多工位彈簧成型機數控系統開發

李 凡 王德成 李 偉 程 鵬

(機械科學研究總院，北京 100044)

彈簧類零件種類繁多，已有螺旋彈簧、板類彈簧、桿類彈簧和彈性元件等4大類近1 800個品種[1]，廣泛應用于汽車、船舶、航天以及輕工等多個領域。傳統卷簧機難以適應中小批量、多品種的生產方式，因此多工位彈簧成型機以其出色的成型能力得到了廣泛應用。多工位彈簧成型機又稱八爪機、萬能機，能夠非常方便地成形壓簧、拉簧、扭簧和各種異形線C成型彈性件。傳統凸輪式多工位彈簧機依賴于凸輪實現多軸進給，凸輪位置和滑座行程的精確調整相對困難，特殊彈簧生產中的專用凸輪磨制也很費時間，因此無凸輪彈簧成型機應運而生。無凸輪彈簧成型機各軸均由獨立伺服系統驅動，由于其軸數多、運動復雜度高，目前我國彈簧成型設備制造企業尚未很好地掌握無凸輪彈簧機數控技術，多數企業的數控系統長期依賴于臺灣或進口。

本文針對無凸輪彈簧成型機功能特點，基于IPC和PMAC運動控制卡搭建開放式、主從式雙CPU數控系統硬件平臺，IPC作上位機完成后臺管理等非實時任務，PMAC作下位機完成運動控制等前臺實時任務。基于QT圖形界面開發工具，在Windows平臺上開發數控系統軟件，實現了手動控制、數控編程、輸入輸出控制、生產控制、狀態監控、文件管理、系統設置和人機交互等功能集成。

1 多工位彈簧成型機工作原理

多工位彈簧成型機能夠非常方便的成型壓簧、拉簧、扭簧、平面渦卷彈簧和形狀結構復雜的異形線成型彈性件。多工位彈簧成型機由校直機構、送線機構、轉線機構、轉芯機構和成型機構組成。校直機構用以消除鋼絲原有的彎曲變形；送線機構實現鋼絲精確進給；轉線機構控制鋼絲旋轉，用于空間復雜彈簧成型；轉芯機構控制軸芯旋轉，以避免成型過程中鋼絲、軸芯和刀具之間發生干涉，同時還起到控制螺旋彈簧節距的作用。成型機構包含8個成型工位，負責完成彈簧成型。送線、轉線、轉芯機構由3臺伺服電動機分別驅動，定義為FEED、RW、RQ軸；成型機構8個成型工位各由一臺伺服電動機驅動，定義為A～H軸；有時為方便彈簧成形，可在成型工位安裝卷曲軸SP。多工位彈簧成型機結構如圖1所示，機床本體如圖2所示。

2 數控系統硬件設計

數控系統硬件系統采用NC嵌入PC型開放式數控系統體系結構，基于工控機和運動控制器搭建了IPC+PMAC運動控制卡的主從式數控系統硬件平臺。工控機作為數控系統上位機，負責運動信息設置、人機界面交互以及數據管理與存儲等非實時性任務。PMAC運動控制卡作為系統下位機，完成插補運動控制、輸入輸出控制以及數據采集等實時性控制任務。

Turbo PMAC Clipper是由Delta Tau公司設計制造的多軸運動控制卡。Clipper在保持低價、整合的同時，提供了強大的控制性能。采用Turbo PMAC2 CPU，基板提供4軸伺服控制，通過兩塊ACC-1P軸擴展卡可擴展至12軸伺服控制。運動控制卡不占用主CPU線程，處理速度快，提高了加工精度與效率。工控機與運動控制卡之間采用通用的以太網通訊方式，運動控制卡接收上位機指令，在運動控制卡內部進行復雜精確運算，向伺服系統和I/O系統發出相應控制信號，控制系統完成要求的各種復雜動作。同時對系統運動執行狀態、輸入輸出狀態進行實時監測，并將監測數據及時反饋至上位機，以協調完成數控系統各控制任務。數控系統硬件系統結構如圖3所示。

3 數控系統軟件開發

數控系統軟件采用前后臺式分層設計，包括前臺控制層、后臺管理層以及前后臺通訊層3部分，前后臺程序進一步進行模塊化設計。前臺控制程序由下位機PMAC運動控制卡實現，主要完成各軸插補運動控制、開關量輸入輸出控制等實時性任務，包括前臺系統設置模塊、PLC模塊和運動控制模塊。后臺管理程序在上位機中實現，主要完成運動信息設置、人機界面交互以及數據管理與存儲等非實時性任務，包括手動控制模塊、數控編程模塊、輸入輸出模塊、生產控制模塊、狀態監控模塊、文件管理模塊和系統設置模塊。通訊層負責完成前臺控制程序與后臺管理程序之間通訊。數控系統軟件系統結構如圖4所示。

3.1 前臺控制層

前臺控制層由PMAC運動控制卡負責完成，實現運動控制、PLC控制以及系統參數配置功能。

PMAC運動控制卡是一款功能強大的通用型多軸運動控制卡，應用于不同控制系統時需要對系統進行相應的參數配置，包括伺服芯片參數設置、電動機參數設置、坐標系參數設置、輸入輸出參數設置以及M變量地址設置等。

運動控制是整個數控系統的核心部分，根據多工位彈簧成型機實際加工過程以及PMAC運動控制卡運動程序規范，所設計的數控系統運動程序由運動參數設定、運動程序初始化和工步運動程序三部分組成。定義PMAC變量Pxx01～Pxx15存儲各工序運動參數，其中Pxx02～Pxx13存儲當前工步各軸位置絕對坐標參數，Pxx01存儲當前工步氣缸輸出設定參數，Pxx14存儲當前工步單步速度參數，Pxx15存儲當前工步完成后延時時間參數。運動程序初始化過程中需要對坐標系、運動軸、運動插補模式、進給量模式、加減速時間以及矢量進給軸進行設定。各工步運動程序采用程序塊方式用“BLOCKSTART”和“BLOCKSTOP”指令操作符進行隔離，各程序塊中定義當前工步氣缸輸出狀態、各軸進給量、進給速度和延時時間，定義同步M變量“M8000==xxx”用以在程序自動運行過程中跟蹤當前工步。運動程序結構設計如下所示：

Open Program 1 Clear

…

N1

BLOCKSTART

M8000= =1 X(P102) Y(P103) F(P114)

BLOCKSTOP

…

Close

PMAC提供64個可異步操作并快速重復執行PLC 程序，用以完成板卡初始化配置、輸入輸出設備控制、回零、退刀以及自動剪線等操作。本數控系統各PLC程序對應功能如表1所示。

表1 數控系統PLC程序功能對照表

PLC程序功能PLC程序功能PLC1PMAC板卡初始化配置PLC24自動剪線PLC2～PLC1716路輸出控制PLC25輸入輸出設備狀態復位PLC18～PLC214路探針輸入信號響應PLC26系統參數初始化配置PLC22回零PLCC0～PLCC11各軸單軸回零程序PLC23退刀

3.2 通訊層

基于以太網接口通訊方式和PMAC運動控制卡PcommServer封裝庫函數組件，實現數控系統上位機應用程序軟件與PMAC運動控制卡通訊。PcommServer動態鏈接庫基于COM組件形式提供給用戶，為在Windows操作系統下開發應用程序提供了豐富的函數接口。QT提供的QAxContainer模塊允許程序調用COM組件，在開發過程中采用生成命名空間的方式調用COM對象接口函數。利用QT提供的dumpcpp工具，為PcommServer類型庫生成一個名為PCOMMSERVERLib的C++命名空間：在Windows操作系統命令提示符界面下運行“dumpcpp -n PCOMMSERVERLib {50ECCF67-B73C-431B-A53D-9EDDAF3CE611}”命令，生成pcommserverlib.cpp和pcommserverlib.h兩個文件。

QT應用程序開發過程中，首先在工程文件.pro中配置QAxContainer模塊：“CONFIG += qaxcontainer”，并導入pcommserverlib.cpp和pcommserverlib.h文件。在需要與PMAC通訊的文件開頭包含pcommserverlib.h頭文件，并調用using編譯指令使用PCOMMSERVERLib命名空間。最后定義“PCOMMSERVERLib::PmacDevice *Pmac”對象指針，通過Pmac對象指針即可實現對所有庫函數的調用。在應用程序開發過程中，常用庫函數主要有SelectDevice()、DownLoad()和GetResponse()，分別用以運動控制卡驅動、程序下載和發送在線指令并獲取返回值。

3.3 后臺管理層

后臺管理層由工控機負責完成，實現運動信息設置、人機界面交互以及數據管理與存儲等非實時性任務，包括手動控制、數控編程、輸入輸出控制、生產控制、狀態監控、文件管理、系統設置和人機交互八大功能模塊。其中人機交互界面由標題欄、工具欄、主控區和狀態欄組成，主控區分別包括生產界面、手動界面、I/O界面和編程界面，如圖5所示。后臺管理模塊在QT開發環境中利用C++語言實現。QT是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發框架，支持Windows、Linux、Max OSX以及iOS、Android、WP等平臺開發，擁有豐富的API，具有跨平臺、面向對象、易于擴展等特點。

手動控制模塊負責完成系統調試過程中的單軸運動、程序單步/單件運動以及回零、退刀和自動剪線等快捷操作任務。單軸運動包括鼠標/鍵盤點動控制、手輪控制和輸入指定位置自動運動3種控制方式，分別通過發送在線指令“#nJ+”、“#nJ+”和“#nJ=xxx”實現。程序單步/單件運動分別通過發送在線指令“S”、“R”進行控制。回零、退刀和自動剪線等快捷操作通過發送在線指令“ENABLE PLC n”由相應的PLC程序實現。

數控編程模塊負責完成程序輸入、編譯和下載任務。數控程序輸入由QT表單控件QTableWidget實現，可執行程序插入、刪除和修改操作，用戶上位機數控程序包含15個字段，分別為12軸位移量、輸出設備控制、速度控制和延時時間控制。用戶輸入的矩陣式數控程序必須進行編譯才能下載至PMAC運動控制卡，編譯操作由編譯函數MakeFile()完成。程序依次讀取各行參數，寫入相應P變量，然后寫入運動初始化程序，進而根據當前工步各軸運動狀態動態寫入運動程序塊。最后通過調用PcommServer庫函數DownLoad()，將編譯完成的運動程序下載至PMAC運動控制卡中執行。

輸入輸出模塊負責完成對氣缸、探針、料架等輸入輸出設備的測試、監測和控制任務。系統采用ACC-34AT輸入輸出接口板，在PLC程序1中進行ACC-34AT初始化配置，并定義M0～M31變量地址分別指向AI0～AI15、BO0～BO15，用以實現對相應輸入輸出接口狀態的監控。系統輸入設備包括：探針#1～探針#4、料架報警、安全門報警、伺服系統動力電源報警、伺服系統控制電源報警以及8路備用接口；輸出設備包括：氣缸#1～氣缸#4、料架啟動、報警信號輸出、液壓剪以及9路備用接口。在I/O界面中，可通過觸發相應按鈕，對輸入輸出設備進行測試、監測和控制操作。

生產控制模塊負責完成實際生產過程中產量設置、生產狀態顯示和生產過程控制任務。用戶完成數控程序調試工作后，將程序下載至PMAC運動控制卡，在生產界面中設置目標產量，并啟動自動連續生產模式。生產控制模塊可在不停機狀態下，實時控制全局速度與送線軸狀態，并對剩余產量、生產進度以及平均生產速度等信息進行實時監測。

狀態監控模塊負責對數控系統上下位機通訊狀態、I/O狀態以及伺服系統狀態(使能、限位以及各軸當前位置)的監測、故障診斷與報警。在QT中新開一個線程GetDataThread對PMAC狀態進行實時監控，并將監測數據保存至PublicElement類的成員變量中。重載GetDataThread類的run()函數，在函數中，每隔采樣周期發送MachineDataUpdate()信號，利用QT的信號與槽機制，調用狀態監控類StateView中的成員函數UpdateMachineData()，利用PMAC庫函數GetResponse()實現對系統狀態監控。監控模塊在每個查詢周期內查詢所有狀態值，刷新人機界面顯示狀態，并對異常情況做出報警處理。

文件管理模塊主要負責完成用戶數控加工程序文件的保存和讀取操作。用戶可將當前用戶界面中的數控加工程序，經過編譯后保存至系統物理硬盤當中，在下次加工過程中，可直接從系統硬盤中讀取數控加工代碼，經逆編譯后寫入用戶界面。

系統設置模塊負責完成電動機參數設置、限位設置、用戶管理、軸位選擇、切刀選擇、編程方式設置以及系統速度設置等操作，增加系統柔性，能夠使系統經過簡單的參數調整后，直接應用于不同型號的彈簧成型設備。

4 結語

在分析無凸輪多工位彈簧成型機工作原理與功能特點的基礎上，基于IPC和PMAC運動控制卡搭建了開放式、主從式數控系統硬件平臺，工控機負責處理運動信息設置、人機界面交互以及數據管理與存儲等非實時性任務。PMAC運動控制卡完成插補運動控制、輸入輸出控制以及數據采集等實時性控制任務。基于QT圖形界面開發工具，在Windows操作系統上開發了一套彈簧成型機數控軟件，軟件采用前后臺式分層設計，包括前臺控制層、后臺管理層以及前后臺通訊層三部分，前后臺程序進一步進行模塊化設計，實現了手動控制、數控編程、輸入輸出控制、生產控制、狀態監控、文件管理和系統設置等功能。最后經過實際繞簧測試證明，系統界面友好，功能齊全，操作方便，能夠很好地滿足彈簧成型機實際生產需要。

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