PLC在开放式数控车系统开发中的应用

　　随着现代制造业的快速发展，计算机数控(CNC)系统作为必备的基础设备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。但由于传统数控系统兼容性差、功能不易扩展、人机界面不灵活等缺点日益显现，使计算机技术发展的最新成果无法得到及时运用，严重地阻碍了数控技术的发展。

　　开放式数控系统的主要目的是解决市场需求变化频繁与控制系统框架结构专一固定之间的矛盾，它的出现适应了现代技术不断发展的需要，从而建立了统一的可重构系统平台，极大地增强控制系统的柔性和适应性。目前欧洲、美国、日本都成立了开放式数控的研究机构，它们的发展计划代号分别为OSE、OS—ACA、0MAC，并已经取得了一定的成果。

1 开放式数控系统的体系结构

　　按照IEEE对于开放式系统的定义，一个开放式系统具有以下能力：经过恰当实现的应用程序能够在不同厂商的多个平台上运行，能够与其它系统的应用程序互操作，并且能够提供一致性的人机交互界面。目前开放式数控系统基本有3种结构形式。

　　1.1 专用CNC+PC主板

　　采用传统数控专用模板嵌入通用PC机构成数控系统。系统可以共享计算机的一部分软件和硬件资源，计算机的作用在于进行辅助编程、监控、编排工艺等工作。

　　1.2 通用PC+开放式运动控制器

　　完全以PC为硬件平台构成数控系统，其主要部件是计算机和运动控制器。机床的运动控制和逻辑控制功能由独立的运动控制器完成，具有开放性的运动控制器是该系统的核心部分。目前国际上对于这种体系结构的研究最具有代表性的组织是OSE(open system Environment)。

　　1.3 完全PC型

　　全软件数控完全采用PC软件构成数控系统，以应用软件的形式实现运动控制。目前国际上对于这种体系结构的研究还处于起步阶段，未形成产品。3种方案中，OSE的“PC+适配器卡”的方案灵活，并且可以充分利用PC机的价格、资源、技术优势，具有重要的研究意义。

2 开放式数控车系统平台

　　可编程控制器(PLC)是为了取代传统的继电器一接触器控制系统而产生的工业控制装置。基于PLC的开放式数控车控制系统，采用运动控制器与用PC机为核心，运动控制器插在其PCI标准插槽上。PLC辅助控制模块通过输入／输出接口与运动控制器相联接。针对运动控制器进行功能扩展，用PLC完成数控系统的顺序控制和辅助功能控制。

　　2.1 硬件系统平台

　　系统的硬件系统平台主要包括通用PC机、运动控制器、PLC、驱动器、步进电机、变频器、主轴电机、电动刀架、机械系统、液压系统，如图1所示。PC机为软件的开发提供平台，主要是开发自主的软件控制系统；运动控制器可以对机床进行多轴的轨迹控制，其内部提供了典型的插补算法，如直线插补、圆弧插补等，运动控制器还提供了数字量的输入／输出接口，与PLC实现通信，驱动器通过运动控制器控制步迸电机的多轴协调运动。

图1 数控车硬件结构系统框架图

　　PLC作为辅助功能的控制核心实现数控系统的顺序控制；变频器主要实现主轴电机的变频调速；电动刀架由PLC控制，实现自动换刀功能；机械系统提供了机床的加工平台；液压系统主要用来提供一些辅助功能的动力，例如驱动尾架移动、夹具加紧等。

　　其中，硬件系统关键技术为

　　1)在PC机和运动控制器的基础上，设计基于PLC的电气控制系统，使PLC代替传统的继电器一接触器系统，完成数控系统辅助模块的设计。

　　2)利用变频器，实现主轴的变频调速，实现变频器与PLC的通信。

　　3)PLC与自主开发的数控车系统软件之间的通信。

　　4)数控系统通过对PLC的控制，实现对机床运动及加工过程的协调控制。

　　2.2 软件系统框架

　　软件系统模块主要包括：人机界面模块、在线仿真模块、自动加工模块、离线仿真模块、数据处理模块、代码解释模块和故障诊断模块。其中，软件系统关键技术为

　　1)系统总体结构的规划。由于整个系统的结构比较复杂，包括很多功能子模块，因此必须首先规划好系统包括那些模块和各模块的功能。

　　2)各个功能模块之间的数据传输和协调，数据格式的定义。由于G代码提供的数据格式并不适合在各个模块之间传输，因此需要重新定义一种数据格式来表达G代码的含义并在各个模块间进行传输。

　　3)自动加工的实时性和各模块之间的同步。加工是整个系统最重要的功能，所以必须使其实时性得到保证；在加工的过程中，还要执行译码、仿真、诊断等过程。因此必须要保证各模块间的同步。

　　4)各种算法的实现。刀补算法、材料去除算法、车削工艺所要求的各种功能算法(如循环车削的路径规划)。