專利名稱:應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及自動控制領(lǐng)域,用于數(shù)控機床控制及運動控制的控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù):
在數(shù)控機床的控制過程中往往需要進行大量的邏輯控制的編制工作,而目前傳統(tǒng)的邏輯控制和先進的控制應(yīng)用要求之間形成了一個矛盾。目前的控制質(zhì)量的檢驗沒有明確統(tǒng)一的標準,實際工程中,往往依據(jù)最后執(zhí)行的結(jié)果來判定控制質(zhì)量,結(jié)果對于數(shù)控機床的控制成為了一件很個性化的工作,各自的控制邏輯有很大的隨意性,給數(shù)控機床在控制方面的互相交流造成了較大的障礙,當將一個數(shù)控機床硬件結(jié)構(gòu)劃分為幾個不同的功能部分,由不同的人員分別進行控制時,這種情況更為嚴重。這種狀態(tài)極大妨礙了邏輯控制的編制水平的提高以及后期的生產(chǎn)調(diào)試及設(shè)備維護,同時數(shù)控機床的控制效果也很難得到良好的保障。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是設(shè)計一種應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),按控制邏輯將封裝有功能程序的各個通用模塊連接成可由PLC調(diào)取的功能單元,提高數(shù)控機床的生產(chǎn)效率及減少數(shù)控機床的故障率,增強數(shù)控機床在實際使用過程中的可靠性。一種應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),數(shù)控機床人機界面通過MPI總線、數(shù)控系統(tǒng)伺服單元分別通過驅(qū)動總線及設(shè)備總線與數(shù)控系統(tǒng)NCU單元聯(lián)通,數(shù)控系統(tǒng)NCU單元通過profibus總線聯(lián)通輸入、輸出模塊,其特征在于把數(shù)控機床控制系統(tǒng)的各個功能程序封裝在各個功能模塊內(nèi),在PLC基座中的各模塊的輸入、輸出端通過數(shù)據(jù)總線及電源總線與數(shù)控系統(tǒng)PLC處理器和電源模塊的各腳相互對應(yīng)連通;本系統(tǒng)的PLC內(nèi)部存儲區(qū)設(shè)置功能選擇參數(shù)數(shù)量核對模塊,其輸出端連接輸入信號映射模塊;輸入信號映射模塊的輸出端連接基本功能庫模塊部分,基本功能庫模塊部分包含了數(shù)控機床控制程序的各個子功能模塊,其中的系統(tǒng)啟動模塊、軸控制模塊及輔助功能選擇模塊均與基本功能庫模塊有輸入、 輸出接口 ;基本功能庫模塊部分的輸出端連接輸出信號映射模塊。本設(shè)計的貢獻是將NCU單元內(nèi)對數(shù)控機床的控制分解為各個功能單元后,封裝成通用模塊,通過在HMI人機界面上的功能選擇來調(diào)用相關(guān)的功能模塊,需要補充或修訂某一功能時,只要修改該功能模塊,而不用重新制作或修改數(shù)控機床的全套控制邏輯即可實現(xiàn)數(shù)控機床的生產(chǎn)調(diào)試與設(shè)備維護,將數(shù)控機床的的控制的制作與修訂簡化成像更換標準電子元件一樣簡單。突出優(yōu)點是1.各個模塊內(nèi)根據(jù)控制要求把數(shù)控機床需要完成的控制任務(wù)劃分為幾個較小功能程序,然后對每個功能程序分別進行模塊封裝,這樣各模塊相對獨立、功能單一,電路連接后具有清晰的流向程序結(jié)構(gòu),不僅獲得了較高的控制質(zhì)量,同時大大降低了編程難度,避免了重復(fù)勞動。
3[0007]2.將控制邏輯封裝成模塊使得機床整體控制邏輯結(jié)構(gòu)良好,具有很好的易懂性, 易于后期的維護。這種模塊設(shè)置對輸出數(shù)據(jù)具有保護作用,模塊之間通過中間變量傳遞數(shù)據(jù),各自的點號都被良好地封裝到了各自的模塊中。比如,輸出到設(shè)備的點號只通過輸出信號映射模塊來進行操作,這樣大大提高了設(shè)備的安全性,可以防止因為控制邏輯混亂造成的誤動作。封裝的模塊具有良好的可移植性,只要由設(shè)計者稍加修改,就可以應(yīng)用到同類型的控制中。3.在將控制邏輯封裝成模塊的機床上,利用輔助功能選擇模塊可以快捷的實現(xiàn)某一項功能的選擇與啟動,同時也可以完成相同功能由于結(jié)構(gòu)和配置所造成的控制邏輯有差別的模塊單元選擇,節(jié)省了控制邏輯的制作與調(diào)試的時間。
圖1是本實用新型的在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中的封裝模塊結(jié)構(gòu)電路連接示意圖;圖2是各模塊通過數(shù)據(jù)總線及電源總線與數(shù)控系統(tǒng)PLC處理器和電源的連接關(guān)系示意圖;圖3是機床功能參數(shù)數(shù)量核對模塊(1)封裝結(jié)構(gòu)控制邏輯示意圖;圖4是輸入信號映射模塊(4)封裝結(jié)構(gòu)控制邏輯示意圖;圖5是本設(shè)計機床控制系統(tǒng)中的封裝模塊結(jié)構(gòu)連接關(guān)系示意圖。具體實施方案示例應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),是以帶有兩個液壓站(Z軸平衡液壓站和松/夾刀控制液壓站)的數(shù)控機床為簡單示例來說明本實用新型的具體應(yīng)用過程。在本示例中所有模塊中的控制邏輯及應(yīng)用都是基于目前數(shù)控機床通用配置的西門子840D數(shù)控系統(tǒng)編制的。本控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)的電路連接關(guān)系如圖1所示,主要由數(shù)控系統(tǒng)人機界面、數(shù)控系統(tǒng)伺服單元、數(shù)控系統(tǒng)NCU單元、輸入模塊、輸出模塊組成。其中數(shù)控系統(tǒng)NCU單元通過插頭XlOl連接MPI總線來與數(shù)控系統(tǒng)人機界面進行數(shù)據(jù)交換;數(shù)控系統(tǒng)NCU單元通過插頭X130A連接驅(qū)動總線到數(shù)控系統(tǒng)伺服的插頭X141上,與數(shù)控系統(tǒng)伺服單元進行驅(qū)動信號的傳輸與交換;數(shù)控系統(tǒng)NCU單元通過插頭X172連接設(shè)備總線到數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的插頭 X151上,與數(shù)控系統(tǒng)伺服單元進行驅(qū)動設(shè)備的地址、驅(qū)動設(shè)備的物理詳情的信號的傳輸與交換;數(shù)控系統(tǒng)NCU單元通過插頭X102將profibus總線分別連接到輸入模塊與輸出模塊上,來接收與交換數(shù)控機床外部的實際信號源,如急停信號,油位信號,液壓電機控制信號, 運行燈控制信號等。在數(shù)控系統(tǒng)NCU單元內(nèi)如圖2所示,本實用新型把數(shù)控機床的控制系統(tǒng)按各個功能細分,再將各個單元封裝為獨立模塊,其特征為在PLC基座中的各模塊的輸入、輸出端通過數(shù)據(jù)總線及電源總線與數(shù)控系統(tǒng)PLC處理器和電源模塊的引腳Pim-16、PINOV、PIN24V 相互對應(yīng)連通。數(shù)控系統(tǒng)NCU單元包含本控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)的控制邏輯處理部分,該部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示,可以分割成十大部分,分別為PLC處理器、電源模塊、功能選擇參數(shù)數(shù)量核對模塊、輸入信號映射模塊、系統(tǒng)啟動模塊、軸控制模塊、輔助功能選擇模塊、基本功能庫模塊、輸出信號映射模塊及PLC基座插板。并將前述各個模塊模塊插入PLC基座插板中,并用數(shù)據(jù)總線將這些模塊串聯(lián)連接,最后連接到PLC處理器處理中。其中電源模塊的作用是為控制邏輯處理部分提供標準直流MV電源的,通過電源模塊的PINOV與PIN24V 引腳連接電源總線,串聯(lián)連接到功能選擇參數(shù)數(shù)量核對模塊、輸入信號映射模塊、系統(tǒng)啟動模塊、軸控制模塊、輔助功能選擇模塊、基本功能庫模塊以及輸出信號映射模塊的PINOV與 PIN24V引腳上,為這些模塊供24V直流電。PLC基座插板提供有8個插槽,可以插入和拔出 PLC模塊,同時PLC基座插板的作用是確定各個插入的PLC模塊的物理地址,為各個模塊之間進行數(shù)據(jù)通訊做基礎(chǔ)。本例中數(shù)據(jù)總線為16引腳的插頭,從Pim到pmi6,由PLC處理器對各個模塊之間的邏輯關(guān)系進行統(tǒng)籌管理。各個模塊之間進行通訊,首先通過PLC基座插板確定各個模塊的物理地址,然后通過數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)的通信。本系統(tǒng)的PLC處理器中內(nèi)部存儲區(qū)由設(shè)計者設(shè)置功能選擇參數(shù)數(shù)量核對模塊(1) 的檢查標準,在本例中本系統(tǒng)模塊設(shè)計者有如下規(guī)定按機床功能選擇參數(shù)表1中所列,整型數(shù)數(shù)量為30個、二進制數(shù)量為140個、浮點型數(shù)數(shù)量為30個。其中整型數(shù)據(jù)區(qū)域用來存儲刀具數(shù)量、潤滑時間等整型變量;二進制數(shù)據(jù)區(qū)域用來存儲液壓、排屑器、水箱、潤滑、水冷、刀座控制等相關(guān)輔助功能的啟動/關(guān)閉的標志位;浮點型數(shù)據(jù)區(qū)域用來存儲機床坐標軸的換刀位置。其中作業(yè)數(shù)據(jù)是由該機床操作者在首次應(yīng)用時,在人機界面的機床參數(shù)中設(shè)置與本機床原配控制系統(tǒng)相通的、且符合本模塊化系統(tǒng)設(shè)計者提供使用的功能參數(shù)的標準量,用來核對功能選擇參數(shù)的數(shù)量設(shè)置是否正確,防止各參數(shù)數(shù)量設(shè)置錯誤而造成的系統(tǒng)邏輯混亂、功能出錯,阻止使數(shù)控機床的運行出現(xiàn)故障,甚至發(fā)生危險的錯誤擴大。在使用過程中還可通過界面上的相關(guān)操作來改變參數(shù)表中的變量值。以功能選擇參數(shù)數(shù)量核對模塊(1)為例,在功能參數(shù)數(shù)量核對模塊(1)封裝的控制邏輯中,分別用判斷邏輯,將操作者在人機界面上設(shè)置的參數(shù)分別與封裝模塊中設(shè)定值 30,140,30進行比較,如果均相等的程序正常運行,如有一個不相等,則控制邏輯進入停止狀態(tài)。該過程用來判斷操作者在人機界面中設(shè)置的整型數(shù)數(shù)量是否為30個、二進制數(shù)量是否為140個、浮點型數(shù)數(shù)量是否為30個。見圖3所示該模塊上#uSer_data_int,user_ data_hex, user_data_rea是需要進行通訊的輸入信號,#stop, #no stop是需要進行通訊的輸出信號,這些信號均是通過數(shù)據(jù)總線和其他模塊進行數(shù)據(jù)通訊的,其他模塊的輸入輸出信號同理。表1功能選擇參數(shù)示意表[0021]機床配置DB塊
字節(jié)位7位6位5位4位3位2位1位0DBWO刀庫中刀具數(shù)量DBW2潤滑時間......DBW58DBB60DBB61—DBB100主軸激活Z軸激活Y軸激活X軸激活...DBB108液壓站2液壓站1…DBB199DBD200X軸位置——刀庫換刀DBD204Y軸位置——刀庫換刀...DBD316另外,對于表1中30個整型數(shù)變量、140個二進制變量、30個浮點型變量,本控制程序模塊化系統(tǒng)并未全部定義,留有余量,用來日后的功能擴展。輸入信號映射模塊(2)接收動態(tài)輸入信號,同時根據(jù)實際應(yīng)用的需要,選擇性的將部分實際輸入信號與內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)進行邏輯處理,將實際的輸入信號以及需要的邏輯結(jié)果賦值給PLC內(nèi)部的存儲數(shù)據(jù),PLC通過這些賦值后的存儲數(shù)據(jù)與系統(tǒng)啟動模塊(3)、軸控制模塊(4)及輔助功能選擇模塊( 進行邏輯運算處理。本實用新型輸入信號映射模塊 (2)的封裝結(jié)構(gòu)控制邏輯如圖4所示,在本封裝結(jié)構(gòu)控制邏輯中,分別把PLC實際輸入點映射到PLC中已經(jīng)定義好的存儲單元中,基本上都是用直接賦值的辦法直接賦值給PLC的DB 塊所對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)的。本例中包括了供電模塊supply-feedbackl\2輸入點IN1-2、液壓單 TU hydraul icl\26 個接口 IN3-8、module sinl-2 輸入點 IN9-10、X 軸 3 個接口 inll-13, 輸入信號映射模塊O)的輸出1-13對應(yīng)DB塊中間點。具體定義哪些部分的輸入點及輸入點的具體地址由機床供應(yīng)商的程序員根據(jù)自己實際機床的實際輸入點進行修改。這樣控制系統(tǒng)只需要處理已經(jīng)定義好的存儲單元的數(shù)據(jù),而不是實際的輸入點,當實際輸入點發(fā)生變化時,只需修改輸入信號映射模塊(2)里的內(nèi)容,而不是所有的控制邏輯。這樣便實現(xiàn)了系統(tǒng)便于調(diào)試與管理。系統(tǒng)啟動模塊(3)用于系統(tǒng)初始化,主要為PLC與NC的數(shù)據(jù)交換、伺服系統(tǒng)的上 /下電控制,伺服模塊內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)控等,它是圖1中伺服系統(tǒng)單元及軸控制模塊(4)正常工作的前提條件。系統(tǒng)啟動模塊(3)用于系統(tǒng)初始化,主要為PLC與NC的數(shù)據(jù)交換、伺服系統(tǒng)的上/下電控制。各個模塊之間的電路連接關(guān)系見圖5所示,保證信號傳輸以圖中箭頭方向的流向運行功能選擇參數(shù)數(shù)量核對模塊的輸出信號通過數(shù)據(jù)總線傳輸給輸入信號映射模塊,輸入信號映射模塊的輸出信號通過數(shù)據(jù)總線會傳輸給基本功能庫模塊(6)部分,基本功能庫模塊(6)部分內(nèi)的系統(tǒng)啟動模塊(3)、軸控制模塊G)、輔助功能選擇模塊(5)均與基本功能庫模塊(6)設(shè)置輸入、輸出雙向連通線路,系統(tǒng)啟動模塊、軸控制模塊、輔助功能選擇模塊、基本功能庫模塊,系統(tǒng)啟動模塊與基本功能庫模塊的輸入信號與輸出信號會通過數(shù)據(jù)總線進行相互的通訊,軸控制模塊與基本功能庫模塊的輸入信號與輸出信號會通過數(shù)據(jù)總線進行相互的通訊,輔助功能選擇模塊與基本功能庫模塊的輸入信號與輸出信號會通過數(shù)據(jù)總線進行相互的通訊,最后系統(tǒng)啟動模塊、軸控制模塊、輔助功能選擇模塊、基本功能庫模塊的輸出信號會通過數(shù)據(jù)總線傳輸給輸出信號映射模塊。這樣每個模塊之間既相互關(guān)聯(lián)又相互獨立,在調(diào)試及維修過程中,如果其中某個模塊出現(xiàn)問題,則只更換相應(yīng)的模塊即可,而不需要做整體的維修。作業(yè)時,在本封裝模塊結(jié)構(gòu)中,首先通過輸入信號映射區(qū)的內(nèi)容來判斷控制機床的主要供電空開是否已經(jīng)打開,接下來通過判斷機床急停信號、各個軸的使能信號、機床操作面板的啟動信號、及機床操作面板的停止信號等來控制機床的啟動與停止。其次,對機床操作面板的啟動信號的燈與停止信號的燈做了控制處理,最后對系統(tǒng)的電源模塊的不同信號做了報警處理。同時當出現(xiàn)以下6種狀況時,通道(通道的概念是西門子系統(tǒng)中定義的)中的進給使能禁止1.主軸沒激活或非GOO時,主軸轉(zhuǎn)速沒有達到設(shè)定值(非手動狀態(tài)下);2.主軸實際扭矩大于驅(qū)動器中設(shè)定的極限扭矩;3.進給使能按鈕沒有按下;4.機床啟動按鈕沒有激活;5.換刀時發(fā)生錯誤錯誤;6.主軸處于星/角轉(zhuǎn)換過程中。系統(tǒng)啟動模塊C3)根據(jù)輸入信號映射模塊( 所獲得的輸入信號存儲數(shù)據(jù)、數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部變量來判斷系統(tǒng)啟動的外圍及內(nèi)部條件是否滿足要求,如果滿足要求則啟動伺服控制系統(tǒng),為軸控制模塊的啟動運行提供相應(yīng)的準備條件,即伺服系統(tǒng)已經(jīng)啟動,各個軸控制已進入準備正常工作狀態(tài),可通過功能選擇單元來調(diào)用控制單元,進而啟動相應(yīng)的軸控制進行工作。軸控制模塊(4)用于控制各個伺服軸的工作狀態(tài)設(shè)置及狀態(tài)監(jiān)控。在系統(tǒng)啟動模塊(3)完成后,各軸控制已經(jīng)進入準備工作狀態(tài),接著軸控制模塊(4)可通過調(diào)用基本程序庫模塊(6)中的軸控制基本模塊來分別啟動三個基本坐標軸和主軸,主要實現(xiàn)軸控制使能啟動/關(guān)閉、軸控制方式設(shè)置、編碼器接口選擇、軸當前狀態(tài)獲取功能。軸控制基本模塊的接口定義如表2所示表2軸控制基本模塊信號接口表
權(quán)利要求1.一種應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),電源模塊、數(shù)控機床人機界面通過MPI 總線、數(shù)控系統(tǒng)伺服單元分別通過驅(qū)動總線及設(shè)備總線與數(shù)控系統(tǒng)NCU單元聯(lián)通,數(shù)控系統(tǒng)NCU單元通過profibus總線聯(lián)通輸入、輸出模塊,其特征在于把數(shù)控機床控制系統(tǒng)的PLC 處理器中各個功能程序封裝在各個功能模塊內(nèi),在PLC基座插板中的各模塊的輸入、輸出端通過數(shù)據(jù)總線及電源總線與數(shù)控系統(tǒng)PLC處理器和電源模塊的各腳相互對應(yīng)連通;本系統(tǒng)的PLC內(nèi)部存儲區(qū)設(shè)置功能選擇參數(shù)數(shù)量核對模塊(1),其輸出端連接輸入信號映射模塊O);輸入信號映射模塊O)的輸出端連接基本功能庫模塊(6)部分,基本功能庫模塊 (6)部分包含了數(shù)控機床控制程序的各個子功能模塊,其中的系統(tǒng)啟動模塊(3)、軸控制模塊(4)及輔助功能選擇模塊5均與基本功能庫模塊(6)有輸入、輸出接口 ;基本功能庫模塊 (6)部分的輸出端連接輸出信號映射模塊(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),其特征在于輸入信號映射模塊(2)用于接收功能選擇參數(shù)數(shù)量核對模塊(1)的動態(tài)輸入信號,同時根據(jù)實際應(yīng)用的需要,選擇性的將部分實際輸入信號與內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)進行邏輯處理,最后將實際的輸入信號以及需要的邏輯結(jié)果輸出給基本功能庫模塊(6)部分作為PLC內(nèi)部的存儲數(shù)據(jù),PLC 通過這些存儲數(shù)據(jù)與系統(tǒng)啟動模塊(3)、軸控制模塊G)、功能選擇模塊(5)進行數(shù)據(jù)邏輯處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),其特征在于系統(tǒng)啟動模塊(3)用于系統(tǒng)初始化,主要為PLC與NC的數(shù)據(jù)交換、伺服系統(tǒng)的上/下電控制以及伺服模塊內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)控,該模塊是軸控制模塊(4)正常工作的前提條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),其特征在于軸控制模塊(4)用于控制各個伺服軸的工作狀態(tài)設(shè)置及狀態(tài)監(jiān)控,實現(xiàn)軸控制使能啟動/關(guān)閉、軸控制方式設(shè)置、編碼器接口選擇、軸當前狀態(tài)信息獲取功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),其特征在于輔助功能選擇模塊(5)用于數(shù)控機床輔助功能的選擇及啟動控制,輔助功能包括數(shù)控機床相關(guān)的液壓、潤滑、排屑、刀庫等;根據(jù)不同種類的數(shù)控機床,輔助功能選擇模塊( 配置了不同的控制邏輯進行液壓、潤滑控制,供機床操作者在HMI的機床數(shù)據(jù)中做初始設(shè)置,進而選擇適合該機床的輔助功能的邏輯控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),其特征在于輸出信號映射模塊(7)用于將系統(tǒng)啟動模塊(3)、軸控制模塊G)、輔助功能選擇模塊(5)的邏輯運算結(jié)果通過中間存儲變量輸出給電機、液壓閥、氣閥各執(zhí)行單元,以實現(xiàn)數(shù)控機床的各種指令動作。
專利摘要一種應(yīng)用于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu),包括HMI人機界面、通訊總線,其特征把系統(tǒng)的各個功能程序封裝在各模塊內(nèi),在PLC基座中的各模塊的輸入、輸出端通過數(shù)據(jù)總線及電源總線與數(shù)控系統(tǒng)PLC處理器和電源模塊的各腳相互對應(yīng)連通;PLC內(nèi)部存儲區(qū)設(shè)置功能選擇參數(shù)數(shù)量核對模塊,其輸出端通過輸入信號映射模塊連接基本功能庫模塊部分,該部分包含了系統(tǒng)啟動模塊、軸控制模塊及輔助功能選擇模塊,并均與基本功能庫模塊有輸入、輸出接口;該輸出端連接輸出信號映射模塊。優(yōu)點是提高數(shù)控機床的生產(chǎn)效率及減少數(shù)控機床的故障率,增強數(shù)控機床在實際使用過程中的可靠性。
文檔編號G05B19/18GK202196294SQ201120137638
公開日2012年4月18日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者于存謙, 劉丹陽, 劉旭, 劉春時, 劉永吉, 劉洪強, 化春雷, 孫旸, 宋鐵, 張吉, 張明洋, 張鵬, 徐兆成, 李焱, 林劍鋒, 沈超, 王哲, 王曉玉, 賈馨瑩, 趙 智, 邴旭, 郝越邦, 隋海倬 申請人:沈陽機床(集團)設(shè)計研究院有限公司