基于PC機和T R I O運動控制器的開放式纏繞機數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

引言
　　本文研制的纏繞機為臥式， 芯模水平放置。纏繞時， 芯模繞其主軸勻速轉(zhuǎn)動， 小車電機拖動小車沿芯模軸向往復(fù)運動， 帶動繞絲嘴按一定纏繞角度完成纖維在芯模上的纏繞鋪放， 達到制品的技術(shù)要求。
　　模塊化開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為當今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向， 本文的纏繞控制系統(tǒng)采用嵌入式多任務(wù)運動控制器實現(xiàn)主軸和小車的同步運動控制和纏繞邏輯控制。

討論了基于 P C機和 T R I O運動控制器的開放式纏繞機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)玻璃鋼管纏繞機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)纏繞機由帶動玻璃鋼管芯模旋轉(zhuǎn)的主軸、 對芯模排布玻璃纖維的小車和樹脂以及固化劑供給系統(tǒng)等設(shè)備組成。臥式纏繞機纏繞工作時， 芯模繞其主軸勻速轉(zhuǎn)動， 小車電機拖動小車在工作臺上沿縱向往復(fù)運動， 帶動繞絲嘴按一定纏繞角度完成纖維層在芯模上的纏繞鋪放工作。小車電機在往復(fù)運行時要根據(jù)工藝要求不斷進行加減速， 而且小車和主軸負載隨著纏繞膠量的變化而變化， 易造成導(dǎo)絲頭和芯模的相對位置的變化， 從而造成線型異變和紗片搭接不良。纏繞機系統(tǒng)為一個慣量變化很大的非線性時變位置同步隨動控制系統(tǒng)， 因此， 采用基于電子齒輪的位置跟蹤控制方式以確保紗片搭接良好。電子齒輪模式實際上是一個多軸聯(lián)動模式 ， 其運動效果與兩個機械齒輪的嚙合運動類似。當前軸工作在電子齒輪模式下時， 需設(shè)定電子齒輪傳動比， 當前軸將按照這個速度比值， 跟隨主動軸運動。主動軸的運動模式可以是任何一種運動模式。當前軸運動位移增量等于與之相聯(lián)系的主動軸的位移增量乘以電子齒輪傳動比。

該纏繞機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖 I 所示。上位機采用臺灣研華 1 P C 6 1 0 機箱和 P c A一6 1 7 9主板， 它與英國伍 o M o t i o n T e c h n o l o g y公司的M C 2 0 6 運動控制器通過 R S一 2 3 2 串口實現(xiàn)通訊， 形成一個功能強大的開放式運動控制系統(tǒng)。工業(yè) P C機負責(zé)人機界面管理、 運動狀態(tài)顯示、 遠程監(jiān)控和工藝文件存儲等功能， 運動控制器負責(zé)實時運動控制和邏輯控制， 該結(jié)構(gòu)支持軟件升級和功能擴展， 具有上、 下兩級的開放性。
　　纏繞機主軸電機是 7 . 5 k W 的三相交流異步電動機， 用日本安川 I C I MR—G 7 A 4 7 p 5變頻器驅(qū)動。對于主軸電機的速度， 本系統(tǒng)采用了抗負載變化能力較大的閉環(huán)控制方式。運動控制器軸 3 接口的模擬量輸出作為變頻器速度控制輸入信號， 在運動控制器開環(huán)控制狀態(tài)下設(shè)置模擬量電壓輸出值實現(xiàn)變頻器速度控制。安裝于變速箱輸入軸上的一C WZ 1 X旋轉(zhuǎn)編碼器完成主軸轉(zhuǎn)角和速度的檢測。變頻器采用帶 P G矢量控制方式， P G—X 2速度卡把編碼器采樣的信號一路作為變頻器輸入實現(xiàn)速度閉環(huán)控制， 一路作為速度和位置信號輸入到控制器的編碼器接口 4 ， 實現(xiàn)了由一個編碼器完成速度閉環(huán)控制和主軸轉(zhuǎn)角位置采樣的功能。小車采用安川 S G M G H一 4 4 A C A 6 1 伺服電機完成精確定位， 它沿玻璃鋼管軸向往復(fù)運動， 按照纏繞規(guī)律以一定的響應(yīng)速度和精度跟蹤主軸運動。軸 0接口工作于伺服模式， 完成小車伺服電機的閉環(huán)控制。主軸編碼器反饋接到 MC 2 0 6軸4接口， 作為參考編碼器的輸入軸， 為小車同步運動提供一個編碼器輸入。
纏繞機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
纏繞機控制系統(tǒng)上位機程序采用 Mi c r o s o f t 公司的V C+ + 6 . 0 基于 Wi n d o w s 2 0 0 0 平臺開發(fā)， 完成工藝文件設(shè)置和管理、 遠程監(jiān)控和機床運行狀態(tài)顯示等功能。工控機和 MC 2 0 6通過串口基于 MO D B U S協(xié)議完成工藝參數(shù)下載和機床狀態(tài)參數(shù)上傳顯示。
　　通訊采用主從方式的查詢機制， 系統(tǒng)將工控機設(shè)為主站， M C 2 0 6設(shè)為從站， 只有主站發(fā)出查詢時， 從站才能給出響應(yīng)， 從站不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)。工作時工人選定待纏繞管件型號并將工藝文件下載后， 進入纏繞加工狀態(tài)， 此時所有運動和邏輯控制由完成， 從站僅響應(yīng)主站的查詢并上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)。即使工控機由于某種原因出現(xiàn)故障或死機， 也不會影響當前管道的纏繞加工。從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的實時性。
　　運動控制程序采用 T r i o B A S I C多任務(wù)語言編制。通過運行在 P C機上的 Mo t i o n P e r f e c t 軟件將編制好的運動控制程序下載到 MC 2 0 6內(nèi)即可脫機運行。 T r i o B A S I C語言有三種不同類型的存儲變量： 命名變量、 V R（ ） 變量和 T A B L E區(qū)變量。命名變量是局部變量， 僅在定義它的任務(wù)內(nèi)有效。
　　變量是可被多個任務(wù)共享的全局變量， 它可用于任務(wù)間通訊； T A B L E 區(qū)通常是用于存儲 C A M／指令曲線的存儲區(qū)， 本程序用于存儲纏繞管道型號的工藝文件。運行的用戶程序被稱為線程或任務(wù)。
　　對于復(fù)雜的多任務(wù)程序應(yīng)為線程分配優(yōu)先級，控制器缺省的伺服周期是 l m s ， 該周期在內(nèi)部被分成三個時間片， 每個時間片為 1 ／ 3 m s ， 它們在內(nèi)部分別被用來處理伺服功能， 通訊和通常的“ h o u s e k e e —‘ 任務(wù)。在每個時間片內(nèi)剩余的時間被用于運行用戶程序。M C 2 0 6最多可運行 7個用戶線程， 每個線程用從 l 到 7的數(shù)字標號， 最高標號的線程（ 線　　程7 和 6 ） 被分配固定的時間片， 它們被稱為” 快速任務(wù)“ ， 主要用于有以下要求的任務(wù)： 要在每個伺服周期都要進行處理的任務(wù)； 具有大量的運算和處理的任務(wù)； 任務(wù)啟動后程序執(zhí)行速度不能改變的任務(wù)。 5 g - 線程被稱為” 慢速任務(wù)“ ， 它們具有共同的優(yōu)先級， 程序執(zhí)行速度會隨任務(wù)的增加而降低。用戶可以使用指令啟動任務(wù)使其按指定的優(yōu)先級運行。
　　在上位機軟件 Mo t i o n P e r f e c t 中打開一個” T e r m i n a l “窗口可以設(shè)置一個” C o m m a n d L i n e “ 端 口， 它始終使用” 0 “ 號任務(wù)， 用于從上位機輸入指令并立即運行 。該纏繞機控制軟件中共建立了四個任務(wù)， 其中任務(wù) 7用于纏繞機電機運動控制和機床邏輯控制， 任務(wù) 6用于管理機床與纏繞相關(guān)的 I ／ O信號和主軸轉(zhuǎn)速控制， 任務(wù) 2 完成串口通訊功能， 任務(wù) 1 實現(xiàn)輸膠控制?？刂瞥绦虻娜蝿?wù)功能和執(zhí)行時間分配如圖 2 所示。其中任務(wù) 7和 6的優(yōu)先級最高， 每個伺服周期（ 1 I n s ） 都分配時間片， 任務(wù) 1 ， 2和／ L ） 優(yōu)先級相同， 在每個伺服周期輪流為其分配時間片。纏繞程序任務(wù)功能和執(zhí)行時間的分配如圖2 所示。

纏繞機加工控制工作狀態(tài)分為手動、 半 自動和自動三種狀態(tài)。手動狀態(tài)用于單獨控制芯模和小車的運動。半自動狀態(tài)下芯模和小車協(xié)調(diào)運動進行環(huán)向纏繞， 纏繞的長度由工人控制。自動工作狀態(tài)下可按工藝文件設(shè)定參數(shù)實現(xiàn)環(huán)向和螺旋 自動纏繞。此外控制程序還具有零點校正、 自動零點、 斷點纏繞和纏繞過程人工干預(yù)等功能。
結(jié)束語
該纏繞機數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合了工業(yè) P C機和嵌入式運動控制器的優(yōu)點， 充分利用了 T R I O運動控制器的電子齒輪功能。系統(tǒng)可以根據(jù)工藝要求進行自動纏繞， 并具有系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示、 遠程通訊、 故障診斷與報警和反向間隙補償?shù)裙δ堋Ｔ摾p繞機紗片寬度在 8 0 ～2 2 0 m m之間任意調(diào)節(jié)， 可滿足不同管徑管道的纏繞要求。最高出紗速度可達 Mm ／ m i n ， 芯模轉(zhuǎn)角分辨率為 0 . 0 1 8 。 小車軌跡控制誤差小于0 毫米， 整機響應(yīng)速度快， 性能穩(wěn)定， 操作簡單。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于大慶竹田復(fù)合材料有限公司， 實踐證明該系統(tǒng)對提高玻璃鋼管纏繞成型工藝的技術(shù)水平、 自動化程度和管道質(zhì)量具有非常重要的作用， 并縮短了管道的開發(fā)周期， 減少了工作人員的勞動強度， 提高了生產(chǎn)效率， 降低了生產(chǎn)成本。