用于车间数字化新型数控系统开发

0 引言

　　在产品的整个生命周期中,车间作为产品质量和生产计划的最终保证场所和生产成本的主要发生地,其制造水平在很大程度上制约着整个企业的制造水平。信息技术支持下的网络化制造的成功与否,不仅取决于企业上层管理的数字化和信息化,也取决于车间底层的数字化和信息化,后者的实现则更加困难。车间是一个复杂的不确定型系统,单纯依靠计算机和自动化技术来实现车间数字化制造和系统的集成是不现实的。车间数字化制造的可行的和最佳的模式是把无线通信技术和智能移动设备引进来,创建能充分发挥“人的智能”和“机器智能”的人机协同工作模式。该模式由车间计划管理层、现场调度层和设备层3个层面组成。

　　车间管理层配置车间数据库服务器,Web 服务器, CAD/ CAPP/ CAM 工作站和计划调度工作站,对现场调度层和加工设备层进行管理和提供技术支持。

　　现场调度层的主要任务是对车间层制订的调度计划进行实时监控、实时反馈和调整,它是一个在车间数据库和服务器支持下,以移动和分散为主要特点的层次。以车间个人数字助理( ShopFloor PDA) 协助调度员实时采集现场数据,及时获取车间数据库和服务器的支持和提供反馈信息,快速灵活地做出决策。

　　设备层则根据现场调度层服务器的调度计划或加工程序来完成加工任务。实践应用证明,能够支持移动控制和人机协同的新型数控系统,则是人机协同车间数字化制造整体解决方案的关键部分。因此,研制新型数控系统已成为一项开拓性的任务。

1 新型数控系统的体系结构

　　新型开放式数控系统体系结构,如图1 所示。

图1新型数控系统体系结构

　　它主要由两部分构成:一部分安装在机床上,称为机床控制器,完成传统的运动控制和PLC 功能;另一部分安装在掌上电脑上,称为数控PDA ,它完成编程、仿真、机床调整、加工数据采集,以及从车间调度层和车间管理层下载工艺数据、巨型加工程序等。数控PDA 和机床控制器之间通过蓝牙无线通信技术实现近距离通信,一台数控PDA 可同时控制多台数控机床,构成一个人机协同的柔性制造单元MMC(Man2Machine2CooperativeCell) 。其成本不仅比传统的柔性制造单元FMC(Flaxible Manufacturing Cell) 大大降低,而且更加灵活可靠,如图2所示。

图2人机协同的柔性制造单元

　　在正常生产条件下,当MMC 接到一个定单,数控PDA 就完成单元内各台机床的调整和加工参数设置,并在加工过程中采集和分析机床和MMC的状态数据;当机床发生故障时,数控PDA则协助操作者进行故障诊断和排除故障。同时,操作者在数控PDA 的协助下,与车间或单元调度服务器联系,共同调整生产调度计划。

　　因此,这种具有移动控制功能的数控PDA 就成了一种理想的智能化的人机协同工具,它可以随时随地获取信息,使人的形象思维、直觉判断和经验与基于长期存储、精确推理与快速数据处理的机器智能无缝地结合起来,实现灵活快捷的最佳决策。这种人机协同的制造模式,能够更好地实现车间底层信息集成。

2 机床控制器

　　如图3 所示,数控系统的机床控制器采用的是基于工控机的开放式结构和模块化的设计思想,根据数控设备的特点和功能要求,可以选择所需的功能模块,选用的是IP26S 底板、SBC2657 主板、NEC 液晶屏、研华6740 接口板、IPC 5000 型16位脉冲量输入计数/ 定时器板、TENDA PCI 无线网卡及DELL Pocket PC 等相关硬件。

图3 新型数控系统的应用实例

　　SBC2657 工控主板作为数控系统的核心,对输入到CNC 装置中的各种数据、信息(零件加工程序,各种I/ O 信息等) 进行有关的处理和运算,根据处理的结果向其他功能模块发出控制命令,传送数据,顺利地执行用户的指令。

　　研华6740 控制接口板用于检测和控制在数控机床运行过程中CNC 内部和机床上的各种行程开关、传感器、按钮、继电器及变频器等,从而实现主轴的启停和变速、换向、换刀、工件夹紧、松开、液压、冷却及润滑系统运行等。

　　TENDA PCI 通信接口板主要实现数控机床控制器部分和数控PDA 进行通信。数控PDA 通过无线网络向机床控制器发送报文、工作指令和刀具数据等各种参数,控制数控机床的各种调试命令。机床控制器则可以将其采集到的机床状态、加工信息及报警信息等数据,进行必要的处理后经无线网络上传给数控PDA ,供其调度和处理。IPC 5000 型16 位计数/ 定时器板是系统中的重要组成部分,它主要用于周期性的中断信号产生、插补运算的适时触发、位置检测、伺服控制和PLC扫瞄等强实时性任务。