王公海，馮培鋒，李燕玲，姚赟峰，黃明星

(1.嘉興學(xué)院 南湖學(xué)院，浙江 嘉興　314001；2.集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén)　361021)

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類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)規(guī)劃*

王公海1，馮培鋒2，李燕玲1，姚赟峰1，黃明星2

(1.嘉興學(xué)院 南湖學(xué)院，浙江 嘉興314001；2.集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén)361021)

通過(guò)分析類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中各組成部分的作用、結(jié)構(gòu)形式與工作過(guò)程，明確了系統(tǒng)中各部分具體的控制對(duì)象，規(guī)劃了類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的總體控制方案。在該方案的基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討了系統(tǒng)中上下位機(jī)之間的控制方式、數(shù)據(jù)傳輸路線及監(jiān)控方法，建立了系統(tǒng)主控制器和沉積站調(diào)度系統(tǒng)、系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)備及工件輸送系統(tǒng)等各分站控制器的控制邏輯，討論了控制流程圖中各組成部分之間的關(guān)系及控制過(guò)程，為控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

類柔性形狀沉積制造；控制系統(tǒng)；控制流程圖

0　引言

類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)[1-3]是把形狀沉積制造中的材料沉積、材料去除及相關(guān)輔助加工用柔性化的思想及技術(shù)進(jìn)行有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)形狀沉積制造中加工設(shè)備與加工過(guò)程的柔性化?；陬惾嵝孕螤畛练e制造系統(tǒng)中各分站之間的關(guān)系、工藝流程及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1-3]，其控制系統(tǒng)需要一個(gè)合理可靠的控制方式來(lái)保證各分系統(tǒng)能夠按照類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)所要求的方式完成沉積制造。上位機(jī)需能夠暢通的發(fā)出指令給各分站中的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各分站的控制，同時(shí)上位機(jī)中的數(shù)控程序等數(shù)據(jù)能及時(shí)傳送各數(shù)控加工設(shè)備中，并且還需要對(duì)各分站的操作情況進(jìn)行監(jiān)視與故障報(bào)警。本文旨在探討該系統(tǒng)的控制方案及控制過(guò)程，以期建立一個(gè)符合類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)要求的控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)的總體控制方案

類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的總體框架采用如圖1所示的Profibus-DP總線[4-8]架構(gòu)。Profibus-DP總線分為主從設(shè)備，主站設(shè)備有主控制器、監(jiān)控設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，從站設(shè)備有各從站控制器、NC數(shù)控系統(tǒng)及其所控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主站控制器一般是工控機(jī)或PLC，從站控制器用PLC即可，數(shù)據(jù)處理設(shè)備一般是PC機(jī)。主站與從站之間的通訊聯(lián)系通過(guò)Profibus-DP總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有連接到總線上的各控制設(shè)備都需采用符合Profibus-DP總線的接口形式，其數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸，并通過(guò)相關(guān)軟件對(duì)這些控制設(shè)備進(jìn)行硬件組態(tài)，使之能夠基于Profibus-DP總線進(jìn)行有效通訊與監(jiān)控。

圖1　系統(tǒng)的總體控制方案

主站中的主控制器與數(shù)據(jù)處理設(shè)備之間采用輪循式令牌環(huán)傳遞方式，主站與從站之間采用主—從式傳遞方式，各從站之間不能進(jìn)行通訊，得到令牌的主站設(shè)備則占用Profibus-DP總線對(duì)其所控制的從站控制器或數(shù)控設(shè)備進(jìn)行通訊。

類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的控制形式分為兩類，一類是由主站中的主控器、Profibus-DP總線及從站各分系統(tǒng)的分站控制器組成，主要控制各分系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)裝置，如小車的啟動(dòng)、運(yùn)行及停止，加工設(shè)備的倉(cāng)門(mén)的開(kāi)閉等。其控制過(guò)程是主控制器得到令牌后將指令發(fā)至對(duì)應(yīng)的從站控制器，從站控制器將指令處理后通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)所控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，各分系統(tǒng)中的相關(guān)傳感器監(jiān)督執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀況，如果動(dòng)作異?；驔](méi)有到達(dá)指定位置，則將異常信息反饋給分站控制器，分站控制器產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)并通過(guò)總線反饋給主控制器，主控制器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)故障報(bào)警信號(hào)并通過(guò)總線傳送給監(jiān)控設(shè)備。

另一類是由主站的數(shù)據(jù)處理設(shè)備、Profibus-DP總線及從站分系統(tǒng)中的NC數(shù)控系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)處理設(shè)備通過(guò)Profibus-DP總線與沉積設(shè)備、材料去除設(shè)備、應(yīng)力消除設(shè)備等數(shù)控加工設(shè)備中的NC數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成主—從關(guān)系。數(shù)據(jù)處理設(shè)備將所加工的零件CAD模型用形狀沉積制造的方式進(jìn)行分層處理，然后根據(jù)每層的分層信息生成沉積設(shè)備、材料去除設(shè)備、應(yīng)力消除設(shè)備所需的數(shù)控程序，通過(guò)Profibus-DP總線將每層加工所需的數(shù)控程序送到對(duì)應(yīng)加工設(shè)備中的NC數(shù)控系統(tǒng)中，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)控加工。數(shù)控加工過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，由數(shù)控系統(tǒng)自身的故障診斷系統(tǒng)診斷錯(cuò)誤類型并將信號(hào)通過(guò)總線反饋給數(shù)據(jù)處理設(shè)備，數(shù)據(jù)處理設(shè)備接收到故障信息后生成相應(yīng)故障報(bào)警信號(hào)并通過(guò)總線傳送給監(jiān)控設(shè)備。

監(jiān)控設(shè)備也接入Profibus-DP總線，但不進(jìn)行硬件組態(tài)，用總線方式與主控制器及數(shù)據(jù)處理設(shè)備通訊，接收來(lái)自它們所反饋的信息，利用觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)軟件，制作對(duì)應(yīng)的組態(tài)畫(huà)面。通過(guò)這些畫(huà)面可以及時(shí)查看工件輸送、材料沉積、材料去除等實(shí)時(shí)狀況；同時(shí)形狀沉積制造過(guò)程中的各類狀態(tài)信息、報(bào)警信息、控制信號(hào)等都能以文字、圖像等多種形式，直觀、形象地展示在觸摸屏上。在這種配置模式下，若監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍然能夠正常運(yùn)行，只是失去了監(jiān)控功能。

2　系統(tǒng)主控制器控制流程

主控制器對(duì)類柔性制造系統(tǒng)中的沉積站調(diào)度、沉積設(shè)備、材料去除設(shè)備、應(yīng)力消除設(shè)備、清洗設(shè)備及工件輸送系統(tǒng)這六個(gè)子系統(tǒng)中的分站控制器進(jìn)行控制，根據(jù)類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的工藝過(guò)程[1]，其控制過(guò)程按照?qǐng)D2所示的方式控制。用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)，需要選擇沉積設(shè)備及沉積材料的種類等。主控制器對(duì)某一子系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)際上是通過(guò)控制該子系統(tǒng)中的從站控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如當(dāng)主控制器要選擇沉積設(shè)備時(shí)，是把指令發(fā)給沉積站調(diào)度系統(tǒng)中的從站控制器來(lái)完成。在選擇沉積設(shè)備及其他加工設(shè)備時(shí)都需要預(yù)先在主控制器中設(shè)定好，并把這些信息傳送給下面各相關(guān)從站控制器中。

圖2　主控制器的控制流程

3　分系統(tǒng)從站控制器控制流程

3.1沉積站調(diào)度系統(tǒng)控制流程

根據(jù)類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中的沉積站調(diào)度系統(tǒng)的功能、構(gòu)成形式及工作過(guò)程[3]，可以明確該子系統(tǒng)的控制對(duì)象及控制過(guò)程：主控制器發(fā)指令給從站中的沉積站調(diào)度系統(tǒng)分站控制器，告知所需調(diào)度的沉積設(shè)備，然后從站中的分站控制器根據(jù)圖3所示的控制流程對(duì)沉積設(shè)備進(jìn)行調(diào)度。在圖3所示的各控制對(duì)象中，從站控制器是通過(guò)對(duì)與液壓油缸相連的伺服閥進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)該液壓缸動(dòng)作的控制。

圖3　沉積站調(diào)度系統(tǒng)的控制流程

3.2主要構(gòu)成設(shè)備的控制流程

3.2.1材料沉積設(shè)備、材料去除設(shè)備及應(yīng)力消除設(shè)備的控制流程

在類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中，材料沉積設(shè)備、材料去除設(shè)備及應(yīng)力消除設(shè)備的構(gòu)造形式、工作過(guò)程基本一致[2]。即三種設(shè)備中的任何一種接收到上位機(jī)的指令后，將倉(cāng)門(mén)開(kāi)啟，上位機(jī)通過(guò)Profibus-DP總線將數(shù)控程序及相關(guān)參數(shù)傳送給相應(yīng)機(jī)床，等推拉裝置將托盤(pán)及沉積工件推到相應(yīng)設(shè)備中的工作臺(tái)后，工作臺(tái)上的夾緊機(jī)構(gòu)將托盤(pán)固定，然后倉(cāng)門(mén)關(guān)閉，即可開(kāi)始加工。

根據(jù)上述的工作過(guò)程，可以構(gòu)建出如圖4所示的控制流程示意圖，這三種設(shè)備所對(duì)應(yīng)的從站控制器接收來(lái)自主控制器發(fā)出的指令并按照此流程進(jìn)行數(shù)控操作。倉(cāng)門(mén)的開(kāi)閉是由該從站控制器控制與倉(cāng)門(mén)相連的電動(dòng)推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，從站控制器通過(guò)控制工作臺(tái)上與旋轉(zhuǎn)液壓油缸相連的電磁閥來(lái)控制旋轉(zhuǎn)油缸，進(jìn)而控制夾具的裝夾。在從站控制器與各設(shè)備中的NC數(shù)控系統(tǒng)及內(nèi)置的PLC之間要通過(guò)相關(guān)電路的連接使之能夠進(jìn)行相互通訊，以使從站控制器能夠控制設(shè)備的啟停并監(jiān)控設(shè)備的工作過(guò)程，同時(shí)還能夠與沉積設(shè)備自身的報(bào)警系統(tǒng)互聯(lián)，使從站設(shè)備的工作狀態(tài)能夠反饋到從站控制器上，進(jìn)而通過(guò)主控制器反饋到監(jiān)控設(shè)備上。

圖4　材料沉積、去除及應(yīng)力消除設(shè)備的控制流程

3.2.2清洗設(shè)備的控制流程

根據(jù)類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中的清洗設(shè)備的功能、工作過(guò)程及設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式[2]，可得到圖5所示的類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中清洗設(shè)備的控制流程。該從站控制器要控制的對(duì)象有：倉(cāng)門(mén)的開(kāi)閉、軸的啟停、噴頭選擇及清洗介質(zhì)的開(kāi)關(guān)與噴頭的擺動(dòng)。從站控制器通過(guò)控制與倉(cāng)門(mén)連接的電動(dòng)推桿的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)門(mén)的開(kāi)閉，通過(guò)對(duì)與主軸相連的步進(jìn)電機(jī)的控制來(lái)進(jìn)行主軸的啟?？刂?。在噴頭的選擇中，從站控制器根據(jù)上位機(jī)給出的信息進(jìn)行判斷。對(duì)于轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)時(shí)間、清洗液噴淋、清水沖洗及熱壓縮空氣吹洗時(shí)間則由從站控制器根據(jù)零件特性，預(yù)先進(jìn)行設(shè)定。清洗液、水及熱壓縮空氣的開(kāi)關(guān)是通過(guò)從站控制器控制對(duì)應(yīng)管道中的開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5　清洗設(shè)備的控制流程

3.4工件輸送系統(tǒng)控制流程

類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中控制工件輸送系統(tǒng)的作用是將工件根據(jù)需要送到相應(yīng)設(shè)備的工作臺(tái)上，待該設(shè)備此次加工完成后，將托盤(pán)及沉積工件拉出，再次送到下一個(gè)對(duì)應(yīng)設(shè)備中。根據(jù)類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中控制工件輸送系統(tǒng)的作用、結(jié)構(gòu)形式及工作過(guò)程[1-2]，可以得到如圖6所示的類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中工件輸送系統(tǒng)的控制流程。該從站控制器要控制的對(duì)象有：小車的啟停、連接導(dǎo)軌升降與推拉裝置。連接導(dǎo)軌的升降與旋轉(zhuǎn)是通過(guò)液壓轉(zhuǎn)動(dòng)油缸來(lái)驅(qū)動(dòng)的，從站控制器通過(guò)控制電磁閥的動(dòng)作來(lái)控制液壓轉(zhuǎn)動(dòng)油缸，進(jìn)而控制連接導(dǎo)軌的升降與旋轉(zhuǎn)。推拉裝置上有兩個(gè)部分需要從站控制器進(jìn)行控制，一是推拉油缸的運(yùn)動(dòng)，這是通過(guò)對(duì)與推拉油缸相連的電磁閥進(jìn)行控制，以控制推拉油缸中活塞桿的伸縮；另一個(gè)是電動(dòng)推桿所連接的推頭，直接控制電動(dòng)推桿的伸縮來(lái)控制推頭的伸縮。

圖6　工件輸送系統(tǒng)的控制流程

4　結(jié)論

本文根據(jù)類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作方式和控制要求所規(guī)劃的總體控制方案以及構(gòu)建的系統(tǒng)主控制器和各分站控制器控制流程圖可以作為類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)，以面向具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制程序的編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的動(dòng)作順序進(jìn)行控制，與類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中的其它組成設(shè)備一起組成完整的類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)。

[1] 王公海，馮培鋒，王大鎮(zhèn)，等．類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2013(4)：50-53．

[2] 馮培鋒，王公海，王大鎮(zhèn)，等．類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中構(gòu)成設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工，2013(4)：116-118．

[3] 王公海，馮培鋒，王大鎮(zhèn)，等．類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中沉積站的結(jié)構(gòu)形式[J]．機(jī)床與液壓，2014，42(20)：7-11．

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[8] 曹娟．基于PLC與PROFIBUS的教學(xué)型FMS控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]．南京：南京理工大學(xué)，2012．

(編輯李秀敏)

Planning of the Control System of FMS-like Shape Deposition Manufacturing System

WANG Gong-hai1, FENG Pei-feng2, LI Yan-ling1, YAO Yun-feng1, HUANG Ming-xing2

( 1.Nanhu College，Jiaxing University, Jiaxing Zhejiang 314001,China; 2.College of Mechanical and Energy Engineering, Jimei University, Xiamen Fujian 361021,China)

By analyzing the function, structural types and operation processes of every component element in a FMS-like shape deposition manufacturing, the specific control objects of each element in the system were made clear and the general control scheme for the system was planned. On the basis of the scheme, the control mode, data communication route and monitoring method of the upper-lower Computers in the system were explored in detail, the control logics of the main controller of the system and the sub-station controllers of the scheduling system of deposition stations, system component equipment and workpieces conveying system were built, and the relationship between the component elements and the control processes in the control flowcharts were discussed. This work lays the foundation for the specific design of the control system.

FMS-like shape deposition manufacturing; control system; control flowchart

1001-2265(2015)11-0095-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.027

2014-12-19；

2015-01-27

福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012J01226)

王公海(1985—),男,湖北英山縣人，嘉興學(xué)院南湖學(xué)院教師，碩士，研究方向?yàn)榭焖俪尚停?E-mail)wgh_0621@163.com；通訊作者:馮培鋒(1959—)男，山東東阿人，集美大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)榭焖俪尚停?E-mail)pffeng@163.com。

TH166;TG506

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