Patent CNA - 数控机床刀架的建模仿真方法 - Google PatentsCN AApplicationCN Oct 29, 2008Apr 27, 2007Apr 27, 2007.6, CN
A, CN A, CN , CN-A-, CN A, CNA, CN, CN.6, , ,
(5) , 数控机床刀架的建模仿真方法
本发明涉及一种数控机床刀架的建模仿真方法，依照刀架时序波形图中输入信号和输出信号的对应关系，针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模；采集控制器输出状态，自动分析模型；根据上述分析结果设置相应的刀架输出信号；针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模包括：用PN对刀架的编码器、输出功能机构以及输入功能机构分别建模，其中对编码器建模是根据工位选通信号的变化分为X工位、工位切换以及Y工位三个阶段进行，每个阶段均为带有时间延迟的PN模型；每个阶段均有一个变迁，该变迁的输出库所是刀架工位库所；在工位切换阶段设置有控制编码器正、反转的库所。本发明解决了刀架系统控制器程序的测试问题，节约了物力资源，可用于教学。
1.一种数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：依照刀架时序波形图中输入信号和输出信号的对应关系，针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模；采集控制器输出状态，自动分析模型；根据上述分析结果设置相应的刀架输出信号。
2. 按权利要求l所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：所 述刀架时序波形图中输入和输出的对应关系通过对应关系表达式描述如 下：输出信号的变化=(输入信号的变化，输出信号与输入信号变化的间隔 时间，刀架选刀方向）。
3. 按权利要求l所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：针 对刀架各个功能机构的动作变化进行建模包括：用PN对刀架的编码器、输 出功能机构以及输入功能机构分别建模，其中对编码器建模是根据工位选 通信号的变化分为X工位、工位切换以及Y工位三个阶段进行，每个阶段 均为带有时间延迟的PN模型，其中在起始阶段即X工位之前具有控制编 码器停止或启动的库所（Pcond),该库所（Pcond)的状态和输出PN模型 与输入PN模型之间的对应关系表达式中最后一个输出信号的变化是否已 经发生相关，如果发生则编码器停止工作，否则继续；每个阶段均有一个 变迁，该变迁的输出库所是刀架工位库所（Pcur);在工位切换阶段设置有 控制编码器正、反转的库所（Pdir)。
4. 按权利要求3所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：对 刀架的输出功能机构及输入功能机构建模是针对输入信号及输出信号的0、 l变化，对刀架的各个输入功能机构独立地建立各个输入PN模型，对刀架 的各个输出功能机构独立地建立各个输出PN模型，在输出PN模型与输入 PN模型之间通过对应关系表达式联系起来，该对应关系表达式也建立对应 关系PN模型。
5. 按权利要求l所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：所 述自动分析模型包括：根据釆集的控制器输出状态分析并判断是否为控制器的换刀命令；如果是，则设置各个输入PN模型中相应库所的状态并设置各个对应关 系PN模型中相应库所的状态；对应关系PN模型中库所状态的变化引起变迁发生后，设置各个输出 PN模型中相应库所的状态，并向控制器反馈刀架输出信号的当前状态；判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生；如果是，则继续釆集控制器输出状态。
6. 按权利要求5所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：上述判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生的判断结果如果为否，则继续换刀过程。
7. 按权利要求5所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于：上 述分析并判断是否为控制器的换刀命令的结果如果为否，则继续采集控制 器输出状态。
8. 按权利要求l所述数控机床刀架的建模仿真方法，其特征在于还具 有以下步骤：在人机界面上实时显示各个功能机构的状态，并对控制器的 控制过程进行出错处理，当釆集的控制器状态与当前刀架输出信号变化前 后的控制器的设置值不同时，在人机界面上给出相应提示。
数控机床刀架的建模仿真方法
本发明涉及 一种数控机床控制系统中建模的方法，具体地说是 一种数 控机床刀架的建模仿真方法。 背景技术
近年来随着国家经济的发展和科学技术的不断进步，对制造业的自动 化要求越来越高。刀架是数控机床很重要的一部分，但是数控机床刀架类 型多样， 一种刀架对应一种换刀过程，并且刀架的控制器逻辑编程只能由 专业人员来做，不方便非专业人员调试。
目前已公开的开关量模拟仿真系统和方法，其仿真方法是：以逻辑展 开图作为编制模拟仿真组态程序的"脚本"，对控制过程输入，用组态软件 的运行策略编写脚本程序，根据所釆集的控制器输出状态，依照逻辑展开 图确定由此输出作用产生的输入状态，用组态程序将控制器该输入通道设 定位逻辑展开图中所要求的状态。这种方法存在的问题是：U)操作人员 必须先熟悉开关量控制的详细过程，才能够写出"脚本"，即绘制逻辑展开 图比较烦瑣且写脚本程序比较烦瑣；（2)操作人员针对每一个开关量控制 过程都要写一个组态程序，用户操作起来不方便。
针对现有技术中建模仿真方法操作烦瑣的不足，本发明的目的在于提 供一种测试人员不需要了解复杂过程，不需要具备专业编程人员的技术水 平的数控机床刀架的建模仿真方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
依照刀架时序波形图中输入信号和输出信号的对应关系，针对刀架各
个功能机构的动作变化进行建模；釆集控制器输出状态，自动分析模型； 根据上述分析结果设置相应的刀架输出信号。
所述刀架时序波形图中输入和输出的对应关系通过对应关系表达式描述如
下：输出信号的变化=(输入信号的变化，输出信号与输入信号变化的间隔 时间，刀架选刀方向）；针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模包括： 用PN对刀架的编码器、输出功能机构以及输入功能机构分别建模，其中对 编码器建模是根据工位选通信号的变化分为X工位、工位切换以及Y工位 三个阶段进行，每个阶段均为带有时间延迟的PN模型，其中在起始阶段即 X工位之前具有控制编码器停止或启动的库所（Pcond)，该库所（Pcond) 的状态和输出PN模型与输入PN模型之间的对应关系表达式中最后一个输 出信号的变化是否已经发生相关，如果发生则编码器停止工作，否则继续； 每个阶段均有一个变迁，该变迁的输出库所是刀架工位库所（Pcur);在工位切换阶段设置有控制编码器正、反转的库所（Pdir);对刀架的输出功能 机构及输入功能机构建模是针对输入信号及输出信号的O、 l变化，对刀架 的各个输入功能机构独立地建立各个输入PN模型，对刀架的各个输出功能 机构独立地建立各个输出PN模型，在输出PN模型与输入PN模型之间通 过对应关系表达式联系起来，该对应关系表达式也建立对应关系PN模型； 所述自动分析模型包括：根据采集的控制器输出状态分析并判断是否为控 制器的换刀命令；如果是，则设置各个输入PN模型中相应库所的状态并设 置各个对应关系PN模型中相应库所的状态；对应关系PN模型中库所状态 的变化引起变迁发生后，设置各个输出PN模型中相应库所的状态，并向控 制器反馈刀架输出信号的当前状态；判断输出PN模型与输入PN模型之间 对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生；如果是，则继续 采集控制器输出状态；上述判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系
表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生的判断结果如果为否，则继
续换刀过程；上述分析并判断是否为控制器的换刀命令的结果如果为否，
则继续釆集控制器输出状态；本发明方法还具有以下步骤：在人机界面上
实时显示各个功能机构的状态，并对控制器的控制过程进行出错处理，当 釆集的控制器状态与当前刀架输出信号变化前后的控制器的设置值不同 时，在人机界面上给出相应提示。 本发明具有以下优点及有益效果：
1. 解决了刀架系统控制器程序的测试问题。本发明方法釆用PN建立
模型，形成刀架仿真系统代替了以往利用真实刀架进行控制器程序的调试，
减少了真实刀架的磨损，为调试控制器程序提供了良好的测试手段；
2. 操作简单，使用方便。本发明通过对刀架系统建立完善的PN模型，
在仿真过程中无需人为干预，数控操作人员能够很方便地测试控制器程序
的正确性，配置文件可以随机更改，也极大地提高了测试的灵活性；
3. 节约了物力资源。本发明在测试过程中不需要真实的刀架系统配合，
仅通过仿真程就能够完成测试功能，减少了测试成本；
4. 可用于教学。本发明不仅可以用于工业调试，还可以用于教学，通过
配置仿真系统，帮助学生直观的了解机床刀架系统的行为和可能出现的控 制器控制逻辑上的错误，提高教学质量并节省了教学投入。 附图说明
图i为应用本发明方法的模拟仿真系统构成示意图； 图2为本发明实施例中SD系列刀架时序波形图； 图3A为本发明输入PN模型图； 图3B为本发明输出PN模型图； 图3C为本发明编码器PN模型图；
图3D为本发明输出PN模型与输入PN模型根据对应关系表达式连结示意
图；图4为本发明方法的类描述图；
图5为本发明方法仿真程序流程图。
具体实施方式
如图1所示，数控机和机床模拟器通过电缆线连接，仿真程序通过访 问机床模拟器的I/O设备实现控制器（本实施例为PLC)控制状态的釆集 并输出刀架的输出信号。本实施例中数控机釆用蓝天数控机NC210，其PLC 是内装型的，仿真程序釆集的状态信号是数控机里的PLC控制信号。仿真 程序占用了 1/0设备的8输入/16输出，其中8个输出分配给刀架的编码器, 即该仿真程序可以模拟256把刀的刀架。
本发明主要在数控机和机床模拟器所抅成的仿真系统上运行，其中机 床模拟器里有支持仿真程序运行的操作系统平台（Windows CE)。将在计算
机中编制好的仿真程序通过网线上传到机床模拟器里，该机床模拟器具有 一块DOM电子盘，将仿真程序存入DOM即可。
如图5所示，本发明方法包括以下步骤：依照刀架时序波形图中输入 信号和输出信号的对应关系，针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模; 釆集控制器输出状态，自动分析模型；根据上述分析结果设置相应的刀架 输出信号。
所述刀架时序波形图中输入和输出的对应关系通过对应关系表达式描 述如下：输出信号的变化=(输入信号的变化，输出信号与输入信号变化的 间隔时间（由用户来指定，单位为ms),刀架选刀方向）。
上述对应关系表达式描述于刀架配置文件中第5段，刀架配置文件（ini 格式）编写格式如下：
Name-X (代表刀架的名字） Dir = X (代表刀架的选刀方向） Cuts = X (代表刀架的工位数） [2]
PN = X (代表有几个输入信号，P代表输入信号） P1=XXXX (第1个输入信号的名字） P2 = XXXX (第2个输入信号的名字） ......有几个输入信号，写几行。
CN = X (代表有几个输出信号，C代表输出信号）
C1=XXXX (第l个输出信号的名字） ......有几个输出信号，写几行。
[4](各个信号的初始状态O或者1)
CtO或1 (C代表输出信号） ......有几个输出信号，写几行。P14或1 (P代表输入信号） ......有几个输入信号，写几行。
[5](输出信号变化与输入信号变化之间的对应关系表达式及变化前后 的设置值）
如果有N个输出信号，写2AN行；按变化发生顺序写，最后一个发生 变化时，停止编码器的工作。
所述针对刀架各个功能机构的动作变化进行建模包括：用PN对刀架的 编码器、输出功能机构以及输入功能机构分别建模，其中对编码器建模是 根据工位选通信号的变化分为X工位、工位切换以及Y工位三个阶段进行， 每个阶段均为带有时间延迟的PN模型，其中在起始阶段即X工位之前具 有控制编码器停止或启动的库所，该库所的状态和输出PN模型与输入PN 模型之间的对应关系表达式中最后一个输出信号的变化是否已经发生相 关，如果发生则编码器停止工作，否则继续；每个阶段均有一个变迁，该 变迁的输出库所是刀架工位库所；在工位切换阶段设置有控制编码器正、 反转的库所。
对刀架的输出功能机构及输入功能机构建模是针对输入信号及输出信 号的0、 l变化，对刀架的各个输入功能机构独立地建立各个输入PN模型， 对刀架的各个输出功能机构独立地建立各个输出PN模型，在输出PN模型 与输入PN模型之间通过对应关系表达式联系起来，该对应关系表达式也建 立对应关系PN模型。
所述自动分析模型包括：根据采集的控制器输出状态分析并判断是否 为控制器的换刀命令；如果是，则设置各个输入PN模型中相应库所的状态 并设置各个对应关系PN模型中相应库所的状态；对应关系PN模型中库所 状态的变化引起变迁发生后，设置各个输出PN模型中相应库所的状态，并 向控制器反馈刀架输出信号的当前状态；判断输出PN模型与输入PN模型 之间对应关系表达式中最后一个输出信号变化是否已经发生，如果是，则 继续采集控制器输出状态，如果为否，则继续换刀过程。上述分析并判断 是否为控制器的换刀命令的结果如果为否，则继续采集控制器输出状态。
上述用PN (Petri Net)实现对刀架的建模模型如图3A?C所示。将刀 架的功能机构按照产生信号的性质分为输入功能机构和输出功能机构。从 抽象模型的角度来看，将刀架的各个输入功能机构独立地建立成各个输入 PN模型（图3A)，把刀架的输出功能机构独立地抽象成各个输出PN模型 (图3B)。所述输入PN模型与输出PN模型之间根据一些条件联系起来， 而这些条件也建立成PN模型，即对应关系PN模型。所述条件是指：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，即对应关系表达式：输出信号的变 化=(输入信号的变化，输出信号与输入信号变化的间隔时间（由用户来指 定，单位为ms)，刀架选刀方向），例如，bolt，= (elect, 200， 0)。如果与选刀方向无关，则用0表示，正转是l,反转是2。
编码器的建模比较特殊，因为它的工作过程不是简单的0、 1变化过程。
针对编码器在刀架系统中的作用，根据选通信号将其分为以下3个阶段进 行建模，假设某类刀架编码器的工位数是N(NM),假设X和Y是两个相 邻的工位，则刀架从X工位转到Y工位，可以分为以下三个阶段：X工位 —工位切换—Y工位，刀架处于这三个阶段的时间分别是Tx、 T0和Ty, 这三个参数是可调的，（Tx + T0+Ty)是刀架电机切换一个工位的时间。其 中在起始阶段即X工位之前具有控制编码器停止或启动的库所Pcond,该 库所Pcond的状态和输出PN模型与输入PN模型之间的对应关系表达式中 最后一个输出信号的变化是否已经发生相关，如果发生则编码器停止工作， 否则继续；每个阶段均有一个变迁，该变迁的输出库所是刀架工位库所 P在工位切换阶段设置有控制编码器正、反转的库所Pdir。
如图3C所示，这是 一个混合PN，包括Colored PN (着色PN)和Timed PN (时间延迟PN)等概念，另外它还包含了几种特殊的PN构造成分，如 禁止弧和或关系变迁等。Pini库所用来表示刀架的初始工位，取值范围1 到N;Pdir库所用来表示刀架当前的选刀方向；当Pcond库所有令牌（token) 的时候，编码器将停止工作；Psel库所用来表示当前编码器的选通信号； 变迁t2、 t4、 t6分别具有一个延迟时间Tx、 T0和Ty,分别表示编码器工作 的三个过程；图3C中，Pini、 P7、 P8、 Psel、 Pcur^取值范围是[1， 2,…， N]， Pdir的类型是[Negative, Positive];这些是着色的库所，其他是普通 库所。
输出PN和输入PN比较类似，以输出PN为例。
在图3B中，输出信号PN模型中包含有Timed PN的概念。变迁tl和 t2分别有一个时间延迟参数Tl和T2，当时间延迟参数等于0时，这些变 迁就和普通的变迁一样。库所Pfallcond和Prisecond是用来设置信号由1 变为0和由0变为1的条件的。库所Prising和Pfalling分别表示是否有上 升沿或下降沿产生。从库所Prising到变迁tl有虛线弧，是因为考虑到这样 一种情况，就是当变迁tl要发生时，库所Prising里面还有token,这是不 允许的，因此在变迁tl发生的时候检查一下Prising中是否还有token存在， 如果有，就把这个token移走，但是库所Prising并不是变迁tl的输入库所。 从库所Pfalling到变迁t2的虛线弧的作用类似。
输出PN模型的形式化描述如下：
SignalPN= {P， T, F, Tempo}; SignalPN为该PN模型的名称; P= {Pfallcond, Prisecond, Pfalling， Prising, PI, P2}; P代表库所； T= (tl， t2}; T代表变迁；
F= {(Pfallcond, tl ), (PI, tl )， （tl, Pfalling), (tl, P2), (P2, t2), (Prisecond, t2), "2， PI )， "2, Prising)}; F代表弧;
Tempo (tl ) =T1, Tempo (t2) =T2，其中Tl和T2是非负有理数；Tempo (tl)代表时间变迁的参数；
如上所述，将输入PN模型及输出PN模型用对应关系表,式联系起来， 例如lockT=(NroleT,50,l) (Prolen50,2)的PN模型如图3D所示。该图把对应 信号的Petri网模型中的库所Pset即lock信号的上升沿条件换成该表达式所 描述的条件NroleT和Prole，，即图3D中虛线圈里所描述的，其中NroleT和 ProleT分别是对应信号的Petri网模型中的Prising库所。这样我们就把输入PN 模型和输出PN模型联系起来，再与编码器组成一个完整的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。
本发明PN模型通过类实现，类描述图如图4所示。图中SignalPN类 对应于输出PN模型，SPLCPN类对应于输入PN模型，CoderPN类对应于 编码器PN模型，Condition类对应于对应关系PN模型。
仿真程序是模拟仿真的工具，刀架工作时序是模拟仿真的对象。仿真 程序实现了 （l)对刀架时序的仿真，并设置相应的刀架输出信号；（2)能 够校验控制器的控制是否正确，并在界面上给出相应提示。刀架的输出信 号发生每次变化的前后，都会判断控制器的输出状态，若和配置文件中的 设置值相符，则为正确，否则为错误，并在界面上给出相应的提示；（3) 实现了仿真程序和数控机在电气上的闭环，即数控机控制仿真程序时，判 断不出是仿真程序还是真实的机床刀架。
仿真程序能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PN模型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，继而把这种PN转化成仿真程序模块。
仿真程序的流程图如图5所示，程序开始，读取刀架配置文件获得刀 架参数并初始化各个信号；建立刀架各个功能机构的PN模型；实例化相应 的输入PN和输出PN的类对象，并向控制器反馈刀架初始状态；读取控制 器命令，分析检测其是否为换刀命令（即判断刀架各个输入信号的状态与
刀架配置文件里各个输入信号的初始状态是否相同）；如是，则设置各个输
入PN模型中相应库所的状态并设置各个对应关系PN模型中相应库所的状 态，分析并检测控制器命令的正确性；
对应关系PN模型中库所状态的变化引起变迁发生后，设置各个输出 PN模型中相应库所的状态，并向控制器反馈刀架输出信号的当前状态；
判断输出PN模型与输入PN模型之间对应关系表达式中最后一个输出
信号变化是否已经发生，即换刀是否结束；
如果是，则继续釆集控制器输出状态；否则继续换刀过程； 上述分析并判断是否为控制器的换刀命令的结果如果为否，则继续釆集
控制器输出状态。
上述换刀过程及采集控制器状态过程均为循环过程。 下面以SD系列刀架为例说明本发明方法的实施过程。如图2所示，为发明实施例中SD系列刀架时序波形图，图中SD系列 刀架从一工位到二工位再从二工位到十二工位的动作。刀架电机正转到达 预定位（即目的工位的前一工位）的选通信号的下降沿后，延时为Rlms， 电磁铁带动销子开始插销过程一直到发出预定位到位信号后，延时R2ms, 电机开始反转直到刀架系统得到锁紧开关信号延时R3ms后，电机停止。刀 架换刀结東。锁紧开关、销子等都是刀架的功能机构。
下面列出的是SD刀架配置文件：
[1] 〃jU^、兑日月;j力口^《一^j^寺;L+、自i^7H乂双工ft
PN二4〃用来说明输入信号（用P表示），第1行要注明有几个输入信号；
CN=2 〃用来说明输出信号（用C表示），第1行要注明有几个输出信
Cl=lock C2=bolt
[4] 〃用来说明输入和输出信号的初始值
[5]//对输出信号变化的描述，为了在文件里方便描述，用"+"来代表 上升沿"卞，，,"画，，代表'Y，。例如C2+: (P4+, 8， 0) I (1001) (0101) P4+代表第4个输入信号的上升沿，8代表该变迁在P 4+和C2+之间的延迟, 0代表当前的选刀方向，如果与选刀方向无关，则用0表示，正转是l,反 转是2。 （1001)表示变化前输入信号的状态，（0101)表示变化后输入信号 的状态。
(Start2, 0) I ( 1000) ( 1000)
(P4+, 8, 0) I ( 1001 ) (0101 )
(Pl-, 4, 1 ) (P2画，4， 2) I (0101 ) (0011 )
(P4-, 0， 0) I (0011 ) (0010)
把机床模拟器和数控机连接，由数控机发出换刀命令，即T代码命令,软件与数控机形成闭环，对数控系统来说，无法判断它控制的是真实的刀 架还是仿真软件。
人机界面可以显示刀架系统各个功能机构的状态以及当前工位，绿灯
代表当前状态为1,红灯代表当前状态为0。如果PLC控制过程正确，那么
刀架系统各个功能机构的状态都能够按照配置文件里描述的时序变化。如
果检测出PLC控制过程出现错误，会在界面上显示出来，软件的错误分析 是在仿真过程中对输出信号的每次变化前后做检查。
本发明的建模仿真方法，在技术上上升到数学模型的层次，用一种统 一的时序描述方法描述刀架时序，在使用时无须了解任何控制流程即不限 制操作人员的技术水平，使用起来更方便。
发那科株式会社仿真装置 *江南大学数控机床刀具的在线管理方法 *江南大学数控机床刀具的在线管理方法 *上海交通大学实时磁滞逆模型对系统进行补偿实现的方法International ClassificationC06PublicationC10Request of examination as to substanceC14GrantedASSSuccession or assignment of patent rightFree format text: FORMER OWNER: SHENYANG INSTITUTE OF COMPUTING TECHNOLOGY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCESEffective date: Owner name: SHENYANG INSTITUTE OF COMPUTING TECHNOLOGY, CHINESFree format text: FORMER OWNER: SHENYANG HIGH-END COMPUTER NUMERICAL CONTROL TECHNOLOGY CO., LTD.Effective date: C41Transfer of the right of patent application or the patent rightRotate浅谈在华中系统数控车螺纹加工指令实训中的心得--《新课程(教育学术)》2012年02期
浅谈在华中系统数控车螺纹加工指令实训中的心得
【摘要】：对中职生而言,螺纹往往是重点和难点,数控加工螺纹时,G32、G82、G76都可以实现,这不仅检验了学生的编程基础,同时也强调了螺纹刀具的安装和对刀,在数控实训中,这三个指令很具有代表性。列举圆柱同螺纹的三种编程思路和方法,阐述了它们各自的特点。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TG62-4;G712【正文快照】：
中等职业教育学校每年为企业输送了成千上万的一线劳动者,当然培养的技能人才要以市场为导向,学生选择专业也是按就业率为依据,随着我国机械制造加工业自动化的快速发展,数控加工技术在制造行业的企业生产中越来越被重视,在近几年就业率较高的热门专业中,数控加工技术也是首
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