為了在汽車鎖生產(chǎn)中實現(xiàn)大規(guī)模鑰匙加工,設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于工業(yè)PC和PLC技術(shù)的全自動專用數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個分布式的全自動專用數(shù)控系統(tǒng),采用工業(yè)PC為主控系統(tǒng),利用PLC 控制機械手系統(tǒng)、檢測開關(guān)信號、通過DIO 接口與主控PC進行通訊。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,已在汽車鎖專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)得到應(yīng)用。

　　在汽車鎖專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中,為了實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),專業(yè)化的自動控制生產(chǎn)設(shè)備是至關(guān)重要的,智能化自動銑齒機就是其中關(guān)鍵設(shè)備。這種設(shè)備過去從國外進口,不但價格高,而且維護困難。筆者經(jīng)幾年的研究,通過和有關(guān)生產(chǎn)企業(yè)的合作,在分析進口設(shè)備的基礎(chǔ)上,研制了具有自身特色的全自動數(shù)控銑齒機,并已投入生產(chǎn)運行。該系統(tǒng)經(jīng)運行實踐表明,其精度、穩(wěn)定性、效率、使用的方便性等指標均達到設(shè)計要求,而且整體性能大大超過進口設(shè)備,在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)采用了國際最新的伺服系統(tǒng)技術(shù)、工業(yè)控制計算機技術(shù)、雙工作臺雙坐標和4 軸雙工作臺聯(lián)動的全自動智能化工作方式,同時應(yīng)用PLC 技術(shù),完全從生產(chǎn)實際出發(fā)進行研究,實現(xiàn)專用自動數(shù)控系統(tǒng)的分布式控制。

　　本文主要介紹該系統(tǒng)的工作原理及為實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運轉(zhuǎn)而使用的軟件設(shè)計技術(shù)。在該系統(tǒng)研制過程中,運用了軟件構(gòu)件技術(shù),使整個系統(tǒng)的軟件模塊化程度很高。許多軟件模塊(構(gòu)件) 都具有可復(fù)用性。其中某些模塊是復(fù)用了在其他系統(tǒng)中開發(fā)的軟件構(gòu)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(tǒng)工作原理

　　整個設(shè)備由機械部分、計算機控制系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)幾個部分構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。機械部分由主軸電動機、傳動系統(tǒng)、系統(tǒng)工作臺、機械手、氣動系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和滾珠絲杠傳動系統(tǒng)、夾具、自動去毛刺裝置等部分構(gòu)成。

　　計算機控制系統(tǒng)由1臺工業(yè)PC、1臺PLC構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。工業(yè)PC 配有光電隔離的接口板。計算機控制系統(tǒng)在控制軟件的操縱下,控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn),并主要控制2個工作臺4個交流伺服電動機的運轉(zhuǎn),進行插補運算和加工控制。計算機控制系統(tǒng)還負責向PLC發(fā)出啟動運行命令,接收PLC發(fā)回的工作狀態(tài)信號,確定整個系統(tǒng)的控制動作。PLC控制系統(tǒng)由PLC控制器和10個微型氣缸構(gòu)成的機械手控制系統(tǒng)及自動送料系統(tǒng)。PLC同時檢測操作面板的狀態(tài),并將工作狀態(tài)信號傳送給計算機控制系統(tǒng)。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(huán)都完成一個工件的加工。另外,系統(tǒng)還有極限位置檢測傳感器,防止工作臺的異常動作導(dǎo)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(yōu)點,特別適合多點開關(guān)量的測量與控制。系統(tǒng)中采用日本歐姆龍公司生產(chǎn)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(tǒng)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(shè)有位置檢測開關(guān),氣缸到位即發(fā)出到位信號。可編程序控制器與主機相配合,管理系統(tǒng)中的各個開關(guān)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(tài)送到控制主機,并由主機控制系統(tǒng)有序地進行工作。設(shè)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(chǎn)品數(shù)據(jù)處理,形成加工控制數(shù)據(jù),傳遞給加工控制模塊,進行產(chǎn)品動態(tài)圖形顯示。待機械手完成動作后,發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)變換處理。當操作員按下“停止”按鈕,PLC將會繼續(xù)控制機械手完成最后工件的加工,同時將此信號發(fā)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(jié)束處理,再做兩個加工周期的控制,退回主控界面。

　　PLC執(zhí)行取料、送料過程中,主控PC 執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序,當PLC 自動送料完成時,數(shù)據(jù)處理也已經(jīng)完成,主機將產(chǎn)品數(shù)據(jù)(齒形編碼及齒形數(shù)據(jù)) 轉(zhuǎn)換為加工控制參數(shù),并傳入加工程序工作緩沖區(qū)。這樣,就可以啟動加工控制程序。

　　1.2 銑齒執(zhí)行系統(tǒng)的構(gòu)成

　　銑齒執(zhí)行系統(tǒng)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(zhuǎn),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(qū)動這兩個工作臺。工作臺位置由伺服電動機上的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測。

　　在銑齒過程中,由雙工作臺雙聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)完成插補計算并控制兩套獨立的運動系統(tǒng)驅(qū)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(shù)控系統(tǒng)中設(shè)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(shè)計了誤差參數(shù)設(shè)置模塊,可分別設(shè)置兩個工作臺的誤差補償參數(shù),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(tǒng)位置信號輸入接口板采用研華公司生產(chǎn)的PCL - 833 三軸正交編碼器計數(shù)板。數(shù)控系統(tǒng)的主控制單元采用工業(yè)PC 系統(tǒng)。工業(yè)PC 系統(tǒng)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(tǒng)是很適合的。采用研華公司生產(chǎn)的帶光隔離的接口板PCL-830,與伺服電動機驅(qū)動控制器以及PLC接口連接,實現(xiàn)與PLC的通訊連接,也實現(xiàn)對伺服電動機的控制。

2 主控軟件的實現(xiàn)

　　整個系統(tǒng)的軟件采用Borland C + + 與匯編語言聯(lián)合設(shè)計而成。采用面向?qū)ο笤O(shè)計方法,充分利用了支持用戶界面的字型顯示的可復(fù)用軟件構(gòu)件,該構(gòu)件是基于一種雙向鏈表實現(xiàn)的。系統(tǒng)研制過程中,研制了支持用戶操作界面的界面顯示構(gòu)件、圖形窗口管理構(gòu)件、彈出菜單管理構(gòu)件、產(chǎn)品數(shù)據(jù)變換構(gòu)件、參數(shù)設(shè)置構(gòu)件、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理構(gòu)件、加工總體控制軟件構(gòu)件和4軸雙工作臺的控制軟件構(gòu)件(單獨采用匯編語言編制) 。整個系統(tǒng)的工作中,采用漢字界面,操作界面友好。在軟件中設(shè)計了動態(tài)適時監(jiān)視模塊,可動態(tài)顯示加工曲線以及狀態(tài)信息。循環(huán)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(tài)動作定義如下:

　　狀態(tài)0 :作初始準備。

　　狀態(tài)1 :主控制計算機向PLC 發(fā)送ZGX(就緒) 信號。

　　狀態(tài)2 :檢測PLC 狀態(tài)信號,檢測到“急?！毙盘栠M入狀態(tài)13 ,檢測到信號SLW 進入狀態(tài)3 ,檢測到“停止”信號轉(zhuǎn)入狀態(tài)6 。

　　狀態(tài)3 :主控計算機向PLC 發(fā)XDW 信號,并進行數(shù)據(jù)變換處理,此時PLC 控制機械手換件。

　　狀態(tài)4 :主控計算機等待PLC 發(fā)HWW 信號,表示換位完成。

　　狀態(tài)5 :主控計算機驅(qū)動工作臺運動進行銑齒加工。

　　狀態(tài)6 : 銑齒加工完成,若加工模塊返回錯誤信息,進入狀態(tài)9 ,檢測到“停止”信號,進入狀態(tài)8 。

　　狀態(tài)7 :進行計數(shù)統(tǒng)計和換件處理,若計數(shù)已滿,表示完成設(shè)定的加工數(shù),轉(zhuǎn)入狀態(tài)11 ,否則轉(zhuǎn)入狀態(tài)10 。

　　狀態(tài)8 :進行正常結(jié)束處理。

　　狀態(tài)9 :進行錯誤報警提示和結(jié)束處理。

　　狀態(tài)10 :主控計算機向PLC 發(fā)XCS 信號。

　　狀態(tài)11 :計數(shù)結(jié)束,進行結(jié)束處理。

　　狀態(tài)12 :結(jié)束退出。

　　狀態(tài)13 :做復(fù)位操作。

　　狀態(tài)14 :結(jié)束退出。

　　由于在系統(tǒng)平臺上,不采用漢字系統(tǒng),而采用自行研制的內(nèi)嵌字形顯示支持構(gòu)件,使得整個控制系統(tǒng)的研制都十分順利,避免了一般漢字操作系統(tǒng)屏幕定時刷新對控制系統(tǒng)中斷控制帶來的干擾,在實時系統(tǒng)中采用這種方法效果是很好的。

　　整個控制軟件的調(diào)試采用脫機調(diào)試,保證最大限度地用正確的軟件進行聯(lián)機調(diào)試,采用了模擬運行技術(shù)代替真實的硬件系統(tǒng),使軟件調(diào)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(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的軟件采用構(gòu)件化、模塊化的設(shè)計方法,包含字形顯示軟件構(gòu)件、圖形窗口管理軟件構(gòu)件、菜單管理軟件構(gòu)件、參數(shù)設(shè)置軟件構(gòu)件、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件構(gòu)件、數(shù)據(jù)處理及變換軟件、系統(tǒng)控制模塊和產(chǎn)品加工控制模塊。主控軟件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

　　為了方便進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理,專門設(shè)計了一個產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),通過該系統(tǒng)實現(xiàn)新產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的建立,數(shù)據(jù)編輯、查詢、修改和調(diào)整產(chǎn)品參數(shù)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件模塊單獨運行。

　　2.2 圖形窗口管理實現(xiàn)

　　整個人機界面是在彈出式圖形窗口界面下工作。因此,系統(tǒng)專門設(shè)計了一個用于管理圖形窗口的構(gòu)件,并定義了相關(guān)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(jié)點中。這樣,保證每個子窗口大小在一個適當?shù)某叽纭．斠粋€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(shù)

　　對于雙工作臺4 個伺服電動機的驅(qū)動和加工控制,由一個專門用匯編語言設(shè)計的模塊實現(xiàn)。該模塊根據(jù)主控軟件送來的一組控制數(shù)據(jù)進行控制。該模塊根據(jù)這組數(shù)據(jù)進行插補運算并驅(qū)動電動機運動,實現(xiàn)銑齒操作。主控程序中的數(shù)據(jù)變換模塊根據(jù)產(chǎn)品的齒形參數(shù),將其轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電動機運動的一系列坐標參數(shù)。這些坐標參數(shù)以下述格式傳送給驅(qū)動模塊:(Δx1 ,Δy1 ) , (Δx2 ,Δy2 ) , (Δx3 ,Δy3 ) , ??, (Δx n ,Δyn) , (0 ,0) 。每個工作臺有一組參數(shù)。這組參數(shù)中,已經(jīng)根據(jù)設(shè)定的誤差補償參數(shù)(刀尖補償、位置誤差補償?shù)? 計算到參數(shù)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(shù)據(jù)進行控制。這組數(shù)據(jù)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(shè)置了兩個緩沖區(qū),每個緩沖區(qū)對應(yīng)一個工作臺。這就使得每個工作臺按自己的控制參數(shù)進行運轉(zhuǎn)。保證了工件的加工精度。

3 結(jié)語

　　由于控制系統(tǒng)的適時性和可靠性要求很高,而且要求系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運行。而且不能讓操作系統(tǒng)占用太多系統(tǒng)資源,因此該系統(tǒng)的軟件是基于DOS 平臺進行開發(fā)的。該系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)運行,實踐證明各項性能指標都達到了設(shè)計要求,目前已替代了進口設(shè)備,為生產(chǎn)企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。非標準的智能化專用設(shè)備可以大大提高專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的自動化水平和生產(chǎn)效率,因此,很有必要研制各種支持這種系統(tǒng)的軟件構(gòu)件,通過這種可重用的軟件構(gòu)件,加快軟件的研制進度,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。