摘要：自动铺放技术在先进复合材料制造领域占有举足轻重的地位,发达国家自动铺带技术已相当成熟,大规模应用于多种主要机型制造:如F16,F22,B717,B787,A340,A380等。自动铺带机已经商品化,其数控系统有在通用数控系统基础上开发的铺带数控系统和专用铺放数控系统等。目前国内复合材料制造技术还停留在手工铺放水平,自动铺带尚处在样机的研究阶段。相比手工铺放,自动铺带机不论在效率还是在精度上,都远远优于前者。据统计:国外自动铺带效率是手工铺带的十倍以上,自动铺放定位精度高于手工定位精度两个量级以上。文章主要围绕复合材料自动铺带机的系统设置进行了分析，从而达到保证自动铺带机设备的加工能力及产品质量的目的。
关键词：开放式数控系统；铺带机
引言：为实现复合材料自动铺带机对数控系统的特殊要求,以可编程多轴控制器作为运动控制核心,采用可编程数字I/O卡控制开关量,提出了基于开放式数控系统的铺带机专用CNC硬件体系结构的设计方案。为提高系统中与加工过程密切相关的实时任务的实时性,采用随动控制方式,实现了数控系统软件中的运动控制及其与开关动作量之间的协调联动的任务。完成了各控制器的驱动程序、用户图形界面和数控代码编译模块的设计。该系统能很好解决铺带机多轴运动控制精度要求较高、运动量与较多动作量联动实时性等设计难点。
1.铺带机数控硬件系统控制
复合材料铺放的工艺特性决定了铺带机数控系统的硬件结构体系,铺带机专用数控系统由工控机(IPC)、可编程多轴控制器、开关量控制板卡(PCL-725,PCL-730)、I/O接口、伺服驱动装置和电源驱动装置组成。作为数控系统的核心,工控机(IPC)负责整个控制系统的信息处理与后台操作;并向各下位机发出命令,协调运动量与开关动作量的联合操作。运动控制器接收上位机的控制指令,以此控制各轴电机运动实现数控加工。本系统采用PMAC作为运动控制单元,它使用的CPU是DSP56001/56002数字信号处理器(40MHz),可同时控制8个运动轴同步实现联动。除了能够实现运行程序外,还能监控PLC后台程序,两者由于时序不同并不相互冲突。在执行运动程序之前,PMAC必须对运动性指令和非运动性指令进行预先计算,从而协调执行机构的实际运动。本系统采用PMACⅡ型卡,通过扩展功能模块(ACC-8ES,ACC-8FS)可同时连接伺服电机驱动器与步进电机驱动器,同时实现对伺服电机与步进电机的联动。所选用的是交流伺服电机与国产步进电机,PMAC与上位的连接采用ISA总线方式。铺带数控系统开关动作量作为辅助加工,需要与运动量协调联动。为保证两者实时性,选用PCL-725,PCL-730数字I/O板卡分别对铺带数控系统的手动输入操作与开关动作输出量实施控制。由于两者都是以ISA总线通讯方式与上位工控机连接,数据传输效率得以保证。
2.铺带数控软件系统控制
2.1铺带数控系统的软件结构
铺带机数控系统软件是一个实时多任务软件系统,按照任务与加工控制过程的触发频繁程度,数控软件可分为实时任务和非实时任务两大类：直接与数控加工相关的任务为实时任务,除此之外的辅助任务为非实时任务。根据任务执行的时间不同,还可以分为周期性任务和突发任务:周期任务为有规律的按照时间间隔周期性地执行,突发任务在时间上是随机的。如图1所示,实时周期性任务主要包括运动控制和动作控制任务,它们是铺带加工过程中的核心任务,必须优先执行,不允许被其他任务强占。实时突发性任务主要包括手动开关控制与故障处理,当这些任务被触发时,系统应立即中断正在执行的任务,转入对这些事件的处理,处理完再恢复到中断前的状态。非实时周期性任务主要为界面显示刷新任务,它周期性地更新当前加工状态和各轴位置等显示信息,其主要目的是使操作者可以监控当前的系统信息。非实时性任务的优先级较低,只有当实时任务完全执行之后才能得到运行。非实时突发性任务是指实时性要求很低的任务,主要包括系统参数管理、数控文件管理、加工仿真、代码预处理及其他辅助性操作。
2.2运动控制任务和动作控制任务联合实现
铺带工艺的特殊性要求在铺放加工过程中运动量与动作量同时或交替进行,这两者都是关键任务,必须作为实时任务来实现。但他们通过不同的CPU进行处理:运动控制任务由PMAC执行,而开关动作量由PCL-725输出同步指令。这两个任务由上位机协调联动,通讯方式为ISA总线。由于PMAC运动程序中可以编写PLC逻辑指令,运动指令与动作指令可以联合编写在PMAC程序中,通过不断访问PMAC寄存器内开关量的状态并将其更新到数字输出板卡PCL-725中,就可以保证在铺带运动同时辅助动作量的联动实现。数据的传送完全由上位机协调实现。以下语句为PMAC中运动与动作量联调程序以及在系统主应用程序中数据传输实现。
图1.控制系统软件与功能
2.3主运动与随动的实现
铺带加工的运动控制存在主运动和随动运动两种情况,主运动是指系统直接运行的运动程序,不受任何其他条件限制,PMAC与传统数控加工运动控制卡类似也具有直线插补和圆弧插补运动方式,而直线插补运动方式最多可以支持8轴联动;此外,PMAC还提供了3次样条插补运动的功能,可实现在曲面上的高精度加工,这样也使5轴沿规定曲线联动成为可能。而随动是指相对于主运动程序中某一个或多个轴的运动按某种规律精确跟随运动。铺带的工艺要求预浸带超声切割系统与5轴定位机械平台既相对独立而又在某些特殊情况下必须跟随其运动的一个子系统,所以切割系统的运动方式必须采用随动系统来实现。这两种运动程序由代码解释器根据用户输入的数据自动生成,并通过PMAC设备驱动程序下载到PMAC中。运动程序执行的切换由PMAC运动程序中编写的PLC程序来实现[1]。
2.4系统运动精度与联动实时性
系统精度与实时性主要由相应的运动控制板卡PMAC与动作量数字板卡PCL-725来保证,在PMAC卡中,运动量控制的基本单位是脉冲,经系统传动比例折算,X,Y,Z轴每运动1mm相对应PMAC卡发给电机的脉冲数为6000～12000,而PMAC中后台PLC控制程序运行周期在1ms以内。这与PCL动作量板卡的实时扫描周期基本同步,动作量的延时也可得到保证。
结论：
简而言之，针对铺带机用数控系统的特殊性,进行了铺带机硬软件系统的设计,采用PMAC,PCL-725,PCL-730分别作为运动量与动作量的控制单元,很好地解决了多轴运动精度要求较高和运动动作联动协调性等问题。以Windows2000作为系统核心平台,在BCB环境下编写了铺带机软件应用系统,确保了数控加工关键任务的实时性,从而使加工任务更有效地执行,实现了自动铺带的基本功能[2]，从而保证了自动铺带机设备的加工能力及产品质量。
参考文献：
[1]叶佩青,廖文和,周来水,等.基于PC平台的计算机数控(CNC)系统开发[J].南京航空航天大学学报,2017,29(2):125-130.
[2]罗华丽,李斌,汤志斌.开放式数控系统中的软件PLC技术研究[J].组合机床与自动化加工技术,2017(2):38-40.
论文作者:周英,赵青华,贾敏,梅龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
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