吳偉

近年來，開放式數(shù)控系統(tǒng)越來越普遍，相關(guān)技術(shù)也日趨成熟，越來越多的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品選擇采用基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，這也帶動(dòng)了航空裝備和制造技術(shù)的快速發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國際編程標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3的制定以及其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的推廣，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)以軟件技術(shù)形式的PLC功能，即軟PLC技術(shù)，已經(jīng)成為目前研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)。這種方式簡化了工業(yè)控制的結(jié)構(gòu)，降低了研發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的難度。本拉彎機(jī)控制系統(tǒng)即采用PC與軟PLC結(jié)合的方式，搭建出更簡潔、功能更強(qiáng)大的數(shù)控系統(tǒng)。

一、轉(zhuǎn)臂拉彎機(jī)的介紹

（一）拉彎機(jī)的組成。本文以自主研發(fā)設(shè)計(jì)的張臂式拉彎機(jī)為研究對(duì)象。數(shù)控型材拉彎機(jī)系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：

1.機(jī)床本體。張臂式拉彎機(jī)床主要部件由機(jī)床床身、轉(zhuǎn)臂、托架、夾鉗四大部分組成。工作臺(tái)固定，轉(zhuǎn)臂通過銷軸與工作臺(tái)連接，轉(zhuǎn)臂由裝在床身上的轉(zhuǎn)臂油缸驅(qū)動(dòng)而做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)臂上有托架，可以沿轉(zhuǎn)臂導(dǎo)軌前后移動(dòng)適應(yīng)不同長度型材；托架上裝有獨(dú)立的主拉伸缸，用來拉伸型材；拉伸缸端部為夾鉗，用來夾持型材。

2.驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)。由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)托架運(yùn)動(dòng)，但液壓系統(tǒng)為拉彎機(jī)運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，主要包括液壓泵站、液壓?zhí)行元件、冷卻系統(tǒng)等。液壓油缸包括主拉伸缸、轉(zhuǎn)臂拉伸缸和夾鉗油缸各一對(duì)，由比例閥控制；夾鉗油缸僅開合兩種狀態(tài)，無伺服控制要求，由電磁換向閥控制。伺服電機(jī)和各個(gè)比例閥接收控制系統(tǒng)的指令，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液壓缸實(shí)現(xiàn)拉彎軌跡要求。

3.數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是決定拉彎機(jī)能否自動(dòng)加工的決定性因素，需要能夠接收上位機(jī)軟件和操作面板輸入的控制指令，運(yùn)行伺服閉環(huán)算法，控制機(jī)床各部件運(yùn)動(dòng)按照既定拉彎軌跡進(jìn)行生產(chǎn)加工。數(shù)控系統(tǒng)主要由工控機(jī)、操作面板以及TwinCAT工控軟件和上位機(jī)軟件組成。

4.傳感檢測系統(tǒng)。傳感檢測系統(tǒng)主要包括檢測托架、夾鉗以及轉(zhuǎn)臂油缸位置的拉繩位移傳感器和檢測主拉伸缸拉伸力的力傳感器。傳感器的檢測信號(hào)作為閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)了力和位移的精確控制。

（二）拉彎機(jī)技術(shù)參數(shù)及控制需求。根據(jù)拉彎機(jī)的結(jié)構(gòu)以及拉彎工藝的具體要求，得出如下技術(shù)參數(shù)及控制需求：

1.托架在轉(zhuǎn)臂上行程1500mm；2.主拉伸缸行程750mm，速度最快為1m/min；有力控制和位移控制兩種工作模式；3.轉(zhuǎn)臂油缸行程1925mm，速度最快為4m/min，僅有位移控制模式；4.上位機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示反饋信息，并進(jìn)行零件程序編寫、存儲(chǔ)、讀?。?.示教功能：人工操作機(jī)床，進(jìn)行工件成形，系統(tǒng)記錄加工軌跡。

二、數(shù)控系統(tǒng)選型及設(shè)計(jì)

（一）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。國外Cyril Bath公司的V-50拉彎機(jī)的控制系統(tǒng)采用了3臺(tái)通過以太網(wǎng)連接的計(jì)算機(jī)，其中一個(gè)計(jì)算機(jī)運(yùn)行Windows系統(tǒng)，用于顯示操作界面，其它2臺(tái)計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，使用QNX操作系統(tǒng)，有良好的實(shí)時(shí)性。

西工大團(tuán)隊(duì)針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了以下研究：采用高頻比例閥對(duì)液壓缸進(jìn)行壓力和流量控制，實(shí)現(xiàn)了拉彎軌跡的精確控制；設(shè)計(jì)了一套由工控機(jī)和兩臺(tái)PLC組成的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臺(tái)式數(shù)控拉彎機(jī)仿真系統(tǒng)和數(shù)控NC程序代碼以指令功能。

上述方案對(duì)于硬件的依賴較高，開發(fā)不夠靈活。而目前基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)采用軟件控制的方案減少了對(duì)于硬件的依賴，對(duì)于用戶的開發(fā)和使用有很強(qiáng)的靈活性和方便性，因此選擇基于TwinCAT軟件的控制方案。

（二）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用基于IPC平臺(tái)并結(jié)合EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）的軟件式控制方案，利用德國 BECKHOFF公司的TwinCAT 工控軟件提供運(yùn)動(dòng)控制解決方案，來對(duì)數(shù)控型材拉彎機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。本系統(tǒng)主要由倍福公司的TwinCAT 軟件及在其設(shè)計(jì)的程序作為下位機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性任務(wù)控制模塊；由在IPC中設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性功能模塊。

控制系統(tǒng)的硬件主要由IPC、EtherCAT總線、I/O端子從站和伺服從站組成。利用基于IPC的自動(dòng)化軟件TwinCAT系統(tǒng)作為主站連接EtherCAT下的I/O端子從站和伺服從站。伺服系統(tǒng)和I/O系統(tǒng)作為EtherCAT上的節(jié)點(diǎn)能夠與主機(jī)進(jìn)行通信，再通過EtherCAT的高速傳輸接受上位機(jī)的各種操作、參數(shù)設(shè)定和控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾鉗、主拉伸缸、轉(zhuǎn)臂拉伸缸、滑動(dòng)托架四部分的運(yùn)動(dòng)控制，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉彎機(jī)各運(yùn)動(dòng)單元的準(zhǔn)確控制。

工控機(jī)采用BECKHOFF提供的C6525-0020，EtherCAT總線耦合器選用EK1110。根據(jù)拉彎機(jī)床實(shí)際結(jié)構(gòu)布置，需要3個(gè)從站：一個(gè)是伺服系統(tǒng)從站，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，進(jìn)而控制托架運(yùn)動(dòng)；一個(gè)是操作員控制臺(tái)處的I/O從站，主要接受控制臺(tái)處的開關(guān)信號(hào)；一個(gè)是工作臺(tái)電器柜處的I/O從站，主要接受操作面板信號(hào)、液壓信號(hào)、傳感器信號(hào)，并控制比例閥。

控制系統(tǒng)軟件部分是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能的核心部分，主要包括人機(jī)界面(HMI)程序、TwinCAT平臺(tái)、上位機(jī)程序和操作系統(tǒng)。在TwinCAT中，編寫軟PLC程序和進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)管理設(shè)置，然后基于TwinCAT編寫上位機(jī)程序。

三、基于TwinCAT的軟PLC技術(shù)

（一）軟PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。軟PLC基于PC機(jī)，建立在一定操作系統(tǒng)平臺(tái)之上，通過軟件方法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的計(jì)算、控制、存儲(chǔ)以及編程等功能，通過I/O模塊以及現(xiàn)場總線等物理設(shè)備完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及信號(hào)的輸出。由于把復(fù)雜的硬件集成到軟件上，極大地降低了開發(fā)成本和開發(fā)難度，并且可以根據(jù)需要修改程序，而不用大量更換硬件，完成不同的需要，避免了資源浪費(fèi)。軟PLC系統(tǒng)通常由開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分組成。

（二）TwinCAT平臺(tái)。TwinCAT系統(tǒng)由系統(tǒng)管理器（System Manager）、實(shí)時(shí)服務(wù)器（Real Time Server）、PLC 系統(tǒng)、NC系統(tǒng)、I/O口系統(tǒng)、系統(tǒng)DLL /OXC接口、自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范接口（ADS-Interface）以及自動(dòng)化信息路由器（AMS Router)等組成，TwinCAT可以在任何一臺(tái)兼容的PC機(jī)上運(yùn)行 PLC處理系統(tǒng)、NC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和I/O數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還可以通過編程環(huán)境和操作站，無需添加專門的硬件控制設(shè)備，而將PC用做一臺(tái)完整的實(shí)時(shí)的控制器。

（三）軟PLC程序編寫。TwinCAT編程符合IEC 61131－3標(biāo)準(zhǔn)，編程過程中可以使用一種或者多種語言，TwinCAT PLC支持 IL（指令表）、 LD（梯形圖）、FBD/CFC（功能塊圖）、SFC（順序功能圖）、ST（結(jié)構(gòu)化文本）這6種語言。

打開PLC control后，可以選擇合適的語言編寫程序。界面主要由對(duì)象列表、變量聲明和程序表示三個(gè)部分組成。一個(gè)PLC程序包含一個(gè)主函數(shù)（Main）以及多個(gè)函數(shù)（FUN）、功能塊（FB）和程序（PRG）組成。然后在主函數(shù)中調(diào)用相關(guān)的函數(shù)和功能塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制。

轉(zhuǎn)臂拉彎機(jī)的主要工作流程：調(diào)整托架位置→調(diào)整拉伸油缸位置→裝夾型材→預(yù)拉→轉(zhuǎn)臂油缸轉(zhuǎn)動(dòng)至指定位置→松開夾鉗→拉伸油缸后退→取出型材→轉(zhuǎn)臂油缸復(fù)位→調(diào)整初始位置→新的循環(huán)。

（四）系統(tǒng)管理器。在PLC程序中定義了很多變量，需要通過系統(tǒng)管理器（system manager）將程序中的變量與物理端子一一對(duì)應(yīng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了物理I/O地址與邏輯過程變量的映射，PLC變量的改變就代表實(shí)際動(dòng)作的改變，實(shí)現(xiàn)了具體的控制。

可以在系統(tǒng)管理器中添加虛擬軸進(jìn)行虛擬調(diào)試運(yùn)行程序；設(shè)置實(shí)時(shí)系統(tǒng)、機(jī)床NC任務(wù)；將PLC程序?qū)?；掃描添加I/O設(shè)備，并分配地址，將PLC中的變量與I/O通道中的端子建立邏輯——物理連接。

四、HMI人機(jī)界面設(shè)計(jì)

HMI是人(操作員)與過程(機(jī)器/設(shè)備)之間的可靠接口。編程語言采用C#，在Visual Studio.NET 2008上編寫繪制HMI。

在編寫上位機(jī)軟件前需要進(jìn)行軟件需求分析，根據(jù)拉彎機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)需要，需要上位機(jī)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測界面、零件加工程序編寫界面、屈服點(diǎn)探測界面、診斷界面、校準(zhǔn)界面、配置界面等。

C#與TwinCAT需要實(shí)現(xiàn)通信，所以在C#中定義的程序變量要與TwinCAT中定義的變量一致。通過信號(hào)和數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)和下位機(jī)之間主要是要完成控制命令的寫入和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的讀取。

五、結(jié)論

本文對(duì)數(shù)控型材拉彎機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了基于PC、軟PLC和TwinCAT平臺(tái)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于PC和軟PLC的結(jié)合的控制方式。根據(jù)拉彎機(jī)的硬件和工藝要求，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括硬件組成、軟PLC程序的編寫、上位機(jī)的設(shè)計(jì)等。將控制、通信、人機(jī)界面以及其他可擴(kuò)展的應(yīng)用集成到一個(gè)硬件平臺(tái)上，簡化了工業(yè)自動(dòng)化的控制結(jié)構(gòu)，開放性、靈活性都有顯著的提高，非常符合航空工業(yè)的發(fā)展趨勢?？梢灶A(yù)見，這種控制方案在未來有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>