0 引言

　　數(shù)控技術(shù)作為二十一世紀(jì)普遍推廣的嶄新生產(chǎn)制造方式,將對(duì)提高生產(chǎn)模式效率,保證加工精度產(chǎn)生重大影響。將會(huì)大大提高企業(yè)形象,增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)隨著數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是工控機(jī)的廣泛應(yīng)用和開放體系結(jié)構(gòu)的提出,使得大型卷板設(shè)備數(shù)控化成為可能。本文結(jié)合17000kN3000mm上輥萬(wàn)能式卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研制與開發(fā),提出了大型卷板設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以及其中各種技術(shù)問(wèn)題的解決。

1 數(shù)控卷板機(jī)的基本構(gòu)成

　　17000kN×3000mm上輥萬(wàn)能式卷板機(jī)是國(guó)內(nèi)第一重型機(jī)器廠1994年產(chǎn)品。為仿日本機(jī)型,如圖1。其下輥為固定間距;上輥為萬(wàn)能式,可實(shí)現(xiàn)上下及前后位移,上輥上下位移由液壓缸驅(qū)動(dòng),前后位移由電機(jī)驅(qū)動(dòng),回轉(zhuǎn)也由電機(jī)驅(qū)動(dòng),具備數(shù)字控制的整機(jī)條件。

圖1

　　卷板是用卷板機(jī)對(duì)板料進(jìn)行連續(xù)三點(diǎn)彎曲的過(guò)程。按卷制溫度不同可分為冷卷、熱卷及溫卷。按卷制曲面的形狀不同可分為單曲面卷制(如圓柱面、圓錐面等)及雙曲卷制(如球面、雙曲面)。其卷板工藝過(guò)程為:預(yù)彎、對(duì)中、卷圓、矯圓。從其整個(gè)工藝過(guò)程可以看出,需要數(shù)控系統(tǒng)完成的功能包括:(1)根據(jù)操作人員輸入的卷板尺寸和板材材質(zhì)參數(shù),計(jì)算機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件在不同卷制階段的理論位移量;(2)根據(jù)理論計(jì)算,控制上輥旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、橫向移動(dòng)電機(jī)和升降油缸控制閥協(xié)調(diào)工作,自動(dòng)完成卷板全過(guò)程。

2 卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是開放式數(shù)控系統(tǒng),為了便于開發(fā)遵循了如下原則:

　　(1)采用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù):開放式CNC系統(tǒng)通常采用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)來(lái)解決因總線定義不同所帶來(lái)的硬件不能公用問(wèn)題,該數(shù)控系統(tǒng)采用ISA總線。

　　(2)最大限度地利用PC硬件技術(shù):PC是實(shí)現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)比較現(xiàn)實(shí)的途徑,PC從生產(chǎn)到現(xiàn)在其可靠性和計(jì)算能力飛速增長(zhǎng)。

　　(3)開放式、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì):開放式CNC系統(tǒng)的各組件采用模塊化設(shè)計(jì)。一般而言,典型的CNC系統(tǒng)應(yīng)包括以下模塊:運(yùn)動(dòng)控制模塊、PLC模塊、基本輸入輸出模塊、通訊模塊等,其中運(yùn)動(dòng)控制模塊和PLC模塊對(duì)CNC裝置而言是必不可少的。運(yùn)動(dòng)控制模塊是獨(dú)立完成運(yùn)動(dòng)功能的模塊,是硬件和軟件的集合體,控制目標(biāo)是速度、位置及轉(zhuǎn)矩,該控制系統(tǒng)無(wú)伺服電機(jī),這里主要應(yīng)用其位置控制功能,而PLC本系統(tǒng)采用內(nèi)置式。

　　(4)層次化:該系統(tǒng)采用層次化CNC系統(tǒng)思想,即PC工控機(jī)的CPU作為核心管理者,完成對(duì)底層設(shè)備的管理和宏觀控制。而卷板機(jī)的位置控制、PLC控制由PMAC的專用CPU來(lái)控制。根據(jù)以上硬件設(shè)計(jì)原則,結(jié)合卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了一種以PMAC運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心,工控機(jī)為系統(tǒng)支撐單元的雙CPU開放式數(shù)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　其中工控機(jī)的CPU作為系統(tǒng)的主處理器,主要完成系統(tǒng)的管理、人機(jī)交互動(dòng)態(tài)顯示、預(yù)處理、參考計(jì)算及圖像處理。

　　在卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中,采用DPRAM作為主機(jī)和PMAC之間的通訊橋梁,DPRAM是PMAC的備選件。用于PMAC和主機(jī)之間的高速重復(fù)不需“握手”的數(shù)據(jù)通訊,DPRAM為主機(jī)和PMAC之間的可以共享的高速內(nèi)存區(qū)。利用DPRAM,主機(jī)與PMAC之間可以實(shí)時(shí)方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。例如,主機(jī)可以將位置、速度信息實(shí)時(shí)地發(fā)送到PMAC,由PMAC進(jìn)行位置控制;同時(shí),主機(jī)還可以讀取PMAC存放在DPRAM中的機(jī)床狀態(tài)信息。

3 PMAC模塊

　　PMAC(Programmable Multiple-Axes Controller)可編程多軸控制器是美國(guó)DELTA TAU DATA SYSTEM公司推出的完全開放體系結(jié)構(gòu),在PC及平臺(tái)上運(yùn)行的控制器。該控制器自帶高速CPU,并提供快捷的可視化開發(fā)平臺(tái),是眾多控制器中性能比較優(yōu)越的控制器之一?，F(xiàn)在PMAC已經(jīng)發(fā)展到了第五代。PMAC運(yùn)動(dòng)控制器功能強(qiáng)大,他集成了位控板、PLC、I/O板等多個(gè)模塊功能,CNC系統(tǒng)底層的實(shí)時(shí)任務(wù)大多由PMAC來(lái)完成,CNC系統(tǒng)的接口也都是圍繞PMAC來(lái)設(shè)計(jì)的。PMAC借助于Motorola的DSP56001/56002數(shù)字信號(hào)處理器,可以同時(shí)操縱18個(gè)軸。它可以單獨(dú)執(zhí)行存儲(chǔ)于其內(nèi)部的程序,也可以執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序,其與主機(jī)之間可以通過(guò)RS-332/RS-422串行數(shù)據(jù)口通訊,也可以通過(guò)總線通訊。PMAC還可以自動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別,從而進(jìn)行實(shí)時(shí)的多任務(wù)處理,這一功能使得它在處理時(shí)間和任務(wù)切換這兩方面大大減輕主機(jī)和編程器的負(fù)擔(dān),提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。

　　本文提出的是以PMAC運(yùn)動(dòng)控制器作為CNC模塊,工控機(jī)系統(tǒng)為系統(tǒng)支撐單元的雙CPU數(shù)控系統(tǒng),可以進(jìn)行人機(jī)接口和非實(shí)時(shí)控制部件的定制和參數(shù)化及實(shí)時(shí)控制部件參數(shù)化,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)級(jí)別的開放度。選擇PMAC作為運(yùn)動(dòng)控制器出于三方面考慮:第一,PMAC自帶高速CPU,可以用其構(gòu)成上下位機(jī)的體系,將部分運(yùn)算工作放在下位機(jī),緩解主CPU的壓力,保證可靠的實(shí)時(shí)控制;第二,系統(tǒng)需要控制多個(gè)開關(guān)量。PMAC不僅帶有標(biāo)準(zhǔn)I/O接口,而且還集成了PLC,恰好滿足了控制需要。這樣就避免了單獨(dú)配置PLC和I/O接口,從而提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性;第三,PMAC的開發(fā)界面友好,它所提供的PWIN編程工具完全在Windows環(huán)境運(yùn)行,編輯修改非常容易。更為突出的是它的EPROM擦寫功能,可以很方便地將PLC程序?qū)懭隕PROM,最大限度地提高開發(fā)效率。

4 卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　卷板工藝的重復(fù)性和不確定性,以及生產(chǎn)環(huán)境的惡劣性,使得我們不能單從控制的角度考慮設(shè)計(jì)方案,因此必須附加一些其他數(shù)控系統(tǒng)所不具備的特殊功能,因而本系統(tǒng)采用了開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),所構(gòu)成的系統(tǒng)總體方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體方案

　　系統(tǒng)以多軸控制器為核心,以工控機(jī)為平臺(tái),構(gòu)成上下位機(jī)分層遞階控制框架。工控機(jī)作為上位機(jī),負(fù)責(zé)各種資源管理,對(duì)下位機(jī)的程序調(diào)度與控制、與下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊,以及人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn);多軸控制器作為下位機(jī),完成對(duì)卷板機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的位置控制和各種輔助操作的動(dòng)作控制,系統(tǒng)其他配置均采用標(biāo)準(zhǔn)模塊的嵌入形式。這種設(shè)計(jì)方案充分兼顧了控制系統(tǒng)的可靠性、高效性,便于軟件系統(tǒng)開發(fā),易于與設(shè)備集成,乃至維護(hù)和升級(jí)等多方面的考慮。其優(yōu)越性已在實(shí)踐中得到證實(shí)。

　　開放式數(shù)控系統(tǒng),硬件大多是成熟的模塊化單元,更多的工作是軟件系統(tǒng)的開發(fā)。本文的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法,由于它具備封裝性和繼承性,以及消息驅(qū)動(dòng)等一系列特性,使得系統(tǒng)的模塊清晰,組裝、維護(hù)方便,可擴(kuò)充性、可重組性強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)概念模型、邏輯模型和物理模型的統(tǒng)一。

　　遵照面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的主導(dǎo)思想,系統(tǒng)設(shè)計(jì)成若干個(gè)對(duì)象模塊的有機(jī)組合。宏觀上看系統(tǒng)分為系統(tǒng)層、應(yīng)用層和物理層三個(gè)層面,如圖4所示系統(tǒng)主要解決IPC與PMAC,FlyVideo繼承的一系列技術(shù)問(wèn)題,因?yàn)镻MAC有自己的CPU和RAM,還有EPROM;FlyVideo也有自己的RAM和相應(yīng)的運(yùn)算器,而PMAC和FlyVideo都是以總線方式與IPC相連,IPC要將這些資源和自身資源集成到一起,形成完整的控制系統(tǒng),必須有有效的集成手段。應(yīng)用層是系統(tǒng)的主體部分,由若干個(gè)功能模塊組成。在系統(tǒng)層的支持下,各功能模塊獨(dú)立完成一部分任務(wù),從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所有控制目標(biāo)。物理層是與物理空間相對(duì)應(yīng)的機(jī)制,由若干和存儲(chǔ)文件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成,用來(lái)滿足人機(jī)交互和訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的需求。

圖4 系統(tǒng)功能模塊

5 單元的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　(1)系統(tǒng)控制時(shí)鐘:系統(tǒng)控制時(shí)鐘主要是從保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的角度,周期掃描下位機(jī)I/O口、視頻信號(hào)狀態(tài),以及中斷請(qǐng)求信息,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊;獲取運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)當(dāng)前值;動(dòng)態(tài)管理數(shù)據(jù)庫(kù);在線決策程序進(jìn)程等。此模塊由標(biāo)準(zhǔn)控件“Timer”實(shí)現(xiàn)。為了提高可靠性,系統(tǒng)采用單時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。時(shí)鐘掃描周期80ms。

　　(2)上位機(jī)與下位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊:上位機(jī)與下位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊是利用DELTA TAU DATA SYSTEM公司提供的與PMAC相配套的PtalkDT類實(shí)現(xiàn)的。PtalkDT類通過(guò)添加ActiveX的方式加以實(shí)例化,并由其中的GetResponse()方法完成雙向通訊。上位機(jī)與下位機(jī)通訊的速度取決于主計(jì)算機(jī)的主頻、PMAC CPU的速度,以及系統(tǒng)程序和下位機(jī)控制程序的大小。

　　(3)視頻顯示功能集成:視頻信號(hào)的處理及圖像顯示控制是通過(guò)對(duì)視頻卡的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。FlyVideo視頻卡提供了OCX標(biāo)準(zhǔn)控件Capwnd與應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行集成。該控件的16個(gè)主要方法和7個(gè)屬性,由MFC42.DLL和MSVCRT.DLL兩個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)支持,借助這兩個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)支持,系統(tǒng)開發(fā)了Overlay和Peview兩種圖像顯示模式,以方便現(xiàn)場(chǎng)的不同要求。

　　(4)系統(tǒng)抗沖擊能力:大型卷板設(shè)備工作環(huán)境惡劣,尤其是電網(wǎng)電壓極不穩(wěn)定,很容易沖擊數(shù)控系統(tǒng),造成死機(jī)。其結(jié)果輕則產(chǎn)品報(bào)廢,重則損壞設(shè)備,損失難以估量。為了防止數(shù)控系統(tǒng)因電源干擾而產(chǎn)生控制失誤,系統(tǒng)專門配置了響應(yīng)速度小于0.1ms的在線不間斷穩(wěn)壓電源。除此之外,系統(tǒng)還在軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行了必要的處理,為每個(gè)動(dòng)作編制了濾波程序。

6 結(jié)論

　　該數(shù)控系統(tǒng)以通用工控機(jī)為基礎(chǔ),采用功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器PMAC完成對(duì)卷板機(jī)與參數(shù)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)部件的位置控制和各種輔助操作的動(dòng)作控制,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)級(jí)別的開放度,使得數(shù)控系統(tǒng)具有比專用數(shù)控系統(tǒng)更好的人機(jī)交互能力和上層應(yīng)用系統(tǒng)集成能力,便于生產(chǎn)廠家和用戶對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行定制與參數(shù)調(diào)節(jié),使系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性。該系統(tǒng)用在17000kN×3000mm上輥萬(wàn)能式卷板機(jī)上,取得了良好的效果。