韋艷珍
(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.柳州城市職業(yè)學(xué)院,廣西 柳州 545002)
高可靠性數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
韋艷珍1,2
(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.柳州城市職業(yè)學(xué)院,廣西 柳州 545002)
針對數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求,構(gòu)建一套完整的高可靠性數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方法和流程,該控制機(jī)床機(jī)械臂控制系統(tǒng),適合對固定運(yùn)動(dòng)軌跡的機(jī)械臂進(jìn)行控制,其控制過程利用分步式的多處理器協(xié)同控制,可靠性高,具有控制精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。
可靠性;數(shù)控;PLC;PID
近年來,我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,系統(tǒng)功能多方面取得突破,在國際競爭中低端數(shù)控系統(tǒng)市場占有率上升明顯,但縱觀10年來的發(fā)展,高檔數(shù)控系統(tǒng)市場仍然被日本、歐美等國家控制,在控制精度、速度、加工工藝、數(shù)控系統(tǒng)可靠性等方面與國外數(shù)控系統(tǒng)相比仍有很大差距。其中,可靠性問題是突出明顯,已經(jīng)成為制約我國高端數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。
數(shù)控系統(tǒng)的可靠性是關(guān)系到數(shù)控系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。目前針對數(shù)控系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)研究有很多,然而絕大多數(shù)針對數(shù)控系統(tǒng)的研究往往是以一些具體的應(yīng)用目標(biāo),或典型的數(shù)控系統(tǒng)為研究對象。其所開發(fā)設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法和技術(shù)往往不具備通用性,也不能夠?yàn)橄到y(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)提供一個(gè)完整全面的設(shè)計(jì)方法和流程。本文針對數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求,構(gòu)建了一套完整的高可靠性數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方法和流程。
高可靠性數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)步驟包括功能分析、功能組合及切分、專用芯片設(shè)計(jì)、干擾劃分、抗干擾設(shè)計(jì)、布線規(guī)劃、重新布線以及鋪設(shè)屏蔽(如圖1所示)。本文設(shè)計(jì)的這種高可靠性數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方法,涵蓋了數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)的多個(gè)環(huán)節(jié),能夠全面的提高數(shù)控機(jī)床的可靠性。數(shù)控機(jī)床的主要組成部分包括CPU模塊、位置控制模塊、存儲(chǔ)模塊、PLC模塊、接口模塊、電源模塊、圖形顯示模塊等關(guān)鍵部件。要提高數(shù)控機(jī)床的可靠性能,在功能設(shè)計(jì)方面要盡可能多的將多個(gè)功能模塊融合在一起,將融合到的功能模塊描述結(jié)果進(jìn)行切分,形成顆粒度更大的少量幾個(gè)功能模塊單元。合并后的每個(gè)功能單元采用專用芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),在進(jìn)行實(shí)現(xiàn)時(shí)可以先用可編程邏輯器件進(jìn)行仿真,再用專用芯片完成最終設(shè)計(jì)。干擾劃分為用戶針對數(shù)控機(jī)床各功能模塊所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行干擾分析及劃分,將該數(shù)控機(jī)床功能模塊組成結(jié)構(gòu)中所有可能產(chǎn)生干擾的部分進(jìn)行劃分和提取。布線規(guī)劃為對各功能模塊之間的連線進(jìn)行布線規(guī)劃,按照布線規(guī)劃的詳細(xì)約束及流程完成布線規(guī)劃及調(diào)整。重新布線功能模塊負(fù)責(zé)完成對各功能模塊連線進(jìn)行重新布線完成布線的具體實(shí)施。鋪設(shè)屏蔽主要包括鋪設(shè)安裝屏蔽外殼,鋪設(shè)電磁屏蔽網(wǎng)手段實(shí)現(xiàn)。
上述所述布線規(guī)劃具體布線原則和方法分為三步進(jìn)行:首先對待布線區(qū)域的邏輯單元進(jìn)行分析,將所有的供電線獨(dú)立出來,采用單獨(dú)布線的方式完成供電線的布線;其次,分析布線的邏輯單元中的動(dòng)力線和信號(hào)線,將所有的動(dòng)力線和信號(hào)線進(jìn)行分離,分兩個(gè)部分進(jìn)行布線;最后,再對所有的信號(hào)線再次進(jìn)行處理,所有的信號(hào)線都按照絞合的方式進(jìn)行布線。完成信號(hào)線的布線之后,對地線進(jìn)行布線,在布線規(guī)劃中,地線分為三類信號(hào)地、框架地和系統(tǒng)地;其中信號(hào)地直接連接 0伏的電壓,框架地的布線全部連接在設(shè)備的外殼上,系統(tǒng)地通過一個(gè)電阻連接在配電盤地線上,其電阻阻值小于 100歐姆,系統(tǒng)地的連接電纜截面大于或等于供電電纜的截面。
圖1 高可靠性數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)流程
3.1數(shù)控機(jī)床PLC模塊可靠性的實(shí)現(xiàn)
PLC具有較強(qiáng)的抗干擾能力和準(zhǔn)確的精度,把它應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域有比較明顯的優(yōu)勢,它可以大大提高數(shù)控機(jī)床的操作性和控制性能。下面可以通過 工作環(huán)境、數(shù)控機(jī)床電氣改造、控制電路等方面對數(shù)控系統(tǒng)PLC的可靠性進(jìn)行改造與優(yōu)化。
首先,對 PLC 工作環(huán)境進(jìn)行高要求的控制。數(shù)控系統(tǒng)PLC控制部分工作環(huán)境溫度控制在 0 度到50 度之間,PLC控制器要避免陽光直射,在安裝的時(shí)候,避免有振動(dòng)的干擾,盡可能的遠(yuǎn)離發(fā)熱物體,保持良好通風(fēng)條件和散熱的空間,環(huán)境相對濕度維持在90% 以下,確保PLC 具有良好的絕緣性能。
其次,按照國家電氣標(biāo)準(zhǔn)要求,做好數(shù)控機(jī)床PLC 的接地工作。PLC 控制器的接地分工作接地和安全接地兩種。其中,前者主要是PLC控制模塊設(shè)備本身的外殼的接地連接;后者則是為了確保 PLC 的操作人員的操作安全進(jìn)行的接地工作。為了保證PLC 能夠正常運(yùn)行,對PLC 設(shè)備上極其容易發(fā)生觸碰的地方以及接地電位連接要嚴(yán)格按要求設(shè)計(jì),采用專用接地的方式,采用直徑大于6mm導(dǎo)線,小于10 歐姆電阻進(jìn)行接地線,構(gòu)建安全、良好的接地系統(tǒng)。
最后,通過軟件設(shè)計(jì),控制PLC系統(tǒng)的輸入模擬量和數(shù)字量等信號(hào),設(shè)置專門定時(shí)器,監(jiān)控PLC 運(yùn)行狀況,提高輸入電路的元器件的可靠性,從而提高PLC 控制系統(tǒng)的工作性能。
3.2基于體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)軟件可靠性分配
當(dāng)前,數(shù)控系統(tǒng)高速高精化和智能化已經(jīng)成為趨勢,數(shù)控系統(tǒng)的功能越復(fù)雜、越強(qiáng)大,軟件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度也在不斷擴(kuò)大,軟件的可靠性就難以得到保證。因此,在設(shè)計(jì)過程中,我們必須對數(shù)控系統(tǒng)各個(gè)組成部分進(jìn)行區(qū)別對待。通過引用組件技術(shù)方式,對數(shù)控系統(tǒng)軟件體系進(jìn)行建模,根據(jù)建立的數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu),在各功能組件間進(jìn)行可靠性指標(biāo)調(diào)配。具體方法如下:
首先,根據(jù)功能特點(diǎn),認(rèn)真分析數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件的組成結(jié)構(gòu),重新構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。為了便于可靠性調(diào)配,把數(shù)控系統(tǒng)軟件分即中斷型和前后臺(tái)型兩種。中斷型數(shù)控系統(tǒng)按級別高低不同設(shè)置中斷程序,數(shù)控系統(tǒng)整體由一個(gè)大的中斷服務(wù)程序組成,通過管理每個(gè)中斷程序完成數(shù)控系統(tǒng)整體運(yùn)行。前后臺(tái)型數(shù)控系統(tǒng)由前臺(tái)程序和后臺(tái)程序組成。前臺(tái)程序具有位置控制、邏輯計(jì)算、插補(bǔ)等功能,作為中斷程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功能。后臺(tái)型程序通過循環(huán)方式完成系統(tǒng)譯碼、計(jì)算、管理等功能。
其次,通過組件技術(shù),完成數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)建模。組建具有即插即用、標(biāo)準(zhǔn)化、接口為交互等特點(diǎn),為軟件間進(jìn)行交換提供標(biāo)準(zhǔn),能夠根據(jù)用戶需求,利用來自不同廠商的組件搭建自身應(yīng)用程序,大大減少用戶對特定數(shù)控系統(tǒng)廠商的依賴性。數(shù)控系統(tǒng)軟件由彼此獨(dú)立各個(gè)功能模塊組成,通過組建方式可以滿足數(shù)控系統(tǒng)軟件各功能間的關(guān)聯(lián)和協(xié)作需求。
最后,構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù),根據(jù)實(shí)用性要求,對數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層,采用AHP 方法各層元素相對權(quán)值,通過文化算法求出不同組件的分配值,完成功能組件的可靠度和費(fèi)用函數(shù)的可靠性分配。
3.3基于故障率的數(shù)控系統(tǒng)軟件可靠性實(shí)現(xiàn)
軟件是數(shù)控車床的主要組成部分,可靠性是軟件體系結(jié)構(gòu)的核心。要完成數(shù)控車床的軟件可靠性設(shè)計(jì),必要利用正確的數(shù)學(xué)算法搜集的軟件故障數(shù)據(jù),對故障進(jìn)行分類,以代碼的方式表示預(yù)處理組件故障和實(shí)時(shí)處理組件故障,對它們進(jìn)行進(jìn)行分析和處理,從而方便預(yù)測以后可能發(fā)生故障的概率。引進(jìn) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)軟件可靠性預(yù)測模型,根據(jù)數(shù)控車床軟件故障的特點(diǎn),根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)軟件故障周期,對 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,收集軟件故障的分布規(guī)律,從而可以找出軟件的設(shè)計(jì)缺陷,為以后的系統(tǒng)優(yōu)化和更新提供可靠的依據(jù)。
本文研究的目的是為數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)提供一種高可靠性的設(shè)計(jì)方法,并明確數(shù)控這種高可靠性數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程,以及每個(gè)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)中的具體實(shí)現(xiàn)方法。本文提出的控制系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢:
(1)大幅度提高數(shù)控機(jī)床的可靠性:數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)流程,涵蓋了數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)的多個(gè)環(huán)節(jié),能夠全面的提高數(shù)控機(jī)床的可靠性。
(2)提高了數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)流程的科學(xué)性,本設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方法對數(shù)控機(jī)床的詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行了科學(xué)合理的規(guī)劃,提高了數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)過程中各環(huán)節(jié)的銜接合理性,進(jìn)一步提高了數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)的科學(xué)性。
(3)所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)方法,宜于操作和實(shí)現(xiàn),尤其是專門設(shè)計(jì)的布線規(guī)劃既容易實(shí)現(xiàn),也能夠得到較好的可靠性設(shè)計(jì)效果。
可靠性是數(shù)控機(jī)床固有的特性,它意味著數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)能夠滿足用戶的要求。數(shù)控機(jī)床的可靠性涉及硬件和軟件方面的領(lǐng)域,本文所提出的方案更多的偏重?cái)?shù)控系統(tǒng)軟件方面。為提高數(shù)控系統(tǒng)軟件可靠性,文本對PLC模塊的進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì),對軟件故障分析技術(shù)進(jìn)行了初步的探討,盡可能完善軟件可靠性設(shè)計(jì)方法。由于篇幅有限,論文未能對軟件可靠性分配、數(shù)控系統(tǒng)軟件故障定位、核心模塊軟件故障預(yù)測等方面進(jìn)行深入的研究,無法為軟件缺陷、系統(tǒng)潛伏故障的排除提供更為精確的方法和依據(jù)。今后,將根據(jù)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中出現(xiàn)的干擾和故障進(jìn)行及時(shí)的分析,在滿足用戶需求、降低成本同時(shí),還能保證系統(tǒng)的可靠性水平。
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Design and implementation of high reliability numerical control machine tool
Aiming at the application requirement of reliability design of NC machine tools, a complete set of high reliability numerical control machine tool design method and process is constructed. The control system is suitable for the control of robot arm.
Reliability; numerical control; PLC; PID
TP27
A
1008-1151(2015)09-0079-02
2015-08-12
廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目“高職高專數(shù)控車床編程與操作分層次教學(xué)的研究”(2013JGA397);廣西教育廳課題“高校機(jī)電類專業(yè)數(shù)控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研制”(KY2015LX642)。
韋艷珍(1971-),女,廣西柳州人,廣西大學(xué)在讀碩士,從事自動(dòng)控制領(lǐng)域研究。