基于PMAC的卷板机数控系统的研究与开发

0 引言

　　数控技术作为二十一世纪普遍推广的崭新生产制造方式,将对提高生产模式效率,保证加工精度产生重大影响。将会大大提高企业形象,增强企业的竞争优势。近年来随着数控技术的迅速发展,特别是工控机的广泛应用和开放体系结构的提出,使得大型卷板设备数控化成为可能。本文结合17000kN3000mm上辊万能式卷板机数控系统的研制与开发,提出了大型卷板设备数控系统的设计方案以及其中各种技术问题的解决。

1 数控卷板机的基本构成

　　17000kN×3000mm上辊万能式卷板机是国内第一重型机器厂1994年产品。为仿日本机型,如图1。其下辊为固定间距;上辊为万能式,可实现上下及前后位移,上辊上下位移由液压缸驱动,前后位移由电机驱动,回转也由电机驱动,具备数字控制的整机条件。

图1

　　卷板是用卷板机对板料进行连续三点弯曲的过程。按卷制温度不同可分为冷卷、热卷及温卷。按卷制曲面的形状不同可分为单曲面卷制(如圆柱面、圆锥面等)及双曲卷制(如球面、双曲面)。其卷板工艺过程为:预弯、对中、卷圆、矫圆。从其整个工艺过程可以看出,需要数控系统完成的功能包括:(1)根据操作人员输入的卷板尺寸和板材材质参数,计算机床各个运动部件在不同卷制阶段的理论位移量;(2)根据理论计算,控制上辊旋转驱动电机、横向移动电机和升降油缸控制阀协调工作,自动完成卷板全过程。

2 卷板机数控系统硬件设计

　　卷板机数控系统的特点是开放式数控系统,为了便于开发遵循了如下原则:

　　(1)采用标准总线技术:开放式CNC系统通常采用标准总线技术来解决因总线定义不同所带来的硬件不能公用问题,该数控系统采用ISA总线。

　　(2)最大限度地利用PC硬件技术:PC是实现开放式数控系统比较现实的途径,PC从生产到现在其可靠性和计算能力飞速增长。

　　(3)开放式、模块化、标准化设计:开放式CNC系统的各组件采用模块化设计。一般而言,典型的CNC系统应包括以下模块:运动控制模块、PLC模块、基本输入输出模块、通讯模块等,其中运动控制模块和PLC模块对CNC装置而言是必不可少的。运动控制模块是独立完成运动功能的模块,是硬件和软件的集合体,控制目标是速度、位置及转矩,该控制系统无伺服电机,这里主要应用其位置控制功能,而PLC本系统采用内置式。

　　(4)层次化:该系统采用层次化CNC系统思想,即PC工控机的CPU作为核心管理者,完成对底层设备的管理和宏观控制。而卷板机的位置控制、PLC控制由PMAC的专用CPU来控制。根据以上硬件设计原则,结合卷板机数控系统的特点,提出了一种以PMAC运动控制器为控制核心,工控机为系统支撑单元的双CPU开放式数控系统。设计其控制系统的硬件结构如图2所示。

图2 控制系统的硬件结构

　　其中工控机的CPU作为系统的主处理器,主要完成系统的管理、人机交互动态显示、预处理、参考计算及图像处理。

　　在卷板机数控系统中,采用DPRAM作为主机和PMAC之间的通讯桥梁,DPRAM是PMAC的备选件。用于PMAC和主机之间的高速重复不需“握手”的数据通讯,DPRAM为主机和PMAC之间的可以共享的高速内存区。利用DPRAM,主机与PMAC之间可以实时方便地进行数据交换。例如,主机可以将位置、速度信息实时地发送到PMAC,由PMAC进行位置控制;同时,主机还可以读取PMAC存放在DPRAM中的机床状态信息。

3 PMAC模块

　　PMAC(Programmable Multiple-Axes Controller)可编程多轴控制器是美国DELTA TAU DATA SYSTEM公司推出的完全开放体系结构,在PC及平台上运行的控制器。该控制器自带高速CPU,并提供快捷的可视化开发平台,是众多控制器中性能比较优越的控制器之一。现在PMAC已经发展到了第五代。PMAC运动控制器功能强大,他集成了位控板、PLC、I/O板等多个模块功能,CNC系统底层的实时任务大多由PMAC来完成,CNC系统的接口也都是围绕PMAC来设计的。PMAC借助于Motorola的DSP56001/56002数字信号处理器,可以同时操纵18个轴。它可以单独执行存储于其内部的程序,也可以执行运动程序和PLC程序,其与主机之间可以通过RS-332/RS-422串行数据口通讯,也可以通过总线通讯。PMAC还可以自动对任务优先级进行判别,从而进行实时的多任务处理,这一功能使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻主机和编程器的负担,提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。

　　本文提出的是以PMAC运动控制器作为CNC模块,工控机系统为系统支撑单元的双CPU数控系统,可以进行人机接口和非实时控制部件的定制和参数化及实时控制部件参数化,实现了两个级别的开放度。选择PMAC作为运动控制器出于三方面考虑:第一,PMAC自带高速CPU,可以用其构成上下位机的体系,将部分运算工作放在下位机,缓解主CPU的压力,保证可靠的实时控制;第二,系统需要控制多个开关量。PMAC不仅带有标准I/O接口,而且还集成了PLC,恰好满足了控制需要。这样就避免了单独配置PLC和I/O接口,从而提高了系统的集成度和可靠性;第三,PMAC的开发界面友好,它所提供的PWIN编程工具完全在Windows环境运行,编辑修改非常容易。更为突出的是它的EPROM擦写功能,可以很方便地将PLC程序写入EPROM,最大限度地提高开发效率。

4 卷板机数控系统软件设计

　　卷板工艺的重复性和不确定性,以及生产环境的恶劣性,使得我们不能单从控制的角度考虑设计方案,因此必须附加一些其他数控系统所不具备的特殊功能,因而本系统采用了开放式体系结构数控系统设计,所构成的系统总体方案如图3所示。

图3 系统总体方案

　　系统以多轴控制器为核心,以工控机为平台,构成上下位机分层递阶控制框架。工控机作为上位机,负责各种资源管理,对下位机的程序调度与控制、与下位机实时通讯,以及人机交互功能的实现;多轴控制器作为下位机,完成对卷板机运动部件的位置控制和各种辅助操作的动作控制,系统其他配置均采用标准模块的嵌入形式。这种设计方案充分兼顾了控制系统的可靠性、高效性,便于软件系统开发,易于与设备集成,乃至维护和升级等多方面的考虑。其优越性已在实践中得到证实。

　　开放式数控系统,硬件大多是成熟的模块化单元,更多的工作是软件系统的开发。本文的系统软件设计采用面向对象的系统分析与设计方法,由于它具备封装性和继承性,以及消息驱动等一系列特性,使得系统的模块清晰,组装、维护方便,可扩充性、可重组性强,实现了系统概念模型、逻辑模型和物理模型的统一。

　　遵照面向对象的系统设计与分析的主导思想,系统设计成若干个对象模块的有机组合。宏观上看系统分为系统层、应用层和物理层三个层面,如图4所示系统主要解决IPC与PMAC,FlyVideo继承的一系列技术问题,因为PMAC有自己的CPU和RAM,还有EPROM;FlyVideo也有自己的RAM和相应的运算器,而PMAC和FlyVideo都是以总线方式与IPC相连,IPC要将这些资源和自身资源集成到一起,形成完整的控制系统,必须有有效的集成手段。应用层是系统的主体部分,由若干个功能模块组成。在系统层的支持下,各功能模块独立完成一部分任务,从而实现系统的所有控制目标。物理层是与物理空间相对应的机制,由若干和存储文件结构对应的数据结构组成,用来满足人机交互和访问数据库的需求。

图4 系统功能模块

5 单元的技术实现

　　(1)系统控制时钟:系统控制时钟主要是从保证系统正常运行的角度,周期扫描下位机I/O口、视频信号状态,以及中断请求信息,实现上位机与下位机的实时通讯;获取运动坐标当前值;动态管理数据库;在线决策程序进程等。此模块由标准控件“Timer”实现。为了提高可靠性,系统采用单时钟驱动。时钟扫描周期80ms。

　　(2)上位机与下位机的实时通讯:上位机与下位机的实时通讯是利用DELTA TAU DATA SYSTEM公司提供的与PMAC相配套的PtalkDT类实现的。PtalkDT类通过添加ActiveX的方式加以实例化,并由其中的GetResponse()方法完成双向通讯。上位机与下位机通讯的速度取决于主计算机的主频、PMAC CPU的速度,以及系统程序和下位机控制程序的大小。

　　(3)视频显示功能集成:视频信号的处理及图像显示控制是通过对视频卡的二次开发实现的。FlyVideo视频卡提供了OCX标准控件Capwnd与应用系统进行集成。该控件的16个主要方法和7个属性,由MFC42.DLL和MSVCRT.DLL两个动态连接库支持,借助这两个动态连接库支持,系统开发了Overlay和Peview两种图像显示模式,以方便现场的不同要求。

　　(4)系统抗冲击能力:大型卷板设备工作环境恶劣,尤其是电网电压极不稳定,很容易冲击数控系统,造成死机。其结果轻则产品报废,重则损坏设备,损失难以估量。为了防止数控系统因电源干扰而产生控制失误,系统专门配置了响应速度小于0.1ms的在线不间断稳压电源。除此之外,系统还在软件设计上进行了必要的处理,为每个动作编制了滤波程序。

6 结论

　　该数控系统以通用工控机为基础,采用功能强大的运动控制器PMAC完成对卷板机与参数调节运动部件的位置控制和各种辅助操作的动作控制,实现了两个级别的开放度,使得数控系统具有比专用数控系统更好的人机交互能力和上层应用系统集成能力,便于生产厂家和用户对系统功能进行定制与参数调节,使系统具有更好的适应性。该系统用在17000kN×3000mm上辊万能式卷板机上,取得了良好的效果。