基于工控机的激光数控机床控制系统的研究

发布时间：2019-09-07 11:40

【摘要】：针对航空发动机微孔冷加工所需的超快激光数控机床设计了一种基于工控机的控制系统。文章采用工控机作为整个激光数控机床的主控制设备,将控制软件运行于工控机上。控制软件与工控机、数控系统、协同控制单元等组成控制系统,控制系统的主要控制任务包括:初始化激光器和复合光束扫描模块、向数控系统传送光束指向调整电机的位置信息、配置协同控制单元完成恒重叠螺旋扫描和非圆形面扫描控制等。控制系统还包含简单的工艺数据库同时实现对工艺数据库的增、删、改、查以及维护,并为整个激光数控机床提供简单易操作的人机交互交界面。整个系统最终能达到机床的控制要求,满足加工需求。
【图文】：

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恒重叠率扫描螺旋加工优化。对于非圆形面扫描加工则需要根据复合光束扫描模块输出的位置传感器数据进行实时计算，并判断当前扫描位置是否在非圆形面内部。当处于内部时打开激光器的GATE信号(开关控制信号)，反之则关闭，即可实现非圆形面乃至组合形面的加工［5-6］。3系统硬件结构设计激光数控机床控制系统的硬件主要以工控机作为控制核心，以数控系统和协同控制单元作为控制中间层，激光器、功率监测、终端监测、指向监测、三维检测辅助定位系统、光束扫描系统等则作为被控对象［7－9］，具体结构框图如图1所示。工控机在数据处理和保存方面相对于数控机有着巨大的优势，工控机作为主控制系统可保存各个监测设备返回的监测信息并且通过分析各监测设备返回的信息来实时向数控系统发送控制命令。数控系统接收到命令后，根据工控机发送的参数要求来调整伺服电机的转动方向和角度，从而实现执向调整和光路切换以及聚焦微动等功能［10-11］。数控机采用多通道式分体结构，共配置两个通道，运动控制分别采用MⅢ总线和脉冲控制方式，IO和控制面板采用SSBⅢ总线通讯方式。数控机通过接受工控机发送来的加工位置信息和工艺数据信息来实现对各轴的位置控制和对IO的操作控制。图1机床控制系统电气拓扑结构框图4系统软件设计与实现基于硬件结构设计来实现相应的系统软件，因此整个机床控制软件主要由工控机控制软件和数控系统2017年2月何忠锴，等:基于工控机的激光数控机床控制系统的研究·105·

结构框图,结构框图,工控机

控制软件两部分组成［12］，，其中工控机的系统软件平台选用Windows7操作系统，数控系统则采用实时Linux操作系统来确保控制的实时性，应用软件的人机交互界面都基于QT进行开发，整个控制系统的软件结构框图如图2所示。图2控制系统软件结构框图软件设计方案中工控机控制程序直接运行监测模块和数据采集模块应用程序，同时对监测和采集的信息进行分析，然后根据需要存入数据库或者发送给数控系统。而数控系统软件程序则接收工控机命令或者根据操作人员手动设置来对伺服电机运动进行控制。相比于直接使用数控系统软件来完成所有功能，这样的软件设计方案一方面可拓展性强，如果需要再添加新的模块，可以直接开发基于Windows的应用程序并将其运行于工控机上，另一方面工控机的处理速度和存储能力要比数控机强，加快了加工过程中数据的处理速度。4．1控制系统软件结构4．1．1工控机软件程序运行于工控机上的软件程序主要包含人机交互界面、工艺数据库、三维测量软件程序、指向监测可执行程序、终端监测可执行程序以及光束扫描系统程序等。这些应用程序在Windows7操作系统上运用C++语言进行开发，人机交互界面通过QT编程实现。4．1．2数控系统软件平台与结构数控系统软件采用层次化结构，其中HMU(人机交互单元)采用Linux、MCU(微控制单元)采用实时Linux，通信中间件实现HMU、MCU及相关单元间的数据通信，并支持相关功能的实现。人机界面实现多通道加工过程的显示与操作，任务控制通过开发有限状态机技术，实现对多通道间的协调进行管理，运动控制器与PLC控制器实现对运动轨迹及PLC的控制，应用层及用户行规实现对多总线的支持。具体结构如图3所示。图3数控系统层次化结构图4．2控制系统软件主要功能模块实现根据机床加工?
【作者单位】：中国科学院大学;中国科学院沈阳计算技术研究所高档数控国家工程研究中心;沈阳高精数控智能技术股份有限公司;
【基金】：“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项航空发动机微孔冷加工超快激光数控机床(2014ZX04001041)
【分类号】：TG659

【参考文献】