面向復合加工的多方式組多通道控制技術的研究*

唐 堂，王 品，鄭飂默，，韓文業

(1.中國科學院大學，北京 100049;2.中國科學院 沈陽計算技術研究所，沈陽 110168;3.沈陽高精數控技術有限公司，沈陽 110168)

0 引言

隨著全球經濟化的發展，在數控行業，像以往的單一化產品生產模式已漸漸被淘汰，推出多樣化產品，縮短數控產品的生產周期與創新周期，提高產品的質量、精度和增加產品的品種是當今潮流。同時在生產過程中，采用先進的生產工藝技術，既可以保證產品的數量和質量，又可以縮短產品的生產周期，可以提高企業在市場上的競爭力。因此，現代市場制造業對數控復合加工的需求日益增加。所謂復合加工，則是指在柔性自動化的數控加工條件下，當工件在機床上一次裝夾后，能自動進行同一類工藝方法的多工序加工(比如同屬切削方法的車、銑、鉆、鏜等加工)或者不同類工藝方法的多工序加工(比如切削加工和激光加工)，從而能在一臺機床上順序地完成工件的全部或大部分加工工序［2］。針對這種日益增長的對復合加工的需求，往往要求機床在同一時間能加工不同的零件、做不同的操作，且互相獨立、互不影響，多方式組多通道技術應運而生。

多方式組多通道技術的提出是為了滿足對復合加工的強烈需求。本文詳細研究了多方式組多通道控制技術在面向復合加工的數控系統上的應用。

1 方式組和通道

為了改變以往數控行業單一化生產的局面，使得NC 程序能夠并行執行，大大提高數控產品的精度和復雜性，我們提出了一種多方式組多通道控制技術。在多通道數控系統中，各個通道之間通常存在著任務的相關性，因此需要通道之間的相互合作共同完成統一加工任務。通道之間的合作需要通道之間可以相互通信，本論文提出基于信號的協同控制策略。通道之間通過消息機制進行通信完成通道之間的協同控制功能，以及在通道的控制下，各軸的交換策略。

本文主要圍繞著多方式組已經多通道控制層展開敘述，以及多方式組控制下多通道間的協調機制和多通道控制下的軸的交換策略。

1.1 方式組

在介紹方式組之前，不得不介紹數控系統中的操作方式。在數控系統中主要三個操作方式，分別是:AUTO，MDA，JOG。JOG IN AUTO 是AUTO 方式的一個拓展，也就是說JOG IN AUTO 屬于AUTO 模式，而非JOG 模式，這里強調這一點是因為方式組對操作方式敏感。下面詳細介紹方式組。

方式組中的“方式”指的是操作方式，即JOG，MDA，AUTO 等方式，所以方式組就是以操作方式劃分的小組。如果是一個雙方式組的系統意味著在這個系統中可以同時出現兩種操作方式。方式組是由一系列NC 通道以及通道控制下的進給軸和主軸組成的一個加工單元。從加工序列的視角來看，在同一個方式組下的多通道必須是處于同一個操作方式之下的，而且需要同時協調運行NC 程序。另外，每個方式組包含哪些通道可以在配置中設置的。需要注意一點的是。分配在同一方式組下的通道必須是處于同一操作方式之下，可以連續分配，也可以不連續分配。

1.2 通道

何為通道?通道就是控制零件程序自動運行的最小單元，是軸所使用的NC 及其插補器。多通道可以簡單的理解為多個插補器，多通道意味著系統可以同時執行多個NC 程序，互不影響，當然也可以協調同步運行。每個通道中都包含一個NC，在一段時間內可以執行一個NC 程序。機床軸，幾何軸，定位軸的指派，是根據當前機床數據的配置，以及當前程序的狀態由通道完成的。

系統給每個通道設定一個插補器，進行相應的程序處理。一個插補器適用于一個特定的運行方式，并且是在PLC 的控制之下進行的［1］。

通道所具有一些特性，使得每個通道都能獨立的運行自己的NC 程序:每個通道都有自己的速度調節器和快速進給調節器;每個通道都具有專用的解釋器;每個通道都具有自己專用的路徑插入器(Path Interpolator)，這就使得該通道所控制的機床軸能夠同時的被路徑軸控制。當然，這個路徑插入器是計算路徑點的。

通道所具有的上述性能，使得通道可以作為獨立運行NC 程序，控制軸運動軌跡的一個獨立單元。這也就意味著要想實現NC 程序的并發執行，首先要解決的是通道之間的協調同步問題。

2 多通道間的協調同步

正如上文所說，方式組是由多個處于相同操作方式下的通道組成的加工單元，同樣的在同一個方式組下的各通道直接可以相互獨立的加工各自的NC 程序，也可以互相協調同步的加工同一個加工序列，所以需要首先解決通道間的協調同步問題［6］。基于此，我們提出一種協調機制:通過信號量在各通道插補器之間的傳遞來對個通道進行協調［2］。

多通道之間需要進行同步協調來加工同一NC 程序，那么在各個通道之間需要使用一個同步信號來進行同步操作，比如當通道1 運行到某段NC 程序之后，需要通道2 的某段程序的同步操作，這時候，通道1 就需要等待通道2 運行到指定的NC 程序處，基于此，我們提出了同步等待指令(WAI);再比如，當通道1 運行到某NC 程序段的時候，需要其他通道打開相應的NC程序并執行，這時候，我們就需要作用于非本通道的加載NC 指令和執行NC 指令(LAD，EXE)等等。

基于上文所說，接下來詳細介紹我們在藍天多通道數控系統上實現的通道同步等待相關命令(見圖1)。

圖1 藍天數控系統同步指令

3 通道控制下的軸交換

在以往的單通道數控系統中，通道在對NC 程序的加工過程中，通道獲取到的主軸或者公共軸將一直控制到NC 程序運行結束;也就是說，具有軸交換功能之前，一個軸只能被永久的指派給一個通道，且只能在該通道下使用。

在多通道數控系統中，提高程序的并發性能，提高通道間的協同作用就需要主軸和公共軸在NC 程序運行過程中動態的分配，使用軸交換功能可以使本通道的軸指派給其他通道使用［4］。基于此，我們提出了一種基于信號量機制的軸交換策略:申請獲取和等待釋放。

該交換策略的原理是:當通道需要獲取一個公共軸時候，如果該申請為非強制申請，則向該軸發出獲取申請，則首先判斷該軸的狀態，若為中性軸，則該通道直接可以獲取到對該公共軸的使用權，并同時標記該軸為通道軸狀態(即非中性狀態);若不為中性軸狀態，將該通道加入到軸請求隊列尾部，并標記該通道為中斷狀態，以后每個一段時間間隔定時輪詢所申請軸的狀態，直到軸的狀態變為中性軸時，方可得到軸的使用權，同時將通道移除請求隊列，并標記該通道為激活狀態［9］。另一方面，當通道對軸的使用完成時，通道釋放該軸，并標記該軸為中性狀態。如果該申請為強制申請，無論該軸是處于什么狀態，都將該軸分配給該通道，標記該通道為激活狀態，若之前軸處于其他通道控制下，標記被剝奪使用權的通道為中斷狀態，并且同時標記該軸為通道軸狀態，當當前通道使用完成并釋放軸時，標記該軸為中性狀態。

軸的交換與分配流程圖如圖2 所示:

圖2 軸的交換與分配流程圖

4 聯機驗證

聯機平臺選擇基于藍天多通道數控系統的HTM63150IY 數控機床，如圖3 所示。

圖3 HTM63150IY 數控機床

驗證代碼如圖4 所示，三個通道的時序圖如圖5所示。

圖4 三通道同步等待G 代碼

圖5 三通道時序圖

5 結束語

本文研究了面向復合加工的多軸多通道控制技術，提出了基于信號量機制的多通道控制下軸的交換策略和基于模式組的通道間的協作機制，這使得多通道之間的協作加工成為可能，將傳統的串行工藝并行化來實現多任務的并發執行，在實際加工過程中，縮短了數控產品的生產周期與創新周期，提高了產品的質量、精度。基本達到了課題的預期目標，為國內多通道控制技術的研究做出了有益的嘗試。

［1］Control System SINUMERIC 840D sl BASIC FUNCTION:477 -683.

［2］郇極，靳陽，肖文磊.基于工業控制編程語言IEC 61131 -3 的數控系統軟件設計.

［3］Control System SINUMERIC 840D sl /828D 控制系統:505 -583.

［4］王愛玲.現代數控原理及控制系統［M］.北京:國防工業出版社，2005.

［5］郇極.在PC 上實現的多軸多通道數控軟件系統［J］. 世界制造技術與裝備市場，1995(5):63 -66.

［6］吳衛東，周會成，周向東.一種面向多任務多通道的數控系統軟件設計［J］組合機床與自動化加工技術，2010(10):37 -40.

［7］韓式國，趙軍，陳曉曉，等.數控編程技術及其典型應用研究［J］. 組合機床與自動化加工技術，2012 (3):100 -103.

［8］韓旭，黃艷，于東.基于混雜系統的多通道運動控制功能研究［J］. 組合機床與自動化加工技術，2010(6):32 -36.

［9］韓江，陸愛明，夏鏈，等.基于FMS 開放式數控系統的研究及在線監控［J］. 組合機床與自動化加工技術，2012(7):54 -56，60.

［10］潘策，姜凌羽.基于LINUX+RTLINUX 平臺的開放式數控系統的設計［J］. 組合機床與自動化加工技術，2012(10):66 -68.