為了在汽車鎖生產中實現大規模鑰匙加工,設計并實現了一種基于工業PC和PLC技術的全自動專用數控系統。該系統是一個分布式的全自動專用數控系統,采用工業PC為主控系統,利用PLC 控制機械手系統、檢測開關信號、通過DIO 接口與主控PC進行通訊。該系統性能穩定可靠,已在汽車鎖專業生產企業得到應用。
在汽車鎖專業生產企業中,為了實現大規模生產,專業化的自動控制生產設備是至關重要的,智能化自動銑齒機就是其中關鍵設備。這種設備過去從國外進口,不但價格高,而且維護困難。筆者經幾年的研究,通過和有關生產企業的合作,在分析進口設備的基礎上,研制了具有自身特色的全自動數控銑齒機,并已投入生產運行。該系統經運行實踐表明,其精度、穩定性、效率、使用的方便性等指標均達到設計要求,而且整體性能大大超過進口設備,在生產中發揮了重要作用。系統采用了國際最新的伺服系統技術、工業控制計算機技術、雙工作臺雙坐標和4 軸雙工作臺聯動的全自動智能化工作方式,同時應用PLC 技術,完全從生產實際出發進行研究,實現專用自動數控系統的分布式控制。
本文主要介紹該系統的工作原理及為實現系統的可靠運轉而使用的軟件設計技術。在該系統研制過程中,運用了軟件構件技術,使整個系統的軟件模塊化程度很高。許多軟件模塊(構件) 都具有可復用性。其中某些模塊是復用了在其他系統中開發的軟件構件,大大提高了軟件研制的速度,也保證了軟件的可靠性。
1 系統工作原理
整個設備由機械部分、計算機控制系統、PLC 控制系統幾個部分構成。系統工作原理如圖1 所示。機械部分由主軸電動機、傳動系統、系統工作臺、機械手、氣動系統、交流伺服系統和滾珠絲杠傳動系統、夾具、自動去毛刺裝置等部分構成。
計算機控制系統由1臺工業PC、1臺PLC構成分布式控制系統。工業PC 配有光電隔離的接口板。計算機控制系統在控制軟件的操縱下,控制整個系統的協調運轉,并主要控制2個工作臺4個交流伺服電動機的運轉,進行插補運算和加工控制。計算機控制系統還負責向PLC發出啟動運行命令,接收PLC發回的工作狀態信號,確定整個系統的控制動作。PLC控制系統由PLC控制器和10個微型氣缸構成的機械手控制系統及自動送料系統。PLC同時檢測操作面板的狀態,并將工作狀態信號傳送給計算機控制系統。PLC控制將工件從送料裝置取出并送到第一工作臺的同時也將第一工作臺的加工件取出送入第二工作臺,并將第二工作臺的加工件取出送入自動去毛刺裝置,每個控制循環都完成一個工件的加工。另外,系統還有極限位置檢測傳感器,防止工作臺的異常動作導致“打刀”。位置傳感器信號由PLC 采集并將信號傳給主控計算機處理。
1.1 PLC控制機械手自動送料
PLC 具有可靠性高、易于控制等優點,特別適合多點開關量的測量與控制。系統中采用日本歐姆龍公司生產的CQM1 型可編程控制器負責機械手的控制、操作面板信號采集、限位傳感器信號采集等。電源模塊采用CQM-1-PA206 模塊;CPU 模塊采用CQM1-CPU21-E模塊; 輸入模塊采用CQM1 -ID212模塊;輸出模塊采用CQM1 - OD222 模塊。機械手系統由10 臺氣缸組成,完成供料、換位、定位、出料、去毛刺等一系列工序動作。各個氣缸上均設有位置檢測開關,氣缸到位即發出到位信號。可編程序控制器與主機相配合,管理系統中的各個開關量,操作機械手工作。
PLC控制自動送料的機械手,并接收限位傳感器信號,將機械手工作狀態送到控制主機,并由主機控制系統有序地進行工作。設備的啟動/ 停止等操作面板的操作信號傳至PLC,由PLC將信號送至控制主機。主控計算機可以和PLC并行運行,在PLC控制機械手自動送加工工件到工作臺期間,主機可進行產品數據處理,形成加工控制數據,傳遞給加工控制模塊,進行產品動態圖形顯示。待機械手完成動作后,發一個信號到主控計算機,主控計算機啟動電動機,進入切削加工控制,此間PLC控制機械手回位。當一個加工周期完成,主機向PLC發一個加工完成信號, PLC控制機械手進行換件操作,主控計算機又進入下一個工件的數據變換處理。當操作員按下“停止”按鈕,PLC將會繼續控制機械手完成最后工件的加工,同時將此信號發送到主控計算機,主控計算機在加工完一個周期后檢測到停止信號,進行結束處理,再做兩個加工周期的控制,退回主控界面。
PLC執行取料、送料過程中,主控PC 執行數據處理程序,當PLC 自動送料完成時,數據處理也已經完成,主機將產品數據(齒形編碼及齒形數據) 轉換為加工控制參數,并傳入加工程序工作緩沖區。這樣,就可以啟動加工控制程序。
1.2 銑齒執行系統的構成
銑齒執行系統采用兩把銑刀與兩個工作臺同時加工工件的工藝方法。與一般銑床不同的是銑刀在固定位置上旋轉,工作臺按加工曲線的要求運動,4 臺交流伺服電動機同時驅動這兩個工作臺。工作臺位置由伺服電動機上的旋轉編碼器檢測。
在銑齒過程中,由雙工作臺雙聯動的數控系統完成插補計算并控制兩套獨立的運動系統驅動,兩個加工工作臺分別在兩個坐標上同時進行運動,使工件的兩個加工面同時進行切削或移動,進行兩面齒形曲線的加工。
銑齒在鑰匙的加工工藝上采用二次裝夾的切削方式。為消除二次裝夾誤差的影響,在數控系統中設計了補償功能對定位精度進行補償。由于在軟件上進行兩個工作臺的分別補償。專門設計了誤差參數設置模塊,可分別設置兩個工作臺的誤差補償參數,使加工精度的補償十分靈活,并容易控制。
1.3 控制主機及接口
交流伺服系統位置信號輸入接口板采用研華公司生產的PCL - 833 三軸正交編碼器計數板。數控系統的主控制單元采用工業PC 系統。工業PC 系統具有很大的靈活性,可靠性高,處理能力強,將其作為這種主從分布式控制系統是很適合的。采用研華公司生產的帶光隔離的接口板PCL-830,與伺服電動機驅動控制器以及PLC接口連接,實現與PLC的通訊連接,也實現對伺服電動機的控制。
2 主控軟件的實現
整個系統的軟件采用Borland C + + 與匯編語言聯合設計而成。采用面向對象設計方法,充分利用了支持用戶界面的字型顯示的可復用軟件構件,該構件是基于一種雙向鏈表實現的。系統研制過程中,研制了支持用戶操作界面的界面顯示構件、圖形窗口管理構件、彈出菜單管理構件、產品數據變換構件、參數設置構件、產品數據管理構件、加工總體控制軟件構件和4軸雙工作臺的控制軟件構件(單獨采用匯編語言編制) 。整個系統的工作中,采用漢字界面,操作界面友好。在軟件中設計了動態適時監視模塊,可動態顯示加工曲線以及狀態信息。循環加工過程的控制軟件采用有限自動機模型,如圖2 所示。圖中各狀態動作定義如下:
狀態0 :作初始準備。
狀態1 :主控制計算機向PLC 發送ZGX(就緒) 信號。
狀態2 :檢測PLC 狀態信號,檢測到“急停”信號進入狀態13 ,檢測到信號SLW 進入狀態3 ,檢測到“停止”信號轉入狀態6 。
狀態3 :主控計算機向PLC 發XDW 信號,并進行數據變換處理,此時PLC 控制機械手換件。
狀態4 :主控計算機等待PLC 發HWW 信號,表示換位完成。
狀態5 :主控計算機驅動工作臺運動進行銑齒加工。
狀態6 : 銑齒加工完成,若加工模塊返回錯誤信息,進入狀態9 ,檢測到“停止”信號,進入狀態8 。
狀態7 :進行計數統計和換件處理,若計數已滿,表示完成設定的加工數,轉入狀態11 ,否則轉入狀態10 。
狀態8 :進行正常結束處理。
狀態9 :進行錯誤報警提示和結束處理。
狀態10 :主控計算機向PLC 發XCS 信號。
狀態11 :計數結束,進行結束處理。
狀態12 :結束退出。
狀態13 :做復位操作。
狀態14 :結束退出。
由于在系統平臺上,不采用漢字系統,而采用自行研制的內嵌字形顯示支持構件,使得整個控制系統的研制都十分順利,避免了一般漢字操作系統屏幕定時刷新對控制系統中斷控制帶來的干擾,在實時系統中采用這種方法效果是很好的。
整個控制軟件的調試采用脫機調試,保證最大限度地用正確的軟件進行聯機調試,采用了模擬運行技術代替真實的硬件系統,使軟件調試中可能帶來的硬件損壞降低到最低限度。
2.1 軟件的體系結構
系統的軟件采用構件化、模塊化的設計方法,包含字形顯示軟件構件、圖形窗口管理軟件構件、菜單管理軟件構件、參數設置軟件構件、產品數據管理軟件構件、數據處理及變換軟件、系統控制模塊和產品加工控制模塊。主控軟件結構如圖3 所示。
為了方便進行產品數據管理,專門設計了一個產品數據管理系統,通過該系統實現新產品數據庫的建立,數據編輯、查詢、修改和調整產品參數。產品數據管理軟件模塊單獨運行。
2.2 圖形窗口管理實現
整個人機界面是在彈出式圖形窗口界面下工作。因此,系統專門設計了一個用于管理圖形窗口的構件,并定義了相關對象。對于一個窗口,由于用于保存其顯示緩存的存儲空間可能很大,因此用一個單鏈表來存儲一個窗口的存儲,一個大的窗口被分為多個子窗口,每個子窗口存儲在一個節點中。這樣,保證每個子窗口大小在一個適當的尺寸。當一個窗口被釋放,則將其占用的存儲空間釋放。
2.3 主控軟件與加工控制模塊的接口技術
對于雙工作臺4 個伺服電動機的驅動和加工控制,由一個專門用匯編語言設計的模塊實現。該模塊根據主控軟件送來的一組控制數據進行控制。該模塊根據這組數據進行插補運算并驅動電動機運動,實現銑齒操作。主控程序中的數據變換模塊根據產品的齒形參數,將其轉換為驅動電動機運動的一系列坐標參數。這些坐標參數以下述格式傳送給驅動模塊:(Δx1 ,Δy1 ) , (Δx2 ,Δy2 ) , (Δx3 ,Δy3 ) , ??, (Δx n ,Δyn) , (0 ,0) 。每個工作臺有一組參數。這組參數中,已經根據設定的誤差補償參數(刀尖補償、位置誤差補償等) 計算到參數中,因此, 加工控制模塊不必再進行補償處理,只須按照給定的數據進行控制。這組數據是按照電動機的步距進行計算的。其單位是2/ 400mm。為了使兩個工作臺獨立進行誤差補償,分別設置了兩個緩沖區,每個緩沖區對應一個工作臺。這就使得每個工作臺按自己的控制參數進行運轉。保證了工件的加工精度。
3 結語
由于控制系統的適時性和可靠性要求很高,而且要求系統能長期穩定運行。而且不能讓操作系統占用太多系統資源,因此該系統的軟件是基于DOS 平臺進行開發的。該系統已經投入生產運行,實踐證明各項性能指標都達到了設計要求,目前已替代了進口設備,為生產企業帶來良好的經濟效益。非標準的智能化專用設備可以大大提高專業生產企業的自動化水平和生產效率,因此,很有必要研制各種支持這種系統的軟件構件,通過這種可重用的軟件構件,加快軟件的研制進度,保證系統的穩定性和可靠性。
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本文標題：基于工業PC和PLC技術的專用數控系統
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