基于復(fù)合加工的數(shù)控系統(tǒng)多軸多通道控制技術(shù)探究

陳廷堡（珠海市技師學(xué)院，廣東 珠海 519000）

基于復(fù)合加工的數(shù)控系統(tǒng)多軸多通道控制技術(shù)探究

陳廷堡
（珠海市技師學(xué)院，廣東 珠海 519000）

目前，人們對復(fù)合加工的需求越來越高。在滿足復(fù)合加工工藝的相關(guān)規(guī)定之下，本文希望能設(shè)計出一臺裝置確保多個任務(wù)的執(zhí)行方式是并發(fā)式的，同時，每個任務(wù)之間是沒有關(guān)聯(lián)的、獨(dú)立的；而多軸多通道控制技術(shù)的實現(xiàn)是以復(fù)合加工技術(shù)以及多軸聯(lián)動控制技術(shù)為基礎(chǔ)的。故本文對多通道控制技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并提出了動態(tài)分配方法，實現(xiàn)了多通道之間的信號傳遞。

復(fù)合加工；數(shù)控系統(tǒng)；多軸多通道控制技術(shù)

隨著信息技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控行業(yè)紅單一產(chǎn)品的生產(chǎn)方式已經(jīng)不能適應(yīng)時代的要求，故多軸多通道控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，多軸多通道技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今時代發(fā)展的主題，多軸多通道技術(shù)是通過并發(fā)形式實現(xiàn)的。所謂的多軸多通道技術(shù)指的是多個通道相互協(xié)作，獨(dú)立完成各自的工序，最終共同完成一項任務(wù)的過程。

1　多通道數(shù)控系統(tǒng)

多通道數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中具有多個運(yùn)動以及PLC控制器，該系統(tǒng)的主軸可以在同一時間運(yùn)動，一起完成一項任務(wù)。多個主軸的同時運(yùn)動使得在工作的時候會存在爭奪公共軸、工序以及時序的問題，所以，多通道數(shù)控系統(tǒng)在工作的時候需要對通道的重疊、并行、交換以及同步等問題進(jìn)行協(xié)調(diào)。

通道指的是對零件程序的自動運(yùn)行進(jìn)行控制的最小單元。從功能的角度上講，每個最小單元都可視作一個單通道的能獨(dú)立運(yùn)行NC程序的數(shù)控系統(tǒng)。多通道系統(tǒng)當(dāng)中的每個通道是可以進(jìn)行信息交流的，系統(tǒng)會分配給每個通道一個獨(dú)立的XYZ軸以及幾何軸。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度上將，數(shù)控機(jī)床存在局限性，所以為全部的通道配置足夠的機(jī)床軸是不現(xiàn)實的，因此，工作人員就需要考慮如何對公共資源進(jìn)行分配的問題。由于系統(tǒng)中的通道之間存在這相互協(xié)作的關(guān)系，故各個通道之間是相互制約的，這就需要為系統(tǒng)為通告提供協(xié)調(diào)等待的性能。具體示意圖見圖1。

圖1　多通道控制系統(tǒng)中的多個通道的協(xié)作等待功能

上面敘述的多通道數(shù)控系統(tǒng)的這些特性，不僅僅為系統(tǒng)節(jié)省了資源，還減少了系統(tǒng)完成一項工作所需要的時間，提高了數(shù)控產(chǎn)品的精確程度。

2　基于復(fù)合加工的數(shù)控系統(tǒng)多軸多通道控制技術(shù)

就目前的形式而言，基于復(fù)合加工的數(shù)控系統(tǒng)多軸多通道控制技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)控行業(yè)發(fā)展的主要趨勢，基于復(fù)合加工的數(shù)控系統(tǒng)多軸多通道控制技術(shù)是通過多通道多方式組的并發(fā)控制實現(xiàn)的。多軸多通道技術(shù)是指一項工序通過多個通道一起完成的過程，如果加工工序是不同的就需要多通道多軸進(jìn)行復(fù)合加工。

2.1復(fù)合加工的主要形式

復(fù)合加工主要有一下幾種形式：第一，復(fù)合加工一個加工元件；第二，復(fù)合加工多個加工元件。

為在數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中實現(xiàn)復(fù)合加工，需要對數(shù)控加工過程進(jìn)行建模處理，通過上面敘述的兩種復(fù)合加工方式，提出了復(fù)合加工集合的概念；復(fù)合加工集合不但可以并行進(jìn)行，還可以獨(dú)立進(jìn)行。

2.2數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中的多通道協(xié)作控制的基本原理

數(shù)控系統(tǒng)需要各個通道之間可以獨(dú)立的協(xié)同的完成所需要加工的工序，在多數(shù)通道同時工作的時候，需要確定哪個通道何時工作、何時等待等問題，因此，工作人員需要設(shè)置一個高效的、可行的通道之間的信息傳遞以及協(xié)作同步機(jī)制。

協(xié)作控制指的是在通過工作的時候有相應(yīng)的約束條件，當(dāng)某個通道工作到某個點的時候，需要等待其他某一通道完成相應(yīng)的工序之后，才能占用資源繼續(xù)工作。而同步控制指的是通道以及軸的同步，在不同的通道以及軸工作的時候存在時間差的時候，是需要通過信號傳遞機(jī)制實現(xiàn)多通道的同步控制。就圖1而言，通道一的優(yōu)先級別較高，也就是說通道一需要先獨(dú)立的完成部分NC程序，在通道一的NC程序運(yùn)行到一定點的時候，等待通道二開啟并運(yùn)行，通道一處于等待狀態(tài)。

各個通道之間的信息傳遞是通過信號量的傳遞實現(xiàn)的，多通道數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中的通道的地位是平等的，而各個通道是獨(dú)立的實現(xiàn)自己的NC程序的。

通道之間在進(jìn)行信號量傳遞的時候，信號量可以從一個通道直接傳遞到另外一個通道之中的，但是信號的轉(zhuǎn)發(fā)以及信號的收集需要通過第三方來完成，這就不得不提通過管理器這個概念。

通道管理器的主要作用是對信號量進(jìn)行收集以及發(fā)射，通常情況下，通道管理器包含信號發(fā)送緩沖區(qū)以及信號收集緩沖區(qū)這兩個內(nèi)存區(qū)域。在多個通道之間需要同步運(yùn)行的時候，這就需要實現(xiàn)信號量的傳遞，每個通道都需要和通道管理器進(jìn)行溝通，這時通道會向通道管理器發(fā)送一個等待信號，在所有需要同步運(yùn)行的通道都向通道控制器發(fā)送了等待信號之后，通道管理器就會給所有需要同步運(yùn)行發(fā)送同步信號。具體運(yùn)行過程見圖2。

圖2　數(shù)控系統(tǒng)各個通道狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2.2.1數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中的公共軸分配問題

因為數(shù)控系統(tǒng)會收到一定機(jī)械特性的限制，數(shù)控機(jī)床當(dāng)中的軸的數(shù)量是一定的，這就表明在加工元件的時候，通多會對公共軸進(jìn)行爭奪。數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中的公共資源的交換以及狀態(tài)是通過通道管理器進(jìn)行統(tǒng)一管理的。

基于先前學(xué)者的研究，本文提出了一種以信號量機(jī)制為基礎(chǔ)的公共軸交換策略。公共軸有三種，分別是中性軸、PLC軸以及通道軸，這三種公共軸所處的狀態(tài)分別是空閑狀態(tài)、PLC控制狀態(tài)與通道控制狀態(tài)，不管在何種操作模式下，通道的狀態(tài)都為終止?fàn)顟B(tài)、初始狀態(tài)、中斷狀態(tài)、初始狀態(tài)以及運(yùn)行狀態(tài)等的一種。在通多獲取了公共軸運(yùn)行加工工序的時候，這個通道就會被標(biāo)記為激活狀態(tài)，在通道完成工序的運(yùn)行的時候，通道就會被標(biāo)記為中斷狀態(tài)。

圖3　多通道數(shù)控系統(tǒng)程序加工示意圖

2.2.2多通道之間的并行控制

先前的單通道的數(shù)控系統(tǒng)的NC程序的運(yùn)行方式是串行方式，用戶在輸入了G代碼之后，計算機(jī)會解釋和解析數(shù)字控制單元，同時會對插補(bǔ)方式、刀位點以及刀具補(bǔ)償?shù)冗M(jìn)行深入的分析，直到加工工序完成，所以說，先前的單通道數(shù)控系統(tǒng)并沒有就通道提出建議。但是，當(dāng)前的多通道數(shù)控系統(tǒng)的NC程序運(yùn)行方式是并行的，用戶需要對G代碼文件進(jìn)行輸入，并對每個通道需要執(zhí)行的NC程序進(jìn)行分配。

圖3當(dāng)中的每個通道當(dāng)中都配備一個插補(bǔ)器，由于每個通道的NC程序都是需要進(jìn)行獨(dú)立插補(bǔ)的。從多通道數(shù)控系統(tǒng)整個加工流程的角度上講，在某一時間段，先前的單通道數(shù)控控制系統(tǒng)只可以實現(xiàn)對一個加工元件的NC程序的加工，執(zhí)行程序的過程是串行執(zhí)行的，這樣不僅不能確保程序的加工精度，還損耗了大量的時間。多通道數(shù)控系統(tǒng)可看成多個單通道數(shù)控系統(tǒng)在同一個數(shù)控機(jī)床同時對多個或者一個加工元件的NC程序進(jìn)行加工的過程。從OS的角度上講，數(shù)控系統(tǒng)可以被認(rèn)作為一個進(jìn)程，那么多通道數(shù)控系統(tǒng)就可以被認(rèn)為是一個線程，多通道控制功能可以實現(xiàn)對不同數(shù)控機(jī)床或者同一數(shù)控機(jī)床的多個部件或者不同設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行控制，對它們的控制不僅僅可以獨(dú)立運(yùn)行、還可以互相協(xié)調(diào)實現(xiàn)。

多通道數(shù)控系統(tǒng)的并行控制技術(shù)能保證在多個NC程序在同一時間執(zhí)行，另外，還可以保證正在執(zhí)行的NC程序之間的信號處在交互和傳遞的狀態(tài)。多通道控制系統(tǒng)當(dāng)中的控制關(guān)系包含任務(wù)組、通道組以及機(jī)床組三種。

3　總結(jié)

在滿足復(fù)合加工工藝的相關(guān)規(guī)定之下，本文希望能設(shè)計出一臺裝置確保多個任務(wù)的執(zhí)行方式是并發(fā)式的。多通道控制功能可以實現(xiàn)對不同數(shù)控機(jī)床或者同一數(shù)控機(jī)床的多個部件或者不同設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行控制，對它們的控制不僅僅可以獨(dú)立運(yùn)行、還可以互相協(xié)調(diào)實現(xiàn)。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.012

陳廷堡（1981-），男，四川渠縣人，本科，助理講師，研究方向:多軸數(shù)控加工技術(shù)及一體化教學(xué)。