羅永洪 胡小兵

摘? 要： 傳統(tǒng)的數(shù)控機床存在自動化程度差、系統(tǒng)集成度低的問題，為了提高數(shù)控機床的信息資源自動化程度，文中設(shè)計資源元數(shù)據(jù)粒度模型，剔除了機床生產(chǎn)中的冗余信息并提高其控制效率。針對解決數(shù)控機床控制難以集成的問題，文中設(shè)計基于軟PLC的數(shù)控機床控制方案。通過硬件與軟件分離技術(shù)提高自動控制系統(tǒng)的可移植性，實現(xiàn)云端上位機的集中控制。為了驗證該方案的可行性，文中建立基于三軸作動器的數(shù)控機床驗證平臺，相比于兩種傳統(tǒng)方案，該方案耗時減少了50%，能耗更低，且準(zhǔn)確性提高了12%以上。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機床; 自動化生產(chǎn); 系統(tǒng)設(shè)計; 云制造; 粒度模型; 自動控制

中圖分類號： TN876?34; TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）22?0181?03

Abstract： The traditional CNC machine tools have low automation and low system integration. In order to improve the degree of automation of information resources of CNC machine tools， a granular model of resource metadata is designed to eliminate the redundant information in the process of machine tool manufacturing and improve the control efficiency. A soft PLC?based CNC machine tool control scheme is designed to solve the problem of difficult integration of CNC machine tool control. The portability of the automatic control system is improved by means of the hardware and software separation technology to achieve the centralized control of the upper computer in the clouds. A three?axis actuator?based CNC machine tool verification platform is established to verify the feasibility of the scheme. The results show that， in comparison with the two traditional solutions， the time consumption of this solution is reduced by 50%， the energy consumption is lower， and the accuracy is improved by more than 12%.

Keywords： CNC machine tools; automatic production; system design; cloud manufacturing; granularity model; automatic control

0? 引? 言

傳統(tǒng)數(shù)控機床[1]在生產(chǎn)上仍較大程度地依賴于人的參與程度，主要是通過人為設(shè)定控制器與主軸裝置并驅(qū)動機床的作動器與電機來完成。而嵌入式數(shù)控機床在正常工作時，只能控制驅(qū)動裝置與主軸，不能控制液壓冷卻系統(tǒng)等輔助裝置，從而大幅降低了數(shù)控機床生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化水平。

在云制造[2]技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，通信頻帶[3]大幅拓寬，且控制延時[4]顯著降低。本文基于云制造技術(shù)，使用軟PLC設(shè)計的方法[5]設(shè)計了一套數(shù)控車床自動生產(chǎn)方案。通過云端上位機的開發(fā)環(huán)境更改數(shù)控機床的相關(guān)配置，從而達到自動化生產(chǎn)的目的。

1? 數(shù)控機床控制結(jié)構(gòu)建模

由于粒度結(jié)構(gòu)[6]具有可拓展且便于分解的特點，能夠精確地分析車床的信息資源，且準(zhǔn)確檢測元數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。因此，可以對車床控制系統(tǒng)建立其元數(shù)據(jù)粒度結(jié)構(gòu)模型，如下所述。

1.1? 粒度結(jié)構(gòu)建模

定義三元組（X，F(xiàn)，T）表征車床資源的元數(shù)據(jù)：元數(shù)據(jù)集合為X;數(shù)據(jù)間映射集合為F;歐氏空間中的元數(shù)據(jù)集合為Y;粒度結(jié)構(gòu)為T，用于描述數(shù)據(jù)粒度間的關(guān)系。

對于車床元數(shù)據(jù)粒度結(jié)構(gòu)模型，分析器的元數(shù)據(jù)對象與特征信息處理步驟如下：

1） 獲取數(shù)控機床的制造信息中所包含的元數(shù)據(jù)對象及其特征信息[7]。其中，R代表元數(shù)據(jù)對象集合;[Ri]為資源類型，包括產(chǎn)品、人力與管理資源;[Rij]代表不同類型中含有的資源對象。

2） 定義數(shù)控機床的信息制造元數(shù)的特征映射體系F（R）。通過對其表征的信息資源數(shù)據(jù)對象與生產(chǎn)周期中映射關(guān)系的研究，對于主要特征的加工進行處理，從而獲取資源數(shù)據(jù)對象的主要特征。

3） 定義數(shù)控機床的資源元數(shù)據(jù)特征集合[{C1，C2，…，Ck，…，Ckn}]。其中，[Ck]代表元數(shù)據(jù)集合R所對應(yīng)的對象[Rij]，[Ckn]代表元數(shù)據(jù)對象的具體特征。該數(shù)據(jù)通過生產(chǎn)過程中的各種映射關(guān)系被獲取，是元數(shù)據(jù)各項指標(biāo)的集中檢測。

建立基于元數(shù)據(jù)對象的特征組織結(jié)構(gòu)，其具體步驟如下：

1） G（C）表示制造元數(shù)據(jù)的特征組織結(jié)構(gòu);[G1（1）]表示編碼形式，表征元數(shù)據(jù)編碼[8]的特征組合形式;[G2（2）]表示車床控制系統(tǒng)的特征組合形式;

2） 定義所有元數(shù)據(jù)的特征組合形式集合[{Gi（Gij）}]，根據(jù)組織結(jié)構(gòu)對[Ckn]組合進行操作[9]。

1.2? 數(shù)控機床資源自動檢測

通過對數(shù)控機床信息資源的精準(zhǔn)建模，采集關(guān)于數(shù)控機床的所有信息。但由于采集到的信息存在冗余重復(fù)現(xiàn)象，故依據(jù)實際情況對數(shù)控機床制造信息資源內(nèi)部信息數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。定義OEM[10]：[Xg→

2? 基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計

本次設(shè)計使用軟PLC系統(tǒng)與硬件獨立的策略，提高了軟件設(shè)計在不同程序間的復(fù)用率，降低了系統(tǒng)集成成本。在設(shè)計時，使用成熟的通信協(xié)議[11]建立模塊式架構(gòu)與非線性控制的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)中使用共享交互內(nèi)存機制，在對CNC執(zhí)行器發(fā)送指令的周期內(nèi)，同步硬件的信息交換與中央處理單元的數(shù)據(jù)，進而達到控制系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)更新的目的。

通過對CNC嵌入式電路中的物理與邏輯地址序列進行依次比對，然后逐一計算出數(shù)據(jù)矩陣中輸入/輸出端口的各項配置參數(shù)。在前期開發(fā)設(shè)備時，對硬件進行確認(rèn);在云制造環(huán)境下，高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)選擇具有唯一ID的模塊。PLC輸入/輸出配置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的運作流程如下：

1） 對連接到CNC系統(tǒng)的所有PLC及周邊設(shè)備進行初始化，各設(shè)備發(fā)送包含制造商信息與產(chǎn)品型號的初始化數(shù)據(jù)至控制系統(tǒng)核心的程序啟動模塊[12]。

2） 將上述信息轉(zhuǎn)換為矩陣形式，輸入/輸出設(shè)備組由通信模塊與內(nèi)部總線組成。物理信號在輸入槽轉(zhuǎn)換為邏輯信號，邏輯信號在后續(xù)運行中進入軟件控制的共享存儲單元與數(shù)據(jù)處理器中。

3） 計算硬件配置。假定任意模塊i的第j個插槽存儲器存在一個數(shù)據(jù)包[13]，對任意第i個模塊所有插槽共享儲存單元數(shù)據(jù)量[SDi]的計算公式如下：

4） 建立插槽每個字節(jié)與插槽數(shù)據(jù)包間的邏輯地址關(guān)聯(lián)性。[Ixy]與[Qxy]分別表示輸入變量池和輸出變量池中字節(jié)X的第Y位;[IBx]與[QBx]分別表示輸入和輸出變量區(qū)域的字節(jié)數(shù)[XBx]。在控制程序設(shè)計方案中，對于基于模塊類型的輸入/輸出假設(shè)是合理且可執(zhí)行的。在軟PLC編譯中可執(zhí)行代碼并不綁定至特定平臺，而是在執(zhí)行時以XML可擴展語言的形式介入硬件間的通信協(xié)議。

3? 實驗驗證

本文基于PLC的機床自動生產(chǎn)平臺在嵌入式Linux系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建。Linux系統(tǒng)中使用CODESYS開發(fā)環(huán)境，CNC硬件主板為OK335xS開發(fā)板，數(shù)控機床從站為3組Omron伺服驅(qū)動器，通信總線使用ModBus協(xié)議。人機交互系統(tǒng)GUI如圖2所示。在系統(tǒng)GUI中，能夠?qū)崿F(xiàn)對配置文件的操作，右側(cè)窗口可以對三軸伺服系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

4? 結(jié)? 語

本文首先建立基于粒度結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床信息資源自動化檢測方案。通過對元數(shù)據(jù)的分析建立數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)模型，剔除冗余信息并建立完整的自動化檢測系統(tǒng)。同時在此基礎(chǔ)上，建立硬件與控制相獨立的PLC自動控制系統(tǒng)。通過硬件配置XML的方案，將控制程序與嵌入式硬件分離，提高調(diào)用復(fù)用效率。經(jīng)實驗證明，本數(shù)控機床自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的可行性較高，相比于兩種常用方法具有耗時少、耗能低且準(zhǔn)確性高的特點。

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