机床点动控制系统、机床点动控制方法及数控机床

摘要

本发明公开了一种机床点动控制系统、使用该系统对机床进行点动控制的方法及一种具有该机床点动控制系统的数控机床，所述机床点动控制系统包括操作头、辅助机械结构、位置检测装置和控制部件；操作头在辅助机械结构的支撑下进行三维空间的移动和定位；辅助机械结构与所述操作头连接，提供所述操作头在三维空间的移动支撑；位置检测装置实时检测操作头在三维空间中的位置信息并反馈给所述控制部件；控制部件按照接收的位置信息控制机床操作设备运动。本发明的机床点动控制系统可以方便快捷地控制机床主轴的点动，而且可以简单地同时控制两个或两个以上的驱动轴带动主轴运动，还可以方便地调节点动速度，并可以对点动速度进行连续调节。

说明书

技术领域

本发明涉及控制技术领域，特别涉及一种机床点动控制系统、数控机床及 机床点动控制方法。

背景技术

机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又 称为”工作母机”或”工具机”，习惯上简称机床。目前在工业控制领域中，对机 床的控制通常分为几种模式，如自动模式(AUTO)，手动模式(MANUAL)， 手动数据输入模式(MDI)等。其中在手动模式下，通常的做法是通过控制面 板选择手动模式，选择某一个驱动轴，选择点动(JOG)速度倍率，最后按JOG+ 或者JOG-键来完成某个驱动轴的正向或者负向的运动，从而将主轴移动到目 标位置。

上述现有技术中，存在以下缺陷：

第一，控制过程繁琐，需要通过按一系列的按键来完成某个轴正向或者负 向的JOG运动。

第二，同一时间只能对某一个驱动轴进行手动控制，无法完成多个轴的同 时JOG动作，或者即使能实现多个轴的同时JOG动作也需要事先进行复杂的 参数设置。

第三，JOG速度只有几档倍率可选，无法实现JOG速度的连续调节。

因此，有必要研究一种在手动JOG模式下可以方便快速地移动机床主轴 的装置或方法，以满足市场需求。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对上述现有技术中的缺陷，提供一种可方便快 速地移动机床主轴的机床点动控制系统、机床点动控制方法及数控机床。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

本发明提供的机床点动控制系统，包括：操作头、辅助机械结构、位置检 测装置和控制部件；所述操作头在辅助机械结构的支撑下进行三维空间的移动 和定位；所述辅助机械结构与所述操作头连接，提供所述操作头在三维空间的 移动支撑；所述位置检测装置实时检测操作头在三维空间中的位置信息并反馈 给所述控制部件；所述控制部件接收位置检测装置反馈的所述操作头的位置信 息，并按照接收的位置信息控制机床操作设备运动。

本发明提供的机床点动控制方法包括以下步骤：

位置检测装置实时检测在辅助机械结构支撑下的操作头在三维空间中的 位置信息并反馈给所述控制部件；

控制部件接收位置检测装置反馈的所述操作头的位置信息，并按照接收的 位置信息控制机床操作设备运动。

本发明还提供一种数控机床，包括机床，所述机床具有至少三个驱动轴， 所述数控机床还包括上述的机床点动控制系统，用于控制所述机床的驱动轴运 动。

本发明相对于上述现有技术，其有益效果在于：

1、方便快速。只需滑动操作头即可使驱动轴带动机床主轴运动，省去了 通过多个按键来操作的繁琐性。

2、可以简单地同时控制两个或两个以上的驱动轴，而不需要经过复杂的 参数设置或程序编制。

3、速度可连续调节，只需改变操作头滑动的幅度，即可实现主轴运动速 度的连续调节。

4、本发明的点动控制系统中，操纵部件与控制部件之间可以通过无线连 接，从而可以实现点动操作的远程控制。同样，在本发明的数控机床中，点动 控制系统与机床之间也可通过无线连接实现远程控制，因而还可满足一些用户 的特殊需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例的机床点动控制系统中辅助机械结构示意图；

图2是本发明实施例的机床点动控制系统中辅助机械结构的俯视图；

图3是本发明实施例的机床点动控制系统中滑杆的结构示意图；

图4是本发明实施例的机床点动控制系统中控制部件的结构示意图；

图5是本发明实施例中映射关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明旨在提供一种手动JOG模式下使机床主轴快速移动到目标位置附 近的机床点动控制系统、机床点动控制方法以及具有该机床点动控制系统的数 控机床，以下结合附图详细说明本发明的功能、原理及其实现方案。

实施例一：

本实施例首先提供一种机床点动控制系统，具体方案如下。

参照图1、图2和图3所示，本实施例提供的机床点动控制系统包括操作头1、 辅助机械结构、位置检测装置和控制部件；所述操作头1在辅助机械结构的支 撑下进行三维空间的移动和定位；所述辅助机械结构与所述操作头连接，提供 所述操作头在三维空间的移动支撑；所述位置检测装置实时检测操作头在三维 空间中的位置信息并反馈给所述控制部件；所述控制部件接收位置检测装置反 馈的所述操作头的位置信息，并按照接收的位置信息控制机床操作设备运动。

所述辅助机械结构包括滑杆10和滑轨，所述操作头1设置在滑杆10上，所 述操作头1可沿所述滑杆10轴向运动，所述滑轨包括垂直交叉设置的第一轨道 201和第二轨道202，所述滑杆10垂直设置在第一轨道201和第二轨道202上，所 述操作头1带动滑杆10可沿所述第一轨道201和第二轨道202运动，所述第一轨 道201、第二轨道202和滑杆10分别形成三维空间中的三个直角坐标轴。

所述辅助机械结构还包括滑片，所述滑片包括设置在所述第一轨道201上 的第一滑片31、设置在所述第二轨道202上的第二滑片32和设置在所述滑杆10 上可跟随所述操作头1沿滑杆10轴向运动的第三滑片33，所述位置检测装置实 时检测所述第一滑片31、第二滑片32和第三滑片33的位置信息，用于确定所述 操作头在三维空间中的位置并反馈给所述控制部件。本实施例设计为，当第一 滑片31或第二滑片32相对于滑轨20滑动时，其分别根据自身位置(相对于滑轨) 形成一坐标值，当操作头1相对于第三滑片33滑动时，第三滑片33根据其自身 位置(相对于滑杆10)也形成一坐标值。第一轨道201和第二轨道202上设置有 用于将所述滑杆10恢复到初始位置的复位装置，该复位装置可以是两端分别固 定在滑轨和滑杆10上的弹簧，当外力消除时，该复位装置40将滑杆10带回初始 位置，所述滑杆10内设有弹簧11，弹簧上设有连接杆12，连接杆12上设有操作 头1，所述操作头1可在弹簧11的作用下沿滑杆轴向做往复运动。

根据机床上的坐标系建立规则，也为了便于更清楚地描述本发明的技术方 案，本实施例暂定为，第一滑片31形成坐标值x，第二滑片32形成坐标值y， 第三滑片33形成坐标值z，这三个坐标值组合后的坐标(x，y，z)便形成了 操作头1在滑轨上的模拟位置，上述模拟位置以电信号形式存在，也即模拟位 置信号。

所述位置检测装置用于获取、处理上述模拟位置信号，以确定所述操作头 在三维空间中的位置并反馈给所述控制部件，所述位置检测装置为位置传感 器，所述控制部件接收位置检测装置反馈的所述操作头的位置信息，并按照接 收的位置信息控制机床操作设备运动，其具体包括：

信号获取单元21，与位置检测装置连接，用于获取操作头1的模拟位置信 号；

信号处理单元22，将所述模拟位置信号根据预设规则转换成机床的控制信 号；

信号输出单元23，输出所述控制信号，控制驱动轴带动机床的主轴运动。

此外，控制部件2还包括轴模式选择单元24，并配有轴模式选择按钮， 所述轴模式选择单元24用于选择控制机床主轴点动的方式为单轴驱动、双轴 联动或三轴联动；以及

点动模式选择单元25，并配有点动模式选择按钮，所述点动模式选择单 元205用于选择控制机床主轴点动的方式为连续模式或单步模式。

其中，信号处理单元22还包括防抖模块221，当滑片31、32或33滑动 的位移小于预定值时，则机床主轴不动作。

信号处理单元22还包括动作映射模块222，当操作头1移动一个位移时， 该动作映射模块222用于根据预定的映射关系将此位移动作映射到相应的驱 动轴，以驱动机床主轴沿所述位移方向移动。

上述动作映射模块222还包括有角度校准模块2221，在单轴驱动模式下， 当操作头1移动一个位移时，若该位移的方向与上述映射关系中所指定的方向 不重合，则将该位移的方向角加上一个修正值，该修正值根据需要确定，一般 在-10°～10°的范围内。

以下以五轴联动机床为例进一步说明本发明机床点动控制系统的原理，可 以理解的是，本发明不仅可以用于五轴联动机床，也可以应用于四轴、三轴甚 至两轴机床。

所述五轴是指在机床三维空间定义三个直线驱动轴X、Y、Z和绕其中两 个直线驱动轴旋转的旋转驱动轴A、B，通常五轴联动是指X、Y、Z、A、B、 5个驱动轴的线性插补运动，各驱动轴的运动可由工作台，也可以由刀具的运 动来实现，且均由相应的伺服电机所驱动。

首先设定映射关系，如图4所示。当向X+方向滑动操作头1时，表示控 制X轴电机正向运动；向X-方向滑动操作头1时，表示控制X轴电机负向运 动；向Y+方向滑动操作头1时，表示控制Y轴电机正向运动；向Y-方向滑动 操作头1时，表示控制Y轴电机负向运动；沿Z+方向拉动操作头1时，表示 控制Z轴电机正向运动；沿Z-方向按动操作头1时，表示控制Z轴电机负向 运动；向X-与Y+中间方向滑动操作头1时，表示控制A轴电机正向运动；向 X+与Y-中间方向滑动操作头1时，表示控制A轴电机负向运动；向X+与Y+ 中间方向滑动操作头1时，表示控制B轴电机正向运动；向X-与Y-中间方向 滑动操作头1时，表示控制B轴电机负向运动。这样即可实现X、Y、Z、A、 B五个轴的单轴正向或者负向的JOG(点动)运动。

但由于操作头1移动的方向是任意的，通常情况下当用手推动操作头1 时，所产生的位移方向与上述映射关系中所指定的方向并不重合，而是有一定 的偏差，且偏差量是随机变化的。因此，为了避免机床的误动作，必须对所产 生的位移进行校准。从图5中可以看出，在单轴驱动模式下，为了保证各驱动 轴的响应范围不重叠，允许的偏差角度值需要小于±22.5度，但在实际操作中， 可选择设置为-10°～10°的范围，当偏差大于该范围内时，即视为该动作不在 该驱动轴的控制区域内，系统不予响应，若此时有某个驱动轴在运动，则减速， 直到该轴停止。

在单轴驱动模式下，当控制机床主轴点动的方式为连续模式时：

假设操作头1在一定时间内滑动的位移为R，防抖模块221中的预定值为 Rmin，则其中，x、y和z分别为第一滑片31、第二滑片32 和第三滑片33根据自身位置所产生的坐标值。设操作头1各方向能够滑动的 最大距离为R_max，这里可以设定JOG速度与操作头1滑动的幅度成线性关系 并且最大的滑动幅度R_max对应的最大JOG速度为V_max。

以Y轴正方向的滑动操作为例。设允许的偏差角度为θ(-10°≤θ≤10°)， 则当R值大于R_min，并且x²+z²-tg²θ·y²≤0时，预设规则认为当前滑动方向 为Y轴正向；否则，当x²+z²-tg²θ·y²＞0时，认为当前滑动方向不是Y轴正 向。

操作头1不处于任何一个轴的控制角度范围内，如果当前有驱动轴在运 动，则减速。

操作头1处于控制界限位移R_min以内，如果当前有驱动轴在运动，则减速。

当控制机床主轴点动的方式为单步模式时，预设规则同连续模式的相似， 区别在于当操作头1落在控制区内时，该方向对应的控制轴只单步JOG一个 模式设定的距离便不再移动。只有在操作头1离开了控制区域并再次滑入控制 区域时，对应的驱动轴才会再次作出响应。单步模式主要用于各轴的精确定位。

在双轴驱动模式下：

双轴驱动模式下，X、Y、Z三个驱动轴中最多只能有两个轴可以同时运 动。当希望机床的主轴在一个面内运动而不希望第三个轴有移动时，可以用这 种模式。

以X，Y轴所组成的平面内的运动为例。设当前操作头1所处坐标点为(x， y，z)，仍然设定某方向坐标值超过一个界限值R_min时驱 动轴才做出反应，操作头1各方向能够滑动的最大距离为R_max，设定JOG速 度与操作头1滑动的幅度成线性关系并且最大的滑动幅度R_max对应的最大 JOG速度为V_max。则当R值大于R_min，并且min(x，y，z)＝z时，表示当前控 制主轴在X，Y平面内运动，位移R1＝sqrt(x*x+y*y)，则操作头1速度为V＝ (R1-Rmin)*V_max/(R_max-R_min)；其中X轴方向速度V_x＝V*x/R1；Y轴方向速度V_y＝V*y/R1；V_z＝0；其中，各轴速度的方向由V_x，V_y的正负号决定。

在三轴驱动模式下：

三轴运动模式下，X、Y、Z三个驱动轴可以同时进行JOG运动。当希望 机床的主轴在空间内运动到某个大概位置时，可以用这种模式实现主轴快速 JOG运动。

设当前操作头1所处坐标点为(x，y，z)，仍然设定 某方向坐标值超过一个预定值R_min时驱动轴才做出反应，操作头1各方向能够 滑动的最大距离为R_max，设定JOG速度与操作头1滑动的幅度成线性关系并 且最大的滑动幅度R_max对应的最大JOG速度为V_max，操作头1速度为V＝ (R-R_min)*V_max/(R_max-R_min)；其中X轴方向速度V_x＝V*x/R，Y轴方向速度V_y＝ V*y/R，Z轴方向速度V_z＝V*z/R；各轴速度的方向由V_x，V_y，V_z的正负号决 定。

以上描述了实现单轴、双轴和三轴驱动时，上述得到的各轴JOG速度V_x、 V_y和V_z便是各轴JOG运动的速度，控制部件2的信号输出单元23将包含上 述速度的控制信号输出到相应的驱动轴，使主轴以相应的速度运动，从而实现 主轴的JOG速度控制。

应该说明的是，可以针对不同的要求进行更改，故只要是能实现上述JOG 功能，即应视为本发明所述预设规则的涵盖范围。此外，上述预设规则也可以 包含同时控制四轴、五轴联动的JOG运动，其原理与三轴联动的相似，在此 不再赘述。

综上所述，本实施例的机床点动控制系统采用上述实现方案，不仅可以简 单方便地实现机床主轴的JOG控制，而且可以同时控制多个驱动轴，达到快 速移动主轴到目标位置的效果。同时，JOG运动的速度调节非常方便，只需调 节操作头1的幅度便可改变主轴的JOG速度，既快捷又直观。

实施例二：

本实施例提供一种机床点动控制的方法，本方法可以利用实施例一中所述 的机床点动控制系统实现，当然，也可采用类似结构的装置，以下详细说明本 实施例的机床点动控制方法。

本实施例的机床点动控制方法包括以下步骤：

S10：位置检测装置实时检测辅助机械结构的支撑下的操作头在三维空间 中的位置信息并反馈给所述控制部件；

S20：控制部件接收位置检测装置反馈的所述操作头的位置信息；

S30：选择控制驱动轴运动的方式为单轴驱动、双轴联动或三轴联动；

S40：控制部件根据预设规则将所述位置信息转换成机床的控制信号；

S50：控制部件输出所述控制信号，控制驱动轴带动机床的主轴运动。

上述方法中，还可在步骤S40前、S30后增加以下步骤：

S35：选择驱动轴运动的方式为连续模式或单步模式。

当然，该步骤也可设置在在S30前、S20后，执行结果并无区别。

上述方法中，步骤S40还进一步包括以下步骤：

S41：当操作头1滑动的位移小于预定值时，则所述驱动轴不动作。

上述方法中，步骤S40还进一步包括以下步骤：

S42：当操作头1移动一个位移时，根据预定的映射关系将该位移动作映射 到相应的驱动轴，以驱动主轴沿所述位移方向移动。

上述方法中，在步骤S42后还包括以下步骤：

S43：在单轴驱动模式下，若该位移的方向与所述映射关系中所指定的方 向不重合，则将该位移的方向角加上一个修正值，使其满足所述映射关系。

以下采用实施例一中所述的操纵部件1和控制部件2来实施本方法，并进 一步详细说明各步骤的动作细节。操纵部件1和控制部件2的结构及原理见实 施例一，此处不再赘述。假设预将主轴JOG到目标位置为机床坐标点(X、Y、 Z)处，以下具体说明其实现方法，上述机床以三轴联动机床为例。

首先，选择轴模式。当坐标值X、Y、Z中只有一个不为零时，轴模式选 择为单轴驱动模式；当坐标值X、Y、Z中有两个不为零时，轴模式选择为双 轴联动模式；当坐标值X、Y、Z中有都不为零时，轴模式选择为三轴联动模 式。

一、在单轴驱动模式下。

1、点动模式为连续模式。此时，驱动轴将带动机床主轴向目标位置附近 连续运动，只能用作主轴的粗略定位。

在单轴驱动模式下，X、Y、Z中不为零的坐标值对应的驱动轴为该模式 下需控制的驱动轴，例如，X不为零，则单轴驱动模式只需控制机床X轴运 动即可。如何控制操作头1滑动才能使主轴移动到目标位置才是关键。控制部 件2中的预设规则设置了操作头1滑动的幅度与主轴JOG移动的速度之间的 关系：假设操作头1能滑动的最大幅度为R_max，步骤S41中设定的预定值为 R_min，主轴JOG速度与操作头1滑动的幅度成线性关系且最大的滑动幅度R_max对应的最大JOG速度为V_max。因此，控制操作头1滑动的位移或幅度即控制 了主轴JOG的速度。根据图4所示的映射关系，结合步骤S43，假设操作头1 移动的位移方向偏离X轴(此时，可根据目标位置中的坐标值X的正负判断 是X+轴还是X-轴)的角度为θ，则将该位移方向修正一个θ角，使其满足上 述映射关系。设此时第一滑片31的坐标值为x，则可以得到实际JOG速度V＝ (x-R_min)*V_max/(R_max-R_min)。同理，其它驱动轴的JOG速度可以此类推。

在单轴驱动模式下，若操作头位移的方向与所述映射关系中所指定的方向 不重合，则将该位移的方向角加上一个修正值，使其满足所述映射关系。所述 修正值为θ，第一轨道轴线为X轴，第二轨道轴线为Y轴，滑杆轴线为Z轴，第 一轨道和第二轨道的中间交叉点为坐标原点，当前操作头所处坐标点为 (x，y，z)，当x²+z²-tg²θ·y²≤0并且y＞0时，认为当前滑动方向 为Y轴正向；当x²+z²-tg²θ·y²≤0并且y＜0时，认为当前滑动方向是Y轴负向。 所述X轴正半轴与Y轴负半轴之间设有与X轴正半轴成夹角45度的A轴正半轴，所 述X轴正半轴与Y轴正半轴之间设有与X轴正半轴成夹角45度的B轴正半轴，当 (x-y)*(x-y)+2*z*z-(x+y)*(x+y)*tgθ*tgθ)＜＝0、x＞0和y＞0时，沿B 轴正向运动；当(x-y)*(x-y)+2*z*z-(x+y)*(x+y)*tgθ*tgθ)＜＝0、x＜0 和y＜0时，沿B轴负向运动；当(x-y)*(x-y)+2*z*z-(x+y)*(x+y)*tgθ *t gθ)＜＝0、x＞0和y＜0时，沿A轴正向运动；当(x-y)*(x-y)+2*z*z -(x+y)*(x+y)*tgθ*tgθ)＜＝0、x＜0和y＞0时，沿A轴负向运动。

操作头沿各轴向能够滑动的最大距离为Rmax，设定最大的滑动幅度Rmax 对应的最大速度为Vmax，预定值为Rmin，则操作头速度为V＝(R-Rmin) *Vmax/(Rmax-Rmin)。

2、点动模式为单步模式。此时，驱动轴的确定和JOG速度控制同连续模 式一样，区别在于当操作头1落在控制区内时，该方向对应的控制轴只单步 JOG一个模式设定的距离便不再移动，该距离已事先固设在控制部件2内。只 有在操作头1离开了控制区域并再次滑入其控制区域时，对应的驱动轴才会再 次作出响应，单步JOG模式主要用于各驱动轴的精确定位。

二、在双轴联动模式下。

此模式下，需要同时控制两个驱动轴动作，该两个轴为目标位置(X、Y、 Z)中，坐标值不为零所对应的驱动轴。

在双轴驱动模式下，当在X轴和Y轴内运动时，当前操作头所处坐标点为 (x，y)，位移操作头沿各轴向能够滑动的最大距离为Rmax， 设定最大的滑动幅度Rmax对应的最大速度为Vmax，预定值为Rmin，则操作头速 度为V＝(R1-Rmin)*Vmax/(Rmax-Rmin)，其中X轴方向速度Vx＝V*x/R1，Y 轴方向速度Vy＝V*y/R1，速度的方向由Vx，Vy的正负号决定。

三、在三轴联动模式下。

此模式下，需要同时控制三个驱动轴作JOG动作。

在三轴驱动模式下，第一轨道轴线为X轴，第二轨道轴线为Y轴，滑杆轴线 为Z轴，第一轨道和第二轨道的中间交叉点为坐标原点，当前操作头所处坐标 点为(x，y，z)，操作头沿各轴向能够滑动的最大距离为Rmax， 设定最大的滑动幅度Rmax对应的最大速度为Vmax，预定值为Rmin，则操作头速 度为V＝(R-Rmin)*Vmax/(Rmax-Rmin)，其中X轴方向速度Vx＝V*x/R，Y轴 方向速度Vy＝V*y/R，Z轴方向速度Vz＝V*z/R，速度的方向由Vx，Vy，Vz的 正负号决定。

综上所述，本实施例的机床点动控制方法，通过简单的结构设置和预设规 则，将操作头1滑动的幅度和方向都一一映射到相应的驱动轴，使主轴由单轴 驱动、双轴联动或三轴联动的方式产生JOG运动，并可方便地调节JOG速度， 而不必进行复杂的按键操作和参数设定，非常简便易用。

实施例三：

本实施例提供一种数控机床，其包括具有至少三个驱动轴的机床，该机床 设置有机床点动控制系统，该机床点动控制系统的结构和功能原理与实施例一 中所述的相同或相似，用以手动控制机床主轴的JOG运动。该JOG运动由相 应的驱动轴实现，可以选择单轴驱动，双轴联动和三轴联动等方式进行。

此外，上述机床点动控制系统可与机床之间采用无线连接，从而实现数控 机床的远程控制。另外，机床点动控制系统中，操纵部件1与控制部件2之间 也可采用无线连接。

本实施例的数控机床采用上述结构，不仅能方便快捷地实现主轴的JOG 控制，而且JOG速度的调节也非常方便，还可对JOG速度进行连续调节，只 需改变操作头1滑动的幅度即可。机床与机床点动控制系统之间采用无线连 接，或者机床点动控制系统的操纵部件1与控制部件2之间采用无线连接，可 方便实现机床操作的远程控制，满足各种实际需求，很大程度上方便了使用者， 使得本实施例的数控机床及其机床点动控制系统非常易于广泛推广应用。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。