基于運(yùn)動控制器的卷簧機(jī)數(shù)控系統(tǒng)研究

龐文卓 庫祥臣 李濟(jì)順

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽 471003)

彈簧行業(yè)在整個(gè)制造業(yè)當(dāng)中雖然是一個(gè)基礎(chǔ)行業(yè)，但其所起到的作用是絕對不可低估的。國家的電氣工業(yè)、汽車工業(yè)要加快發(fā)展，而作為基礎(chǔ)件、零部件之一的彈簧行業(yè)就更加需要有一個(gè)發(fā)展的超前期，才能適應(yīng)國家整個(gè)工業(yè)的快速發(fā)展。隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，彈簧的品種也在逐漸增多，數(shù)量不斷增加。雖然市場需求量非常之大，但我國彈簧行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)卻相當(dāng)讓人堪憂。對于彈簧行業(yè)來說，長期以來形成了低檔普通彈簧供過于求，高檔產(chǎn)品(高強(qiáng)度、高應(yīng)力、特種材料)供不應(yīng)求的被動形勢。現(xiàn)階段我國彈簧產(chǎn)品主要以技術(shù)含量低的一般彈簧居多，異形件等高技術(shù)產(chǎn)品只有少數(shù)規(guī)模大的公司有能力生產(chǎn)。目前國內(nèi)能生產(chǎn)數(shù)控卷簧機(jī)的企業(yè)不多，即使能生產(chǎn)數(shù)控卷簧機(jī)，其數(shù)控系統(tǒng)大多數(shù)為中國臺灣或者進(jìn)口產(chǎn)品。

1 卷簧機(jī)的工作原理

彈簧的種類很多，如壓簧、拉簧、扭簧等，這里我們以用途最廣的壓簧為例。圖1為卷簧機(jī)的工作原理示意圖。

當(dāng)鋼絲經(jīng)過校直機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)(圖中未畫出)，碰上刀具前端的槽子并且依靠鋼絲上、下圈徑桿的限位及導(dǎo)向作用迫使鋼絲彎曲變形，彈簧圈是由鋼絲頂住3個(gè)摩擦點(diǎn)卷繞形成的。在鋼絲彎曲成簧圈的過程中，鋼絲接觸到節(jié)距刀4的斜面;節(jié)距刀在與之匹配凸輪的驅(qū)動下開始沿著彈簧卷繞成形的方向按照既定程序軸向移動，所以能形成壓縮彈簧的節(jié)距。卷制壓縮彈簧的拼頭(支撐圈)時(shí)，節(jié)距刀反向移動，使后一圈彈簧靠著已卷好的前一圈而成形。當(dāng)一只彈簧卷制好后，送料機(jī)構(gòu)停止送料，切刀控制機(jī)構(gòu)迫使切刀1將彈簧切斷。此時(shí)主軸旋轉(zhuǎn)一周，各凸輪復(fù)位，為下一個(gè)循環(huán)做準(zhǔn)備。

2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。工控機(jī)采用臺灣研華生產(chǎn)的工控機(jī)，型號為研華AWS－8248。主板型號為PCA－6003V －00A2E，CPU 為 PIII－1G，內(nèi)存256 M，并配有 AWS8248VTP6001E－T機(jī)箱，硬盤80 G，3.5英寸軟驅(qū)，15英寸LCD顯示和磁盤驅(qū)動器。運(yùn)動控制卡采用美國Delta Tau公司的PMAC－Lite型控制卡，PMAC的核心是MOTOROLA的DSP56001/56002數(shù)字信號處理器，可同時(shí)控制1～8個(gè)軸，既可單獨(dú)執(zhí)行存儲于其內(nèi)部的程序，也可執(zhí)行運(yùn)動程序和PLC程序，并進(jìn)行伺服環(huán)更新及以串口、總線兩種方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。PMAC還可自動對任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行判別，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)處理。由于PMAC卡具有強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算能力來完成數(shù)控插補(bǔ)、PLC程序運(yùn)行等實(shí)時(shí)任務(wù)，簡化了實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性任務(wù)的開發(fā)運(yùn)作，只需根據(jù)要求開發(fā)上位機(jī)界面、NC程序編輯、機(jī)床狀態(tài)量讀取等非實(shí)時(shí)任務(wù)。工控機(jī)和PMAC之間通過DPRAM總線通信，只需通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫PComm32就可實(shí)現(xiàn)兩者間的實(shí)時(shí)通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

卷簧機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟件采用模塊化沒計(jì)，用面向?qū)ο蟮母呒壵Z言C++Builder編寫，通過PMAC提供的動態(tài)鏈接庫管理實(shí)時(shí)運(yùn)動程序。系統(tǒng)軟件采用前后臺結(jié)構(gòu)，由前臺實(shí)時(shí)控制軟件、后臺管理系統(tǒng)軟件、上下位機(jī)的通信驅(qū)動程序和PLC程序等幾個(gè)部分組成。軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，前臺實(shí)時(shí)控制軟件完成NC內(nèi)核和PLC控制的實(shí)時(shí)任務(wù)，后臺系統(tǒng)管理軟件完成監(jiān)控和各個(gè)功能界面的管理、系統(tǒng)管理等非實(shí)時(shí)性任務(wù)。通信程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)界面應(yīng)用程序與PMAC以及雙端口RAM的通信。PLC控制程序用于機(jī)床系統(tǒng)開關(guān)量的邏輯控制。動態(tài)鏈接庫PComm32提供函數(shù)同底層的虛擬設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后由虛擬設(shè)備驅(qū)動程序直接和PMAC交換數(shù)據(jù)。

3.1 系統(tǒng)的人機(jī)界面

系統(tǒng)的人機(jī)界面包括彈簧參數(shù)的輸入、機(jī)床設(shè)置等。在彈簧參數(shù)輸入里面，可以輸入彈簧直徑、計(jì)劃產(chǎn)量、公差、起始和結(jié)束外徑、節(jié)距、圈數(shù)等信息，并且可以打開和保存當(dāng)前信息。機(jī)床設(shè)置里面可以設(shè)置送線、外徑、節(jié)距、切斷等速度值;節(jié)距軸、外徑軸、切刀軸等位置信息，另外對于彈簧分選功能選擇等進(jìn)行設(shè)置。彈簧參數(shù)界面如圖4所示，機(jī)床設(shè)置如圖5所示。

在彈簧加工界面中，可以編寫自己的彈簧加工程序，也可以打開現(xiàn)成的加工程序。當(dāng)對參數(shù)設(shè)置完畢以后可以啟動程序開始加工。在加工的過程中，可以進(jìn)行步進(jìn)、修改程序等操作。在狀態(tài)界面中，包含了相應(yīng)的輸入輸出的狀態(tài)信息。輸入主要包括工作方式、液壓系統(tǒng)、手輪、料架、感應(yīng)器、驅(qū)動器狀態(tài)等信息;輸出主要包括各個(gè)加工軸的信息，還有報(bào)警燈、分選器等。彈簧加工界面如圖6所示，狀態(tài)信息如圖7所示。

在彈簧整個(gè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常情況的時(shí)候會彈出來報(bào)警信息框，里面會提出出錯(cuò)誤的詳細(xì)信息，這樣可以幫助工人快速找到問題所在并解決問題，可以提高生產(chǎn)效率。

3.2 通信模塊

通信模塊是把低層的PMAC控制程序與上位機(jī)IPC機(jī)控制程序在邏輯上連接出來，他們的數(shù)據(jù)交換通過 DPRAM來實(shí)現(xiàn)。PMAC提供了一套 DLL和VxD，協(xié)助用戶完成DPRAM與PMAC的可靠通信，這也使通信程序編寫簡單化。后臺軟件設(shè)計(jì)中，使用PMAC控制器，可以借助 DELTA TAU公司提供的Pcomm32.dll動態(tài)鏈接庫，其中含有200多個(gè)函數(shù)可供調(diào)用。其中主要用的函數(shù)有:

3.3 PLC程序的編制

系統(tǒng)的PLC程序主要完成系統(tǒng)的初始化和對各種輸入輸出量進(jìn)行監(jiān)控，主要包括限位、冷卻、潤滑、指示燈管理、主軸電動機(jī)啟停等子程序。PMAC帶有內(nèi)置的軟PLC功能，其運(yùn)行是由PMAC來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)運(yùn)動程序在前臺有序運(yùn)行時(shí)，PMAC可以在后臺運(yùn)行多達(dá)32個(gè)異步PLC程序。PLC程序可以以極高的采樣速率監(jiān)視模擬和數(shù)字輸入、設(shè)定輸出值、發(fā)送信息、改變增益、命令運(yùn)動停止/啟動等作業(yè)。PLC程序的語法采用IF—ELSE結(jié)構(gòu)的類C語言，開發(fā)者很容易寫出所需的PLC程序，然后利用PMAC自帶的軟件開發(fā)平臺進(jìn)行編輯、編譯，最后下載到PMAC卡中運(yùn)行。

4 結(jié)語

采用IPC+PMAC多軸控制器為硬件，利用Windows操作系統(tǒng)平臺開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)軟件，所開發(fā)的四軸數(shù)控卷簧機(jī)系統(tǒng)充分發(fā)揮了IPC強(qiáng)大的后臺管理能力和PMAC優(yōu)良的實(shí)時(shí)運(yùn)動控制能力，同時(shí)由于PMAC本身所具有的開放性特征，可以方便地加入系統(tǒng)的硬件和軟件，能夠根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展數(shù)控設(shè)備的功能，從而滿足系統(tǒng)擴(kuò)展的要求，達(dá)到更好的控制能力和更高的性能價(jià)格比的目的。

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