[发明专利]一种硬件在环数控系统控制结构的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控系统结构的设计方法，具体是一种硬件在环数控系统控制结构的设计方法。

背景技术

数控系统主要由系统软件与硬件装置两部分组成。其中，硬件装置主要包括：数控装置(Computer Numerical Control，简称CNC)、输入/输出装置、运动驱动装置、以及电器逻辑控制装置等硬件设备。CNC是整个系统的控制核心，通过指定接口与其他控制设备进行通信，协调整体的控制功能。

随着新控制功能、硬件设备的不断引入，CNC的开发设计过程越来越复杂。一方面，新的控制算法、同步技术、硬件设备等增加了CNC设计的复杂性，系统功能的正确性、可靠性难以测试；另一方面，每次对CNC的修改、优化等操作都将导致重复性系统验证，花费大量的系统测试时间。此外，由于装备制造的领域、工艺、功能等各不相同，数控机床的结构类型、硬件组成、驱动方法也存在着差别，使CNC的集成测试过程对硬件环境的依赖性较强，加大了测试成本。

目前，硬件在环技术在一些控制领域中取得了成功应用，见图1～图2所示，其控制结构包括：人机界面、仿真环境、数学模型、传感器、继电器、硬件控制设备。其中，人机界面通过图形界面显示系统仿真过程，实现仿真过程开始/结束控制、变量跟踪、数据采集等功能；仿真环境一般建立在实时操作系统之中，以满足硬件设备的实时测试要求；数学模型是硬件在环系统的设计重点之一，其采用数学建模方法模拟应用环境的动态特性，对硬件设备进行全面、深入的系统测试；传感器主要实现仿真运行环境向硬件控制装置的信息发送，其输出信号由仿真运行环境所决定；继电器主要实现硬件控制装置向仿真运行环境的信息发送，同传感器一起构成闭环控制系统。但是采用该方案实现CNC的测试与验证时，由于采用传感器与继电器作为仿真环境与CNC的通信接口，存在着接线过程复杂，难以满足实时测试要求等问题。

发明内容

针对现有CNC的开发过程复杂、系统功能难以验证、测试过程繁琐以及硬件环境依赖性强等不足之处，本发明提出一种满足功能模块测试、系统整体控制功能测试，降低系统测试风险与成本的硬件在环数控系统控制结构的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

硬件在环数控系统控制结构的设计方法，包括以下步骤：

根据数控系统的功能特性与控制需求，搭建数控系统中CNC的仿真运行环境；

通过现场总线连接CNC与仿真运行环境，进行双向、实时、可靠的数据通信；

由CNC执行加工测试程序，对CNC内整体控制功能或特定功能模块进行仿真加工测试；

根据测试过程的加工控制信息，在仿真运行环境中模拟数控系统中CNC以外的装置的控制操作，显示工件的加工过程；

根据工件加工的形态以及测试信息，验证CNC的功能、性能是否满足要求。

搭建CNC仿真运行环境包括以下步骤：

建立满足CNC实时测试要求的实时操作系统环境；

根据CNC加工控制要求，建立数控系统中CNC以外的设备的数学模型；

根据数学模型，利用仿真软件模拟数控系统中CNC以外的设备的加工控制操作；

显示数控系统中CNC以外的设备的基本信息和工件的加工过程；

建立通信函数接口，实现控制信息的发送/接收。

对CNC系统整体控制功能进行仿真加工测试包括以下步骤：

首先，CNC向仿真运行环境发送当前周期的控制命令；

仿真运行环境根据所建立的数学模型及接收的控制命令，执行指定的系统操作，采用图形方式模拟工件加工过程，并返回控制命令的响应信息；

CNC根据所获取的响应信息与当前系统状态，计算出下一通信周期的控制命令，重复上述周期通信过程，直至仿真测试过程结束或被用户中断。

对CNC内系统功能模块测试包括以下步骤：

根据系统功能模块的测试要求，将待测试功能模块载入CNC中；

由CNC执行加工测试程序，向仿真运行环境发送当前周期的控制命令；

仿真运行环境根据所建立的数学模型及接收的控制命令，执行指定的系统操作，采用图形方式模拟工件加工过程，并返回控制命令的响应信息；

CNC根据所获取的响应信息与当前系统状态，计算出下一通信周期的控制命令；

重复上述周期通信过程，直至仿真测试过程结束或被用户中断；

调节CNC的配置参数与加工控制指令，验证待测试功能模块的临界条件；

显示当前的系统状态及仿真加工结果。