基于機(jī)床智能的直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架控制器研究

左文娟，張秋菊，李克修

ZUO Wen-juan, ZHANG Qiu-ju, LI Ke-xiu

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，無錫 214122）

0 引言

智能化是制造自動(dòng)化的發(fā)展方向。數(shù)控機(jī)床智能化體現(xiàn)在：1）能夠感知其自身的狀態(tài)和加工能力并能夠進(jìn)行標(biāo)定；2）能夠監(jiān)視和優(yōu)化自身的加工行為；3）能夠?qū)λ庸すぜ馁|(zhì)量進(jìn)行評(píng)估；4）具有自學(xué)習(xí)的能力[1]。作為高檔數(shù)控機(jī)床主要功能部件的轉(zhuǎn)塔刀架，也應(yīng)當(dāng)具備這四點(diǎn)智能化的功能。目前國(guó)內(nèi)的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架多采用普通伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，成本較為低廉[2]，但是存在著功能簡(jiǎn)單單一，可靠性不強(qiáng)，應(yīng)用于不同數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整困難等問題。

直驅(qū)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也是近年來的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。已有很多關(guān)于直驅(qū)工作臺(tái)、直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的研究[3,4]，由于這類轉(zhuǎn)臺(tái)成本較高，目前多用于高精度、高效數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域。數(shù)控直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架是近年來出現(xiàn)的一種新型高檔電動(dòng)刀架。它采用低速力矩永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位，取消了傳統(tǒng)齒輪或蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈，消除機(jī)械傳動(dòng)誤差對(duì)刀架定位精度的影響，減少傳動(dòng)噪音與傳動(dòng)故障問題，提高了換刀速度、定位精度與運(yùn)行可靠性，降低了運(yùn)行維護(hù)成本。直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架不但能夠做到在換刀時(shí)刀盤免抬升，而且同一刀架可以更換不同工位的刀盤。我國(guó)對(duì)數(shù)控直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的研究啟動(dòng)較晚，但已有廠家如常州宏達(dá)數(shù)控裝備有限公司推出了相應(yīng)產(chǎn)品。

作為高檔數(shù)控機(jī)床的功能部件，數(shù)控直驅(qū)刀架的智能化是其必然發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)智能化機(jī)床和數(shù)控直驅(qū)刀架的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于嵌入式系統(tǒng)的直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架智能控制器。該智能控制器主要由CNC信息交互模塊、驅(qū)動(dòng)器信息交互模塊、人機(jī)界面信息交互模塊三部分組成，實(shí)現(xiàn)了刀架信息的監(jiān)控、反饋、故障診斷和參數(shù)優(yōu)化，有效提高了刀架的工作可靠性和智能化程度。

1 直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架智能控制器的組成結(jié)構(gòu)

整個(gè)智能控制器硬件組成如圖1所示。該智能控制器主要由CNC信息交互模塊、驅(qū)動(dòng)器信息交互模塊、人機(jī)界面信息交互模塊三部分組成，采用Raspberry Pi[5]作為智能控制器原理樣機(jī)的核心。使用串口或是CAN接口完成與底層驅(qū)動(dòng)器信息交互，使用I/O接口與機(jī)床完成換刀信息交互，使用WEB接口完成與上層人機(jī)交互。由于Raspberry Pi所能夠提供的I/O接口數(shù)量有限，故采用I2C IO擴(kuò)展芯片增加系統(tǒng)I/O數(shù)量，完成數(shù)字量信息交互；采用SPI擴(kuò)展I/O接口，完成模擬量信息交互。

圖1 智能控制器硬件組成結(jié)構(gòu)

1.1 與機(jī)床信息交互接口

市面上已存在的機(jī)床都是采用I/O信號(hào)與轉(zhuǎn)塔刀架進(jìn)行信息交互的，如發(fā)那科（FANUC）數(shù)控系統(tǒng)與轉(zhuǎn)塔刀架進(jìn)行信息交互的部分為PMC，通過I/O信號(hào)完成對(duì)開關(guān)量的邏輯控制[6]。本文所設(shè)計(jì)的直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架智能控制器，保留了實(shí)時(shí)I/O接口，使用MCP23017為樹莓派擴(kuò)展16路輸入接口、16路輸出接口。本文設(shè)計(jì)的控制器控制的直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架有8個(gè)刀位或12個(gè)刀位的，所以采用2進(jìn)制計(jì)數(shù)方式，如2o、21等，控制器預(yù)留4個(gè)I/O接口可以滿足其刀位信號(hào)的要求。

圖2 與機(jī)床信息交互接口

1.2 與驅(qū)動(dòng)器信息交互接口

智能控制器通過串口，采用Modbus通訊協(xié)議與驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行信息交互。Modbus作為開源的現(xiàn)場(chǎng)總線，擁有很高的市場(chǎng)占有率，且絕大多數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)器都支持Modbus通信協(xié)議。與驅(qū)動(dòng)器通信實(shí)現(xiàn)以下功能：

通過Modbus讀寫目標(biāo)角度值與當(dāng)前角度值，完成整個(gè)換刀動(dòng)作。

利用PID控制器對(duì)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化控制參數(shù)。

讀取刀位鎖緊角度值，計(jì)算誤差平均值，作為補(bǔ)償值。在智能控制器中裝有SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)讀取到的刀位角度值大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析預(yù)判斷刀架有無故障。

1.3 與人機(jī)界面信息交互接口

智能控制器通過以太網(wǎng)接口，以HTTP協(xié)議為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)Web遠(yuǎn)程監(jiān)控直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的功能。目前，在嵌入式系統(tǒng)中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，成為嵌入式系統(tǒng)必不可少的一個(gè)重要功能[7]。構(gòu)建局域網(wǎng)，在RaspberryPi中部署REST服務(wù)[8]，用戶通過Web訪問，進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控。人機(jī)界面所顯示的參數(shù)是智能控制器通過Modbus讀取后存放在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中的，使用Json格式將數(shù)據(jù)打包[9]，通過以太網(wǎng)接口發(fā)送到Web端，最終顯示在用戶面前。

2 換刀部分軟件實(shí)現(xiàn)

直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架換刀過程可表述為：首先不停檢測(cè)CNC是否有發(fā)出換刀指令，當(dāng)接收到換刀指令后先松開液壓系統(tǒng)，若在這個(gè)過程中遇到故障進(jìn)行報(bào)警；液壓系統(tǒng)正常松開后，需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的刀位，若在這個(gè)過程中遇到故障進(jìn)行報(bào)警；刀具刀位后，鎖緊液壓系統(tǒng)，若在這個(gè)過程中遇到故障進(jìn)行報(bào)警；液壓正常鎖緊就預(yù)示著一次換刀過程完成，向CNC發(fā)出換刀完成信號(hào)，完成整個(gè)換刀動(dòng)作， 如圖3所示。

圖3 換刀動(dòng)作流程圖

在直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架處于加工運(yùn)行時(shí)，智能控制器將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀架和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦監(jiān)測(cè)到刀架處于不正常工作狀態(tài)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，等待工作人員處理。 每一次的換刀動(dòng)作都執(zhí)行最優(yōu)換刀路徑，使得換刀時(shí)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度值最小，從而達(dá)到迅速換刀的目的。最優(yōu)換刀路徑算的如圖4所示。

3 人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程監(jiān)控的人機(jī)交互界面以Web的方式實(shí)現(xiàn)，使用jQuery的Easyui框架完成前端頁面的構(gòu)建。為了確保監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，在構(gòu)建前端頁面時(shí)設(shè)置了登陸對(duì)話框，擁有操作員身份的用戶才能有權(quán)限修改相應(yīng)的參數(shù)，普通瀏覽者只能看到簡(jiǎn)單的參數(shù)界面。整個(gè)Web頁面如圖5所示。人機(jī)交互系統(tǒng)的后臺(tái)采用Python的Flask框架實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)lask是一款簡(jiǎn)潔的、靈活的、強(qiáng)大的Web框架，利用app向Flask中添加route的形式實(shí)現(xiàn)頁面中tab的增刪。增強(qiáng)了整個(gè)人機(jī)界面的軟件的伸縮性，便于軟件的維護(hù)和擴(kuò)展。人機(jī)交互界面主要實(shí)現(xiàn)刀架參數(shù)的現(xiàn)實(shí)，刀架故障預(yù)判的提醒，刀架控制參數(shù)的修改，以及換刀動(dòng)作的動(dòng)畫仿真。

圖4 最優(yōu)換刀路徑算法流程圖

圖5 人機(jī)交互界面

整個(gè)人機(jī)交互的數(shù)據(jù)更新的實(shí)現(xiàn)如圖6表示。從時(shí)間上可以表述為：首先，前端Web頁面發(fā)出數(shù)據(jù)更新的請(qǐng)求，使用GET方法，Ajax異步更新頁面；后臺(tái)收到數(shù)據(jù)更新的請(qǐng)求后，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢到相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放寄存器地址；數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)所更新數(shù)據(jù)的存放地址，利用Modbus通訊協(xié)議到驅(qū)動(dòng)器中讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)；驅(qū)動(dòng)器通過Modbus通訊協(xié)議將所需數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中；數(shù)據(jù)庫(kù)中更新后的數(shù)據(jù)被后臺(tái)查詢到；最終，將更新數(shù)據(jù)打包成Json格式，前端以datagrid形式展示數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)更新時(shí)序圖

從空間上，可以將直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架遠(yuǎn)程監(jiān)控人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)分為4個(gè)層次：用戶層、中間層、數(shù)據(jù)層、采集層。采集層采集采集直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的參數(shù)，數(shù)據(jù)層利用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，中間層做數(shù)據(jù)的查詢和訪問，用戶層通過Web展示人機(jī)交互界面。如圖7所示。這樣降低了系統(tǒng)的耦合性，增加系統(tǒng)的構(gòu)件化水平，使系統(tǒng)各層之間分工明確，基礎(chǔ)框架模塊與擴(kuò)展模塊之間功能定位明確，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。同時(shí)，考慮系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性。

圖7 人機(jī)交互空間結(jié)構(gòu)

4 誤差在線補(bǔ)償

直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架最終定位精度是由齒盤決定的，粗定位精度直接由直驅(qū)電機(jī)決定。通過優(yōu)化直驅(qū)電機(jī)的控制特性，使得直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架鎖緊時(shí)的粗定位角度值盡可能地接近精定位角度值，從而減小刀盤在軸向上被齒盤牽引做軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)量。這個(gè)扭矩作用在齒盤和電機(jī)軸上，會(huì)對(duì)齒盤和電機(jī)軸造成磨損，從而降低了刀架整體的使用壽命。直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架在鎖緊時(shí)每個(gè)工位的角度值并不一定是整數(shù)值。如8工位的轉(zhuǎn)塔刀架的理論每個(gè)鎖緊角度值為：0°、45°、90°等，但實(shí)際上每相鄰的鎖緊角度差值不是精確的45°，為了延長(zhǎng)刀架的使用壽命，使用在線誤差補(bǔ)償?shù)霓k法，通過優(yōu)化直驅(qū)電機(jī)控制特性，使得電機(jī)軸每次換刀后能夠盡可能接近鎖緊的實(shí)際角度值。

直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架首次上電時(shí)，智能控制器啟動(dòng)誤差校正程序，得到每個(gè)刀位鎖緊的實(shí)際角度值，誤差值為：Δ=實(shí)際鎖緊角度值-理論鎖緊角度值，該誤差角度值經(jīng)過多次讀取做平均所得，如1號(hào)刀位的鎖緊角度值如式(1)所示。

每個(gè)刀位之間的鎖緊角度誤差值如式(2)所示，每次換刀時(shí)與最優(yōu)換刀路徑算法相結(jié)合，每次計(jì)算出最優(yōu)換刀路徑后，再查找誤差補(bǔ)償表，最終實(shí)際要運(yùn)動(dòng)的角度值為：理論角度值+誤差角度值。初次給直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架系統(tǒng)上電時(shí)啟用誤差自學(xué)習(xí)功能，此后在直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架運(yùn)行工程中，誤差實(shí)時(shí)在線補(bǔ)償。

5 結(jié)束語

基于機(jī)床智能的直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架控制器，利用RaspberryPi作為硬件核心功能部件，通過與CNC信息交互，與驅(qū)動(dòng)器信息交互，完成整個(gè)換刀過程工程，并利用Web實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，在直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架系統(tǒng)運(yùn)行中充分體現(xiàn)了系統(tǒng)自我感知和自學(xué)習(xí)的功能。最終通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架控制器的可實(shí)施性。

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