（机械制造及其自动化专业论文）数控转塔冲床控制系统软件的研究.pdf

摘要 冲压成形是现代制造业高速发展的一项重要技术，数控转塔冲床是用于冲压成形的重要 设备，目前企业中数控转塔冲床的核心部分数控系统大多选用的是国外f a n u c 或西门子数 控系统。这类数控系统的电路部分、接口设计、程序部分以及外围辅助器件的设计全部是由 厂家自己规定的，不同厂家之间的产品乃至部件模块都无法通用。虽然这些国外数控系统功 能完善、运行稳定，但由于价格较高、技术保密，因此并不利于国内数控装备制造业的持续 化发展。 随着工业控制技术的发展，通过采用同一介质( 即p c 和标准软件产品) 来满足设备几乎所 有的控制要求成为可能，国外很早就开始这方面的研究工作。课题正是在这样一种背景下， 研究通过i p c 和标准软件产品，实现数控转塔冲床的所有控制要求。针对此课题，文中主要 做了以下研究工作： 在了解和熟悉原有机械式数控转塔冲床的结构和工作原理的基础上，确定出基于p c 平 台下的控制系统解决方案。 然后，分别完成硬件选型和连接、系统组态、软p l c 代码等研究工作。在硬件组型和连 接中，对选用的现场总线和端子技术进行了介绍。在系统组态中，对于t w i n c a t 这一自动化 控制软件产品进行了介绍。在软p l c 代码的研究中，对于传统p l c 技术进行了介绍，对软 p l c 的工作原理、系统架构也进行了研究工作； 接着，对上位机控制软件进行了研究。上位机控制软件可以完成运动控制、系统监控、 参数设置、图形模拟等功能。 最后，针对冲压加工中一类重要问题- 冲裁件排样进行了研究，文中从间接排样和直 接排样两个角度对冲裁件排样问题进行了研究。 关键词：数控转塔冲床，开放式数控系统，软p l c ，冲裁件排样，控制软件 a b s t r a c t s t a m p i n gi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yf o rt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n g c n ct u r r e tp u n c hp r e s si sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tu s e di np r e s sf o r m i n g a tp r e s e n t , a st h ec o r ep a r t o fc n ct u r r e tp u n c hp r e s s c n cs y s t e mu s e di ne n t e r p r i s em o s t l yc h o o s e sf a m co rs i e m e n s n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma b r o a d f o rt h i sk i n do fc n cs y s t e m , t h ed e s i g no fc i r c u i t , i n t e r f a c e ， p r o g r a m ，a n da u x i l i a r yd e v i c e si sa l lr e g u l a t e db ym a n u f a c t u r e r s ，a n dp r o d u c t so re v e nm o d u l e s b e t w e e nd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sa r en o tc , o m m o l l t h e s ef o r e i g nc n cs y s t e m sh a v ep e r f e c t f u n c t i o na n ds t a b l eo p e r a t i o n , b u tt h e ya r es oe x p e n s i v ea n dc o n f i d e n t i a l ，t h a tt h e ya r en o t c o n d u c i v et ot h ec o n t i n u e dd e v e l o p m e n to fd o m e s t i cc n c e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y 鼢t h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , i t sp o s s i b l et os a t i s f ya l m o s ta l lc o n t r o l r e q u i r e m e n t so fe q u i p m e n tb yu s i n gt h es a m em e d i u m ( i e ，p ca n ds t a n d a r ds o t t w a r ep r o d u c t s ) a n d , f o r e i g nc o u n t r i e ss t a r t e dr e s e a r c hw o r ki nt h i sa r e av e r ye a r l y i nt h i sk i n do fb a c k g r o u n d , t h e s u b j e c tr e s e a r c h e sh o wt os a t i s f ya l lc o n t r o lr e q u i r e m e n t so fc n c t u r r e tp u n c hp r e s sb y u s i n gi p c a n ds t a n d a r ds o t t w a r ep r o d u c t s a c c o r d i n gt ot h i ss u b j e c t , t h i sp a p e rm a i n l yd o e st h ef o l l o w i n g r e s e a r c h ： b a s e do nt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f o r i g i n a lm e c h a n i c a lc n ct u r r e tp u n c hp r e s s ， t h es o l u t i o no fc o n t r o ls y s t e mb a s e do np ci sd e t e r m i n e d t h e n , h a r d w a r es e l e c t i o na n dc o n n e c t i o n , s y s t e mc o n f i g u r a t i o n , s o t tp l cc o d ee r e ，f i l ed o n e r e s p e c t i v e l y i nh a r d w a r es e l e c t i o na n dc o n n e c t i o n , t h es e l e c t i o no ff i e l d b u sa n dt e r m i n a lt e c h n o l o g y a r ei n t r o d u c e d i ns y s t e mc o n f i g u r a t i o n , t w i n c a t , t h ea u t o m a t i o ns o t t w a r ep r o d u c ti si n t r o d u c e d i nr e s e a r c ho fs o f ip l cc o d e ，h a r dp l c ，o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n ds y s t e ma r c h i t e c t u r eo fs o t tp l c a r er e s e a r c h e d n e x t ，t h ep cc o n t r o ls o f t w a r ei sr e s e a r c h e d t h ep cc o n t r o ls o t t w a r ec a nc o m p l e t em o t i o n c o n t r o l ，s y s t e mm o n i t o r , p a r a m e t e rs e t t i n g ，g r a p h i cs i m u l a t i o na n do t h e rf u n c t i o n s f i n a l l y , o n eo ft h ei m p o r t a n ti s s u e si np r e s sf o m a i n g , t h eb l a n k i n gp i e c e sa r r a n g e m e n ti s r e s e a r c h e d i ti sr e s e a r c h e df r o mt w oa n g l e sa b o u ti n d i r e c ta r r a n g e m e n ta n dd i r e c ta r r a n g e m e n ti n t h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：c n ct u r r e tp u n c hp r e s s ，o p e nc n cs y s t e m ， s o f tp l c ， b l a n k i n gp i e c e s a r r a n g e m e n t ，c o n t r o l $ o t 【、w a r e 、袱平：数控转塔冲床控制系统软件的研究 1 1 数控转塔冲床概述 1 1 1 数控转塔冲床分类 第一章绪论 冲压加工技术是现代制造业得以存在和发展的一项重要技术。冲压加工与热切割、冷切 割等金属加工方式相比具有以下特点：效率高、模具成形精度较高、同批工件的重复性好、 生产工艺较为简单等。数控转塔冲床是一种重要的冲压设备，相比于其他冲压设备，具有高 效率、高自动化、自动换模、柔性化等特点。作为冲压加工的高端设备，数控转塔冲床被广 泛应用于板材加工行业中。 根据主轴驱动工作原理的不同，数控转塔冲床可以分为以下三类【l 捌： ( 1 ) 机械飞轮驱动式数控转塔冲床。这类数控转塔冲床是通过一个主电机带动飞轮旋转， 由离合器进行冲压控制。这类冲床的优点是结构简单，产品价格低，但是它们的缺点也是明 显的。第一，效率较低。由于冲床必须等飞轮转过一圈，才进行一次冲压，所以冲压速度不 可能很高。第二，冲压行程是固定的，它们不适宜成型冲压。这是因为在机械飞轮驱动方式 下，打击头的行程无法控制。第三，它们的耗电量大，即使在打击头不冲时，主电机还要满 速运转，而且冲压噪音大。 ( 2 ) 液压驱动式数控转塔冲床。这类数控转塔冲床是通过液压缸驱动打击头，由电液伺 服阀进行冲压控制。相比于机械飞轮式数控转塔冲床，液压驱动式转塔冲床的冲压速度有了 飞跃式的提高。由于液压缸行程可以控制，所以可以通过控制打击头的行程来进行成型冲压。 另外，液压驱动式转塔冲床的噪音较小。当然，液压驱动式转塔冲床也有以下不足：首先， 它们对环境要求较高，这是由于只有在一定的温度下，液压油才能保持良好的性能，假如温 度高于或低于液压油的正常工作温度范围，冲床可能无法正常工作，甚至引发故障；其次， 液压油要定期更换，液压系统的维护麻烦；另外，耗电量大也是一个不足。 ( 3 ) 伺服电机驱动式数控转塔冲床。随着大功率交流伺服电机技术的发展，伺服电机已 经逐渐可以满足打击头和运动机构对冲压力、转矩和功率等参数的要求，于是出现了由伺服 电机直接驱动主轴的数控转塔冲床。这类转塔冲床相比上面两种类型，具有如下优点。首先， 这类冲床不需要液压油，而且在高速冲压时，借助于伺服电机的特性可以减少用电。在不冲 压时，伺服电机就不运动。因此它的耗电量较小。其次，由于伺服电机对速度和位置的完全 可控，这类冲床不仅可以用于成型冲压，还可以通过速度的调节使冲压噪音较小。而且，这 类冲床的结构紧凑，占地面积小，对环境的要求也较低。 1 1 2 数控转塔冲床发展概况 从数控转塔冲床的发展历程来看，国内外数控转塔冲床普遍经历了四个阶段。第一个阶 段是机械驱动式，三轴控制，辅助功能较少。第二个阶段产品模位数增加，四轴控制，辅助 2 扬州大学硕士学位论文 功能增多，同时出现了液压驱动的结构形式。第三个阶段是以液压驱动为主，4 轴或5 轴( 将液 压主传动的滑块运动作为一个轴) 控制，辅助功能更加完善。第四个阶段是伺服电机直接驱动 主轴的结构形式。 现阶段国内外数控转塔冲床的共同特点是：采用先进的伺服液压驱动技术，冲压稳定性 和步冲次数大为提高；智能型的夹钳机构，最大限度地减小了冲裁死区，基本达到无死区； 工作台移动速度普遍提高；采用毛刷型工作台，在保证对板料有效支撑的同时，可保护板料 在快速运动时表面不被划伤；配置先进的开放型数控系统，具有友好的用户界面和较高的可 扩展性，并配备高效的自动编程软件。 数控转塔冲床在国外已经有三十多年的发展历史，先后经历了模具库从手动选择模具到 自动选择模具，动力方式从机械到液压等发展变化。近几年来，国外产品基本形成统一的形 式。特点是加工频率高，送料速度快，有自动分度模位，模具分类齐全，动力方式为全液压 式，数控系统一般采用s i m e n s 、f a g o r 或f a n u c ，然后针对板材加工工艺进行二次开发， 组成专业的板材加工设备。 目前国外数控转塔冲床的生产厂家约有三十家，形成以日本a m a d a 、m u r a t a 、k o m a t s u 、a i d a 、n i s s h i n b o ，德国t r u m f , 比利时l v d ，芬兰f i n n - p o w e r ，意大利s a l a v g n i n i 、i t e k 、r a i n e r ，西班牙d a n o b a t 为代表的多家企业。这些企业产品的发展趋势 是设备向高效率、网络化、智能化方向发展。 在国外产品方面，数控转塔冲床以液压传动为主，机械传动式机型已经很少。在新型传 动形式上，日本a m a d a 公司2 0 0 3 年的e m 2 5 1 0 n t d 型数控转塔冲床采用双伺服马达直接驱 动结构。该机以曲轴为伺服电机转子，使伺服电机和传统的曲柄滑块机构巧妙结合，实现了 冲压行程、冲压速度的数控化，该机公称压力2 0 0 k n ，冲压频率5 0 0 h p m ( 5 m m 行程2 5 4 m m 步 距) 、7 8 0 h p m ( 5 m m 行程2 m i l l 步距) 、1 8 0 0 h p m ( 1 4 m m 行程o 6 m m 步距) ，x y 轴速度1 0 0 8 0 ( m m i n ) 1 2 。 国内数控转塔冲床的研制工作起步较早，但初期进步缓慢，目前水平仍比较低，缺乏具 有自主知识产权的产品。我们国家早期主要是从国外进口数控转塔冲床，如芬兰的f i i 广- p o w e r 公司、美国s t r i p p t 公司以及英国的p i e 口c e _ a 1 】公司等。数控转塔冲床的控制方式都为气动 或液压机械式主传动控制。2 0 世纪8 0 年代原机械工业部济南铸锻所首先消化吸收国外早期产 品技术，自主开发了j 9 2 k 系列数控转塔冲床，后黑龙江锻压机床有限公司及上海二锻有限公 司也相继引进英国及美国部分零件及产品，但最终形成批量还是济南铸锻所开发的j 9 2 k 系列 冲床，并与扬州锻压及上海第二锻压机床厂形成合作开发联合体。另外，黑龙江锻压机床有 限公司也与英国进行合作生产。1 9 8 4 年，济南铸锻所研制成功中国第一台机械式主传动数控 转塔冲床。1 9 9 7 年，研制成功中国第一台液压式主传动数控转塔冲床。近几年来，随着p h n c ( p o w e rh y d r a u l i cn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 技术的发展，采用液压传动已显示出越来越多的优越 性。最近几次国际机床博览会上，展出的数控转塔冲床很多都是液压传动式数控转塔冲床】。 目前国内生产数控转塔冲床的厂家主要有江苏金方圆、济南捷迈数控、江苏扬力、江苏 亚威、黄石锻压以及台湾台励福公司等。江苏金方圆数控机床有限公司生产的数控转塔冲床 主要有r t 3 0 0 、v t 3 0 0 以及e t 3 0 0 系列。济南捷迈数控有限公司生产的产品主要有数控液压 转塔冲床和数控机械转塔冲床。江苏扬力集团生产的数控转塔冲床主要有m p 系列，其中m 湫平：数控转塔冲床控制系统软件的研究 p 7 为机械式，m p 8 、m p 9 和m p l 0 为液压式。江苏亚威机床有限公司生产的数控转塔冲床主 要有h i q 系列高速智能化数控转塔冲床和h p l 、h p h 系列数控转塔冲床。黄石锻压机床有限 公司与比利时l v d 合作的主要产品为：s 肿p i t 邶2 0 、3 0 系列。台湾台励福主要产品为： l i p s 、h p 、v i s e 以及c p 系列【3 】o 1 1 3 课题研究的数控转塔冲床简介 课题研究的数控转塔冲床是江苏金方圆数控机床有限公司生产的e t - 3 0 0 系列，如图1 1 所示。 厂鬻 l 。i 鬻攀ij 。1 。t 。二二二_ 二一 图1 1e t - 3 0 0 实物图 e t - 3 0 0 属于机械飞轮驱动式数控转塔冲床，其结构示意图如图1 2 所示。 转盘 国 y 轴电机发传动 1 1 辅电帆及传动主赣电机及传动 图1 - 2e t - 3 0 0 结构不意图 e t - 3 0 0 数控转塔冲床主要由以下几部分组成： ( 1 ) 数控系统。数控系统是转塔冲床实现自动加工的核心，它能够实时监测转塔冲床的 工作状态以及加工环境，接受操作人员输入的操作命令，控制机床各功能部件协调动作来完 成加工任务。数控系统主要包括主控机、显示器、键盘、操作面板以及功能强大的控制软件。 ( 2 ) 伺服系统。伺服系统是转塔冲床的最主要部件之一，它直接驱动各轴运动，接受数 控系统的运动命令并实现转塔冲床各轴速度、位置的精确控制。伺服系统包括x 轴电机伺服、 y 轴电机伺服、t 轴( 转塔轴) 电机伺服、c 轴( 转模轴) 电机伺服。 4 扬州大学硕士学位论文 ( 3 ) 电气系统。电气系统主要包括转塔冲床所用到的各种传感器，气动控制回路以及数 控系统与电机、传感器、气动部件等的连接。电气柜是电气系统的枢纽，所有外围电气元件 或者通过电气柜与数控系统相连，或者直接安装在电气柜中。 ( 4 ) 机床床身。主要包括底座、外罩等，为转塔冲床其他部件的安装提供一个平台，同 时也为机床正常工作提供安全防护以及良好的抗震等性能。 ( 5 ) 传动系统。包括主轴传动机构、x 轴传动机构、y 轴传动机构、t 轴( 转塔轴) 传动机 构、c 轴( 转模轴) 传动机构。其功能主要是将各伺服轴的运动和动力输出转换成加工中所需 的动作。主轴采用连杆机构将电机的旋转变为打击头的直线往复运动等。 ( 6 ) 辅助部件。包括定位装置、工件夹钳等，主要实现一些特殊的功能。 数控转塔冲床工作时，板料用夹钳固定在x 、y 轴组成的工作平台上，控制系统按照零 件图样信息对各轴实时分配位置和速度运动指令，x 轴、y 轴、主轴组成三轴联动系统，x 轴、y 轴控制工件在平台上动作，主轴控制打击头击打模具，对板料进行冲裁加工。 在一个冲压循环中，主电机通过三角带带动飞轮转动，数控系统发出冲压指令，主阀动 作，制动器脱开，离合器吸合，飞轮带动曲轴、滑块和打击头向下运动，打击安装在转塔上 的模具后，曲轴等部件上升时，数控系统发出停止冲压信号，曲轴回到上死点，此时制动器 吸合，离合器脱开，x 、y 轴运动到下一个指令位置。 1 2 数控系统概述 1 2 1 数控系统的产生与发展 数控转塔冲床一般都要配置高性能的数控系统，数控系统就好比是数控转塔冲床的大脑， 控制和协调冲床的所有动作。 世界上第一台数控设备诞生于美国。1 9 5 2 年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作， 发明了世界第一台三坐标数控铣床。控制装置大约由2 0 0 0 多个电子管组成，大小约为一个普 通实验室那么大。伺服机构采用一台控制用的小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动 机速度，插补装置采用脉冲乘法器。这台n c 机床的研制成功标志着数控时代的开始【4 ，5 1 。 数控系统的发展大体可以概括为以下两个阶段【6 j ： 第一个阶段，数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) 。早期计算机的运算速度低，对当时的科学 计算和数据处理影响还不大，并不能适应机床实时控制的要求。人们采用数字逻辑电路组成 一台机床专用计算机来作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控叫c ) 。随着电子元 器件的发展，这个阶段经历了三代，即电子管、晶体管和小规模集成电路。 第二个阶段，计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 年至今) 。至u 1 9 7 0 年，随着通用小型计算机的出 现，运算速度有了大幅度的提高，于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了 计算机数控( c n c ) 阶段。它是综合了计算机、自动控制、电气传动、测量和机械制造等各种 技术而形成的一门边缘学科。计算机数控技术是数控机床的关键技术，数控机床又是推行柔 性制造单元、柔性制造系统以及计算机集成制造系统等的基础。这个阶段也经历了三代，即 小型计算机、微处理器和基于p c 。 湫平：数控转塔冲床控制系统软件的研究 5 1 2 2 数控系统的结构与分类 作为机床实现自动加工的核心，数控系统的基本组成包括：运算器，存储器，运动控制 单元，i o 单元。运算器和存储器是数控系统的核心，负责程序存储及运行。运动控制单元 是连接电机运动和程序执行的纽带，运动控制单元根据脉冲信号可以控制电机的启停、速度 快慢，可以处理限位触发、电机运动异常等情况，可以根据程序代码的命令控制电机完成相 应的动作，可以完成插补运动、开环或者闭环控制等。i o 单元是控制模拟信号的输入输出 或者开关量信号的输入输出【7 岿j 。 根据硬件结构的不同，可以将数控系统分为两大类陟1 1 】： ( 1 ) 传统型数控系统。传统型数控系统是一种专用的封闭体系结构的数控系统，比如f a n u c 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i e m e n s8 1 0 系统等。尽管它们也可以由用户做人机界 面，但必须使用专门的开发工具( 如s i e m e n s 的w s 8 0 0 a ) ，耗费较多的人力，而且对它们进 行功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的 大部分市场，但由于开放体系结构的数控系统的发展，传统数控系统的市场正在接受挑战， 已逐渐减小。 ( 2 ) 基于p c 的数控系统。基于p c 的数控系统又称为开放型数控系统，它采用开放式的 体系结构，通过通用计算机( p c ) 及配套模块构建而成。对于传统型数控系统，它的电路部分、 接口设计、程序部分以及外围辅助器件设计全部由厂家自己规定的，因此不同厂家之间的产 品乃至部件模块都无法通用。即使是在同一个厂家，要对某种数控系统进行功能上的扩展也 是很麻烦的。另外，传统型数控系统的程序存储空间有限，通常只有几十k b 。这些问题在 基于p c 的数控系统中得到了很好的解决。基于p c 的数控系统可兼容、可扩充，而且程序不 会再受存储空间制约，同时可以降低产品成本，提高市场竞争力。另外，数控系统与流行的 商业c a d c a m 软件( 如m a s t c r c a m 等) 的集成也是很容易的 1 2 , 1 3 j 。 1 2 3 基于p c 的数控系统分类 当前，各种先进的制造技术都得到了飞速的发展，它们中绝大多数都需要数控技术的支 持。但由于传统的数控系统几乎都具有封闭性，同时，大多数机床制造商都是选用标准数控 装置来配置机床，这就给在不同使用状况下灵活配置数控系统的功能和用户界面带来了困难。 而且，随着用户需求的多样化，生产方式向着中小批量方向发展，这就要求数控系统具有灵 活性和柔性。基于p c 的数控系统可以很好地满足上述要求1 1 4 , 1 5 j 。 根据p c 与n c 的功能作用的不同，可以将基于p c 的数控系统分为三类【l 台倒： ( 1 ) p c 嵌入n c 型。该类型系统采用了总线式、模块化的体系结构，把与n c 装置配套 的p c 板卡装入n c 系统的插槽中。其中p c 只是提供前端的人机界面，借助于p c 的存储 和通讯进行前台的编程等操作，借助后台专用的n c 系统实现机床的控制。这种系统，只是 开放了非实时控制部分 ( 2 ) n c 嵌入p c 型。该类型系统采用p c 主板作为c n c 平台，插入实现n c 功能的各种 模块，比如运动控制卡、多轴控制卡等。这种系统开发性进一步提高，但还不是完全的开放 性系统，因为其软、硬件的一部分还是专用的，接口部分也可能是专用的。 6 扬州大学硕士学位论文 ( 3 ) 纯p c 型。这种系统将系统功能全部交由p c 处理，并通过伺服驱动器控制伺服系统。 这种系统开放性强，通用性好。 根据采用的操作系统不同，又可以将基于p c 的数控系统分为以下几类【2 l - 2 6 1 ： ( 1 ) 采用l i n u x 操作系统。由于l i n u x 操作系统具有很好的实时性，这种方式适于高档 多轴高同步场合的应用，加上l i n u x 操作系统是开放源代码的，与开放式数控系统的特征十 分吻合，因而能更好地对系统进行配置和修改，从而设计出真正“开放”的数控系统。 ( 2 ) 采用w i n d o w s c e 操作系统。w i n d o w s c e 是面向小内存3 2 位模块化实时嵌入式操作 系统。它将w l n d o w s 兼容性和应用程序服务与多c p u 结构支持和内建网络通信选项相结合， 为创建多种类型产品提供了一个功能丰富的可伸缩开放式平台。同时，它保持m i c r o s o f t 开发 工具的功能和w i n 3 2 编程的熟悉界面。因此，w m d o w $ c e 适用于开放式数控系统。 ( 3 ) 采用w m d o w s 操作系统。w i n d o w s 的优势在于，界面友好、人机交互性强、开发工 具齐全和完善。由于人们对w i n d o w s 操作系统的熟知和广泛使用，基于n t 内核的w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w sx p 作为开放式数控系统的操作系统，有着强大的市场生命力。 ( 4 ) 采用d o s 操作系统。d o s 操作系统的实时性好，技术成熟。过去曾作为一种主流的 c h i c 系统设计平台，但由于其界面制作繁琐，内存有6 4 0 k b 的“瓶颈”限制，网络功能欠缺， 缺乏保护机制，没有充分利用8 0 x 8 6 体系的硬件资源，软件开发工具也相对落后，使得开发 者花费大量的精力在界面制作和适应系统上。因此其可移植性差，开放程度有限，适用于中、 低档数控系统的开发。 1 2 4 课题采用的控制系统方案介绍 e t - 3 0 0 数控转塔冲床原先采用日本f a n u c0 i 系统。它作为一种封闭体系结构的数控系 统，有着许多局限性或不足。为了适应市场的发展和满足客户的需求，企业提出一种设想， 即通过一台工业p c ，借助于软件的形式，直接控制伺服机构的运动和机床上所有执行开关等 的动作。江苏金方圆数控机床有限公司作为国内生产数控机床的骨干企业，在此领域已经积 累了多年的技术经验。结合扬州大学机械工程学院的科研力量，决定对e t - 3 0 0 机械式数控转 塔冲床的数控系统进行改造，开发一种开放型数控系统。 为了实现原有数控系统的控制功能，在提出技术解决方案之前，必须深入理解e t - 3 0 0 的 机械结构、电气部分、动作关系、工作时序等。文中从硬件和软件两个方面对改造后的控制 系统进行说明。 控制系统硬件，主要包括i p c 、总线系统、伺服系统和端子系统等。 p c 位于最上层， 和总线系统相连。总线系统负责完成 p c 和伺服驱动器、端子系统的实时通信。伺服驱动器 控制伺服电机的运动。端子系统连接外部传感器、执行开关等，完成控制信号的传送和感应 信号的反馈等。硬件部分组成和关系示意图如图1 3 所示。 、袱平：数控转塔冲床控制系统软件的研究 7 i p c 总线系统 伺服驱动器端子系统 传感器、执行开 伺服电机 关等 图1 3 硬件部分组成和关系示意图 控制系统软件，它是实现控制系统功能的核心部分。控制系统软件组成示意图如图1 - 4 所示。软件系统运行在i p c 上，i p c 既是硬件部分的基础，也是软件系统的载体。操作系统 位于最底层，课题中选用的是w m d o w sx p 。t w i n c a t 位于操作系统层之上，它是软件部分 的基础和核心。t w i n c a t 主要包括两部分，即组态编程和软p l c 编程。上位机程序位于t w i n c a t 之上，它实质上就是实现用户操作命令和t w i n c a t 控制功能之间的交互和通信。冲裁 件排样编程程序建立在最上层，即位于上位机程序之上，它的实现依赖于上位机程序，由它 得到的排样代码也依赖于上位机程序，实现冲裁成形。 1 3 课题来源和意义 冲裁件排样编程 上位机程序 组态编程软p l c 编程 t w i i l c a t 操作系统 图1 4 软件部分组成和关系示意图 课题是由扬州大学和江苏金方圆数控机床有限公司合作，由江苏金方圆数控机床有限公 司提供的。 数控转塔冲床作为板材加工的高端设备，在板材加工等行业中需求广泛。扬州是全国重 要的锻压设备生产基地，在研制与开发新型机床方面拥有着得天独厚的条件。对于数控转塔 扬州大学硕士学位论文 冲床的控制系统，采用基于p c 控制技术的解决方案具有可持续发展前景。相比于传统控制 技术解决方案，以p c 平台构建的控制系统优势有：控制系统功能可扩展、可兼容，而且用 户完全可以自己来完成；控制系统拥有大容量程序存储空间；改造后控制系统成本会有大幅 度的下降。此外，纯p c 数控系统具备一个独特优势，它无需使用多个硬p l c 单元，并提供 连接所有通用现场总线的接口。在一个控制系统中经常用到不同总线系统的组件，而这些组 件能轻松集成到系统中。由于p c 技术无可比拟的高性能和该领域的可持续发展前景，随着 以英特尔和微软等公司为代表的全球标准的进一步发展，为用户日益接受p c 技术提供坚实 的基础，这使得采用同一介质( f l op c 和标准软件产品) 来满足设备几乎所有的功能要求成为可 能，它在显著简化控制技术和降低成本方面具有很大的优势。课题紧密联系当前工业控制领 域较前沿技术，不仅具有较高的理论研究价值，而且具有明显的市场价值。 1 4 本文主要内容介绍 课题研究了纯p c 型数控系统的硬件构成、组态编程、软p l c 开发、人机界面开发、二 维冲裁件排样编程等内容，并做了相关研究工作。 论文的内容具体安排如下： 第一章为绪论，首先介绍数控转塔冲床及其控制系统的现状和发展概况，然后介绍了课 题的解决方案、课题的意义和工作内容。 第二章介绍数控转塔冲床控制系统硬件平台的搭建，内容主要包括组件的选型和组件的 连接，并对硬件平台用到的现场总线技术和端子技术进行了介绍。 第三章介绍控制系统组态编程，内容主要包括在t w i n c a t 系统管理器下分别完成i o 组 态、p l c 组态、n c 组态工作等，并对各组态项目下的变量相互连接。 第四章研究软p l c 代码的编写，代码是在t w i n c a t 的p l c 编程界面里编写，对于冲床 的许多控制动作都是通过软p l c 代码实现的。 第五章研究上位机程序的开发，首先分析和确定上位机程序的功能模块，然后对各个功 能模块进行界面设计和代码编写，最终完成上位机程序的开发。 第六章研究数控转塔冲床冲裁件排样问题，从矩形件排样、不规n - 维图形的矩形包络 排样、采用遗传模拟退火算法的多边形排样三个角度进行研究。 第七章对本文内容进行简要的总结和展望。 1 5 本章小结 本章首先简要介绍了数控转塔冲床及其发展概况，然后简要介绍了控制系统及其发展概 况，之后提出课题并就课题的解决方案从总体上给予介绍和说明，最后对课题的意义和课题 的主要工作内容进行了简要介绍。 湫平：数控转塔冲床控制系统软件的研究 9 2 1 现场总线技术 2 1 1 现场总线简介 第二章硬件平台搭建 现场总线是指以工厂内的测量和控制机器之间的数字通讯为主的网络，也称为现场网络， 就是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相 互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。原来这些机器间的主体配线是 o n o f f 、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可 能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线( 配线的共享) 。 现场总线具有以下特点【27 2 8 】： ( 1 ) 全数字通信。现场总线以数字通信替代了传统4 - 2 0 m a 模拟信号及普通开关量信号的 传输。 ( 2 ) 开放型的互联网络。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的 其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总 线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑， 把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 ( 3 ) 互可操作性与互用性。互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟 通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 ( 4 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等 功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备就可以完成自动控制的基本功能，并可随时诊断 设备的运行状态。 ( 5 ) 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构， 从根本上改变了现有分布式控制系统( d c s ) 的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了 可靠性。 ( 6 ) 对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专 为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较 强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足安全防爆要求等。 目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的f i p ，英国的e r a ，德国西门子公 司的p r o f i b u s ，挪威的h n t ，e c h e l o n 公司的l o n w o r k s ，p h c n i x c o n t a c t 公司的i n t e r b u s ， r o b e r b o s c h 公司的c a n ，r o s e m o u n r 公司的h a r t ，c a r l o g a m z z i 公司的d u p l i n e ，丹麦 p r o c e s s d a t a 公司的p n e t ，p c t c r h a n s 公司的f m u x ，以及a s i ( a c t r a t u r s e n s o r i n t e r f a c e ) ， m o d b u s ，s d s ，a r c n e t ，国际标准组织基金会现场总线f f ：f i e l d b u s f o u n d a t i o i l ，w b d d f m ， b i t b u s ，美国的d e v i c e n e t 与c o n t r o l n e t 等。这些现场总线大多用于过程自动化、医药领域、 加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域【2 9 , 3 0 。 l o 扬州大学硕士学位论文 2 1 2e t h e r c a t 总线 工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指i e e e8 0 2 3 协 议，如果进一步采用t c p i p 协议族，则采用“以太网+ t c p i p 来表示，其技术特点主要适 合信息管理、信息处理系统，并在r r 业得到了巨大的成功。 开放的t c p i pe t h e m e t 是2 0 多年来发展最成功的网络技术，过去一直认为，e t h e m e t 是 为r r 领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求 存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决。相 比于其他一些总线，由于总线速度的限制，那些总线只能用于低速领域，而工业以太网却很 好的解决了这个问题，特别适合应用于高速现场总线领埘3 1 】。 e t h e r c a t 正是一种基于工业以太网的现场总线技术。e t h e r c a t 是开放的实时以太网络 通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司研发。e t h e r c a t 为系统的实时性能和拓扑的灵活 性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。 e t h e r c a t 协议直接以标准以太网的帧格式传输数据，并不修改其基本结构。当主控制器 和从设备处于同一子网时，e t h e r c a t 协议仅替换以太网帧中的i n t e m e t 协议( 口) 。数据以过 程数据对象( p d o s ) 形式在主从设备之间传输。每个p d o 都包含单个或多个从设备的地址， 这种数据加地址的结构( 附带用于校验的传输计数位) 组成了e t h e r c a t 的报文。每个e t h e m e t 帧可能包含数个报文，而一个控制周期中可能需要多帧来传送所需的所有报文【3 2 1 。如图2 1 所示。 亿p t u d p t o p u o p l 发l敬h 婀c 觚 i 援头p 藏簸w c 撩基 l l p 虿藏播 ， 够揪 ￥ l j ：, t , - t , i l l 段燕穗缎籀c 这 掳8 字节 l b 獬! ， c 霆ci -j 图2 1e t h e r c a t 中的以太网帧结构 e t h e r c a t 专为例如控制之类的单点应用实现高性能、高通道数而设计。由于使从设备的 读写可在同一帧中完成，因此e t h e r c a t 报文结构针对于分散的i o 是一种优化结构。此外， 由于整个协议处理由硬件完成，从而独立于协议栈运行时间、c p u 性能或软件执行。例如， 通过直接存储器存取( d m a ) ，数据在网卡与主处理器或从设备i o 间传输时，能够实现最低 的c p u 使用率。同时，每个从设备均使用若干专用于p d o 传输及地址解析的现场总线存储 管理单元( f m m u s ) 。从设备独立进行相应报文的映射，从而降低了主设备的复杂性，释放更 多资源【3 3 】。 e t h e r c a t 在网络性能上达到了一个新的高度。1 0 0 0 个分布式i o 数据的刷新周期仅为 3 0 峪，其中包括端子循环时间。利用e t h e r c a t 技术的优异性能，可以实现用传统现场总线 系统所无法实现的控制方法。这样，通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专 用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行 传输。e t h e r c a t 技术使得通讯技术与现代高性能的工业p c 相匹配。总线系统不再是控制理 湫平：数控转塔冲床控制系统软件的研究 念的瓶颈。分布式i o 的数据传递超过了只能由本地i o 接口才能实现的性能 3 2 3 3 1 。 e t h 配a t 中设备扩展很容易，线型、树型或星型拓扑结构均可实现，其他现场总线通用 的结构在e t h o c a t 中同样适用。自由地选择拓扑结构，任意地扩展设备，是它的一个亮点。 图2 2 中设备还可以扩展，而这种扩展的实现是很容易的。 量奢篱豳，：潮 2 1 3c a n o p e n 协议 嬲懋 曩翻 - g 鬻。警警 _ 碍翻 图2 - 2 设备的自由扩展 c a n o p e n 是一种架构在控制局域网路( c o n t r o la r e an e t w o r k , c a n ) 上的高层通讯协定， 包括通讯子协定及设备子协定，常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场总 线。 c a n o p e n 实际作了o s i 模型( 将网络体系结构分为7 层，即物理层、数据链路层、网络 层、传输层、会话层、表示层、应用层) 中的网络层以上( 包括网络层) 的协定。c a n o p e n 标准包括寻址方案、数个小的通讯子协定及由设备子协定所定义的应用层。c a n o p e n 支持网 络管理、设备监控及节点间的通讯，其中包括一个简易的传输层，可处理资料的分段传送及 其组合跚。 c a n o p e n 协议采用对象字典( o d ) 、电子数据文档( e d s ) 等一系列概念来描述设备和协议 的相关信息，还规定了网络管理、服务数据对象( s d o ) 、过程数据对象( p d o ) 等四种通讯机制， 对应于下面4 种报文( 通讯对象) 3 5 , 3 6 】： ( 1 ) 管理报文。主要执行网络管理和d 分配服务，如初始化、配置和网络管理( 包括节 点保护) 。c a n o p e n 网络管理是面向节点的，并且采用主、从通讯方式，只允许主节点发起 通讯，从节点永远等待主节点的