為了在汽車鎖生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模鑰匙加工,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于工業(yè)PC和PLC技術(shù)的全自動(dòng)專用數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)分布式的全自動(dòng)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(jī)械手系統(tǒng)、檢測(cè)開關(guān)信號(hào)、通過DIO 接口與主控PC進(jìn)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),專業(yè)化的自動(dòng)控制生產(chǎn)設(shè)備是至關(guān)重要的,智能化自動(dòng)銑齒機(jī)就是其中關(guān)鍵設(shè)備。這種設(shè)備過去從國外進(jìn)口,不但價(jià)格高,而且維護(hù)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(jìn)口設(shè)備的基礎(chǔ)上,研制了具有自身特色的全自動(dòng)數(shù)控銑齒機(jī),并已投入生產(chǎn)運(yùn)行。該系統(tǒng)經(jīng)運(yùn)行實(shí)踐表明,其精度、穩(wěn)定性、效率、使用的方便性等指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,而且整體性能大大超過進(jìn)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(jì)算機(jī)技術(shù)、雙工作臺(tái)雙坐標(biāo)和4 軸雙工作臺(tái)聯(lián)動(dòng)的全自動(dòng)智能化工作方式,同時(shí)應(yīng)用PLC 技術(shù),完全從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)專用自動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)而使用的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)。在該系統(tǒng)研制過程中,運(yùn)用了軟件構(gòu)件技術(shù),使整個(gè)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(gè)設(shè)備由機(jī)械部分、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)幾個(gè)部分構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。機(jī)械部分由主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、系統(tǒng)工作臺(tái)、機(jī)械手、氣動(dòng)系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)、夾具、自動(dòng)去毛刺裝置等部分構(gòu)成。

　　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由1臺(tái)工業(yè)PC、1臺(tái)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在控制軟件的操縱下,控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn),并主要控制2個(gè)工作臺(tái)4個(gè)交流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和加工控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還負(fù)責(zé)向PLC發(fā)出啟動(dòng)運(yùn)行命令,接收PLC發(fā)回的工作狀態(tài)信號(hào),確定整個(gè)系統(tǒng)的控制動(dòng)作。PLC控制系統(tǒng)由PLC控制器和10個(gè)微型氣缸構(gòu)成的機(jī)械手控制系統(tǒng)及自動(dòng)送料系統(tǒng)。PLC同時(shí)檢測(cè)操作面板的狀態(tài),并將工作狀態(tài)信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)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(tái)的同時(shí)也將第一工作臺(tái)的加工件取出送入第二工作臺(tái),并將第二工作臺(tái)的加工件取出送入自動(dòng)去毛刺裝置,每個(gè)控制循環(huán)都完成一個(gè)工件的加工。另外,系統(tǒng)還有極限位置檢測(cè)傳感器,防止工作臺(tái)的異常動(dòng)作導(dǎo)致“打刀”。位置傳感器信號(hào)由PLC 采集并將信號(hào)傳給主控計(jì)算機(jī)處理。

　　1.1 PLC控制機(jī)械手自動(dòng)送料

　　PLC 具有可靠性高、易于控制等優(yōu)點(diǎn),特別適合多點(diǎn)開關(guān)量的測(cè)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(fù)責(zé)機(jī)械手的控制、操作面板信號(hào)采集、限位傳感器信號(hào)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(jī)械手系統(tǒng)由10 臺(tái)氣缸組成,完成供料、換位、定位、出料、去毛刺等一系列工序動(dòng)作。各個(gè)氣缸上均設(shè)有位置檢測(cè)開關(guān),氣缸到位即發(fā)出到位信號(hào)。可編程序控制器與主機(jī)相配合,管理系統(tǒng)中的各個(gè)開關(guān)量,操作機(jī)械手工作。

　　PLC控制自動(dòng)送料的機(jī)械手,并接收限位傳感器信號(hào),將機(jī)械手工作狀態(tài)送到控制主機(jī),并由主機(jī)控制系統(tǒng)有序地進(jìn)行工作。設(shè)備的啟動(dòng)/ 停止等操作面板的操作信號(hào)傳至PLC,由PLC將信號(hào)送至控制主機(jī)。主控計(jì)算機(jī)可以和PLC并行運(yùn)行,在PLC控制機(jī)械手自動(dòng)送加工工件到工作臺(tái)期間,主機(jī)可進(jìn)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(jìn)行產(chǎn)品動(dòng)態(tài)圖形顯示。待機(jī)械手完成動(dòng)作后,發(fā)一個(gè)信號(hào)到主控計(jì)算機(jī),主控計(jì)算機(jī)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī),進(jìn)入切削加工控制,此間PLC控制機(jī)械手回位。當(dāng)一個(gè)加工周期完成,主機(jī)向PLC發(fā)一個(gè)加工完成信號(hào), PLC控制機(jī)械手進(jìn)行換件操作,主控計(jì)算機(jī)又進(jìn)入下一個(gè)工件的數(shù)據(jù)變換處理。當(dāng)操作員按下“停止”按鈕,PLC將會(huì)繼續(xù)控制機(jī)械手完成最后工件的加工,同時(shí)將此信號(hào)發(fā)送到主控計(jì)算機(jī),主控計(jì)算機(jī)在加工完一個(gè)周期后檢測(cè)到停止信號(hào),進(jìn)行結(jié)束處理,再做兩個(gè)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(dāng)PLC 自動(dòng)送料完成時(shí),數(shù)據(jù)處理也已經(jīng)完成,主機(jī)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(dòng)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(gè)工作臺(tái)同時(shí)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(tái)按加工曲線的要求運(yùn)動(dòng),4 臺(tái)交流伺服電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)工作臺(tái)。工作臺(tái)位置由伺服電動(dòng)機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)。

　　在銑齒過程中,由雙工作臺(tái)雙聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)完成插補(bǔ)計(jì)算并控制兩套獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng),兩個(gè)加工工作臺(tái)分別在兩個(gè)坐標(biāo)上同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),使工件的兩個(gè)加工面同時(shí)進(jìn)行切削或移動(dòng),進(jìn)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(jì)了補(bǔ)償功能對(duì)定位精度進(jìn)行補(bǔ)償。由于在軟件上進(jìn)行兩個(gè)工作臺(tái)的分別補(bǔ)償。專門設(shè)計(jì)了誤差參數(shù)設(shè)置模塊,可分別設(shè)置兩個(gè)工作臺(tái)的誤差補(bǔ)償參數(shù),使加工精度的補(bǔ)償十分靈活,并容易控制。

　　1.3 控制主機(jī)及接口

　　交流伺服系統(tǒng)位置信號(hào)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(jì)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(qiáng),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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器以及PLC接口連接,實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊連接,也實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制。

2 主控軟件的實(shí)現(xiàn)

　　整個(gè)系統(tǒng)的軟件采用Borland C + + 與匯編語言聯(lián)合設(shè)計(jì)而成。采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)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(shí)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(tái)的控制軟件構(gòu)件(單獨(dú)采用匯編語言編制) 。整個(gè)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(jì)了動(dòng)態(tài)適時(shí)監(jiān)視模塊,可動(dòng)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(dòng)機(jī)模型,如圖2 所示。圖中各狀態(tài)動(dòng)作定義如下:

　　狀態(tài)0 :作初始準(zhǔn)備。

　　狀態(tài)1 :主控制計(jì)算機(jī)向PLC 發(fā)送ZGX(就緒) 信號(hào)。

　　狀態(tài)2 :檢測(cè)PLC 狀態(tài)信號(hào),檢測(cè)到“急停”信號(hào)進(jìn)入狀態(tài)13 ,檢測(cè)到信號(hào)SLW 進(jìn)入狀態(tài)3 ,檢測(cè)到“停止”信號(hào)轉(zhuǎn)入狀態(tài)6 。

　　狀態(tài)3 :主控計(jì)算機(jī)向PLC 發(fā)XDW 信號(hào),并進(jìn)行數(shù)據(jù)變換處理,此時(shí)PLC 控制機(jī)械手換件。

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

　　狀態(tài)5 :主控計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行銑齒加工。

　　狀態(tài)6 : 銑齒加工完成,若加工模塊返回錯(cuò)誤信息,進(jìn)入狀態(tài)9 ,檢測(cè)到“停止”信號(hào),進(jìn)入狀態(tài)8 。

　　狀態(tài)7 :進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)和換件處理,若計(jì)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(jìn)行正常結(jié)束處理。

　　狀態(tài)9 :進(jìn)行錯(cuò)誤報(bào)警提示和結(jié)束處理。

　　狀態(tài)10 :主控計(jì)算機(jī)向PLC 發(fā)XCS 信號(hào)。

　　狀態(tài)11 :計(jì)數(shù)結(jié)束,進(jìn)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(tái)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(gè)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(shí)刷新對(duì)控制系統(tǒng)中斷控制帶來的干擾,在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中采用這種方法效果是很好的。

　　整個(gè)控制軟件的調(diào)試采用脫機(jī)調(diào)試,保證最大限度地用正確的軟件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試,采用了模擬運(yùn)行技術(shù)代替真實(shí)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(jì)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(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理,專門設(shè)計(jì)了一個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),通過該系統(tǒng)實(shí)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(dú)運(yùn)行。

　　2.2 圖形窗口管理實(shí)現(xiàn)

　　整個(gè)人機(jī)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(jì)了一個(gè)用于管理圖形窗口的構(gòu)件,并定義了相關(guān)對(duì)象。對(duì)于一個(gè)窗口,由于用于保存其顯示緩存的存儲(chǔ)空間可能很大,因此用一個(gè)單鏈表來存儲(chǔ)一個(gè)窗口的存儲(chǔ),一個(gè)大的窗口被分為多個(gè)子窗口,每個(gè)子窗口存儲(chǔ)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)中。這樣,保證每個(gè)子窗口大小在一個(gè)適當(dāng)?shù)某叽纭．?dāng)一個(gè)窗口被釋放,則將其占用的存儲(chǔ)空間釋放。

　　2.3 主控軟件與加工控制模塊的接口技術(shù)

　　對(duì)于雙工作臺(tái)4 個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和加工控制,由一個(gè)專門用匯編語言設(shè)計(jì)的模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊根據(jù)主控軟件送來的一組控制數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。該模塊根據(jù)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng),實(shí)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(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的一系列坐標(biāo)參數(shù)。這些坐標(biāo)參數(shù)以下述格式傳送給驅(qū)動(dòng)模塊:(Δx1 ,Δy1 ) , (Δx2 ,Δy2 ) , (Δx3 ,Δy3 ) , ??, (Δx n ,Δyn) , (0 ,0) 。每個(gè)工作臺(tái)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(bǔ)償參數(shù)(刀尖補(bǔ)償、位置誤差補(bǔ)償?shù)? 計(jì)算到參數(shù)中,因此, 加工控制模塊不必再進(jìn)行補(bǔ)償處理,只須按照給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。這組數(shù)據(jù)是按照電動(dòng)機(jī)的步距進(jìn)行計(jì)算的。其單位是2/ 400mm。為了使兩個(gè)工作臺(tái)獨(dú)立進(jìn)行誤差補(bǔ)償,分別設(shè)置了兩個(gè)緩沖區(qū),每個(gè)緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)工作臺(tái)。這就使得每個(gè)工作臺(tái)按自己的控制參數(shù)進(jìn)行運(yùn)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(shí)性和可靠性要求很高,而且要求系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(tái)進(jìn)行開發(fā)的。該系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)運(yùn)行,實(shí)踐證明各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,目前已替代了進(jìn)口設(shè)備,為生產(chǎn)企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。非標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(jìn)度,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。