬單元和機床電氣虛 擬單元)以后，可同時虛擬16個伺服電機軸和64輸入/96輸出的數(shù)控機床 行為，如果PC能力提高，可插入更多的專用硬件來增加本系統(tǒng)的虛擬能力。如圖3所示，所述伺服虛擬單元SIM是本發(fā)明系統(tǒng)的關鍵部件，它主要 由FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)及外圍電路構成，為伺服電機數(shù)學模型捕獲 模擬式或者數(shù)字式伺服控制信號，轉化為伺服電機數(shù)學模型輸入參數(shù)進行 計算，并且根據伺服電機數(shù)學模型計算得到的轉數(shù)向外輸出標準增量式編 碼器反饋信號+A、 +B、 +Z、 -A、 -B、 -Z;同時內部實現(xiàn)了A、 B脈沖計數(shù)器對增量式編碼器反饋信號技術，在對虛擬伺服電機進行回零動作以后， 軟件通過對該計數(shù)器的值計算得到當前電機軸的實際位置。本實施例中每 塊伺服虛擬單元S1M可以提供四個伺服電機虛擬接口 。所述伺服虛擬單元SIM內部的FPGA模塊包括總線接口模塊、A/D采 集控制狀態(tài)機、A/D數(shù)據存儲裝置、A/D釆集時序控制模塊、A/D采集通 道控制模塊、編碼器反饋信號產生模塊及邏輯軸位置測量模塊，其中A/D 采集時序控制模塊在A/D采集控制狀態(tài)機的控制下通過外圍硬件電路中 A/D轉換器與機床數(shù)控系統(tǒng)CNC的伺服電機控制信號相連，并將機床數(shù)控系統(tǒng)CNC的伺服電機控制信號采樣后送至A/D數(shù)據存儲裝置；A/D采集通 道控制模塊在A/D采集控制狀態(tài)機的控制下通過外圍硬件電路中的多路控 制開關將多個外部模擬信號源分時輸入給A/D轉換器件AD7665，轉換后 數(shù)據保存在A/D數(shù)據存儲裝置；機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件從A/D數(shù)據存儲裝 置讀取釆集到的A/D信號值；機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件在用戶輸入和系統(tǒng)參 數(shù)配置下，將得到的A/D信號值代入伺服數(shù)學模型計算；機床閉環(huán)虛擬系 統(tǒng)軟件在經過伺服數(shù)學模型計算以后得到編碼器反饋參數(shù)，并將這些參數(shù) 寫入編碼器反饋信號產生模塊；編碼器信號產生模塊產生編碼器反饋信號 經差分信號產生器送至機床數(shù)控系統(tǒng)CNC,同時還送至邏輯軸位置測量模 塊,該邏輯軸位置測量模塊經控制信號線及數(shù)據線與中央控制卡CPU相連; 邏輯軸位置測量模塊對編碼器反饋信號測量得到邏輯軸位置信息，并將邏 輯軸位置信息返回給機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件。機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件根據 邏輯軸位置信息設置機床電器虛擬單元MIO中的邏輯軸正向超限、負向超限及回零信號。如圖4所示，編碼器反饋信號產生模塊內部設置有任意頻率發(fā)生模塊、 數(shù)據存儲接口模塊、回零控制單元、軸邏輯位置測量模塊、方波處理模塊 及Z信號發(fā)生模塊，其中任意頻率發(fā)生模塊接收中央控制卡CPU發(fā)送的配 置數(shù)據，產生所需頻率信號，頻率信號通過方波處理模塊及Z信號發(fā)生模 塊生成A、 B、 Z信號送至機床數(shù)控系統(tǒng)CNC; Z信號發(fā)生模塊還接收數(shù)據 存儲接口模塊的配置數(shù)據產生相應頻率的Z信號；回零控制單元根據用戶 設置的參數(shù)接收Z信號發(fā)生模塊產生的Z信號產生回零控制信號，并將回零控制信號送至軸邏輯位置測量模塊；軸邏輯位置測量模塊接受倒回零控 制信號，內部邏輯位置回到邏輯零點。數(shù)據存儲接口模塊及軸邏輯位置測 量模塊與中央控制卡CPU相連。所述機床電氣虛擬單元MIO同樣是本發(fā)明系統(tǒng)實現(xiàn)機床電氣虛擬的關 鍵部件，為機床電氣離散量提供了輸入輸出量的硬件實現(xiàn)。本實施例中每 塊機床電氣虛擬單元可以提供48輸出點和32輸入點。該機床電氣虛擬單元 MIO通過外圍電路與機床數(shù)控系統(tǒng)CNC的數(shù)控系統(tǒng)I/0控制器相連，并將該 機床數(shù)控系統(tǒng)CNC發(fā)出的伺服電機使能信號和刀架控制信號采用后送入機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件，機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件獲得伺服電機使能信號，根 據配置判斷是否需要機床數(shù)控系統(tǒng)CNC伺服電機使能信號，如果需要使能 信號，等待機床數(shù)控系統(tǒng)CNC發(fā)出伺服電機使能信號到來，開始伺服電機 虛擬線程，如果不需要則直接開始伺服電機虛擬線程；機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng) 軟件根據用戶設置的刀架類型參數(shù)和刀架配合文件抽象出刀架的各個刀架 控制信號的PN模型；機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件通過機床電器虛擬單元(I/O) 采集到機床數(shù)控系統(tǒng)CNC刀架控制信號輸入PN模型；機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟 件刀架PN模型根據輸入信號，產生刀架的虛擬輸出參數(shù)，配置機床電氣虛
擬單元。機床電氣虛擬單元根據刀架虛擬輸出參數(shù)產生輸出信號反饋給機 床數(shù)控系統(tǒng)CNC,完成一個閉環(huán)的刀架虛擬周期。上述各單元或模塊為插卡式，通過總線底板實現(xiàn)互聯(lián)。 本發(fā)明還具有專用的圖形用戶接口 ，該部分為本發(fā)明提供了良好的人 機接口，使用者可以通過該界面設置本發(fā)明系統(tǒng)，同時觀察虛擬系統(tǒng)的運行狀態(tài)，即通過顯示單元顯示機床數(shù)控系統(tǒng)CNC虛擬控制信號曲線、虛擬 伺服轉速曲線、刀架位置信息、虛擬伺服電機的狀態(tài)信息、刀架控制時序 波形以及配置文件編輯器，結合圖l、圖2將本發(fā)明系統(tǒng)的工作原理闡述如下機床數(shù)控系統(tǒng)CNC 發(fā)出的對伺服電機的控制信號(數(shù)字的或者模擬的)，輸入圖1A中的第1 4 伺服虛擬單元SIM1 4，由板級支持包BSP和操作系統(tǒng)OS控制，經過第1~4 伺服虛擬單元內部SIM1 4的A/D轉換模塊(或者頻率計數(shù)單元)將輸入控 制信號轉化為伺服電機數(shù)學模型能夠識別的參數(shù)；同時機床數(shù)控系統(tǒng)CNC 發(fā)出的機床電氣控制信號輸入機床電氣虛擬單元MIO,由板級支持包BSP 和操作系統(tǒng)OS控制，經過TX第l、 2機床電氣虛擬單元MI01、 MI02轉換為機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件能夠識別的參數(shù)，機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件根據參 數(shù)協(xié)調伺服電機數(shù)學模型的計算，通過計算機發(fā)送給圖形用戶接口GUI給用 戶觀察；同時，機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件將計算結果發(fā)送給板級支持包BSP 和操作系統(tǒng)OS,由板級支持包BSP和搡作系統(tǒng)OS將得到的結果設置給第1 4 伺服虛擬單元SIM1 4的輸出寄存器產生編碼器反饋信號返回給機床數(shù)控系 統(tǒng)CNC;機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件將計算結果發(fā)送給板級支持包BSP和操作系 統(tǒng)OS，由板級支持包BSP和操作系統(tǒng)OS將得到的結果設置給第l、 2機床電 氣虛擬單元MIOl、 MI02的輸出寄存器，產生離散I/0電氣控制信號返回給 機床數(shù)控系統(tǒng)CNC。本發(fā)明方法包括以下步驟a. 建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；b. 對系統(tǒng)的控制信號進行檢測并轉化為數(shù)學參數(shù)，代入上述數(shù)學模型；c. 在數(shù)學模型中進行計算所得到的控制參數(shù)轉換為相應的反饋信號返 回機床數(shù)控系統(tǒng)CNC;d. 機床數(shù)控系統(tǒng)CNC根據上述反饋信號輸出下一控制周期的控制信 號，轉至步驟b,開始下一個控制周期。所述數(shù)學模型包括伺服電機數(shù)學模型及刀架數(shù)學模型，其中伺服電機 數(shù)學模型具體為伺服電機的轉速公式當w,n 2 wi0時Q(t) = t"in (1 - e-)+ Ke—"+' ( 3-4 )當"in < Wi。時Q(t) = hm (1 — e-。 t)+ b,。e-a' ( 3-5 )其中Q(t)為機械角速度；",()為前一次電壓值；", 為當前電壓值；k為
電壓速度系數(shù)，k^^,Obmax為伺服電機的最大轉速，W,^為伺服電機的最大電壓；oc+為加速因子， or丄=丄ln|，a .為減速因子，=——In —t2、 10k上述伺服電機數(shù)學模型通過以下過程建立假設伺服控制器信號無延遲；伺服電機為空載；無相電感；無渦流損耗；無磁滯損耗；反電動勢為正弦波；推導過程用到的變量定義如下",, —"，《軸電壓；^， ~--af， g軸電流；4y， Lq， A。--d，《，fit軸電感，丄。="=/^;&一一定子相電阻；w---轉子電角速度，角頻率；P——微分算子玍； /一一電機轉動慣量；Of——永磁體產生的磁通(恒定)；—一轉子勵磁磁場鏈通過定子繞組的磁鏈；5—一粘滯摩擦系數(shù)；r，一一電機軸轉矩； r/一一負載轉矩；Kt— 一轉矩系數(shù)；q, ft_ —轉子角速度,機械角速度;A——磁極對數(shù)；w,——數(shù)控系統(tǒng)的指令電壓；qa—一電機反饋回數(shù)控系統(tǒng)的轉速;伺服電機轉子參考坐標電壓方程為 =尺'；+尸& + ^ = W +尸& +磁鏈方程為甲q =丄q "電磁轉矩方程為 電機運動方程為(1-1) (l畫2)(1-3) (1-4)(1-5) 7:.m =+ Qr + JPQr (1-6)由于忽略負載，所以T,= 0 機械角速度與電角速度的關系是wr = p Q, (1-7)將(1-3) (1-4)代入(1-1)有w(/ = A ~ + 、尸(,+A + (1 -8)其中尸=1，在一般的情況下，控制^使其為零。所以在這種條件下，"也就是電動機的定子電流。 據(1-8) =化+ V> + ^ + (1一9) 據(1-5)(1-10)將電動機的運動方程(1-6)代入(1-9)式有 r, +脇+ j尸a(1-11)將(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)其中令盡=乂， ^-丄(i 乂 +丄^) , 、=/W/+^_，厶.由于前面假設忽略了相電感；，所以上式變?yōu)閥t2Q+yfc3Q = wv (1-14)由此經過拉氏變換得傳遞函數(shù)G(5)=， = 一_L_ (1-15)輸入電壓分析對于伺服驅動系統(tǒng)，接收的指令電壓",與預計的電機轉速為線性關系，即(2-1)通過前面?zhèn)鬟f函數(shù)可推出K,由于任一時刻輸入電壓^可視為一個階 躍函數(shù)和一個脈沖函數(shù)的疊加，故有 f/ (."=^^ + 0"^, (2-2) w .v其中"。為上一次采樣換算出來輸入電壓，f/^為本次釆樣換算出來輸 入電壓；模型求解根據交流伺服電機手冊，與模型相關的幾個特性參數(shù)最大電壓",_, 最大轉速^^w，加速時間"，減速時間L加減速時間對應的標準轉速i^ 由前推導出k = (3-1)加減速因子,216a 、"丄=丄int+丄m t10k216QS 10k(3-2)(3-3)轉速公式當Win 2 W,0時Q(t) = hin (1 - e-。+')+ *",0e-"'t (3-4)當wm < w,。時Q(t) = )bm(l — e-"-' )+ib,。e-a-, (3-5) 所述步驟b包括bl.檢測硬件并初始化數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)，生成各個線程，等待 機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC)發(fā)出伺服電機控制信號、機床電氣控制信號或者機 床刀架控制信號；b2.數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)根據控制信號的變化進入相應線程，采集 機床數(shù)控系統(tǒng)CNC的控制信號，并將其轉化為數(shù)學模型參數(shù)代入數(shù)學模型 進行計算，并根據計算結果實時顯示。其中步驟b2包括b21.分別對機床數(shù)控系統(tǒng)CNC發(fā)出的伺服電機控制信號、機床電氣 控制信號以及邏輯軸位置測量信號進行采樣；b22.讀取上述采樣數(shù)值，在用戶輸入和系統(tǒng)參數(shù)據配置下，將上述伺 服電機控制信號的采樣值代入伺服電機數(shù)學模型進行計算，得到編碼器反 饋參數(shù)，并將上述機床電氣控制信號的采樣值代入刀架數(shù)學模型(本實施 例中采用Petri NET方法建模)進行計算，得到機床電氣虛擬單元反饋參數(shù)。所述步驟c包括機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件通過系統(tǒng)總線ISA對編碼器反饋信號產生模塊 進行參數(shù)設置，控制該模塊產生相應的編碼器反饋信號輸出，將編碼器反 饋信號送至機床數(shù)控系統(tǒng)CNC，并根據上述機床電氣虛擬單元反饋參數(shù)設 置機床電氣虛擬單元輸出，將輸出信號反饋給機床數(shù)控系統(tǒng)CNC;邏輯軸 位置測量模塊對上述編碼器反饋信號計數(shù)，計算出邏輯軸目前所處的位置， 對邏輯軸位置測量模塊清零或讀取目前的邏輯軸位置信息。如圖5所示，以本發(fā)明控制方法具體表述如下程序啟動以后，檢測伺服虛擬單元SIM、機床電氣虛擬單元MIO;硬件 檢測正常以后，生成各個線程，包括伺服電機虛擬線程、機床電氣虛擬 線程、機床刀架虛擬線程；線程生成以后，對伺服電機虛擬線程配置默認 參數(shù)，如果用戶進行修改，則將用戶修改的信息保存并更新到伺服電機虛 擬線程；機床刀架虛擬線程讀取用戶刀架配置文件，對所需對象進行實例 化；在各個線程都配置完成以后，各個線程等待用戶輸入和外部控制信號 變化；如果接受到用戶換刀命令則進入換刀線程，讀用戶輸入的PLC命令(通 過I/0點的形式)配置的刀架數(shù)學模型，虛擬刀架運轉并實時向PLC反饋相 應信號(通過I/0點的形式)，本實施例中，應用Petri net方法對刀架行為進 行抽象和建模；如果接受到伺服電機運轉命令(模擬電壓信號和I/0點輸入),則進入伺服電機虛擬線程，這個線程可以與刀架虛擬線程并發(fā)，伺服電機 虛擬線程讀取伺服電機控制信號(模擬電壓信號和i/o點輸入)，將獲得的量化信號輸入伺服電機數(shù)學模型計算，得到相應的反饋參數(shù)后，設置伺服電 機虛擬的編碼器反饋信號產生模塊，使之產生對應當前機床數(shù)控系統(tǒng)CNC 控制信號的編碼器反饋信號。如果用戶輸入退出命令，則關閉所有線程， 程序結東。如圖6所示，為刀架虛擬程序流程圖，描述了刀架的虛擬流程。本實施 例中，用一種統(tǒng)一的語言描述各種刀架，并用Petri網來對刀架的工作過程建 模，根據用戶提供的刀架配置文件，自動建立相應的仿真程序模塊進行相 關的仿真工作。利用PetriNet(以下簡稱PN)作為從刀架配置文件和仿真程 序模塊之間轉換的中間的抽象層次，相當于系統(tǒng)理解用戶輸入的配置文件 的過程，繼而將這種PN轉化成仿真程序模塊；從抽象模型的角度來看，將 刀架的各個輸入信號獨立地抽象成各個輸入PN模型，把刀架的輸出信號獨 立地抽象成各個輸出PN模型，這些輸入PN模型與輸出PN模型之間根據一些 條件聯(lián)系起來，當然這些條件也是抽象的PN模型，其中條件是指輸出信 號的工作過程在一定程度上受到輸入信號的控制，表現(xiàn)為因果關系或邏輯 關系，將這種控制關系抽象為條件，這樣用條件聯(lián)系起來之后就組成一個 完整的PN模型。刀架的仿真也就相當于該完整PN模型執(zhí)行一系列動作的過 程。程序開始，根據配置文件獲得刀架參數(shù)并初始化各個信號，建立獨立 的PN模型，實例化相應的輸入PN和輸出PN的類對象，并向PLC反饋刀架初 始狀態(tài)。然后仿真程序模塊不斷檢測PLC命令，直到換刀命令到來，根據從 PLC得到的信號設置各個輸入PN,然后判斷輸出信號的發(fā)生動作的條件， 即相當于聯(lián)系輸入PN和輸出PN模型的條件是否滿足，若滿足則執(zhí)行相應的 動作，同時設置輸出PN，并實時向PLC反饋當前狀態(tài)，直到挾刀琴卑。
權利要求
1.一種數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)，其特征在于具有中央控制卡(CPU)、電源模塊(POWER)、伺服虛擬單元(SIM)、機床電氣虛擬單元(MIO)及外圍硬件電路，由電源模塊提供工作電源，伺服虛擬單元(SIM)與數(shù)控機床的機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC)軸控制器(ECDA)之間及機床電氣虛擬單元(MIO)與數(shù)控機床I/O控制器(IO)之間進行控制或數(shù)據轉換，伺服虛擬單元(SIM)及機床電氣虛擬單元(MIO)分別與中央控制卡(CPU)相連，該中央控制卡(CPU)中存有機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件。
2. 按權利要求l所述的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)，其特征在于所述伺 服虛擬單元(SIM)內部具有FPGA，其包括總線接口模塊、A/D采集控制 狀態(tài)機、存儲模塊、A/D采集時序控制模塊、A/D采集通道控制模塊、編 碼器反饋信號產生模塊及邏輯軸位置測量模塊，其中A/D釆集時序控制模 塊在A/D釆集控制狀態(tài)機的控制下通過外圍硬件電路中A/D轉換器與機床 數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的伺服電機控制信號相連，并將該伺服電機控制信號采 樣后送至存儲模塊；A/D采集通道控制模塊在A/D釆集控制狀態(tài)機的控制 下通過外圍硬件電路中的多路控制開關將多個外部模擬信號源分時輸入給 A/D轉換器，轉換后數(shù)據保存在上述存儲模塊中；編碼器反饋信號產生模 塊在中央控制卡(CPU)的控制下產生編碼器反饋信號經外圍硬件電路中 的差分信號產生器送至機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC),同時還送至邏輯軸位置測量 模塊，該邏輯軸位置測量模塊經控制信號線及數(shù)據線與中央控制卡(CPU) 相連。
3. 按權利要求2所述的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)，其特征在于所述編 碼器反饋信號產生模塊內部設置有任意頻率發(fā)生模塊、數(shù)據存儲接口模塊、 回零控制單元、軸邏輯位置測量模塊、方波處理模塊及Z信號處理模塊， 其中任意頻率發(fā)生模塊接收中央控制卡(CPU)發(fā)送的配置數(shù)據，其產生 所需頻率通過方波處理模塊及Z信號發(fā)生模塊送至機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC), Z信號發(fā)生模塊還接收數(shù)據存儲接口模塊的配置數(shù)據；回零控制單元接收Z 信號發(fā)生模塊產生的回零控制信號，并將回零控制信號送至軸邏輯位置測 量模塊，數(shù)據存儲接口模塊及軸邏輯位置測量模塊與中央控制卡(CPU) 相連。
4. 按權利要求1 3中任何一項所述的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)，其特征 在于所述各單元或模塊為插卡式，通過總線底板實現(xiàn)互聯(lián)。
5. —種數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)的控制方法，其特征在于具有以下步驟a. 建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；b. 對系統(tǒng)的控制信號進行檢測并轉化為數(shù)學參數(shù)，代入上述數(shù)學模型；c. 將在數(shù)學模型中進行計算所得到的控制參數(shù)轉換為相應的反饋信號返回機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC);d.機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC)根據上述反饋信號輸出下一控制周期的控制 信號，轉至步驟b，開始下一個控制周期。
6. 按權利要求5所述的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述數(shù)學模型包括伺服電機數(shù)學模型及刀架數(shù)學模型，其中伺服電機 數(shù)學模型具體為伺服電機的轉速公式當w,n》w,。時，Q(t) = k"in(1 — e-"'')+ kw,。e-"'i ( 3-4 )當"m < ",。時，Q(t) = k"m (1 — e《')+ k",。e-' ( 3-5 )其中Q(t)為機械角速度；",。為前一次電壓值；", 為當前電壓值；ct + 為加速因子；cc-為減速因子，k為電壓速度比。
7. 按權利要求5所述的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于所述步驟b包括bl.檢測硬件并初始化數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)，生成各個線程，等待 機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC)發(fā)出伺服電機控制信號、機床電氣控制信號或者機 床刀架控制信號；b2.數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)根據控制信號的變化進入相應線程，采集 機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的控制信號，并將其轉化為數(shù)學模型參數(shù)代入數(shù)學模型進行計算，并根據計算結果實時顯示。
8. 按權利要求7所述的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于所述步驟b2包括b21.分別對機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC)發(fā)出的伺服電機控制信號、機床電 氣控制信號以及邏輯軸位置測量信號進行采樣；b22.讀取上述采樣數(shù)值，將上述伺服電機控制信號的釆樣值代入伺服 數(shù)學模型進行計算，得到編碼器反饋參數(shù)，并將上述機床電氣控制信號的 采樣值代入刀架數(shù)學模型進行計算，得到機床電氣虛擬單元反饋參數(shù)。
9. 按權利要求5所述的數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于所述步驟c包括對編碼器反饋信號產生模塊進行參數(shù)設置，控制該模塊產生相應的編 碼器反饋信號輸出，將編碼器反饋信號送至機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC),并根據 上述機床電氣虛擬單元反饋參數(shù)設置機床電氣虛擬單元輸出，將輸出信號 反饋給機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC);邏輯軸位置測量模塊對上述編碼器反饋信號 計數(shù)，計算出邏輯軸目前所處的位置，對邏輯軸位置測量模塊清零或讀取 目前的邏輯軸位置信息。
全文摘要
本發(fā)明公開一種數(shù)控機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)及其控制方法，具有中央控制卡、電源模塊、伺服虛擬單元、機床電氣虛擬單元及外圍硬件電路，由電源模塊提供工作電源，伺服虛擬單元與數(shù)控機床的機床數(shù)控系統(tǒng)軸控制器之間及機床電氣虛擬單元與數(shù)控機床I/O控制器之間進行控制或數(shù)據轉換，伺服虛擬單元及機床電氣虛擬單元分別與中央控制卡相連，該中央控制卡中存有機床閉環(huán)虛擬系統(tǒng)軟件；該方法包括建立數(shù)學模型；檢測系統(tǒng)的控制信號并轉化為數(shù)學參數(shù)代入數(shù)學模型計算；將計算所得控制參數(shù)轉換為反饋信號給機床數(shù)控系統(tǒng)；機床數(shù)控系統(tǒng)根據反饋信號輸出下一控制周期控制信號。本發(fā)明解決了數(shù)控機床生產廠家大規(guī)模生產的測試問題，有良好的擴充性和可替換性。
文檔編號G05B19/406GK101154101SQ20061004792
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權日2006年9月29日
發(fā)明者方 何, 偉 劉, 陶耀東 申請人:沈陽高精數(shù)控技術有限公司;中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司