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基於雲製（zhì）造的數控機床自動化生產係統設計

2021-6-7 來源（yuán）：南昌大學科學技術學院作者：羅永洪，胡小兵

摘要：傳統的數控機床存在自動化程度差、係統集成度低的問題，為了（le）提高數控機（jī）床的信息資源自動化程度，文（wén）中設（shè）計資源元數據粒度模型，剔除了機床生產中的冗（rǒng）餘信息並提高其控製效率。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。通過硬（yìng）件與（yǔ）軟件（jiàn）分離技術提（tí）高自動控製係統的可移植性，實現雲端上（shàng）位機的集（jí）中控製。為了（le）驗證該方案的可行性，文中建立基於三軸作動器的數控機床驗證（zhèng）平（píng）台，相比於兩種傳統方案，該方案耗時減（jiǎn）少了50%，能耗更低，且準確性提高了（le） 12% 以上。

關鍵詞（cí）：數控機床；自動化生產；係統設計；雲（yún）製造；粒度模型；自（zì）動控製

0 引（yǐn）言

傳（chuán）統數（shù）控機床在生產上（shàng）仍較大程度地依賴於（yú）人的參與程度，主要是通過人為設定控製器與主軸裝置並驅動（dòng）機床的作動器與電機來完成。而嵌入式數控機床在正常工作時，隻能控製驅（qū）動裝置（zhì）與（yǔ）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（shù）控機床生產係統的自動化（huà）水平。在雲製造技術蓬勃發展的背景（jǐng）下（xià），通（tōng）信頻（pín）帶大幅拓寬，且控製延時顯著降低。本文基於雲製造技術，使用軟 PLC 設計的方法設計了（le）一套（tào）數控車（chē）床自動生產方案。通過雲端上（shàng）位機的開發環境（jìng）更改數控機床（chuáng）的相關配置，從而達到自動化生產的目的。

1 、數控機床（chuáng）控製結（jié）構建模

由於（yú）粒度結構具有可拓展且便於分解的特點，能夠精確地分析車床的信息資源，且準確檢測元數據的相關信息。因此，可以對車床控製係統建立其元數據粒度結（jié）構（gòu）模型，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（yuán）數據：元數據集合為 X；數據間映射集合為 F；歐（ōu）氏空間中的元數據集合（hé）為 Y；粒度結構（gòu）為 T，用於描述數據粒（lì）度間的關係。對於車床元數（shù）據粒度結構模型，分（fèn）析器的（de）元（yuán）數（shù）據對象（xiàng）與特征信息處（chù）理步驟如下：

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

2）定（dìng）義（yì）數控機床（chuáng）的信息製造（zào）元數的特（tè）征（zhēng）映射體係F（R）。通過對（duì）其表征的信息資源數據（jù）對象與生（shēng）產周期中（zhōng）映射關係的研究，對於主要特征的加工進行處理，從而獲取資（zī）源數據對象的主要特（tè）征。

3）定義數控機床的資源元數據特（tè）征集合{ C1,C2,…,Ck,…,Ckn}。其中，Ck 代表（biǎo）元數據集合 R 所對（duì）應（yīng）的對象 Rij，Ckn代表元數據對象的具（jù）體特征。該數據通過生產（chǎn）過程中的各種映（yìng）射關係（xì）被獲取，是（shì）元數據（jù）各項（xiàng）指標的集（jí）中檢測（cè）。

通過對數控（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。但由於采集到的信息存在冗餘重複現象，故（gù）依據實際情（qíng）況對數控（kòng）機床製造信（xìn）息資源內部信息數據（jù）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（xìn）息表示為 xR。g=1 時，R1= { R1,R2,…,Rm}。通（tōng）過對於粒度模型的建立，有（yǒu）效篩選掉數控機床（chuáng）的製造信息模型並建（jiàn）立自動化（huà）控製模型，如下：

式中，X 為數控機床數據中的信息平均值。當采集到的數控機床數據（jù）量（liàng）大於閾值 X 時，模型記錄本機采樣值（zhí）；否則，輸出上一粒度層次（cì）的元數據記錄 Rg - 1。

2 、基於 PLC 的控製（zhì）係統設計

本次設計使用軟 PLC 係統與硬件（jiàn）獨立的策略，提高了軟件設計在不同程序（xù）間的複用率，降低了係統集成成（chéng）本。在（zài）設計時，使用成熟的通（tōng）信協議建立模塊式架構與非線性控製的控製係統。控（kòng）製係統中使用共享交互內存機製，在對 CNC 執（zhí）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據（jù），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輯地址序列進行依次（cì）比對，然後逐一計算出數據矩陣中輸入/輸出端口的（de）各項配（pèi）置參數。在前（qián）期開發設備（bèi）時（shí），對硬件進行確認；在雲製造環境（jìng）下，高速（sù）工業網絡（luò）選擇具有唯一 ID的模塊。PLC 輸入/輸出配置結構如圖 1 所示（shì）。

圖 1 PLC 配置結構

係統的運作流程如下：

1）對連接到 CNC 係統的所有（yǒu） PLC 及周（zhōu）邊設（shè）備進行初（chū）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至控製係統核心的程序啟動（dòng）模塊。

2）將（jiāng）上述信息轉換為矩陣形式，輸入/輸出設備組由（yóu）通信模塊與（yǔ）內部總線組成。物理信號在輸（shū）入槽轉換為邏輯信號，邏（luó）輯（jí）信號在後續運行（háng）中進入軟件（jiàn）控製的共（gòng）享存儲（chǔ）單元與數據處理器中。

3）計（jì）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據包（bāo），對任意第 i 個模（mó）塊所有插槽共享儲存（cún）單元（yuán）數據（jù）量( S)Di的計算（suàn）公式如下：

對於任意模塊（kuài） i，存儲（chǔ）區域（yù）的偏移量( O)Di為之前按模塊（kuài） i-1 個數據包偏移量的總和。任意字節偏移（yí）量計算公（gōng）式為：

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

計算式（3）與式（4）之和的初始字節（jiē）總（zǒng）數 Nij =( OD)i +( SD）i。

4）建立插槽（cáo）每（měi）個（gè）字節與插（chā）槽數據包間的邏輯地址關聯性。Ixy與 Qxy分（fèn）別表示輸入變量池和輸出變量池（chí）中字節 X 的第 Y 位；IBx與 QBx分別表示輸入和輸出變（biàn）量區域的字節數（shù） X ( B)x。在控製程序設計方案中，對於基於（yú）模塊類型的輸入/輸出假設是合理且可執行的。在（zài）軟 PLC編（biān）譯中可執行代碼並不綁定至特定平（píng）台，而是在執行時以 XML可擴展（zhǎn）語言的形式介入硬件間的通信協議。

3 、實驗驗證

本文基於 PLC 的（de）機床（chuáng）自動生產平台在嵌入（rù）式 Linux係統的基礎上搭建。Linux 係統中使用 CODESYS 開發環境，CNC 硬件主板為 OK335x S 開發板，數控機床（chuáng）從站為 3 組 Omron 伺服驅（qū）動器，通信總（zǒng）線使用 Mod Bus 協議（yì）。人機交互係統 GUI 如圖 2 所示。在（zài）係統 GUI 中（zhōng），能夠實現對配置文件的操作，右側（cè）窗口可（kě）以對三軸伺（sì）服係統的狀態進行實時監控。

圖 2 CNC 係統 GUI

係統硬（yìng）件的控製係統（tǒng）如（rú）圖 3 所示。所（suǒ）用的主軸（zhóu）異步電機（jī）實物如圖 4 所（suǒ）示。

圖 3 係統控製結構

圖（tú） 4 主軸異步電（diàn）機實（shí）物

驗證 CNC 自動（dòng）控製係（xì）統各項性能，在雲端控製（zhì）器的 CNC 編輯器中建立相應的 PLC 代碼。生成代碼後，通過（guò）編（biān）譯形成伺服係統控製（zhì）器的執行代碼，上傳（chuán）至車床PLC 係統運行測試，其結果如（rú）表 1 所示。

表 1 PLC 運（yùn）行參（cān）數

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

表（biǎo） 2 自動化機床係統對比

表 2 中，數控（kòng）機床係統中的能量消耗定義為：

式中：s 為製造資源個數；j 為單位製造所（suǒ）需的能量消耗。分（fèn）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（àn） 28.1%；製造用時低於兩種常（cháng）用方案 50%；能量消耗上低（dī）於 Mt Connect 方案 5%，低於HMM 方案 35.6%。因此能夠證（zhèng）明本數控（kòng）機床自動化生產係統（tǒng）的優越性。

4 、結（jié）語

本文首先建立基於粒度結構的數（shù）控機（jī）床信息資（zī）源自動化檢測方（fāng）案。通過對元數據的分析建立數控（kòng）機床的結構模型，剔除冗餘（yú）信息並建立完（wán）整的自動化檢測係（xì）統。同時在此基礎上，建（jiàn）立硬件與控製相獨立的（de） PLC 自動控製係統。通過硬（yìng）件配置 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（zhèng）明（míng），本數控機床自（zì）動化生產係統的可行性較高，相（xiàng）比於兩種常用方法具有耗時少、耗（hào）能（néng）低且準確性高的特點。

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