基于復合加工的數控系統多軸多通道控制技術探究
2018-3-26 來源：珠海市技師學院 作者：陳廷堡
摘要:目前，人們對復合加工的需求越來越高。在滿足復合加工工藝的相關規定之下，本文希望能設計出一臺裝置確保多個任務的執行方式是并發式的，同時，每個任務之間是沒有關聯的、獨立的;而多軸多通道控制技術的實現是以復合加工技術以及多軸聯動控制技術為基礎的。故本文對多通道控制技術進行了深入的研究，并提出了動態分配方法，實現了多通道之間的信號傳遞。
關鍵詞:復合加工;數控系統;多軸多通道控制技術
隨著信息技術以及計算機技術的飛速發展，數控行業紅單一產品的生產方式已經不能適應時代的要求，故多軸多通道控制技術應運而生，多軸多通道技術已經成為當今時代發展的主題，多軸多通道技術是通過并發形式實現的。所謂的多軸多通道技術指的是多個通道相互協作，獨立完成各自的工序，最終共同完成一項任務的過程。
1、多通道數控系統
多通道數控系統當中具有多個運動以及PLC控制器，該系統的主軸可以在同一時間運動，一起完成一項任務。多個主軸的同時運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，多通道數控系統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行協調。
通道指的是對零件程序的自動運行進行控制的最小單元。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立運行NC程序的數控系統。多通道系統當中的每個通道是可以進行信息交流的，系統會分配給每個通道一個獨立的XYZ軸以及幾何軸。
從機械結構的角度上將，數控機床存在局限性，所以為全部的通道配置足夠的機床軸是不現實的，因此，工作人員就需要考慮如何對公共資源進行分配的問題。由于系統中的通道之間存在這相互協作的關系，故各個通道之間是相互制約的，這就需要為系統為通告提供協調等待的性能。具體示意圖見圖1.
圖1 多通道控制系統中的多個通道的協作等待功能
上面敘述的多通道數控系統的這些特性，不僅僅為系統節省了資源，還減少了系統完成一項工作所需要的時間，提高了數控產品的精確程度。
2、基于復合加工的數控系統多軸多通道控制技術
就目前的形式而言，基于復合加工的數控系統多軸多通道控制技術已經成為當今數控行業發展的主要趨勢，基于復合加工的數控系統多軸多通道控制技術是通過多通道多方式組的并發控制實現的。多軸多通道技術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行復合加工。
2.1 復合加工的主要形式
復合加工主要有一下幾種形式:第一，復合加工一個加工元件;第二，復合加工多個加工元件。
為在數控系統當中實現復合加工，需要對數控加工過程進行建模處理，通過上面敘述的兩種復合加工方式，提出了復合加工集合的概念;復合加工集合不但可以并行進行，還可以獨立進行。
2.2 數控系統當中的多通道協作控制的基本原理
數控系統需要各個通道之間可以獨立的協同的完成所需要加工的工序，在多數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，工作人員需要設置一個高效的、可行的通道之間的信息傳遞以及協作同步機制。
協作控制指的是在通過工作的時候有相應的約束條件，當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的工序之后，才能占用資源繼續工作。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制實現多通道的同步控制。就圖1而言，通道一的優先級別較高，也就是說通道一需要先獨立的完成部分NC程序，在通道一的NC程序運行到一定點的時候，等待通道二開啟并運行，通道一處于等待狀態。
各個通道之間的信息傳遞是通過信號量的傳遞實現的，多通道數控系統當中的通道的地位是平等的，而各個通道是獨立的實現自己的NC程序的。
通道之間在進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，但是信號的轉發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行收集以及發射，通常情況下，通道管理器包含信號發送緩沖區以及信號收集緩沖區這兩個內存區域。在多個通道之間需要同步運行的時候，這就需要實現信號量的傳遞，每個通道都需要和通道管理器進行溝通，這時通道會向通道管理器發送一個等待信號，在所有需要同步運行的通道都向通道控制器發送了等待信號之后，通道管理器就會給所有需要同步運行發送同步信號。具體運行過程見圖2.
圖2 數控系統各個通道狀態轉換圖
2.2.1 數控系統當中的公共軸分配問題
因為數控系統會收到一定機械特性的限制，數控機床當中的軸的數量是一定的，這就表明在加工元件的時候，通多會對公共軸進行爭奪。數控系統當中的公共資源的交換以及狀態是通過通道管理器進行統一管理的。
基于先前學者的研究，本文提出了一種以信號量機制為基礎的公共軸交換策略。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分別是空閑狀態、PLC控制狀態與通道控制狀態，不管在何種操作模式下，通道的狀態都為終止狀態、初始狀態、中斷狀態、初始狀態以及運行狀態等的一種。在通多獲取了公共軸運行加工工序的時候，這個通道就會被標記為激活狀態，在通道完成工序的運行的時候，通道就會被標記為中斷狀態。
2.2.2 多通道之間的并行控制
先前的單通道的數控系統的NC程序的運行方式是串行方式，用戶在輸人了G代碼之后，計算機會解釋和解析數字控制單元，同時會對插補方式、刀位點以及刀具補償等進行深人的分析，直到加工工序完成，所以說，先前的單通道數控系統并沒有就通道提出建議。但是，當前的多通道數控系統的NC程序運行方式是并行的，用戶需要對G代碼文件進行輸人，并對每個通道需要執行的NC程序進行分配。
圖3 多通道數控系統程序加工示意圖
圖3當中的每個通道當中都配備一個插補器，由于每個通道的NC程序都是需要進行獨立插補的。從多通道數控系統整個加工流程的角度上講，在某一時間段，先前的單通道數控控制系統只可以實現對一個加工元件的NC程序的加工，執行程序的過程是串行執行的，這樣不僅不能確保程序的加工精度，還損耗了大量的時間。多通道數控系統可看成多個單通道數控系統在同一個數控機床同時對多個或者一個加工元件的NC程序進行加工的過程。從OS的角度上講，數控系統可以被認作為一個進程，那么多通道數控系統就可以被認為是一個線程，多通道控制功能可以實現對不同數控機床或者同一數控機床的多個部件或者不同設備的運行進行控制，對它們的控制不僅僅可以獨立運行、還可以互相協調實現。多通道數控系統的并行控制技術能保證在多個NC程序在同一時間執行，另外，還可以保證正在執行的NC程序之間的信號處在交互和傳遞的狀態。多通道控制系統當中的控制關系包含任務組、通道組以及機床組三種。
3、總結
在滿足復合加工工藝的相關規定之下，本文希望能設計出一臺裝置確保多個任務的執行方式是并發式的。多通道控制功能可以實現對不同數控機床或者同一數控機床的多個部件或者不同設備的運行進行控制，對它們的控制不僅僅可以獨立運行、還可以互相協調實現。
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