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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（xué）科學技術學院作者：羅永洪，胡（hú）小兵

摘要：傳統的數控機床存在自動化程（chéng）度差（chà）、係統集（jí）成度低的問（wèn）題，為了提高數控（kòng）機床（chuáng）的信（xìn）息資源自動化程度，文中設計資源元數據粒度模型，剔除了機床生產中的（de）冗餘信息並提高其控製效率。針（zhēn）對解決數控機床控製難以集成的問題，文中設計基於軟 PLC 的數控機床（chuáng）控製方案。通過硬件與軟件分離技術提高自動控製係統（tǒng）的可移植性，實現（xiàn）雲端上位機的集中控製。為了驗證該方案的可行性（xìng），文中建立基於三軸作動器的數控機床驗（yàn）證（zhèng）平台，相比於兩種（zhǒng）傳（chuán）統方案，該方案耗時減（jiǎn）少了50%，能耗更（gèng）低，且準確性提高（gāo）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（dòng）控製

0 引言

傳統數控機（jī）床在生產（chǎn）上仍較大程度地依賴於人的參與程度，主要（yào）是通過人為設定控製器與主軸（zhóu）裝置並驅動機床（chuáng）的作動器與電機來完成。而（ér）嵌入式數控機床在正常工作（zuò）時，隻能控製驅動裝置與主軸，不能控製液壓冷卻係統等輔（fǔ）助裝置，從而大幅降低了數控機床生產係統的自動化水平。在（zài）雲製造技（jì）術蓬勃發展（zhǎn）的背景下，通信（xìn）頻帶大幅拓寬，且控製延（yán）時（shí）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（kòng）車（chē）床自動生產方案。通（tōng）過雲端上位機的開發環境更改數控機（jī）床（chuáng）的相關配（pèi）置，從而（ér）達到自動化生（shēng）產的目的（de）。

1 、數控機（jī）床控製結構建模

由於粒度結構具有可（kě）拓展且便於分解的特（tè）點，能（néng）夠精確地分析車床的信（xìn）息（xī）資源，且準確檢測元（yuán）數據的（de）相關信息（xī）。因此，可以對車床控製係統建立其元數據粒度結（jié）構模型（xíng），如（rú）下所述。

1.1 粒度結構（gòu）建（jiàn）模（mó）

定義三元組（zǔ）（X，F，T）表征車床資源的元（yuán）數據：元數據集合為 X；數據間映射集合為 F；歐氏空間中的元數據集合為 Y；粒度結構為 T，用於描（miáo）述數據粒（lì）度（dù）間（jiān）的關係。對於車床元數據粒度結構（gòu）模型，分析器的元數據對（duì）象與特征信息處理步驟如下：

1）獲取數控機床的製造信息中所包含的元數據對象（xiàng）及其特征信息（xī）。其中，R 代（dài）表（biǎo）元數據對象集合；Ri為資源（yuán）類（lèi）型，包括（kuò）產品、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）。通過對其表征的信息資源數據對象與生產周期中映射關係的研究，對於主要特征的加工（gōng）進行處理，從而獲取資源數（shù）據對象的主要特（tè）征。

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

通過（guò）對數控（kòng）機床信息資源的精準建模，采集關於數控機床的所有信息。但由於（yú）采集到的（de）信息存（cún）在冗餘重複現象（xiàng），故依據實際情（qíng）況對數控機床製造信（xìn）息資源內部信息數據進行關聯。定義 OEM：Xg→< Rg，其中，第 g粒度（dù）層元數據定義為 Rg，數控機床采集到（dào）的相關信息表示（shì）為 xR。g=1 時，R1= { R1,R2,…,Rm}。通（tōng）過對於粒度模型的建立，有效篩選掉數控機床的（de）製造信息模型並建立自動化（huà）控製模型，如下：

式中（zhōng），X 為數（shù）控機床數據中的信息平（píng）均值。當采（cǎi）集到的數控機床數（shù）據量大於閾值 X 時，模型記錄本機采樣值；否則（zé），輸出（chū）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 係統與硬件獨立的策略，提高了軟件設計在不同程序間的複（fù）用（yòng）率，降低了係統（tǒng）集成成本。在設計時，使用成熟的通信協議建（jiàn）立（lì）模塊式架構與非線性控製的控製係統。控製係統中使用（yòng）共享交互內存機製，在對 CNC 執行器發送（sòng）指令的周期內，同步硬件的信息交換與中央處理單元的數據，進而達到控製係統全局數據更新的目的。通過對 CNC 嵌入式電路中的物理與邏（luó）輯地址序列進（jìn）行依次比（bǐ）對，然後逐一計算出（chū）數據（jù）矩陣（zhèn）中輸入/輸出端口的各項配置參數。在前期開發設備時，對硬件進行確（què）認；在（zài）雲製（zhì）造（zào）環境下，高速工業網絡（luò）選擇具（jù）有唯一 ID的模塊。PLC 輸入/輸出（chū）配置結構如圖 1 所（suǒ）示。

圖 1 PLC 配置結構

係統的運作流程如下：

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

2）將上述信息轉換為矩陣（zhèn）形式，輸入（rù）/輸出設備（bèi）組由通信模塊與內部總線組成。物理信號在輸入槽轉換為邏輯信號，邏輯信號（hào）在後續運行中進入軟件控製的共享存儲單元與數據處（chù）理器中。

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

對於任意模塊 i，存儲區域的偏（piān）移量( O)Di為之前按模塊 i-1 個數據包偏移量的（de）總和。任意字節偏移（yí）量計算公式為（wéi）：

對於任意插槽 j，相（xiàng）對於（yú）數據模塊 i 的初始字節偏移量（0s）ij計算公式為：

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

4）建立（lì）插槽每個字節與插槽數據（jù）包間（jiān）的邏輯地址關聯性。Ixy與 Qxy分別表示輸入（rù）變量池和輸出變量池中字節 X 的第 Y 位；IBx與 QBx分別表示輸入和輸出變量區域的字節數 X ( B)x。在控（kòng）製程序設計（jì）方案中，對於基於模塊（kuài）類型的輸入/輸出假設（shè）是合理且可執行的。在軟 PLC編譯中可執行代碼並不綁定（dìng）至特定平台，而是（shì）在執行（háng）時以（yǐ） XML可擴展語言的形式介入硬件間的通信協議。

3 、實驗驗證

本（běn）文基於 PLC 的機床自動生產平台在嵌入式 Linux係統的基礎上（shàng）搭建。Linux 係統中使用 CODESYS 開發環境，CNC 硬件主板為（wéi） OK335x S 開發板，數控機（jī）床從站為 3 組 Omron 伺服驅動器，通信（xìn）總線使用 Mod Bus 協議。人機交互（hù）係統（tǒng） GUI 如圖 2 所示。在係統 GUI 中，能夠實現對配置文件（jiàn）的操作，右側窗口可以對三軸伺（sì）服係統的狀態進行（háng）實（shí）時監控。

圖 2 CNC 係統（tǒng） GUI

係統硬件的控製係統如圖 3 所示。所用的（de）主軸異步電機實物（wù）如圖 4 所示。

圖（tú） 3 係統控製結構

圖 4 主軸（zhóu）異步電機實物

驗證 CNC 自動控製係統各項性能，在雲端控製器的 CNC 編輯（jí）器中建立相應的 PLC 代碼。生成代碼後，通過編譯形（xíng）成伺服係統控製器（qì）的執行代碼，上傳至車床PLC 係統運行測試，其結果如表（biǎo） 1 所示。

表 1 PLC 運行參數

為了對數控機床的信（xìn）息資源可靠性進行檢測，分別從檢測準（zhǔn）確性、檢測時間與能量消耗方麵對本機（jī）床係統與常用的兩種方案進行測試，結果如表 2 所示。

表 2 自動化機床係統對比

表 2 中，數控機床係統中的（de）能量消耗定義為：

式中：s 為製造（zào）資源個數；j 為單位製造所需的能量消耗。分析表 2 可知，本文方案在準確性（xìng）上優於 Mt Connect 方案 12%，優於 HMM 方案 28.1%；製（zhì）造用時低於兩種常用方案 50%；能量（liàng）消耗上低於 Mt Connect 方案 5%，低（dī）於（yú）HMM 方案 35.6%。因此能夠證明本數（shù）控機床自動化（huà）生產係統的優越性。

4 、結語

本文首先建（jiàn）立基於粒（lì）度結構（gòu）的數控機床信息資源自動化（huà）檢測方案。通過對元數據的分析建立數控機床的結構模型，剔除（chú）冗餘信（xìn）息並建立完（wán）整的自動化檢測係統。同時在此基礎上（shàng），建立硬件與控製相獨立的（de） PLC 自（zì）動控製係統。通過硬件（jiàn）配置 XML 的方案，將控製程序與嵌入式硬件分離，提高調用複用效率。經實驗證明，本數控（kòng）機床自動化（huà）生（shēng）產（chǎn）係（xì）統的可行性較高，相比於兩（liǎng）種常用方法具有耗時少（shǎo）、耗能低且準確性高的（de）特點。

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