0 引言

　　近年來汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，制動(dòng)器作為汽車、摩托車制動(dòng)系統(tǒng)中的主要執(zhí)行器件，有著巨大的市場(chǎng)需求。制動(dòng)盤是盤式制動(dòng)器的關(guān)鍵部件，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響盤式制動(dòng)器的性能發(fā)揮。目前大多數(shù)汽車、摩托車均采用特定規(guī)格的制動(dòng)盤，故尺寸規(guī)格、材料種類較多，且生產(chǎn)工藝要求不同。為滿足制動(dòng)盤的多品種大批量生產(chǎn)，需研發(fā)適用于盤類零件的柔性生產(chǎn)設(shè)備。STAR.08T柔性車削中心數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)正是著眼于解決制動(dòng)盤的高效柔性生產(chǎn)而進(jìn)行的。該柔性車削中心采用兩工位兩主軸雙刀架立式車床機(jī)構(gòu)，并帶上下料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)安裝和堆垛。該機(jī)床共二十軸，兩個(gè)主軸控制，八個(gè)進(jìn)給軸控制，兩組上下料機(jī)構(gòu)控制，共十個(gè)調(diào)整軸。該車削中心的主軸具有無級(jí)調(diào)速控制，考慮到自動(dòng)上下料主軸控制必須具有準(zhǔn)停功能，為此采用獨(dú)立型PLC實(shí)現(xiàn)柔性車削中心主軸調(diào)速、準(zhǔn)停和速度實(shí)時(shí)監(jiān)控，上下料機(jī)構(gòu)控制和監(jiān)控，采用獨(dú)立型PLC的作用就是在數(shù)控系統(tǒng)集成中可以充分利用獨(dú)立型PLC的硬件資源，如要實(shí)現(xiàn)上述功能需要高速輸入輸出功能和模擬量輸入輸出功能，為了達(dá)到較高的控制要求需要較高的模擬量輸入輸出分辨率，采用獨(dú)立型PLC完全可以解決這些問題，如果采用專用的控制卡則需要較高的硬件資源，提高了數(shù)控系統(tǒng)集成成本。為此在STAR.08T數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)了獨(dú)立型PLC模塊。

1 獨(dú)立型PLC軟件設(shè)計(jì)

　　獨(dú)立型PLC實(shí)現(xiàn)柔性車削中心主軸調(diào)速、主軸準(zhǔn)停、速度實(shí)時(shí)監(jiān)控，上下料機(jī)構(gòu)中兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)位置和速度控制，雙刀架控制，主軸速度監(jiān)控以及主軸和步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前位置監(jiān)控。為了到達(dá)該功能采用“緩沖池”的軟件結(jié)構(gòu)，如圖1。“緩沖池”執(zhí)行程序的過程分為三個(gè)階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。在輸入采樣階段，PLC接收來自上位機(jī)通信數(shù)據(jù)，并存入“緩沖池”的寄存器中，此時(shí)寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使上位機(jī)的通信數(shù)據(jù)更改不會(huì)使“緩沖池”的寄存器狀態(tài)發(fā)生變化，“緩沖池”的寄存器狀態(tài)的變化只有在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才能被更新。在程序執(zhí)行階段，PLC對(duì)程序按順序進(jìn)行“緩沖池”掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進(jìn)行。當(dāng)指令中從輸入“緩沖池”中讀出，根據(jù)用戶程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再存入元件映象寄存器中。對(duì)于元件映象寄存器來說，其內(nèi)容會(huì)隨程序執(zhí)行的過程而變化。當(dāng)所有程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映象寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。對(duì)于“緩沖池”中的監(jiān)控緩沖區(qū)，在PLC一次掃描過程中進(jìn)行一次更新，根據(jù)通信的要求進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)。而“緩沖池”的程序執(zhí)行采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)思想，系統(tǒng)將所有的就緒進(jìn)程按先來先服務(wù)算法的原則，排成一個(gè)隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)，系統(tǒng)把處理機(jī)分配給隊(duì)列首進(jìn)程，并讓其執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片。當(dāng)執(zhí)行的時(shí)間片用完時(shí)，由一個(gè)計(jì)時(shí)器發(fā)出時(shí)鐘中斷請(qǐng)求，調(diào)度程序根據(jù)這個(gè)請(qǐng)求停止該進(jìn)程的運(yùn)行，將它送到就緒隊(duì)列的末尾，再把處理機(jī)分給就緒隊(duì)列中新的隊(duì)首進(jìn)程，同時(shí)讓它也執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片。

圖1獨(dú)立型PLC模塊原理圖

2 上位機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)采用控制字驅(qū)動(dòng)方案，控制字的設(shè)計(jì)如圖2所示。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作，程序流程如圖3所示控制CPU時(shí)刻通過人機(jī)界面和自動(dòng)控制模式的G代碼、M代碼或FST代碼的編譯結(jié)果來獲得控制請(qǐng)求。

圖2上位機(jī)軟件模塊控制字

　　通過不同的請(qǐng)求來修改控制字的不同位，在獲得控制請(qǐng)求的時(shí)候可能有多個(gè)控制請(qǐng)求，設(shè)計(jì)軟件把所有的請(qǐng)求分為了三個(gè)等級(jí)，主軸控制

　　為最高級(jí)別，電機(jī)控制和換刀控制為中等級(jí)別，讀取各個(gè)狀態(tài)為最低級(jí)別，每檔級(jí)別中還有不同事件，采用先來先服務(wù)(即FIFS：first input firstservice)的原則。為了保證軟件設(shè)計(jì)的健壯性和系統(tǒng)的穩(wěn)定型，在通信成功之后要復(fù)位控制字的相關(guān)位，在通信過程中可能由于某種原因?qū)е碌耐ㄐ胖袛嗪屯ㄐ佩e(cuò)誤，采用雙機(jī)制程序設(shè)計(jì)：如果通信不成功再次進(jìn)行通信，如果三次通信失敗進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警處理，同時(shí)進(jìn)行通信軟件診斷。通信模塊是指上位機(jī)與PLC的通信模塊，它包括：通信硬件接口的初始化、數(shù)據(jù)接收發(fā)送、通信協(xié)議的制定、數(shù)據(jù)打包和解包、數(shù)據(jù)的效驗(yàn)等待。

WM：工作模式設(shè)置位，獨(dú)立型PLC模塊共有自動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、單步和回零四種工作模式。　　

WS：主軸速度設(shè)定位；　　

WW：1靜電機(jī)目標(biāo)位置設(shè)定位；　　

WW1：錯(cuò)電機(jī)目標(biāo)位置設(shè)定位：　　

WF：1#電機(jī)最高速度設(shè)定位；　　

WF1：2#電機(jī)最高速度設(shè)定位；　　

WT：1#刀架目標(biāo)刀位設(shè)定位；　　

WT1：2#刀架目標(biāo)刀位設(shè)定位；　　

WC：主軸準(zhǔn)停位置設(shè)定位；　　

XX：備用；　　

RS：讀取主軸速度設(shè)定位；　　

RC：讀取主軸當(dāng)前位置設(shè)定位；　　

RW：讀取1#電機(jī)當(dāng)前位置設(shè)定位；　　

RWl：讀取2#電機(jī)當(dāng)前位置設(shè)定位；　　

RT：讀取1#溫度值設(shè)定位：　　

RTl：讀取2#溫度值設(shè)定位：

3 上下位機(jī)通信軟件模塊設(shè)計(jì)

　　上下位機(jī)(即PC機(jī)和PLC)采用RS485通訊方式。RS485接口是異步串行半雙工傳輸接口。默認(rèn)通訊協(xié)議方式采用ASCII方式。數(shù)據(jù)格式為：1位起始位，7位數(shù)據(jù)位，1位停止位。波特率為115200bps。

　　3.1 通訊協(xié)議格式

　　傳輸設(shè)備將消息轉(zhuǎn)為有起點(diǎn)和終點(diǎn)的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個(gè)設(shè)備被選中，判知何時(shí)信息已完成。錯(cuò)誤消息也能偵測(cè)到并能返回結(jié)果。消息發(fā)送至少要以10ms時(shí)間的停頓間隔開始。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域(地址域)接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少10ms時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過5ms時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于5ms的時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮男ｒ?yàn)域的值不可能是正確的。一典型的消息幀如圖4，其包括：起始、設(shè)備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)數(shù)量及數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和結(jié)束。

圖3上位機(jī)程序流程圖

圖4通訊協(xié)議格式

　　3.2 LRC校驗(yàn)碼

　　對(duì)于消息發(fā)送端，LRC的計(jì)算方法是將要發(fā)送消息中“從機(jī)地址”到“運(yùn)行數(shù)據(jù)”沒有轉(zhuǎn)換成ASCII碼的全部字節(jié)連續(xù)累加，結(jié)果丟棄進(jìn)位，得到的8位字節(jié)按位取反，后再加1(轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼)，最后轉(zhuǎn)換成ASCII碼，放入校驗(yàn)區(qū)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。對(duì)于消息接收端，采取同樣的LRC方法計(jì)算接收到消息的校驗(yàn)和，與實(shí)際接收到的校驗(yàn)和進(jìn)行比較，如果相等，則接收消息正確。如果不相等，則接收消息錯(cuò)誤。如果校驗(yàn)錯(cuò)誤，則丟棄該消息幀，并不作任何回應(yīng)，繼續(xù)接收下一幀數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　獨(dú)立型PLC實(shí)現(xiàn)柔性車削中心主軸調(diào)速、主軸準(zhǔn)停、速度實(shí)時(shí)監(jiān)控，上下料機(jī)構(gòu)中兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)位置和速度控制，雙刀架控制，主軸速度監(jiān)控以及主軸和步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前位置監(jiān)控。而且獨(dú)立型PLC模塊充分利用工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)成熟的PLC硬件資源，減少了硬件開發(fā)的周期，采用自由口通訊協(xié)議，開發(fā)簡(jiǎn)單，增強(qiáng)了系統(tǒng)集成開發(fā)的軟硬件的穩(wěn)定性和系統(tǒng)軟件的健壯性。獨(dú)立型PLC模塊應(yīng)用于STAR-08T柔性車削中心。該設(shè)備是全功能帶自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)兩工位雙主軸雙刀架四工序盤類零件機(jī)械加工數(shù)控裝備。加工的盤類零件，一個(gè)工位加工零件的外徑和上面溝槽，另一個(gè)工位加工零件的內(nèi)徑和下面溝槽。STAR-08T柔性車削中心自動(dòng)上下料，采用參數(shù)化編程，替代傳統(tǒng)的G代碼編程，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提供了加工效率。