專利名稱：?jiǎn)螜C(jī)多平臺(tái)數(shù)控加工硬面板仿真器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用來(lái)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)操作狀態(tài)進(jìn)行模擬的單機(jī)多平臺(tái)硬面板仿 真器硬件系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
數(shù)控加工仿真技術(shù)是數(shù)控加工實(shí)際生產(chǎn)和教學(xué)的重要技術(shù)手段，目前主流的數(shù)控 加工仿真培訓(xùn)方式有兩種數(shù)控加工仿真軟件方式和實(shí)際機(jī)床硬件設(shè)備方式。數(shù)控加工仿 真軟件方式可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模培訓(xùn)，材料消耗少，培訓(xùn)成本低廉，由于只能在電腦上模擬進(jìn)行 數(shù)控面板操作或元件的狀態(tài)變化等，難以仿真現(xiàn)實(shí)中數(shù)控面板的操作和硬件狀態(tài)的變化， 功能較單一、真實(shí)感不強(qiáng)，擴(kuò)展性較差。實(shí)際機(jī)床硬件設(shè)備培訓(xùn)方式和真實(shí)操作一樣，但昂 貴的設(shè)備投入、培訓(xùn)資源消耗大，培訓(xùn)成本高，只能實(shí)現(xiàn)單一系統(tǒng)的培訓(xùn)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模 培訓(xùn)等是實(shí)際機(jī)床硬件設(shè)備培訓(xùn)方式所面臨的瓶頸問(wèn)題?；谶@種現(xiàn)狀，利用虛實(shí)結(jié)合的 硬面板仿真器的仿真模式可以有效解決以上兩種仿真方式的瓶頸問(wèn)題，基于高性能單片機(jī) 的主從CPU架構(gòu)的硬面板仿真器硬件系統(tǒng)，可以在單一硬件平臺(tái)上通過(guò)硬件面板的更換實(shí) 現(xiàn)不同數(shù)控的仿真，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模培訓(xùn)，能夠有效地提高仿真操作真實(shí)感，節(jié)省培訓(xùn)投 入，降低培訓(xùn)成本，具有很好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的問(wèn)題是提供一種單機(jī)多平臺(tái)硬面板仿真器硬件系統(tǒng)，這種 硬件控制系統(tǒng)是一種硬件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)操作模擬的仿真模式，可以模擬實(shí)際數(shù)控系統(tǒng) 的操作和數(shù)控系統(tǒng)硬件的狀態(tài)變化，通過(guò)對(duì)仿真器操作面板(數(shù)控系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系統(tǒng)軟 鍵盤、機(jī)床操作輔助面板)的更換實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)控系統(tǒng)的面板操作仿真、仿真器通過(guò)外圍 通訊接口和上位PC機(jī)通訊，可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)控系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并可接收PC機(jī)下 行指令，更新仿真器硬件狀態(tài)。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是一種單機(jī)多平臺(tái)硬面板仿真器硬件系統(tǒng)，包括仿 真器主機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤、機(jī)床操作輔助面板和仿真器外圍通訊接口系統(tǒng) 等幾部分。仿真器主機(jī)通過(guò)外圍通訊接口與仿真器操作鍵盤和PC機(jī)通訊，主機(jī)通過(guò)串口實(shí) 時(shí)掃描系統(tǒng)鍵盤、系統(tǒng)軟鍵盤和輔助面板的操作狀態(tài)，并將操作狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)與PC機(jī)連接 的上行通訊串口送入PC機(jī)中，在PC機(jī)中模擬顯示數(shù)控系統(tǒng)操作狀態(tài)，同時(shí)仿真器主機(jī)接收 PC機(jī)的下行指令更新各操作面板的硬件狀態(tài)。上述硬面板仿真器主機(jī)由機(jī)殼及其內(nèi)部的控制電路連接構(gòu)成，在機(jī)殼上設(shè)有數(shù)控 系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤、機(jī)床操作輔助面板和串行接口，所述的控制電路包括一主CPU、 三從CPU、四個(gè)串行通信接口、數(shù)控系統(tǒng)鍵盤模塊、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤模塊、機(jī)床操作輔助面板 模塊和操作元件模塊，主CPU通過(guò)第一串行通信接口與PC機(jī)串行通信接口相連接，主CPU 通過(guò)其他串行通信接口分別連接到與三從CPU相連接的串行通信模塊，三從CPU分別通過(guò) 數(shù)控系統(tǒng)鍵盤模塊、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤模塊、機(jī)床操作輔助面板模塊與仿真器主機(jī)相連接。
3[0006]上述硬面板仿真器數(shù)控系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤和機(jī)床操作輔助面板的結(jié)構(gòu)相 似，均由機(jī)殼及其內(nèi)部的控制電路連接構(gòu)成，在操作面板的機(jī)殼上設(shè)有串行接口，通過(guò)通訊 電纜和仿真器主機(jī)連接，操作面板控制電路由二級(jí)從CPU為控制核心，包括單片機(jī)CPU、存 儲(chǔ)器、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、通訊接口等，負(fù)責(zé)掃面具體的面板操作狀態(tài)，并通 過(guò)通訊接口傳送到主CPU，經(jīng)主CPU傳送到PC機(jī)中。上述硬面板仿真器采用兩級(jí)主從CPU構(gòu)架，主CPU置于面板仿真器主機(jī)內(nèi)，屬不可 更換部分，三從CPU置于各自操作面板機(jī)殼內(nèi)，為可更換部分，主CPU和從CPU簡(jiǎn)、主CPU和 PC間均采用統(tǒng)一的通訊協(xié)議通訊，操作面板更換時(shí)，各CPU間的通訊協(xié)議不變，以保證PC端 軟件對(duì)協(xié)議的統(tǒng)一解析。上述硬面板仿真器采用同一的通訊協(xié)議與PC機(jī)通訊，以保證對(duì)不同數(shù)控系統(tǒng)面 板模擬時(shí)PC機(jī)端軟件對(duì)操作對(duì)象的統(tǒng)一識(shí)別。其通訊協(xié)議結(jié)構(gòu)包括協(xié)議頭、命令字、CPU 號(hào)、版本號(hào)、對(duì)象類型號(hào)、對(duì)象標(biāo)識(shí)號(hào)、事件號(hào)、屬性值、校驗(yàn)和和協(xié)議尾。此通訊協(xié)議格式基 于面向?qū)ο蠓椒ǘx，可以保證對(duì)不同類型操作元件的操作狀態(tài)的統(tǒng)一表達(dá)。上述控制電路主CPU為PIC18F8520單片機(jī)，所述的三從CPU均為PIC18F4520單 片機(jī)，所述的串行通信模塊為MAX232芯片，所述的操作元件模塊為CD4502芯片，所述的數(shù) 控系統(tǒng)鍵盤模塊、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤模塊和機(jī)床操作輔助面板模塊均為CD4501芯片。本實(shí)用新型由于采用高性能單片機(jī)的主從兩級(jí)CPU結(jié)構(gòu)，主CPU置于不可更換的 仿真主機(jī)內(nèi)負(fù)責(zé)與PC機(jī)和仿真器操作面板通訊，從CPU置于可更換的操作面板內(nèi)，通過(guò)更 換不同的操作面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)控系統(tǒng)的硬面板仿真，這種結(jié)構(gòu)各操作面板相對(duì)獨(dú)立，更 換快捷方便，配合PC極端的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，可以形成虛實(shí)結(jié)合的仿真模式，該模式有 效地結(jié)合了純軟件仿真和真實(shí)數(shù)控設(shè)備仿真的優(yōu)點(diǎn)，可以在單一平臺(tái)上模擬多種不同的數(shù) 控系統(tǒng)，易于系統(tǒng)的擴(kuò)展，具有操作真實(shí)感強(qiáng)，成本低廉的特點(diǎn)，是一種全新的硬面板仿真 器產(chǎn)品，如推廣使用將具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1為本實(shí)用新型的仿真器工作原理示意圖；圖2為本實(shí)用新型的仿真器組成簡(jiǎn)圖；圖3為本實(shí)用新型的仿真主機(jī)電路原理圖；圖4為本實(shí)用新型的可更換硬面板電路原理圖；圖2中1-數(shù)控系統(tǒng)鍵盤面板2-仿真器主機(jī)3-機(jī)床操作輔助面板4-數(shù)控系統(tǒng)軟 鍵盤面板5-上位PC主機(jī)顯示器
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式做進(jìn)一步詳述。參見(jiàn)圖1所示，單機(jī)多平臺(tái)數(shù)控加工硬面板仿真器系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)顯示設(shè)備、硬 面板仿真器主機(jī)和仿真器操作面板通過(guò)串行通訊接口連接構(gòu)成，數(shù)控系統(tǒng)顯示設(shè)備為一臺(tái) 安裝數(shù)控操作狀態(tài)模擬顯示并具有串行接口的PC機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)顯示設(shè)備通過(guò)串行接口與 硬面板仿真器主機(jī)連接，硬面板仿真器主機(jī)串行接口分別與仿真器操作面板連接，仿真器 操作面板包括數(shù)控系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤和機(jī)床操作輔助面板，同時(shí)仿真器主機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)顯輸入輸出模塊掃描不進(jìn)行更換的通用數(shù)控操作元件，通用操作元件包括手輪、急停 開(kāi)關(guān)、循環(huán)啟停、上電開(kāi)關(guān)等數(shù)控設(shè)備必備的操作元件。硬面板仿真器主機(jī)由機(jī)殼及其內(nèi)部的控制電路連接構(gòu)成，在機(jī)殼的背側(cè)面分別設(shè) 有四個(gè)串行接口，其中第一串行接口通過(guò)RS232通信電纜與數(shù)控系統(tǒng)顯示設(shè)備的串行接口 相連接實(shí)現(xiàn)通信功能；仿真器主機(jī)開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊通過(guò)內(nèi)部并行線纜和通用操作元件 連接，以完成對(duì)通用操作元件的操作狀態(tài)掃描；硬面板仿真器主機(jī)通過(guò)其他三個(gè)串行接口 分別與數(shù)控系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤和機(jī)床操作輔助面板通訊，以完成對(duì)仿真器操作面 板操作狀態(tài)的掃描；仿真器主機(jī)的內(nèi)部控制電路如圖3所示，該控制電路包括主CPU、存儲(chǔ) 器、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、通訊接口五部分組成。硬面板仿真器操作面板由機(jī)殼及其內(nèi)部的控制電路連接構(gòu)成，在操作面板的側(cè)面 設(shè)有一個(gè)串行通訊接口，該通訊接口通過(guò)RS232通信電纜與硬面板仿真器主機(jī)的串行接口 相連接，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通訊功能；數(shù)控系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤和機(jī)床操作輔助面板的 結(jié)構(gòu)類似，硬面板仿真器操作面板元件通過(guò)操作面板通過(guò)內(nèi)部并行線纜與開(kāi)關(guān)量輸入輸出 模塊連接，由從CPU負(fù)責(zé)掃描操作狀態(tài)，并將操作狀態(tài)通過(guò)串行接口傳送到主CPU中，并經(jīng) 主CPU傳入PC機(jī)中；硬面板仿真器操作面板內(nèi)部控制電路如圖4所示，該控制電路包括從 CPU、單片機(jī)最小外圍系統(tǒng)和通訊接口三部分組成。硬面板仿真器的操作信號(hào)傳送過(guò)程分為兩部分(1)數(shù)控主機(jī)通用操作元件的操 作信號(hào)上行傳送，其過(guò)程為操作元件操作，主CPU掃描操作狀態(tài)，按統(tǒng)一的通訊協(xié)議封裝操 作數(shù)據(jù)，經(jīng)外部串行接口傳輸?shù)絇C端，下行信號(hào)傳輸過(guò)程與上行相反；( 硬面板仿真器操 作面板的操作信號(hào)上行傳送，其過(guò)程為從CPU掃描操作狀態(tài)，按內(nèi)部通訊格式通過(guò)外部通 訊接口傳給主CPU，由主CPU對(duì)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的通訊協(xié)議封裝后，再經(jīng)外部串行接口傳 輸?shù)絇C端，下行信號(hào)傳輸過(guò)程與上行相反。本實(shí)用新型由于采用高性能的單片機(jī)為核心構(gòu)建，采用主從CPU的兩級(jí)通訊結(jié) 構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，易于擴(kuò)展，數(shù)控操作面板獨(dú)立性高，更換操作方便，通過(guò)對(duì)操作面板的更 換可以實(shí)現(xiàn)單一硬件平臺(tái)下對(duì)不同類型數(shù)控系統(tǒng)操作方式的硬件模擬，還可以和運(yùn)行于PC 端的虛擬數(shù)控仿真平臺(tái)系統(tǒng)連接，以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的新的仿真模式，該硬面板仿真器系統(tǒng) 操作真實(shí)感強(qiáng)，適應(yīng)范圍廣，易于擴(kuò)展，非常適合于大規(guī)模的數(shù)控加工培訓(xùn)，是一種高效、低 耗、低成本的數(shù)控加工仿真硬件設(shè)備，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求1.一種用于數(shù)控加工仿真的硬面板仿真器硬件系統(tǒng)，其特征是包括仿真器主機(jī)、數(shù)控 系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤、機(jī)床操作輔助面板和仿真器外圍通訊接口系統(tǒng)五部分，仿真器 主機(jī)通過(guò)串行通訊接口與系統(tǒng)鍵盤、軟鍵盤、輔助面板通訊采集面板操作數(shù)據(jù)，并將操作數(shù) 據(jù)由通訊接口傳送到上位PC中，在PC上進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)操作狀態(tài)的模擬顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬面板仿真器硬件系統(tǒng)，其特征是仿真器主機(jī)由高性能單 片機(jī)CPU、存儲(chǔ)器、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、通訊接口五部分組成；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬面板仿真器硬件系統(tǒng)，其特征是仿真器采用兩級(jí)主從CPU 結(jié)構(gòu)，主機(jī)CPU為主CPU，負(fù)責(zé)掃描下一級(jí)操作面板從CPU，獲取面板操作狀態(tài)信息，并與上 位PC機(jī)通訊，將面板操作信息傳入PC機(jī)中，同時(shí)主CPU將狀態(tài)更新信息傳入從CPU，由從 CPU更新操作面板狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬面板仿真器硬件系統(tǒng)，其特征是數(shù)控系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系統(tǒng) 軟鍵盤、機(jī)床操作輔助面板為系統(tǒng)可更換部分，均由獨(dú)立的機(jī)殼和內(nèi)部控制電路系統(tǒng)組成， 控制電路系統(tǒng)的核心為從CPU，負(fù)責(zé)掃描操作面板的操作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)由通訊接 口傳給主CPU，并通過(guò)主CPU傳入上位PC機(jī)中，同時(shí)通過(guò)通訊接口接收主CPU的下傳數(shù)據(jù)， 進(jìn)行操作面板狀態(tài)的更新。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬面板仿真器硬件系統(tǒng)，其特征是仿真器主機(jī)具有四個(gè)外 部串行通訊接口，一個(gè)用于和上位PC機(jī)通訊，其他三個(gè)分別用于和數(shù)控系統(tǒng)鍵盤、數(shù)控系 統(tǒng)軟鍵盤、機(jī)床操作輔助面板通訊，每一操作面板具有一個(gè)外部串行通訊接口，用于和主 CPU通訊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于數(shù)控加工仿真的硬面板仿真器硬件系統(tǒng)。整個(gè)硬件系統(tǒng)包括仿真器主機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)鍵盤面板、數(shù)控系統(tǒng)軟鍵盤面板和機(jī)床操作輔助面板等幾部分。該硬件系統(tǒng)通過(guò)對(duì)硬面板的更換實(shí)現(xiàn)在同一硬件平臺(tái)上對(duì)不同數(shù)控系統(tǒng)的操作仿真，可以模擬真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)的基本操作和機(jī)床控制操作。仿真器通過(guò)串口與上位PC機(jī)相連接，通過(guò)運(yùn)行于PC機(jī)上的數(shù)控加工仿真軟件模擬顯示數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并可與PC機(jī)上的數(shù)控加工仿真軟件中的虛擬機(jī)床仿真模塊連接，驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工仿真。本實(shí)用新型由于以高性能單片機(jī)為核心構(gòu)建，采用多級(jí)CPU通訊結(jié)構(gòu)，具有易于實(shí)現(xiàn)硬件面板的更換，操作真實(shí)，仿真度高等特點(diǎn)，對(duì)于節(jié)省數(shù)控仿真成本，提高效率，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)G09B25/02GK201904023SQ20092025180
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者周彧, 孟慶國(guó), 岳維亮, 李充寧, 胡德計(jì), 閻兵 申請(qǐng)人:天津創(chuàng)智機(jī)電有限公司, 天津工程師范學(xué)院