基于PMAC的开放式组合机床控制系统开发.pdf

设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a 『c h 基于 P MA C的开放式组合机床控制系统开发 梁媛孙建业祝辉 沈阳理工大学辽宁省高速切削工程技术研究中心 ， 辽宁 沈 阳 1 1 0 1 5 9 摘要 利用 VB开发上位机的控制程序界面 ， 设计 了一种基于可编程多轴控制器 P MAC的开放式组合机 床控制系统。通过对 P MAC多轴控制器 的硬件构建及运动程序、 P L C程序等的软件编写 ， 完成了 针对组合机床的开放式控制系统开发。 关键词 P MAC可编程多轴控制器 组合机床 开放式控制系统 中图分类 号 T P 2 7 3 文献标 识码 A De v e l o p me n t o f o p e n a s s e mb l e d ma c h i n e t o o l c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n P MAC L I ANG Yu a n ，S UN J i a n y e ，Z HU Hu i E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r f o r H i g h S p e e d C u t t i n g ， S h e n y a n g L i g o n g U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 5 9 ， C HN Abs t r a c tUs i ng c o n t r o l pr o g r a m i n t e r f a c e o f P C wi t h VB，d e s i g n a n o p e n a s s e mb l e d ma c hi n e t o o l c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n a p r o g r a mma b l e mu l t i -a x i s c o n t r o l l e r P MAC．Th o u g h ha r d wa r e c o ns t r uc t i o n o f t h e P MAC mu l t i - a x i s c o n t r o l l e r a n d s o f t wa r e p r o g r a m o f mo t i o n p r o g r a m ，PL C p r o g r a m ，c o mpl e t e t h e d e v e l o p me n t o f o p e n a s s e mb l e d ma c h i n e t o o l c o n t r o l s y s t e m． Ke ywo r d sPr o g r a mma b l e Mu l t i - a x i s Co n t r o l l e r P MAC； As s e mb l e d Ma c h i n e To o l ； Op e n Co n t r o l S y s t e m 组合机床一般都是采用多轴、 多刀、 多工序、 多面 或多工位 同时加工 的方式， 如回转式多工位组合机床 是把工件的多道加工工序分配到各个加工工位 上， 并 且同时从各个方向对工件进行加工， 因此组合机床控 制系统必须具有多轴组以满足多轴同时运动的需要 ， 传统的数控系统采用的都是一种专用的、 互不兼容 、 封 闭的体系结构 ， 很难满足组合机的控制需要。I P C机 P MA C P r o g r a mm a b l e Mu l t i A x i s C o n t r o l l e r 是一种便 于开发的全方位开放式体 系结构 ， P MA C可 以通过硬 件选择， 参数设置， 运动及 P L C程序的编写 ， 实现对组 合机床运动的控制。每个 P MA C固件 可以控 制 8个 轴 ， 这 8个轴可以互相联动完成在一个坐标系中的运 动， 也可以在各 自的坐标系内完成独立运动 ， 或者选择 多种运动的组合形式。组合机床控制系统使用 V B工 具在 Wi n d o w s 平 台上定制用户专用界面 ， 通过 P MA C 提供的动态链接库与上位机之间建立实时、 可靠 的通 讯 ， 以协调整个系统共 同完成加工任务 。 l 组合机床控制 系统硬件构成 组合机床控制系统上位 机采用工控机 I P C ， 下 辽 宁省科技厅项 目 2 0 1 0 0 4 0 0 7 8 3 0 1 位机采用 P MA C可编程控制器， P M A C通过标 准总线 与上位机相连， P M A C的 C P U与轴 的通讯是通过两个 特殊设计的门阵列 I c 集成 电路 来实现的。每个 I c 能够控制 4个模拟输 出通道 、 4个作为输入的编码 器 反馈通道及 4个通道的正负限位及回零信号。该组合 机床各个工位采用安川伺服驱动系统及交流伺服电动 机作 为 执行 元 件进 行 控 制， 伺 服放 大 器 接 收 来 自 P M A C控制器的模拟电压输 出， 通过模数 A ／ D 转换 器将其转换为数字信号 ， 经 MP U处理 ， 同时通过数模 D ／ A 转换器将 MP U输 出的数字信号转换成模拟信 号控制电动机转动 ， 伺服 电动机内的光电编码器作为 闭环系统的反馈元件 ， 伺服放大器从编码器获取位置 反馈信号 ， 并将信号传送给 P M A C卡 ， 实现组合 机床 的半闭环控制 J 。组 合机床控制 系统 的硬件 构建如 图 1 2 组合机床控制 系统软件设计 组合机床控制系统 的软件采用模块 化设计 ， 软件 包括上位机的人机界面程序 、 与下位机的通讯程序 、 下 位机的运动程序及 P L C程序。作为控制器 ， 在配置好 、 ； ‘uI ￡ 平 弗 删 系统变量 的前提下 ， P MA C通过运动程序 、 P L C程序等 对具体对象施加控制 ， 同时 ， 这些程序还要负责 向上位机 报告工作状态 。 2 ． 1 人机界面与通讯程序 上位机人机界面为操作 者提供了一个直观 的操作环 境 ， 在此界面下 ， 系统各功能 模块以菜单和对话框的形式 被调用 ， 主要包括系统参数 配置 、 加工参数设置 、 运动状 态 显 示 等。P M A C 提 供 了 Wi n d o w s 平台下 的驱动程序 P c o m m3 2 ， 可 以 在 V B编 程 幽⋯⋯ 电 动I 编 码Lj 电 动I 编 码 机 l器 I I机I器 工作St - ⋯ 一{ 工作 位 } 回 图1 组合机控制系统结构图 环境下调用其动态链接库 ， 实现上位机软件与 P M AC 之间的通讯 ， 在工程文件下创建一个标准模块， 声 明导 人如下 函数 1 D e c l a r e F u n c t i o n O p e n P m a c L i b“ P c o mm 3 2 ． d l l ” B y v a l P ma c A s L o n g A s L o n g ， 该 函数指定 D L L 动态链接库 文件 的路径 ， 能够有效寻址 ， 过程有返 回值 。 2 D e c l a r e F u n c t i o n C l o s e P ma c L i b“ P c o m m 3 2 ． d l l ” B y v a l P m a c A s L o n g A s L o n g ， 此 函数与 O p e n - P ma c配对使用 ， 当程序运行完毕后 ， 关闭打开的通道。 3 D e c l a r e F u n c t i o n P ma c G e t R e s p o n s A L i b “ P c o m m 3 2 ． d l l ” B y v a l A s L o n g ， B y v a l r e s p o n s e， B y v a l d u m my A s i n t e g e r ， B y v a l c o m mo n d A s L o n g ， 发送 命令字符串给 P M AC ， 并从缓冲区得到 P MA C的反馈 。 它能处理大多数与 P MA C通讯的要求 ， 并总能保证命 令字符串与反应字符串相匹配。参数 r e s p o n s e是指向 存储 P MA C反应 代码的字符 串缓 冲区指针 ， c o mm a n d 是指向所传送字符串的指针 ] 。 目 目 霸 闰 图2 I 工位参数设置 图 2为组合机床 I 工位加工参数设置界面 ， 以过 程 1 距离设置对话框为例程序代码如下 P riv a t e S u b T e x t l Ke y U p K e y C o d e A s I n t e g e r ， S h i f t A s I n t e g e r ‘ 文 本 框的 K e y U p事件 D i m p l 0 1 A s S t ri n g‘ 定义变量 p l 0 1 D i m R e s p o n s e l A s S t ri n g 2 5 6 ‘ 指定字符串长度的字符型变量 D i m s t r l As S t ri n g‘ 定义一个 字符 串变量 p l Ol T e x t 1 ． Te x t p l O tV a l p l O 1 2 0 4 8 4 ／ 5‘ 给变量 p l 0 1 赋值距离值转 换成脉冲数 S t r p l O 1 s t r l ’ p l 01 ” pl 01 C a l l P ma c G e t R e s p o n s e A D e v i c e N u m b e r ，R e s p o n s e l ， 2 5 5 ，s t r 1 ‘ 启 动 P MAC卡将输入的距离值通过函数赋给运动程 序中的变量 p l 0 t。 En d S u b 同样可以定义各加工过程的参数所对应的变量如 表 1 。 表 1 参数变量对应表 过程 1 2 3 4 参数 距 离 速度 暂停时间 距 离 速度 暂停时间 距离 速度 暂停 时间 距离 速度 暂停 时间 变量 P 1 O 1 P 1 0 2 P 1 O 3 P 1 0 4 P 1 0 5 P 1 0 6 P 1 0 7 P l 0 8 P 1 O 9 P 1 1 O P 1 1 l P l 1 2 2 ． 2 运 动程 序 组合机控制系统每个工位的运动过程编写在一个 运动程序中， 每个工位的进给运动定义在一个坐标 系 内， 通过变量设置可完成快进 、 暂停 、 工进 、 暂停 、 工退 、 暂停 、 快退的运动过程 ， 这 4个过程 的移动距 离、 速度 及暂停时间是由操作者通过图 2的人机界面设 置。以 下为 I 工位运动程序 ＆1 ； 建立坐标 系 C L O S E 确保其它缓冲区关闭 2 0 ； l ￡平 带 0 删 { { { Mo t i o n P r o g r a m T e x t } } O P E N P R O G 1 C L E AR； 打开缓 冲区， 清除存在的 内容 L I N E AR ； 直线运 动 AB S ； 绝对值运动模式 T A 5 0 0； 加速 时间 T S 0 ； 无 s形 曲线加速 I f p 1 0 2 10 x p l 0 1 F p 1 0 2d w e l l p 1 0 3 ； 执行过程 1的距离 、 速度 、 暂 停时间 En d l f I f p 1 0 5 1 0 67 垂一 x p 1 0 4 F p 1 0 5d w e ll p 1 0 6 停时间 En d I f I f p 1 0 8 10 x p 1 0 7 F p 1 0 8 d w e l l p 1 0 9 停时 间 En d I f I f p l 1 1 10 x p l 1 0 F p l 1 1 d w e l l p l 1 2 停时间 执行过程 2的距离 、 速度 、 暂 ； 执行过程 3的距 离 、 速度 、 暂 执行过程 4的距离 、 速度 、 暂 En d I f CL OS E 可以通过 P L C程序同时或选择性 地启 动各个工 位的运动程序 ， 各工位的进 给运动在各 自的坐标系内 同时进行。 2 ． 3 P L C 程序 P MA c内含 了可编程逻辑控制器 P L C 功能 ， 可 编写 6 4个非同步执行的 P L C程序 3 2个 已编译 P L C 程序和 3 2个未编译 P L C程序 ， 只要被设置为允许运 行 ， P L C程序会一直运行 ， 直至 P MA C本身停止。所有 的 I ／ ， 0点都以软件来控制 ， 通过类似汇编语 言的指针 变量 ， 可以让用户按位 、 字节进行控制。P L C具有强大 的逻辑功能判断能力 ， 执行速度远超过普通 P L C， 可编 制复杂的逻辑关系 。以下是 I工位 自动状态下运 行的 P L C程序 C l o s e ； 关闭缓冲区 M1 0 0 0 一 T WS 1； A端 口 0 3 1输入 口 只读 M1 0 0 2 一 T WS 6； B端 口 0 - 3 1 输 出口 只写 M1 0 0 1 一 D 7 7 0； 映像 M1 0 0 3 一 D 7 7 1 ； 映像 M8 0 1 一 Y 7 7 0 ， 1； P L C输入 “ 循环启动” 按钮 M8 2 4 一 x 7 7 0， 0 ； P L C输 入 “I工位选择 ” 按钮 M9 1 2 一 Y 7 7 1 ， 1 2 ； P L C输出转 台落下控制 M9 1 4 一 Y 7 7 l ， 1 4 ； P L C输出卡盘卡紧控制 M9 0 4 一 Y 7 7 1 ， 4 ； P L C输 出 I工位主电动机控制 M9 2 3 一 Y 7 7 1 ， 2 3 ； P L C输出 “ 循环启动” 灯 o pe n p l c I c l e a r M 1 0 0 lM 1 0 0 0 M 1 0 0 2M l 0 0 3 I f 1 7 9 91 An d M9 1 4 1 A n d M 9 1 2 1 ； P 9 91为机床无报 警 P 9 81； 循环启 动条件 El s e P 980 E n d I f I fP 9 6 1 A n d P 7 4 0 A n d P 4 8 1 A n d M 9 2 3 1 ； P 9 6 1为轴 离位 ， P 7 4 0为伺服轴离开原点 ， P 4 81 为 自动状态 I f M8 2 4 1 M9 0 4 1； I 工位 主轴转动 E】 s e 68 M9 1N 0；I 工位主轴停 I f P 4 81 A n d M8 0 1 1 A n d P 9 8 1 ； P 4 81为 自动状 态， p 9 8 1满足循环启动条件 I f P 3 70 ； 边沿触发 P 3 6P 3 6 1 P 371 I f M8 2 4 1 C O MMA N D” ＆1 b l R” ； 条件满 足执行运动程序 1 En d I f El s e P 3 70 En d I f C l o s e； p l c 结束 以上程序执行的运动为 当机床没有报警 、 卡盘 闭、 转台落下 、 各个伺服轴均在 回零位置时 ， 按 “ 循环 启动” 按钮 ， 执行 自动循 环 ， 所选 I工位主轴 电动机 转， 伺服电动机执行所选 I 工位运动程序 ， 按照在人机 界面中输入的各个过程的加工参数 ， 完成快进 、 暂停 、 工进 、 暂停 、 工退 、 暂停 、 快退 的运动过程 ， 如不需暂停 时间设为 0， 当执行完各个过程运动伺服轴再次 回到 原位时 ， 循环结束 ， 主轴停止。 3 结语 开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势 ， I P C 机与嵌入式控制器 P MA C组合 的数控系统模式 ， 以通 用 P C机为平台， 以 P C机标准插件形式 的可编程控制 器为核心， 双 C P U并行通讯 ， 是一种便于开发 的全方 位开放式体 系结构 。本设计依据组合机 床 的运动特 点 ， 利用 P MA C强大的运算和处理能力进行数控系统 的实时控制 ， 利用 P C机实现后 台管理及人机界 面编 写等任务完成了控制系统的开发。通过试验研究表明 系统开放程度高 、 运动轨迹控制精确 、 通用性好 、 操作 简单 ， 具有很好的应用效果。 参考文献 [ 1 ] 王仁德． 机床数控技术 [ M] ． 沈 阳 东北大学出版社 ， 2 0 0 7 [ 2 ] 陈光胜 ， 陶涛 ， 梅雪松． Wi n d o w s 平台下的软件化系统研究 [ J ] ． 制造 技术与机床 ， 2 o l o 1 7 4 7 8 ． [ 3 ] 兰光明． V c环境下 的 P MA C数据实 时采集 与显示 [ J ] ． 北 京机械上 业学院学报 ， 2 0 0 4， 1 9 1 6 1 - 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