基于工业PC和PLC技术的专用数控系统

　　为了在汽车锁生产中实现大规模钥匙加工,设计并实现了一种基于工业PC和PLC技术的全自动专用数控系统。该系统是一个分布式的全自动专用数控系统,采用工业PC为主控系统,利用PLC 控制机械手系统、检测开关信号、通过DIO 接口与主控PC进行通讯。该系统性能稳定可靠,已在汽车锁专业生产企业得到应用。

　　在汽车锁专业生产企业中,为了实现大规模生产,专业化的自动控制生产设备是至关重要的,智能化自动铣齿机就是其中关键设备。这种设备过去从国外进口,不但价格高,而且维护困难。笔者经几年的研究,通过和有关生产企业的合作,在分析进口设备的基础上,研制了具有自身特色的全自动数控铣齿机,并已投入生产运行。该系统经运行实践表明,其精度、稳定性、效率、使用的方便性等指标均达到设计要求,而且整体性能大大超过进口设备,在生产中发挥了重要作用。系统采用了国际最新的伺服系统技术、工业控制计算机技术、双工作台双坐标和4 轴双工作台联动的全自动智能化工作方式,同时应用PLC 技术,完全从生产实际出发进行研究,实现专用自动数控系统的分布式控制。

　　本文主要介绍该系统的工作原理及为实现系统的可靠运转而使用的软件设计技术。在该系统研制过程中,运用了软件构件技术,使整个系统的软件模块化程度很高。许多软件模块(构件) 都具有可复用性。其中某些模块是复用了在其他系统中开发的软件构件,大大提高了软件研制的速度,也保证了软件的可靠性。

1 系统工作原理

　　整个设备由机械部分、计算机控制系统、PLC 控制系统几个部分构成。系统工作原理如图1 所示。机械部分由主轴电动机、传动系统、系统工作台、机械手、气动系统、交流伺服系统和滚珠丝杠传动系统、夹具、自动去毛刺装置等部分构成。

　　计算机控制系统由1台工业PC、1台PLC构成分布式控制系统。工业PC 配有光电隔离的接口板。计算机控制系统在控制软件的操纵下,控制整个系统的协调运转,并主要控制2个工作台4个交流伺服电动机的运转,进行插补运算和加工控制。计算机控制系统还负责向PLC发出启动运行命令,接收PLC发回的工作状态信号,确定整个系统的控制动作。PLC控制系统由PLC控制器和10个微型气缸构成的机械手控制系统及自动送料系统。PLC同时检测操作面板的状态,并将工作状态信号传送给计算机控制系统。PLC控制将工件从送料装置取出并送到第一工作台的同时也将第一工作台的加工件取出送入第二工作台,并将第二工作台的加工件取出送入自动去毛刺装置,每个控制循环都完成一个工件的加工。另外,系统还有极限位置检测传感器,防止工作台的异常动作导致“打刀”。位置传感器信号由PLC 采集并将信号传给主控计算机处理。

　　1.1 PLC控制机械手自动送料

　　PLC 具有可靠性高、易于控制等优点,特别适合多点开关量的测量与控制。系统中采用日本欧姆龙公司生产的CQM1 型可编程控制器负责机械手的控制、操作面板信号采集、限位传感器信号采集等。电源模块采用CQM-1-PA206 模块;CPU 模块采用CQM1-CPU21-E模块; 输入模块采用CQM1 -ID212模块;输出模块采用CQM1 - OD222 模块。机械手系统由10 台气缸组成,完成供料、换位、定位、出料、去毛刺等一系列工序动作。各个气缸上均设有位置检测开关,气缸到位即发出到位信号。可编程序控制器与主机相配合,管理系统中的各个开关量,操作机械手工作。

　　PLC控制自动送料的机械手,并接收限位传感器信号,将机械手工作状态送到控制主机,并由主机控制系统有序地进行工作。设备的启动/ 停止等操作面板的操作信号传至PLC,由PLC将信号送至控制主机。主控计算机可以和PLC并行运行,在PLC控制机械手自动送加工工件到工作台期间,主机可进行产品数据处理,形成加工控制数据,传递给加工控制模块,进行产品动态图形显示。待机械手完成动作后,发一个信号到主控计算机,主控计算机启动电动机,进入切削加工控制,此间PLC控制机械手回位。当一个加工周期完成,主机向PLC发一个加工完成信号, PLC控制机械手进行换件操作,主控计算机又进入下一个工件的数据变换处理。当操作员按下“停止”按钮,PLC将会继续控制机械手完成最后工件的加工,同时将此信号发送到主控计算机,主控计算机在加工完一个周期后检测到停止信号,进行结束处理,再做两个加工周期的控制,退回主控界面。

　　PLC执行取料、送料过程中,主控PC 执行数据处理程序,当PLC 自动送料完成时,数据处理也已经完成,主机将产品数据(齿形编码及齿形数据) 转换为加工控制参数,并传入加工程序工作缓冲区。这样,就可以启动加工控制程序。

　　1.2 铣齿执行系统的构成

　　铣齿执行系统采用两把铣刀与两个工作台同时加工工件的工艺方法。与一般铣床不同的是铣刀在固定位置上旋转,工作台按加工曲线的要求运动,4 台交流伺服电动机同时驱动这两个工作台。工作台位置由伺服电动机上的旋转编码器检测。

　　在铣齿过程中,由双工作台双联动的数控系统完成插补计算并控制两套独立的运动系统驱动,两个加工工作台分别在两个坐标上同时进行运动,使工件的两个加工面同时进行切削或移动,进行两面齿形曲线的加工。

　　铣齿在钥匙的加工工艺上采用二次装夹的切削方式。为消除二次装夹误差的影响,在数控系统中设计了补偿功能对定位精度进行补偿。由于在软件上进行两个工作台的分别补偿。专门设计了误差参数设置模块,可分别设置两个工作台的误差补偿参数,使加工精度的补偿十分灵活,并容易控制。

　　1.3 控制主机及接口

　　交流伺服系统位置信号输入接口板采用研华公司生产的PCL - 833 三轴正交编码器计数板。数控系统的主控制单元采用工业PC 系统。工业PC 系统具有很大的灵活性,可靠性高,处理能力强,将其作为这种主从分布式控制系统是很适合的。采用研华公司生产的带光隔离的接口板PCL-830,与伺服电动机驱动控制器以及PLC接口连接,实现与PLC的通讯连接,也实现对伺服电动机的控制。

2 主控软件的实现

　　整个系统的软件采用Borland C + + 与汇编语言联合设计而成。采用面向对象设计方法,充分利用了支持用户界面的字型显示的可复用软件构件,该构件是基于一种双向链表实现的。系统研制过程中,研制了支持用户操作界面的界面显示构件、图形窗口管理构件、弹出菜单管理构件、产品数据变换构件、参数设置构件、产品数据管理构件、加工总体控制软件构件和4轴双工作台的控制软件构件(单独采用汇编语言编制) 。整个系统的工作中,采用汉字界面,操作界面友好。在软件中设计了动态适时监视模块,可动态显示加工曲线以及状态信息。循环加工过程的控制软件采用有限自动机模型,如图2 所示。图中各状态动作定义如下:

　　状态0 :作初始准备。

　　状态1 :主控制计算机向PLC 发送ZGX(就绪) 信号。

　　状态2 :检测PLC 状态信号,检测到“急停”信号进入状态13 ,检测到信号SLW 进入状态3 ,检测到“停止”信号转入状态6 。

　　状态3 :主控计算机向PLC 发XDW 信号,并进行数据变换处理,此时PLC 控制机械手换件。

　　状态4 :主控计算机等待PLC 发HWW 信号,表示换位完成。

　　状态5 :主控计算机驱动工作台运动进行铣齿加工。

　　状态6 : 铣齿加工完成,若加工模块返回错误信息,进入状态9 ,检测到“停止”信号,进入状态8 。

　　状态7 :进行计数统计和换件处理,若计数已满,表示完成设定的加工数,转入状态11 ,否则转入状态10 。

　　状态8 :进行正常结束处理。

　　状态9 :进行错误报警提示和结束处理。

　　状态10 :主控计算机向PLC 发XCS 信号。

　　状态11 :计数结束,进行结束处理。

　　状态12 :结束退出。

　　状态13 :做复位操作。

　　状态14 :结束退出。

　　由于在系统平台上,不采用汉字系统,而采用自行研制的内嵌字形显示支持构件,使得整个控制系统的研制都十分顺利,避免了一般汉字操作系统屏幕定时刷新对控制系统中断控制带来的干扰,在实时系统中采用这种方法效果是很好的。

　　整个控制软件的调试采用脱机调试,保证最大限度地用正确的软件进行联机调试,采用了模拟运行技术代替真实的硬件系统,使软件调试中可能带来的硬件损坏降低到最低限度。

　　2.1 软件的体系结构

　　系统的软件采用构件化、模块化的设计方法,包含字形显示软件构件、图形窗口管理软件构件、菜单管理软件构件、参数设置软件构件、产品数据管理软件构件、数据处理及变换软件、系统控制模块和产品加工控制模块。主控软件结构如图3 所示。

　　为了方便进行产品数据管理,专门设计了一个产品数据管理系统,通过该系统实现新产品数据库的建立,数据编辑、查询、修改和调整产品参数。产品数据管理软件模块单独运行。

　　2.2 图形窗口管理实现

　　整个人机界面是在弹出式图形窗口界面下工作。因此,系统专门设计了一个用于管理图形窗口的构件,并定义了相关对象。对于一个窗口,由于用于保存其显示缓存的存储空间可能很大,因此用一个单链表来存储一个窗口的存储,一个大的窗口被分为多个子窗口,每个子窗口存储在一个节点中。这样,保证每个子窗口大小在一个适当的尺寸。当一个窗口被释放,则将其占用的存储空间释放。

　　2.3 主控软件与加工控制模块的接口技术

　　对于双工作台4 个伺服电动机的驱动和加工控制,由一个专门用汇编语言设计的模块实现。该模块根据主控软件送来的一组控制数据进行控制。该模块根据这组数据进行插补运算并驱动电动机运动,实现铣齿操作。主控程序中的数据变换模块根据产品的齿形参数,将其转换为驱动电动机运动的一系列坐标参数。这些坐标参数以下述格式传送给驱动模块:(Δx1 ,Δy1 ) , (Δx2 ,Δy2 ) , (Δx3 ,Δy3 ) , ??, (Δx n ,Δyn) , (0 ,0) 。每个工作台有一组参数。这组参数中,已经根据设定的误差补偿参数(刀尖补偿、位置误差补偿等) 计算到参数中,因此, 加工控制模块不必再进行补偿处理,只须按照给定的数据进行控制。这组数据是按照电动机的步距进行计算的。其单位是2/ 400mm。为了使两个工作台独立进行误差补偿,分别设置了两个缓冲区,每个缓冲区对应一个工作台。这就使得每个工作台按自己的控制参数进行运转。保证了工件的加工精度。

3 结语

　　由于控制系统的适时性和可靠性要求很高,而且要求系统能长期稳定运行。而且不能让操作系统占用太多系统资源,因此该系统的软件是基于DOS 平台进行开发的。该系统已经投入生产运行,实践证明各项性能指标都达到了设计要求,目前已替代了进口设备,为生产企业带来良好的经济效益。非标准的智能化专用设备可以大大提高专业生产企业的自动化水平和生产效率,因此,很有必要研制各种支持这种系统的软件构件,通过这种可重用的软件构件,加快软件的研制进度,保证系统的稳定性和可靠性。