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基於雲製造的數控機床自動化生產係統設計

2021-6-7 來源：南昌大學科學技術學（xué）院作者：羅永洪，胡小兵

摘要：傳（chuán）統的數控機床存（cún）在自動化程度（dù）差、係統（tǒng）集成度低的問題，為（wéi）了提高數控機床的信息資（zī）源自動化程（chéng）度，文中設計資源元數據（jù）粒度模型，剔除了機床生產（chǎn）中的冗餘（yú）信息並提高其（qí）控製效率。針對解決數控機床控製（zhì）難以集成的問題，文中設計基於軟 PLC 的數控機床控製方案。通（tōng）過硬件與（yǔ）軟件分離技術提（tí）高自動控製係統的可移植性，實現雲端上位機的集中控製。為了驗證該方案的可行性，文中建立基於（yú）三軸作動器（qì）的數控機床驗證平台，相（xiàng）比於兩種傳（chuán）統方案，該方案耗時減少了50%，能耗更低，且準確性提高了 12% 以上。

關鍵詞：數控機床；自動化生產；係統設計；雲製造；粒度模型；自動控製

0 引言

傳統數控機床在生產（chǎn）上仍較大程度地依賴於人（rén）的參（cān）與程度，主要是通過人為設定控製器與（yǔ）主軸裝置（zhì）並驅動（dòng）機（jī）床的作動器與電機（jī）來（lái）完成。而嵌入式數控機（jī）床在（zài）正常工作時，隻能控製驅（qū）動裝置與（yǔ）主軸，不能（néng）控製液壓冷卻係統等輔助裝置（zhì），從而大幅降（jiàng）低了數控機床生產（chǎn）係統的（de）自動化水平。在雲製造技術蓬勃發展的背景下，通信頻帶大幅拓寬，且控製延時顯著降低。本文基於雲製造技術，使用（yòng）軟 PLC 設計的（de）方法設計了一套數（shù）控車床自動生產方案。通過雲端上位機的開發環境更改數控機床的相關配置，從而達到自動化生產（chǎn）的目的。

1 、數控機床控（kòng）製（zhì）結構建模

由於粒度結構具有可拓展且便於分解的（de）特點，能夠精確地（dì）分析（xī）車床的（de）信息資源，且準確檢測元數據（jù）的相關信息。因此，可以對車床控製係統建（jiàn）立其元（yuán）數據粒度結構模（mó）型，如下所述。

1.1 粒度結構建模

定義三元組（X，F，T）表征車床資源的元數據：元數（shù）據集合為 X；數據間映射集合為 F；歐氏空間中的元數據集合為 Y；粒度結（jié）構為 T，用於描述數據（jù）粒度間的關係。對於車（chē）床元數據粒度結（jié）構模型，分析器的元（yuán）數據（jù）對象與特征信息（xī）處理步驟如下：

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

2）定義（yì）數控機床的（de）信息製造元數的特征映射體係F（R）。通過對其表征的（de）信息資源數據對象與生產周期中映（yìng）射關係的研究，對於主要特征（zhēng）的加工（gōng）進行處理，從而獲取資源數據對象的主要特征。

3）定義數控機床的資源元（yuán）數據特征集合{ C1,C2,…,Ck,…,Ckn}。其中，Ck 代表元數（shù）據集合 R 所對應的對象 Rij，Ckn代表元數（shù）據對象的具體特征。該數據通（tōng）過生產過程中的各種映射關係被（bèi）獲取，是元數（shù）據各項指標的集中檢測。

通過對數控機床信息資源的精準（zhǔn）建模，采集關於數控機床的所有信息。但（dàn）由於采集到的信息存在冗餘重複現象，故依據實際情況對數控機床製造信息資源內部信息數據進（jìn）行關聯。定義 OEM：Xg→< Rg，其中，第 g粒度層元數據定義為 Rg，數控機床采集到的相關信息（xī）表示（shì）為（wéi） xR。g=1 時，R1= { R1,R2,…,Rm}。通過對於粒度模型的建立，有效篩（shāi）選掉數（shù）控（kòng）機床的製造（zào）信息模型並建立自動化控（kòng）製模型，如下：

式中，X 為數控機床（chuáng）數據中的信息平均值（zhí）。當采（cǎi）集到的數（shù）控機床數據量大於閾值（zhí） X 時，模型記錄本機采樣值；否（fǒu）則，輸出上一粒度層次的元數據記錄 Rg - 1。

2 、基於 PLC 的控製係統設計

本次設計使用軟 PLC 係統（tǒng）與硬件獨立的策（cè）略，提高了軟件設計在不同程序（xù）間的複用率（lǜ），降低了係（xì）統集成成本。在設計時，使用成熟的通信（xìn）協議建立模塊式架構與非線性控製的控製係統。控製係統中使（shǐ）用共享交互內存機製（zhì），在對 CNC 執行器發送指令的周期內，同步硬件的信息交換與中央處理單元的數（shù）據，進而（ér）達到控製係統（tǒng）全局數據更新（xīn）的目的。通過對 CNC 嵌入式電路（lù）中的物理（lǐ）與邏輯地（dì）址序列進行依次比對，然後逐一計算出（chū）數據矩陣中輸入/輸（shū）出端（duān）口的各項配置參數。在前期開發設備時，對（duì）硬件進行（háng）確認；在雲製造環（huán）境下，高速工（gōng）業網（wǎng）絡（luò）選擇具有唯一 ID的模塊。PLC 輸入/輸出配置結構如圖（tú） 1 所示。

圖 1 PLC 配置結構

係統的運作流程如下：

1）對連接到（dào） CNC 係統的所有（yǒu） PLC 及周邊設（shè）備進行初始化，各設備發送包含製造商信息與（yǔ）產品型號的初始化數據（jù）至（zhì）控製係統核心的程序啟動模塊。

2）將上述信息轉換為（wéi）矩陣形式，輸入/輸出設備組由通信（xìn）模塊與內部總線組成。物理信號在輸（shū）入槽轉換為邏輯信號（hào），邏輯信號（hào）在後續運行中進入軟（ruǎn）件控製的共享存儲單（dān）元與數據處理器中。

3）計算硬件配（pèi）置。假定任意模塊 i 的第 j 個插槽存（cún）儲器存在一個數據包（bāo），對任意第 i 個模塊所有（yǒu）插槽共享儲存單元數據量( S)Di的計算公式如下：

對於任意（yì）模塊 i，存儲區域的偏移量( O)Di為之前按模塊 i-1 個數（shù）據包（bāo）偏移量的總和（hé）。任意字節偏移量計算公式為：

對於任意插槽 j，相對於數據模塊（kuài） i 的初始字節偏移（yí）量（0s）ij計算（suàn）公式為：

計算式（3）與式（4）之和的初始字節總數（shù） Nij =( OD)i +( SD）i。

4）建立插槽每個字節與插槽數據包間（jiān）的（de）邏輯地址關聯性。Ixy與 Qxy分別表示輸入變量池和輸出變量池中字節 X 的第 Y 位；IBx與 QBx分別表示（shì）輸入和輸出變量區（qū）域（yù）的字（zì）節數 X ( B)x。在（zài）控製程序設計方案中（zhōng），對於基於模塊類型的輸入/輸出假設是合理且（qiě）可執行的。在軟 PLC編譯中可執行代（dài）碼並不綁定至特定平台，而是在執行時以 XML可擴展語（yǔ）言的形式介（jiè）入硬（yìng）件間的通（tōng）信協議。

3 、實驗驗證

本文基於 PLC 的機床自（zì）動生（shēng）產平台在嵌入式（shì） Linux係統的基礎上搭建。Linux 係（xì）統中使用 CODESYS 開發環境，CNC 硬件主板為 OK335x S 開發（fā）板，數控機床從站為 3 組 Omron 伺服驅動器，通信總線使用 Mod Bus 協議。人機交互係統 GUI 如圖 2 所示。在係統 GUI 中，能夠實現對配置文件的操作，右側窗口可（kě）以對三軸伺服係統的狀（zhuàng）態進行實時監控。

圖 2 CNC 係（xì）統 GUI

係統硬件的控（kòng）製係統如（rú）圖 3 所示。所用的主軸異步電機實物如圖 4 所示。

圖 3 係統控製結構

圖 4 主軸異步電機實物

驗證 CNC 自動控（kòng）製係統各項性（xìng）能，在雲端控製器的 CNC 編輯器中（zhōng）建立相應的（de） PLC 代（dài）碼。生成代碼後，通過（guò）編譯形成伺服係統控製器的執行代碼，上傳至（zhì）車床PLC 係統運行測試，其結果如（rú）表（biǎo） 1 所示。

表 1 PLC 運行參數

為（wéi）了對數控機床的信息（xī）資源可靠（kào）性進行檢（jiǎn）測，分別從檢測準（zhǔn）確性、檢測時間與能量消耗方麵對本機床係（xì）統與常用的兩種方案進行測試，結果如表 2 所示。

表（biǎo） 2 自動化機床係統對比

表 2 中，數控機床（chuáng）係統中的能（néng）量消耗定義為：

式中：s 為製造資源個數（shù）；j 為單位製造所需的能量消耗。分析表 2 可知，本文方案在準（zhǔn）確（què）性上優於 Mt Connect 方案 12%，優於 HMM 方案 28.1%；製造用時低於兩種常（cháng）用方案 50%；能量消耗（hào）上低於（yú） Mt Connect 方案 5%，低於HMM 方（fāng）案 35.6%。因此能夠證明本數控機床自（zì）動化生產係統的優越性。

4 、結（jié）語

本文首先建立基於粒度結構的數控機床信息資源自（zì）動化（huà）檢測方案。通過對元數據的分析建立數控機（jī）床的（de）結構模（mó）型，剔除冗餘信息並建立完整的自動化檢測係統。同時在（zài）此基礎上，建立硬件與控製相（xiàng）獨立的 PLC 自動控（kòng）製係統。通過硬件配置 XML 的方案，將控製程序與嵌入式硬件分離，提高調用（yòng）複用效率。經實驗證明，本數控機床自動化生產係統的可行性較高，相比於（yú）兩種常用方（fāng）法具有耗時少、耗能低且準確性高的特點（diǎn）。

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