虛實結(jié)合的數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)平臺設(shè)計與應(yīng)用

黃建明, 杜　超, 賴天華

(西南石油大學(xué) 工程訓(xùn)練中心, 四川 成都　610500)

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虛實結(jié)合的數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)平臺設(shè)計與應(yīng)用

黃建明, 杜超, 賴天華

(西南石油大學(xué) 工程訓(xùn)練中心, 四川 成都610500)

基于THWHK-1B型數(shù)控加工中心控制技術(shù),設(shè)計了虛實結(jié)合的數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)平臺。該平臺用FAUNC系統(tǒng)自帶的Picture軟件編寫適于仿真的PMC程序,模擬斗笠式刀庫的軟件選刀、換刀,虛實結(jié)合仿真顯示與實現(xiàn)尋刀和換刀過程,便于學(xué)生理解復(fù)雜的斗笠刀庫換刀過程、較復(fù)雜PLC的編程實現(xiàn)及傳感器與液壓氣壓元件的應(yīng)用。該平臺既能用于在線實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制,也可用于數(shù)控技術(shù)、PLC應(yīng)用、傳感器與檢測技術(shù)應(yīng)用、液壓氣動等理論課程的輔助實驗教學(xué)。

數(shù)控技術(shù)； 實驗教學(xué)平臺； 斗笠式刀庫； 軟件選刀；PMC；HMI

數(shù)控機床在我國裝備制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。數(shù)控技術(shù)總體分為數(shù)控加工技術(shù)和數(shù)控機床或加工中心的控制技術(shù),是否具備刀庫和自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機床和加工中心的主要區(qū)別[1-3]。刀庫及自動換刀裝置(簡稱刀庫系統(tǒng))是高檔加工中心和重型加工中心的重要組成部分,是實現(xiàn)加工中心刀具儲備及自動交換的重要功能部件。加工中心工作中所需要用到的各種刀具均存儲在刀庫中,而刀庫不但具有儲存刀具的能力,還能將加工中心工作中需要用到的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置,通過自動換刀裝置將刀庫中待用的刀具與主軸上的工作刀具進(jìn)行交換。

目前,關(guān)于數(shù)控加工技術(shù)的仿真軟件很多,如Proe、UG、Mastercam、Cemetro等,但還沒有一款模擬刀庫及自動換刀的軟件仿真系統(tǒng)。而刀庫的換刀由于動作復(fù)雜,又涉及機械動作、PMC編程技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)的應(yīng)用、液壓氣動的應(yīng)用等多專業(yè)知識,一直是數(shù)控技術(shù)教學(xué)的重點和難點。現(xiàn)在加工中心的斗笠式換刀系統(tǒng)在后臺PMC實現(xiàn)換刀,學(xué)生雖然能直觀地看到具體的換刀的過程,但感受不到換刀過程內(nèi)部PMC、機床和CNC三者之間復(fù)雜的信息交換和處理過程,也不能直觀感受這種換刀方式的優(yōu)點。

所設(shè)計的虛實結(jié)合的數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)平臺能夠?qū)庸ぶ行牡牡稁爝M(jìn)行仿真(包括后臺的PMC抽象邏輯控制的具象顯示),并實時顯示加工監(jiān)控畫面和報警畫面,進(jìn)行簡易處理指導(dǎo)、簡易的操作步驟提醒,具有良好的人機交互功能。該平臺有助于啟迪學(xué)生的邏輯思維,幫助學(xué)生掌握PMC編程知識,對于學(xué)生理解傳感器、機械運動控制、液壓氣壓自動控制、機器手等其他知識也大有裨益。

1　數(shù)控技術(shù)中刀庫和換刀知識要點

斗笠式刀庫的換刀基本的動作有如下18個步驟[4]:

(1) 主軸移動至換刀坐標(biāo)處；

(2) 主軸準(zhǔn)停；

(3) 刀庫前進(jìn)(抓舊刀,需判斷是否有刀)；

(4) 主軸松刀(需檢測是否到位)；

(5) Z軸向上移動(讓出刀庫旋轉(zhuǎn)空間)；

(6) 刀庫旋轉(zhuǎn)(選刀)；

(7) Z軸向下移動(移動至換刀位置)；

(8) 主軸緊刀(抓新刀)；

(9) 刀庫后退(需檢測是否后退到位),換刀結(jié)束；

(10) 主軸移動至換刀坐標(biāo)處；

(11) 主軸準(zhǔn)停；

(12) 刀庫前進(jìn)(抓舊刀)；

(13) 主軸松刀；

(14) Z軸向上移動(讓出刀庫旋轉(zhuǎn)尺寸)；

(15) 刀庫旋轉(zhuǎn)(判斷正反轉(zhuǎn),就近選刀)；

(16) Z軸向下移動(移動至換刀位置)；

(17) 主軸緊刀(抓新刀,需檢測是否到位)；

(18) 刀庫后退(檢測是否后退到位),換刀結(jié)束。

通常,講授數(shù)控中心刀庫和換刀知識需要畫出邏輯框圖(見圖1),有時還需要結(jié)合邏輯框圖講解換刀宏程序[4]。

圖1　斗笠式換刀過程流程圖

換刀宏程序如下:

O9001；

N1IF[#1000EQ1]GOTO19(TCODE=SPTOOL)T代碼等于主軸刀號,換刀結(jié)束

N2#199=#4003(G90/G91MODLE)

N3#198=#4006(G20/G21MODLE) 保留之前的模態(tài)信息

N4IF[#1002EQ1]GOTO7(SPTOOL=0)如果主軸刀號為0,則直接抓刀

N5G21G91G30P2Z0M19回第二參考點(換刀點),M19定向,準(zhǔn)備還刀

N6GOTO8

N7G21G91G28Z0M19回第一參考點(原點),M19定向,準(zhǔn)備抓刀

N8M50刀庫準(zhǔn)備好(使能)

N9M52刀庫向右(靠近主軸)

N10M53松刀吹氣

N11G91G28Z0回第一參考點

N12IF[#1001EQ1]GOTO15(TCODE=0)如果指令是T0,則無需抓刀

N13M54刀庫旋轉(zhuǎn)

N14G91G30P2Z0回?fù)Q刀點(回第二參考點)

N15M55刀具鎖緊

N16M56庫向左(遠(yuǎn)離主軸)

N17M51換刀結(jié)束

N18G#199G#198恢復(fù)模態(tài)

N19M99

按照傳統(tǒng)教學(xué)方法,大多數(shù)學(xué)生難以理解抽象的換刀過程,而這一部分內(nèi)容正是自動控制過程的精髓部分。基于此,所設(shè)計的仿真平臺通過模擬斗笠式刀庫的自動換刀過程,逐步動態(tài)具象實現(xiàn),基于FANUC系統(tǒng)自帶的Picture軟件二次開發(fā),實現(xiàn)人機交互模擬刀具數(shù)據(jù)表和軟件選刀、換刀的全過程。平臺直觀地顯示PMC內(nèi)部的邏輯控制和內(nèi)部計數(shù)器、寄存器、回轉(zhuǎn)器、比較器等數(shù)值的變化,顯示在線加工狀態(tài)、報警信息和簡易操作指導(dǎo)。傳感器是否到位用燈的亮或不亮顯示,便于學(xué)生具象化地理解選刀、換刀過程。

2　平臺仿真系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1刀庫換刀仿真系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)是基于THWHK-1B型數(shù)控加工中心控制技術(shù)實驗開發(fā)平臺(見圖2)開發(fā)的。該平臺采用FANUC數(shù)控系統(tǒng),采用8工位斗笠式刀庫。該刀庫由三相異步電動機、氣缸、刀盤、傳動機構(gòu)和檢測信號開關(guān)等組成,有正反轉(zhuǎn)計數(shù)、刀庫伸出、伸出到位、緊刀到位、刀庫縮回和縮回到位、主軸緊刀和松刀等信號。該仿真系統(tǒng)能同步仿真顯示換刀每一個步驟的動作,用同心分布的8盞燈模擬刀庫的8把刀,每盞燈旁邊有刀座號。FANUC數(shù)控系統(tǒng)自配有Picture軟件,便于實現(xiàn)HMI人機交互功能，便于換刀過程的仿真及顯示PMC內(nèi)部寄存器的內(nèi)容和坐標(biāo)位置，便于對復(fù)雜的操作步驟通過實時對話框提醒，便于簡化故障判斷和處理等功能，也便于二次開發(fā)。

圖2　THWHK-1B型數(shù)控加工中心控制技術(shù)實驗開發(fā)平臺

筆者在參考原有程序的基礎(chǔ)上,適當(dāng)改寫適用于虛擬仿真顯示的選刀和換刀過程的PMC程序,保證仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)。PMC在與CNC和機床信號交互通信中處于核心地位(如圖3所示)。有一定PLC編程基礎(chǔ)的學(xué)生可以嘗試編寫較為復(fù)雜的PMC選刀、換刀程序,然后在此平臺上進(jìn)行仿真,以檢驗編寫的程序是否正確,例如檢驗顯示的數(shù)據(jù)與實際是否相符、主軸位置是否正確、刀庫是否轉(zhuǎn)動、刀座號與仿真顯示的是否一致、驅(qū)動傳感器的指令寄存器是否賦予數(shù)值、是否真的驅(qū)動了執(zhí)行機構(gòu)(機床)等。這將有利于學(xué)生理解和運用較復(fù)雜的PLC指令,還可進(jìn)一步判斷傳感器和執(zhí)行機構(gòu)(機床)或通信故障等。

圖3　PMC與機床和CNC通信圖

任選刀具的換刀方式可以由刀座編碼、刀具編碼和記憶方式實現(xiàn),記憶式的任選方式是目前加工中心廣為采用的軟件選刀的方式,它使刀庫的刀具與主軸上的刀具直接交換,即隨機任意選刀、換刀。主軸上換上的新刀號及送回刀庫中的刀具號均在計算機內(nèi)部相應(yīng)的存儲單元記憶,不論刀具放在哪個地址都始終能跟蹤記憶。本實驗平臺有特點如下。

(1) 刀庫采用固定刀位管理,即刀庫中每個刀套只用于安放一把固定的刀具,增加刀具號地址,記錄刀具轉(zhuǎn)過的位置數(shù),建立數(shù)據(jù)表,包括刀具號、刀套號(或者刀座號),實現(xiàn)軟件換刀,減少因檢測裝置誤差及亂刀引起的故障,成本低、可靠性好。

(2) 通過PMC實現(xiàn)查表和換刀的邏輯控制,用Picture人機交互模擬刀具表軟件選刀的過程;建立主軸當(dāng)前刀號及刀盤當(dāng)前刀號的數(shù)據(jù)表,并建立虛擬刀具刀號及刀盤號的數(shù)據(jù)表。

(3) 利用傳感器檢測刀具是否旋轉(zhuǎn)到位,氣動裝置是否伸出位。夾緊裝置采用氣動控制。為保證演示效果和驗證完整性,本項目擬借用現(xiàn)有的機械手自動上料機構(gòu),編寫一段加工程序和換刀程序,模擬加工并保證項目的實施與完成項目的驗證。

2.2系統(tǒng)安全分析

2.2.1報警、互鎖、傳感器信號顯示功能

平臺中增加報警處理畫面,并針對報警給出簡易的處理建議[5-9]。平臺的主要換刀流程包括記住換刀旋轉(zhuǎn)的刀位數(shù),比較刀具號、刀座號、主軸刀號,增加刀具旋轉(zhuǎn)不到位報警、刀庫伸刀和縮回不到位報警、主軸未到達(dá)換刀點報警、主軸是否有刀判斷信號、緊刀氣壓和潤滑不正常報警等功能。用燈顯示PMC實現(xiàn)的互鎖功能,例如松刀和緊刀互鎖,只能有一個燈亮；刀庫伸出和刀庫縮回互鎖,只能有一個燈亮。這些設(shè)計便于學(xué)生觀察和理解復(fù)雜、抽象功能的具象實現(xiàn)。

2.2.2通過在線監(jiān)控加工狀態(tài),保證安全

通過加工過程監(jiān)控系統(tǒng)能夠賦予機床智慧[10],自主地判斷設(shè)備、裝夾、加工過程和刀具是否正常,在發(fā)生斷刀、撞刀等異常情況時立即控制停機,保證加工過程安全穩(wěn)定。同時還能根據(jù)實時的加工負(fù)載,智能地調(diào)節(jié)進(jìn)給倍率、優(yōu)化加工效率,以及根據(jù)刀具的切削力判斷刀具是否磨損,降低刀具的風(fēng)險和成本。

2.2.3通過數(shù)據(jù)的采集和分析實現(xiàn)自適應(yīng)控制

通過某些軟件能采集所有從機床內(nèi)部傳感器(例如旋轉(zhuǎn)軸或進(jìn)給軸的功率、轉(zhuǎn)矩等負(fù)載數(shù)據(jù),目標(biāo)、實際位置、速度等)或外部傳感器(如振動、加速度、溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù))讀取到的數(shù)據(jù),在用于對機床進(jìn)行監(jiān)控的同時,還能根據(jù)采樣頻率(最大100Hz)記錄監(jiān)測到的所有數(shù)據(jù)以及監(jiān)控生成的加工過程曲線,便于進(jìn)行統(tǒng)計分析,實現(xiàn)進(jìn)一步的自適應(yīng)控制,即在編程和實際加工時根據(jù)實際加工的具體情況來優(yōu)化切削參數(shù)。

2.2.4本平臺可作為遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)

除在機床操作面板上顯示單機的監(jiān)控畫面外,還能在電腦上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示,能夠在獨立的信號線纜連接的顯示屏或遠(yuǎn)程通過網(wǎng)絡(luò)連接的顯示屏顯示特定機床的實時監(jiān)控畫面,或集中顯示多臺設(shè)備的運行狀態(tài)，并可進(jìn)行利用率分析。作為全天候在機床后臺實時運行的設(shè)備,可以利用某些軟件如ToolScope獲取的機床狀態(tài)數(shù)據(jù)和加工過程數(shù)據(jù)[10],對機床的運行狀態(tài)進(jìn)行集中顯示和記錄,統(tǒng)計實際加工時間和閑置時間,記錄運行程序號、刀具號、換刀時間,分析機床的有效利用率,從而輔助實現(xiàn)車間的生產(chǎn)管理。

2.3平臺上操作過程及仿真系統(tǒng)實現(xiàn)流程

(1) 利用機械手自動實現(xiàn)待加工毛坯料的上料和已經(jīng)加工的零件取出；

(2) 拷入加工程序；

(3) 機床回零及調(diào)用程序加工；

(4) 實時監(jiān)控顯示加工過程畫面(見圖4)；

(5) 切換顯示HMI換刀主畫面(見圖5)；

(6) 顯示報警及刀庫刀號地址畫面(見圖6)及M代碼顯示列表(見圖7)。

3　平臺主要功能實現(xiàn)

教師在講解數(shù)控加工中心的刀庫和換刀時,可以按面板下面對應(yīng)的按鍵,在加工狀態(tài)、換刀畫面、刀號及刀套號、M代碼、報警畫面等這幾個畫面之間互相切換。重點要虛實結(jié)合地給學(xué)生講解和演示換刀的動態(tài)過程,配合刀庫和機床的實際動作,利于學(xué)生理解復(fù)雜的自動選刀、換刀過程。學(xué)生可以通過嘗試編寫和修改較為復(fù)雜的PMC選刀、換刀程序,并將程序在平臺上進(jìn)行仿真,以檢驗編寫的程序是否正確,全面深入地理解PMC程序控制及PMC、CNC和機床三者之間復(fù)雜的通信過程；通過平臺的虛實結(jié)合具象的實際應(yīng)用,有利于幫助學(xué)生理解傳感器與檢測器技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、自動控制技術(shù)、人機交互技術(shù)等。當(dāng)然,平臺與加工中心自帶的控制機床的其他參數(shù)設(shè)置及加工畫面等顯示完全兼容,是對原有畫面做了更加有利于教學(xué)的豐富和補充。當(dāng)然,還可以在教學(xué)的過程中根據(jù)實際需要,經(jīng)過簡易的學(xué)習(xí)FAUNC系統(tǒng)自帶的Picture軟件,對其他的難于理解的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仿真,更有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,有效地提高學(xué)生的綜合分析能力和動手能力。

圖4　加工中心加工狀態(tài)監(jiān)控畫面

圖5　動態(tài)顯示換刀畫面(顯示刀庫縮回到位和緊刀到位)

圖6　屏幕顯示的刀號及刀套號頁面

圖7　部分M代碼列表

4　結(jié)語

本數(shù)控技術(shù)虛實結(jié)合平臺通過Picture二次開發(fā),對斗笠式換刀過程進(jìn)行了仿真,有利于學(xué)生全面理解PMC程序控制,特別是理解PMC程序內(nèi)部計數(shù)器、回轉(zhuǎn)器、比較器等內(nèi)部寄存器的復(fù)雜變化,以及如何判斷刀庫的正反轉(zhuǎn)與實現(xiàn)就近選刀。此平臺可用于在線監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制,還可通過與其他換刀技術(shù)的比較,讓學(xué)生更好地理解自動控制的精髓。平臺虛實結(jié)合[11-12],讓學(xué)生在做中思考和學(xué)習(xí),將抽象的邏輯控制變得具象,使繁瑣的步驟變得相對簡單,讓學(xué)生能更

好地理解數(shù)控技術(shù),對培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、提高綜合分析和動手能力也有重要意義。

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Designandapplicationofvirtual-actualcombinationexperimentalteachingplatformforNumericalControlTechnologycourse

HuangJianming,DuChao,LaiTianhua

(EngineeringTrainingCenter,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

Thevirtual-actualcombinationexperimentalteachingplatformforNumericalControltechnologycoursehasbeendesignedandapplied,mainlyincludingbasedonTHWHK-1Bexperimentalplatformofnumericalcontrolmachiningcenterandcontroltechnology,withthePicturesoftwareofFAUNCsystem,writingthePMCprogramsuitableforsimulationtosimulatethesoftwarechoosetoolandautomatictooloftheturntablestyletoolmagazine,similarly,displayingtheprocessofAUTOtoolchangerandcombiningtheactualautomatictoolchangeofthemachiningcenter,whichishelpfulforstudentstounderstandthecomplexprocessofAUTOtoolchangerandcomplicatedPLCprogram,theapplicationoftransducerandhydraulicpressurecomponents.BecausetheplatformcansynchronouslydisplayedtheprocessingstatusandtheinternalregisterinformationofPMConthecontrolpanelofCNCMachiningCenter,itcanbeusedforon-linereal-timemonitoringandremotecontrol,alsocanbeusedforaidedexperimentalteachingofthesetheorycoursessuchasNumericalControlTechnology,ProgrammableLogicController(PLC)Applications,SensorandTestingTechnology,HydraulicPneumaticTechnology,etc.

numericalcontroltechnology;experimentalteachingplatform;hatknifelibrary;softwarechoosytool;PMC;HMI

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.033

2016-01-27

四川省“卓越工程師”培訓(xùn)計劃項目(SUTP1301003)；四川省級教改項目(XUTP1301025)；西南石油大學(xué)工訓(xùn)中心2013年校級重點教學(xué)改革項目“‘四維一體’工程訓(xùn)練教學(xué)模式的探索與實踐”資助

黃建明(1974—),男,四川成都,碩士,講師,車間主任,主要從事機械制造及其自動化方面的教學(xué)、科研和管理工作.

E-mail：jianminghuang@swpu.edu.cn

TP311

A

1002-4956(2016)7-0136-04