數(shù)控伺服技術(shù)在真空成型機(jī)自控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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3.1.1CNC裝置的功能
CNC裝置通過硬件和軟件的緊密結(jié)合，可以實現(xiàn)諸如以下功能：
控制功能
CNC能控制的軸數(shù)和能聯(lián)動控制的軸數(shù)是CNC的主要性能指標(biāo)之一。一般數(shù)控車床只需2軸控制（2軸聯(lián)動），聯(lián)動控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復(fù)雜，編程也越困難。在我們的系統(tǒng)中，因為只需要控制鏈條在縱向方向上的前進(jìn)運動，故CNC采用單軸控制即可滿足要求。
準(zhǔn)備功能（G功能）
用來指揮機(jī)床動作方式，如基本移動、坐標(biāo)設(shè)定、基準(zhǔn)點返回、固定循環(huán)、程序暫停等。
插補(bǔ)功能
插補(bǔ)功能是數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運算的功能。所謂“插補(bǔ)”就是指在一條已知起點和終點的曲線上進(jìn)行數(shù)據(jù)點的密化。插補(bǔ)的任務(wù)就是根據(jù)進(jìn)給速度的要求，在一段零件輪廓的起點和終點之間，計算出若干個中間點，分別向各個坐標(biāo)軸發(fā)出方向、大小和速度都確定的運動序列指令。
主軸速度功能
CNC裝置可以控制主軸的運動，也可實現(xiàn)主軸的速度控制和準(zhǔn)確定位，主軸轉(zhuǎn)速單位為r/min。
進(jìn)給功能
用F代碼可以直接控制各軸的進(jìn)給速度，進(jìn)給速度是指控制刀具相對工件的運動速度，單位為mm/min。在成型機(jī)的控制系統(tǒng)中，進(jìn)給速度指的是鏈條前進(jìn)的速度，這個值在程序中設(shè)為71470，即1191.2mm/s。
補(bǔ)償功能
輔助功能
輔助功能是數(shù)控加工中不可缺少的功能，常用的輔助功能有程序停、主軸正/反轉(zhuǎn)等。
程序編輯功能
CNC借助輸入輸出設(shè)備如DPI/MDI、CRT/MDI等可以實現(xiàn)加工程序的輸入/輸出、編輯功能。
輸入輸出和通信功能
CNC裝置可以接多種輸入/輸出外部設(shè)備，實現(xiàn)程序和參數(shù)的輸入、輸出和存儲。CNC裝置還具有RS-232、網(wǎng)絡(luò)功能等接口，實現(xiàn)通信功能。
自診斷功能
CNC裝置中設(shè)置了各種診斷程序，可以防止故障的發(fā)生或擴(kuò)大。在故障出現(xiàn)后可迅速查明故障類型及部位，減少故障停機(jī)時間。借助輸入/輸出設(shè)備如DPI/MDI、CRT/MDI可以很方便地查詢設(shè)備狀態(tài)所對應(yīng)的診斷號，并根據(jù)診斷號的顯示來查找故障。
3.1.2CNC裝置的分類
CNC裝置所實現(xiàn)的功能是在硬件支持下，通過系統(tǒng)軟件控制所完成的，其控制功能在相當(dāng)程度上取決于硬件結(jié)構(gòu)。數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)按CNC裝置中的印刷電路板的插接方式可以分為大板結(jié)構(gòu)和功能模塊結(jié)構(gòu)；按CNC裝置中微處理器的個數(shù)可以分為單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)。
按照印刷電路板的插接方式：
大板結(jié)構(gòu)
在這種結(jié)構(gòu)下，CNC裝置由主電路板、位置控制板、圖形控制板、附加I/O板和電源單元等組成。主電路板是大印制電路版，其它電路板是小板，插在大印制電路板上的插槽內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)類似于微型計算機(jī)的結(jié)構(gòu)。
功能模塊結(jié)構(gòu)
在這種結(jié)構(gòu)中，整個CNC裝置按功能模塊化分為若干個模塊，硬件和軟件的設(shè)計都采用模塊化設(shè)計，每一個功能模塊做成尺寸相同的印制電路板，相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化。用戶根據(jù)需要選用各種控制單元母板及所需功能模板，將各功能模板插入控制單元母板的槽內(nèi)，就組成了自己需要的CNC系統(tǒng)的控制裝置。常用的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PC板、存儲器板、圖形板和通信板等。
按照微處理器的個數(shù)：
單微處理器結(jié)構(gòu)
所謂單微處理器結(jié)構(gòu)，是指在CNC裝置中只有一只微處理器（CPU）。工作方式是集中控制，分時處理數(shù)控系統(tǒng)的各項任務(wù)。單微處理器結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。單微處理器結(jié)構(gòu)見圖4所示。
單微處理器CNC裝置可劃分為計算機(jī)部分、位置控制部分、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口及外圍設(shè)備。CPU是CNC裝置的核心，CPU執(zhí)行系統(tǒng)程序，首先讀取工件加工程序，對加工程序段進(jìn)行譯碼和數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理后得到的指令，進(jìn)行對該加工程序段的實時插補(bǔ)和機(jī)床位置伺服控制；它還將輔助動作指令通過可編程控制器（PMC）送到機(jī)床，同時接收由PMC返回的機(jī)床各部分信息并予以處理，以決定下一步操作。
圖4單微處理器結(jié)構(gòu)組成
位置控制部分包括位置控制單元和速度控制單元。位置控制單元接收經(jīng)插補(bǔ)運算得到的每一個坐標(biāo)軸在單位時間內(nèi)的位移量，控制伺服電機(jī)工作，并根據(jù)接收到的實際位置反饋信號，修正位置指令，實現(xiàn)機(jī)床運動的準(zhǔn)確控制。同時產(chǎn)生速度指令送往速度控制單元，速度控制單元將速度指令與速度反饋信號相比較，修正速度指令，用差值去控制伺服電機(jī)使其以恒定速度運轉(zhuǎn)。
數(shù)據(jù)輸入/輸出接口是CNC裝置與操作者之間交換信息的橋梁。例如，通過MDI方式或串行通信，可將工件加工程序送入CNC裝置；通過DPL或CRT顯示器，可以顯示工件的加工程序和其他信息。
多微處理器結(jié)構(gòu)
由兩個或兩個以上的CPU構(gòu)成處理部件，各處理部件之間通過一組公用地址和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接。每個CPU都可享用系統(tǒng)公用存儲器或I/O接口，并分擔(dān)一部分?jǐn)?shù)控功能，從而將單微處理器的CNC裝置中順序完成的工作，轉(zhuǎn)變?yōu)槎辔⑻幚砥鞑⑿?、同時完成的工作，因而大大增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的性能。多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用共享總線和共享存儲器兩種典型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模塊間的互連與通信。
日本FANUC公司是世界從事數(shù)控產(chǎn)品生產(chǎn)最早、產(chǎn)品市場占有率最大、最有影響的數(shù)控類產(chǎn)品開發(fā)、制造廠家之一，該公司自20世紀(jì)50年代開始生產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品以來，至今已開發(fā)生產(chǎn)了FS0系列、FS6、FS15、FS16、FS18、FS21/210、PowerMate等數(shù)十個系列的控制系統(tǒng)。該公司的早期產(chǎn)品如FS6等主要采用大板結(jié)構(gòu)，并采用了68000系列微處理器與專用大規(guī)模集成電路，如：BAC（總線仲裁控制器）、IOC（輸入輸出控制器）、M887103（位置控制芯片）、OPC（操作面板控制器）以及SSU（系統(tǒng)支持單元）等，這在當(dāng)時都具有先進(jìn)的水平。FANUC公司的較新型號的CNC裝置產(chǎn)品，如FS15等系統(tǒng)在設(shè)計中大量采用模塊化結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)易于拆裝，各個控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。該系列CNC系統(tǒng)為多微處理器控制系統(tǒng)，在硬件方面采用了模塊式多主總線（FANUCBUS）結(jié)構(gòu)，主CPU為68020，同時還用一個子CPU，所以該系列的CNC系統(tǒng)適用于大型機(jī)床、復(fù)合機(jī)床的多軸控制和多系統(tǒng)控制。
PowerMate-A是FANUC公司早期產(chǎn)品系列之一，它在控制電路中采用了高速32位微處理器、專用大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲器等器件，具有較高的系統(tǒng)可靠性和性能價格比。PowerMate-A在硬件結(jié)構(gòu)上采用了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式，由控制板、I/O板、電源板等構(gòu)成。其中最上面的A板是IO板，用于數(shù)控系統(tǒng)和外部的開關(guān)信號交換；中間的B板是控制板，它將PMC與CNC集成在這個板上，用于核心控制、運算、存儲、伺服控制等，此外，通過數(shù)控主板上的RS232，以及DPL/MDI等通信口還可與外設(shè)進(jìn)行通信；最下面的C板是電源板，用于完成系統(tǒng)的整流逆變和功率放大等功能。如圖5所示為PowerMate-A結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5PowerMate-A結(jié)構(gòu)示意圖
31.3CNC加工程序
數(shù)控機(jī)械是依據(jù)程序來控制其加工運轉(zhuǎn)動作的。當(dāng)數(shù)控機(jī)械執(zhí)行零件加工時，首先須把加工路徑和加工條件轉(zhuǎn)換為程序，并將程序輸入到CNC中，這種程序即稱為加工程序。
數(shù)控加工中的動作在加工程序中用指令的方式予以規(guī)定，其中包括準(zhǔn)備功能G、輔助功能M、主軸轉(zhuǎn)速功能S、刀具功能T和進(jìn)給功能F等。
準(zhǔn)備功能G又稱“G代碼”，它是用來指令車床工作方式或控制系統(tǒng)工作方式的一種命令，G功能由地址符G和其后的兩位數(shù)字組成（00—99），從G00到G99共100種功能，用以指令機(jī)床不同的動作，如用G01來完成直線插補(bǔ)功能。
輔助功能M是用地址M及兩位數(shù)字表示的，主要用于機(jī)床加工操作時的工藝性指令。如M03表示主軸正轉(zhuǎn)，M05表示主軸停止等。
主軸轉(zhuǎn)速S功能用于指令主軸的轉(zhuǎn)速，單位是r/min。如G97S1500表示主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min。
刀具功能T用于指令數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行選刀或換刀。
進(jìn)給功能F用于指定進(jìn)給速度，單位是mm/min或mm/r。如F20.54表示進(jìn)給速度為20.54mm/min。
加工程序由一系列加工的一組程序段組成，程序段是指用來表示完成一定動作、一組操作的全部指令，用于區(qū)分每個程序段的號叫做順序號，程序段中用來完成一定功能的某一具體指令稱為字。
本系統(tǒng)CNC所運行的加工程序如下所示，它主要完成控制工件在X軸方向上以一定的控制要求前進(jìn)或停止的工序。
O0001
G65H01P#500Q#1200;
G92X0;
G01G91X#500F71470;
M03;
M30;
N10G65H03P#501Q#1200R5000;
G92X0;
G01G91X#501F71470;
G65H01P#1100Q1;
G31G91X50F20000;
G65H01P#1100Q0;
M03;
M30;
3.2可編程機(jī)床控制器PMC
PMC與PLC非常相似，但是因為數(shù)控系統(tǒng)中的PLC是專門用于控制機(jī)床的，而且有多條專用指令，所以被稱為PMC——可編程機(jī)床控制器（ProgrammableMachineController）。PMC采用順序邏輯控制，負(fù)責(zé)算術(shù)邏輯處理，用于機(jī)床或其他系統(tǒng)的順序控制，CNC裝置和外部信號的交互，在CNC和外部信號之間起到一個橋梁的作用。PMC的程序采用梯形圖的格式，其程序稱為順序控制程序。PMC時刻掃描機(jī)床側(cè)的輸入信號和強(qiáng)電柜控制信號的執(zhí)行結(jié)果，CNC一啟動，PMC程序就運行，它與CNC執(zhí)行加工程序是并行運行的。關(guān)于PMC與CNC以及外部I/O信號之間的關(guān)系可參見圖3所示。由機(jī)床至PMC的輸入信號，由PMC至機(jī)床的輸出信號，由CNC至PMC的輸入信號，由PMC至CNC的輸出信號，這些信號在PMC程序中，其地址符號分別以X，Y，F(xiàn)，G來表示。
FANUC數(shù)控系統(tǒng)具有PA1、PA3，SA1、SA3等多種規(guī)格的PMC，不同的規(guī)格，PMC的程序容量、處理速度、功能指令數(shù)、非易失性存儲區(qū)地址也不同。PowerMateA數(shù)控系統(tǒng)中使用的是PMC-P系列，其規(guī)格見表1所示。
從表格我們可以看到，PMC-PA1的程序級數(shù)是2級，第一級程序執(zhí)行周期是8ms。所謂的程序級數(shù)是指這樣的：PMC的順序程序是由梯形圖的開頭執(zhí)行直至結(jié)尾結(jié)束，程序執(zhí)行完畢后，再循環(huán)執(zhí)行。PMC的順序程序由兩部分組成，第一級程序部分和第二級程序部分。第一級程序部分僅處理包括急停，返回參考點減速，跳步，到達(dá)測量位置和進(jìn)給暫停信號等，這部分程序每8ms（即第一級程序執(zhí)行周期）執(zhí)行一次。為了執(zhí)行第一級程序，第二級程序被分割成N份，每個8ms執(zhí)行一份第二級程序，這樣，在8×Nms后，第二級程序執(zhí)行完一次，程序又從頭開始執(zhí)行。程序執(zhí)行過程如圖6所示。
表1FANUCPMC-P系列規(guī)格表
規(guī)格 | PMC-P |
編程語言 | Ladder |
程序級數(shù) | 2 |
第一級程序執(zhí)行周期 | 8ms |
基本指令平均處理時間 | 18us |
最大程序容量 | 2000步（7.8KB） |
指令 基本指令 | 12種 |
內(nèi)部繼電器 | 2048字節(jié)（2048字節(jié)均可為保持型寄存器） |
時間繼電器 | 最大400 |
計數(shù)器 | 最大400 |
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