0 引言

　　近年來汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，制動器作為汽車、摩托車制動系統(tǒng)中的主要執(zhí)行器件，有著巨大的市場需求。制動盤是盤式制動器的關鍵部件，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響盤式制動器的性能發(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盤的高效柔性生產(chǎn)而進行的。該柔性車削中心采用兩工位兩主軸雙刀架立式車床機構，并帶上下料機構實現(xiàn)工件的自動安裝和堆垛。該機床共二十軸，兩個主軸控制，八個進給軸控制，兩組上下料機構控制，共十個調(diào)整軸。該車削中心的主軸具有無級調(diào)速控制，考慮到自動上下料主軸控制必須具有準停功能，為此采用獨立型PLC實現(xiàn)柔性車削中心主軸調(diào)速、準停和速度實時監(jiān)控，上下料機構控制和監(jiān)控，采用獨立型PLC的作用就是在數(shù)控系統(tǒng)集成中可以充分利用獨立型PLC的硬件資源，如要實現(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)了獨立型PLC模塊。

1 獨立型PLC軟件設計

　　獨立型PLC實現(xiàn)柔性車削中心主軸調(diào)速、主軸準停、速度實時監(jiān)控，上下料機構中兩個步進電機位置和速度控制，雙刀架控制，主軸速度監(jiān)控以及主軸和步進電機當前位置監(jiān)控。為了到達該功能采用“緩沖池”的軟件結構，如圖1。“緩沖池”執(zhí)行程序的過程分為三個階段，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接收來自上位機通信數(shù)據(jù)，并存入“緩沖池”的寄存器中，此時寄存器被刷新。接著進入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使上位機的通信數(shù)據(jù)更改不會使“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對程序按順序進行“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，先左后右的順序進行。當指令中從輸入“緩沖池”中讀出，根據(jù)用戶程序進行運算，運算的結果再存入元件映象寄存器中。對于元件映象寄存器來說，其內(nèi)容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。當所有程序執(zhí)行完畢后，進入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映象寄存器中與輸出有關的狀態(tài)轉存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負載。對于“緩沖池”中的監(jiān)控緩沖區(qū)，在PLC一次掃描過程中進行一次更新，根據(jù)通信的要求進行發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機。而“緩沖池”的程序執(zhí)行采用時間片輪轉思想，系統(tǒng)將所有的就緒進程按先來先服務算法的原則，排成一個隊列，每次調(diào)度時，系統(tǒng)把處理機分配給隊列首進程，并讓其執(zhí)行一個時間片。當執(zhí)行的時間片用完時，由一個計時器發(fā)出時鐘中斷請求，調(diào)度程序根據(jù)這個請求停止該進程的運行，將它送到就緒隊列的末尾，再把處理機分給就緒隊列中新的隊首進程，同時讓它也執(zhí)行一個時間片。

圖1獨立型PLC模塊原理圖

2 上位機軟件模塊設計

　　上位機軟件模塊設計采用控制字驅(qū)動方案，控制字的設計如圖2所示。上位機軟件設計采用循環(huán)掃描的方式進行工作，程序流程如圖3所示控制CPU時刻通過人機界面和自動控制模式的G代碼、M代碼或FST代碼的編譯結果來獲得控制請求。

圖2上位機軟件模塊控制字

　　通過不同的請求來修改控制字的不同位，在獲得控制請求的時候可能有多個控制請求，設計軟件把所有的請求分為了三個等級，主軸控制

　　為最高級別，電機控制和換刀控制為中等級別，讀取各個狀態(tài)為最低級別，每檔級別中還有不同事件，采用先來先服務(即FIFS：first input firstservice)的原則。為了保證軟件設計的健壯性和系統(tǒng)的穩(wěn)定型，在通信成功之后要復位控制字的相關位，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誤，采用雙機制程序設計：如果通信不成功再次進行通信，如果三次通信失敗進行系統(tǒng)報警處理，同時進行通信軟件診斷。通信模塊是指上位機與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)的效驗等待。

WM：工作模式設置位，獨立型PLC模塊共有自動、點動、單步和回零四種工作模式?！　?/span>

WS：主軸速度設定位；　　

WW：1靜電機目標位置設定位；　　

WW1：錯電機目標位置設定位：　　

WF：1#電機最高速度設定位；　　

WF1：2#電機最高速度設定位；　　

WT：1#刀架目標刀位設定位；　　

WT1：2#刀架目標刀位設定位；　　

WC：主軸準停位置設定位；　　

XX：備用；　　

RS：讀取主軸速度設定位；　　

RC：讀取主軸當前位置設定位；　　

RW：讀取1#電機當前位置設定位；　　

RWl：讀取2#電機當前位置設定位；　　

RT：讀取1#溫度值設定位：　　

RTl：讀取2#溫度值設定位：

3 上下位機通信軟件模塊設計

　　上下位機(即PC機和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

　　傳輸設備將消息轉為有起點和終點的幀，這就允許接收的設備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個設備被選中，判知何時信息已完成。錯誤消息也能偵測到并能返回結果。消息發(fā)送至少要以10ms時間的停頓間隔開始。傳輸?shù)牡谝粋€域是設備地址。網(wǎng)絡設備不斷偵測網(wǎng)絡總線，包括停頓間隔時間內(nèi)。當?shù)谝粋€域(地址域)接收到，每個設備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少10ms時間的停頓標定了消息的結束。一個新的消息可在此停頓后開始。整個消息幀必須作為一連續(xù)的流轉輸。如果在幀完成之前有超過5ms時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于5ms的時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)。這將導致一個錯誤，因為在最后的校驗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、設備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)數(shù)量及數(shù)據(jù)、校驗和結束。

圖3上位機程序流程圖

圖4通訊協(xié)議格式

　　3.2 LRC校驗碼

　　對于消息發(fā)送端，LRC的計算方法是將要發(fā)送消息中“從機地址”到“運行數(shù)據(jù)”沒有轉換成ASCII碼的全部字節(jié)連續(xù)累加，結果丟棄進位，得到的8位字節(jié)按位取反，后再加1(轉換為補碼)，最后轉換成ASCII碼，放入校驗區(qū)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。對于消息接收端，采取同樣的LRC方法計算接收到消息的校驗和，與實際接收到的校驗和進行比較，如果相等，則接收消息正確。如果不相等，則接收消息錯誤。如果校驗錯誤，則丟棄該消息幀，并不作任何回應，繼續(xù)接收下一幀數(shù)據(jù)。

4 結束語

　　獨立型PLC實現(xiàn)柔性車削中心主軸調(diào)速、主軸準停、速度實時監(jiān)控，上下料機構中兩個步進電機位置和速度控制，雙刀架控制，主軸速度監(jiān)控以及主軸和步進電機當前位置監(jiān)控。而且獨立型PLC模塊充分利用工業(yè)應用現(xiàn)場成熟的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)簡單，增強了系統(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。獨立型PLC模塊應用于STAR-08T柔性車削中心。該設備是全功能帶自動上下料機構兩工位雙主軸雙刀架四工序盤類零件機械加工數(shù)控裝備。加工的盤類零件，一個工位加工零件的外徑和上面溝槽，另一個工位加工零件的內(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強度，提供了加工效率。