虚实结合的数控技术实验教学平台设计与应用

黄建明, 杜　超, 赖天华

(西南石油大学 工程训练中心, 四川 成都　610500)



虚实结合的数控技术实验教学平台设计与应用

黄建明, 杜超, 赖天华

(西南石油大学 工程训练中心, 四川 成都610500)

基于THWHK-1B型数控加工中心控制技术,设计了虚实结合的数控技术实验教学平台。该平台用FAUNC系统自带的Picture软件编写适于仿真的PMC程序,模拟斗笠式刀库的软件选刀、换刀,虚实结合仿真显示与实现寻刀和换刀过程,便于学生理解复杂的斗笠刀库换刀过程、较复杂PLC的编程实现及传感器与液压气压元件的应用。该平台既能用于在线实时监控和远程控制,也可用于数控技术、PLC应用、传感器与检测技术应用、液压气动等理论课程的辅助实验教学。

数控技术； 实验教学平台； 斗笠式刀库； 软件选刀；PMC；HMI

数控机床在我国装备制造业中具有举足轻重的地位。数控技术总体分为数控加工技术和数控机床或加工中心的控制技术,是否具备刀库和自动换刀系统是数控机床和加工中心的主要区别[1-3]。刀库及自动换刀装置(简称刀库系统)是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分,是实现加工中心刀具储备及自动交换的重要功能部件。加工中心工作中所需要用到的各种刀具均存储在刀库中,而刀库不但具有储存刀具的能力,还能将加工中心工作中需要用到的刀具准确地送到换刀位置,通过自动换刀装置将刀库中待用的刀具与主轴上的工作刀具进行交换。

目前,关于数控加工技术的仿真软件很多,如Proe、UG、Mastercam、Cemetro等,但还没有一款模拟刀库及自动换刀的软件仿真系统。而刀库的换刀由于动作复杂,又涉及机械动作、PMC编程技术、传感器与检测技术的应用、液压气动的应用等多专业知识,一直是数控技术教学的重点和难点。现在加工中心的斗笠式换刀系统在后台PMC实现换刀,学生虽然能直观地看到具体的换刀的过程,但感受不到换刀过程内部PMC、机床和CNC三者之间复杂的信息交换和处理过程,也不能直观感受这种换刀方式的优点。

所设计的虚实结合的数控技术实验教学平台能够对加工中心的刀库进行仿真(包括后台的PMC抽象逻辑控制的具象显示),并实时显示加工监控画面和报警画面,进行简易处理指导、简易的操作步骤提醒,具有良好的人机交互功能。该平台有助于启迪学生的逻辑思维,帮助学生掌握PMC编程知识,对于学生理解传感器、机械运动控制、液压气压自动控制、机器手等其他知识也大有裨益。

1　数控技术中刀库和换刀知识要点

斗笠式刀库的换刀基本的动作有如下18个步骤[4]:

(1) 主轴移动至换刀坐标处；

(2) 主轴准停；

(3) 刀库前进(抓旧刀,需判断是否有刀)；

(4) 主轴松刀(需检测是否到位)；

(5) Z轴向上移动(让出刀库旋转空间)；

(6) 刀库旋转(选刀)；

(7) Z轴向下移动(移动至换刀位置)；

(8) 主轴紧刀(抓新刀)；

(9) 刀库后退(需检测是否后退到位),换刀结束；

(10) 主轴移动至换刀坐标处；

(11) 主轴准停；

(12) 刀库前进(抓旧刀)；

(13) 主轴松刀；

(14) Z轴向上移动(让出刀库旋转尺寸)；

(15) 刀库旋转(判断正反转,就近选刀)；

(16) Z轴向下移动(移动至换刀位置)；

(17) 主轴紧刀(抓新刀,需检测是否到位)；

(18) 刀库后退(检测是否后退到位),换刀结束。

通常,讲授数控中心刀库和换刀知识需要画出逻辑框图(见图1),有时还需要结合逻辑框图讲解换刀宏程序[4]。

图1　斗笠式换刀过程流程图

换刀宏程序如下:

O9001；

N1IF[#1000EQ1]GOTO19(TCODE=SPTOOL)T代码等于主轴刀号,换刀结束

N2#199=#4003(G90/G91MODLE)

N3#198=#4006(G20/G21MODLE) 保留之前的模态信息

N4IF[#1002EQ1]GOTO7(SPTOOL=0)如果主轴刀号为0,则直接抓刀

N5G21G91G30P2Z0M19回第二参考点(换刀点),M19定向,准备还刀

N6GOTO8

N7G21G91G28Z0M19回第一参考点(原点),M19定向,准备抓刀

N8M50刀库准备好(使能)

N9M52刀库向右(靠近主轴)

N10M53松刀吹气

N11G91G28Z0回第一参考点

N12IF[#1001EQ1]GOTO15(TCODE=0)如果指令是T0,则无需抓刀

N13M54刀库旋转

N14G91G30P2Z0回换刀点(回第二参考点)

N15M55刀具锁紧

N16M56库向左(远离主轴)

N17M51换刀结束

N18G#199G#198恢复模态

N19M99

按照传统教学方法,大多数学生难以理解抽象的换刀过程,而这一部分内容正是自动控制过程的精髓部分。基于此,所设计的仿真平台通过模拟斗笠式刀库的自动换刀过程,逐步动态具象实现,基于FANUC系统自带的Picture软件二次开发,实现人机交互模拟刀具数据表和软件选刀、换刀的全过程。平台直观地显示PMC内部的逻辑控制和内部计数器、寄存器、回转器、比较器等数值的变化,显示在线加工状态、报警信息和简易操作指导。传感器是否到位用灯的亮或不亮显示,便于学生具象化地理解选刀、换刀过程。

2　平台仿真系统功能设计

2.1刀库换刀仿真系统功能设计

本系统是基于THWHK-1B型数控加工中心控制技术实验开发平台(见图2)开发的。该平台采用FANUC数控系统,采用8工位斗笠式刀库。该刀库由三相异步电动机、气缸、刀盘、传动机构和检测信号开关等组成,有正反转计数、刀库伸出、伸出到位、紧刀到位、刀库缩回和缩回到位、主轴紧刀和松刀等信号。该仿真系统能同步仿真显示换刀每一个步骤的动作,用同心分布的8盏灯模拟刀库的8把刀,每盏灯旁边有刀座号。FANUC数控系统自配有Picture软件,便于实现HMI人机交互功能，便于换刀过程的仿真及显示PMC内部寄存器的内容和坐标位置，便于对复杂的操作步骤通过实时对话框提醒，便于简化故障判断和处理等功能，也便于二次开发。

图2　THWHK-1B型数控加工中心控制技术实验开发平台

笔者在参考原有程序的基础上,适当改写适用于虚拟仿真显示的选刀和换刀过程的PMC程序,保证仿真系统的实现。PMC在与CNC和机床信号交互通信中处于核心地位(如图3所示)。有一定PLC编程基础的学生可以尝试编写较为复杂的PMC选刀、换刀程序,然后在此平台上进行仿真,以检验编写的程序是否正确,例如检验显示的数据与实际是否相符、主轴位置是否正确、刀库是否转动、刀座号与仿真显示的是否一致、驱动传感器的指令寄存器是否赋予数值、是否真的驱动了执行机构(机床)等。这将有利于学生理解和运用较复杂的PLC指令,还可进一步判断传感器和执行机构(机床)或通信故障等。

图3　PMC与机床和CNC通信图

任选刀具的换刀方式可以由刀座编码、刀具编码和记忆方式实现,记忆式的任选方式是目前加工中心广为采用的软件选刀的方式,它使刀库的刀具与主轴上的刀具直接交换,即随机任意选刀、换刀。主轴上换上的新刀号及送回刀库中的刀具号均在计算机内部相应的存储单元记忆,不论刀具放在哪个地址都始终能跟踪记忆。本实验平台有特点如下。

(1) 刀库采用固定刀位管理,即刀库中每个刀套只用于安放一把固定的刀具,增加刀具号地址,记录刀具转过的位置数,建立数据表,包括刀具号、刀套号(或者刀座号),实现软件换刀,减少因检测装置误差及乱刀引起的故障,成本低、可靠性好。

(2) 通过PMC实现查表和换刀的逻辑控制,用Picture人机交互模拟刀具表软件选刀的过程;建立主轴当前刀号及刀盘当前刀号的数据表,并建立虚拟刀具刀号及刀盘号的数据表。

(3) 利用传感器检测刀具是否旋转到位,气动装置是否伸出位。夹紧装置采用气动控制。为保证演示效果和验证完整性,本项目拟借用现有的机械手自动上料机构,编写一段加工程序和换刀程序,模拟加工并保证项目的实施与完成项目的验证。

2.2系统安全分析

2.2.1报警、互锁、传感器信号显示功能

平台中增加报警处理画面,并针对报警给出简易的处理建议[5-9]。平台的主要换刀流程包括记住换刀旋转的刀位数,比较刀具号、刀座号、主轴刀号,增加刀具旋转不到位报警、刀库伸刀和缩回不到位报警、主轴未到达换刀点报警、主轴是否有刀判断信号、紧刀气压和润滑不正常报警等功能。用灯显示PMC实现的互锁功能,例如松刀和紧刀互锁,只能有一个灯亮；刀库伸出和刀库缩回互锁,只能有一个灯亮。这些设计便于学生观察和理解复杂、抽象功能的具象实现。

2.2.2通过在线监控加工状态,保证安全

通过加工过程监控系统能够赋予机床智慧[10],自主地判断设备、装夹、加工过程和刀具是否正常,在发生断刀、撞刀等异常情况时立即控制停机,保证加工过程安全稳定。同时还能根据实时的加工负载,智能地调节进给倍率、优化加工效率,以及根据刀具的切削力判断刀具是否磨损,降低刀具的风险和成本。

2.2.3通过数据的采集和分析实现自适应控制

通过某些软件能采集所有从机床内部传感器(例如旋转轴或进给轴的功率、转矩等负载数据,目标、实际位置、速度等)或外部传感器(如振动、加速度、温度、压力和流量等数据)读取到的数据,在用于对机床进行监控的同时,还能根据采样频率(最大100Hz)记录监测到的所有数据以及监控生成的加工过程曲线,便于进行统计分析,实现进一步的自适应控制,即在编程和实际加工时根据实际加工的具体情况来优化切削参数。

2.2.4本平台可作为远程控制的基础

除在机床操作面板上显示单机的监控画面外,还能在电脑上进行远程监控显示,能够在独立的信号线缆连接的显示屏或远程通过网络连接的显示屏显示特定机床的实时监控画面,或集中显示多台设备的运行状态，并可进行利用率分析。作为全天候在机床后台实时运行的设备,可以利用某些软件如ToolScope获取的机床状态数据和加工过程数据[10],对机床的运行状态进行集中显示和记录,统计实际加工时间和闲置时间,记录运行程序号、刀具号、换刀时间,分析机床的有效利用率,从而辅助实现车间的生产管理。

2.3平台上操作过程及仿真系统实现流程

(1) 利用机械手自动实现待加工毛坯料的上料和已经加工的零件取出；

(2) 拷入加工程序；

(3) 机床回零及调用程序加工；

(4) 实时监控显示加工过程画面(见图4)；

(5) 切换显示HMI换刀主画面(见图5)；

(6) 显示报警及刀库刀号地址画面(见图6)及M代码显示列表(见图7)。

3　平台主要功能实现

教师在讲解数控加工中心的刀库和换刀时,可以按面板下面对应的按键,在加工状态、换刀画面、刀号及刀套号、M代码、报警画面等这几个画面之间互相切换。重点要虚实结合地给学生讲解和演示换刀的动态过程,配合刀库和机床的实际动作,利于学生理解复杂的自动选刀、换刀过程。学生可以通过尝试编写和修改较为复杂的PMC选刀、换刀程序,并将程序在平台上进行仿真,以检验编写的程序是否正确,全面深入地理解PMC程序控制及PMC、CNC和机床三者之间复杂的通信过程；通过平台的虚实结合具象的实际应用,有利于帮助学生理解传感器与检测器技术、液压气动技术、计算机仿真技术、自动控制技术、人机交互技术等。当然,平台与加工中心自带的控制机床的其他参数设置及加工画面等显示完全兼容,是对原有画面做了更加有利于教学的丰富和补充。当然,还可以在教学的过程中根据实际需要,经过简易的学习FAUNC系统自带的Picture软件,对其他的难于理解的教学内容进行仿真,更有利于激发学生学习的兴趣,有效地提高学生的综合分析能力和动手能力。

图4　加工中心加工状态监控画面

图5　动态显示换刀画面(显示刀库缩回到位和紧刀到位)

图6　屏幕显示的刀号及刀套号页面

图7　部分M代码列表

4　结语

本数控技术虚实结合平台通过Picture二次开发,对斗笠式换刀过程进行了仿真,有利于学生全面理解PMC程序控制,特别是理解PMC程序内部计数器、回转器、比较器等内部寄存器的复杂变化,以及如何判断刀库的正反转与实现就近选刀。此平台可用于在线监控和远程控制,还可通过与其他换刀技术的比较,让学生更好地理解自动控制的精髓。平台虚实结合[11-12],让学生在做中思考和学习,将抽象的逻辑控制变得具象,使繁琐的步骤变得相对简单,让学生能更

好地理解数控技术,对培养学生逻辑思维能力、提高综合分析和动手能力也有重要意义。

References)

[1] 粟炜.FANUC人机界面培训讲义：FANUCPICTURE篇[M].北京:北京发那科机电有限公司技术部,2008.

[2] 韩建海.数控技术及装备[M].武汉：华中科技大学出版社,2007.

[3] 张吉堂,刘永姜,王爱玲.现代数控原理及控制系统[M].3版.北京:国防工业出版社,2009.

[4] 张俊.一种斗笠式刀库换刀宏程序的设计[J].新技术新工艺,2015(10):18-20.

[5] 王勇,邢晨祥.自动换刀系统在大连ZTXX-30A数控铣床升级改造中的应用[J].机床与液压,2015(20):187-189.

[6] 楚德义.加工中心自动换刀过程PLC编程技巧[J].机床电器,2009,36(4):42-44.

[7] 吕洋.浅谈斗笠式刀库的控制流程[J].科技创业家,2013(18):235-236.

[8] 周丽霞,周树强,覃琴.FANUCOi-MD数控系统斗笠式刀库的PMC编程[J].机电工程技术,2015(1):82-85.

[9] 耿欣,顾红光.机械手刀库安全控制的研究[J].机床与液压,2015(3):82-85.

[10] 高迈特精密刀具有限公司.基于工业4.0的ToolScopeTM加工过程监控系统[J].金属加工:冷加工,2015(22):53-57.

[11] 徐加放,王志远,高永海,等.虚实结合的海洋油气工程实践教学平台的构建[J].实验技术与管理,2015,32(12):112-115.

[12] 胡燕,黄霞,张冰洋.“自控原理”虚实结合实验平台设计与应用[J].实验技术与管理,2015,32(12):84-88.

Designandapplicationofvirtual-actualcombinationexperimentalteachingplatformforNumericalControlTechnologycourse

HuangJianming,DuChao,LaiTianhua

(EngineeringTrainingCenter,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

Thevirtual-actualcombinationexperimentalteachingplatformforNumericalControltechnologycoursehasbeendesignedandapplied,mainlyincludingbasedonTHWHK-1Bexperimentalplatformofnumericalcontrolmachiningcenterandcontroltechnology,withthePicturesoftwareofFAUNCsystem,writingthePMCprogramsuitableforsimulationtosimulatethesoftwarechoosetoolandautomatictooloftheturntablestyletoolmagazine,similarly,displayingtheprocessofAUTOtoolchangerandcombiningtheactualautomatictoolchangeofthemachiningcenter,whichishelpfulforstudentstounderstandthecomplexprocessofAUTOtoolchangerandcomplicatedPLCprogram,theapplicationoftransducerandhydraulicpressurecomponents.BecausetheplatformcansynchronouslydisplayedtheprocessingstatusandtheinternalregisterinformationofPMConthecontrolpanelofCNCMachiningCenter,itcanbeusedforon-linereal-timemonitoringandremotecontrol,alsocanbeusedforaidedexperimentalteachingofthesetheorycoursessuchasNumericalControlTechnology,ProgrammableLogicController(PLC)Applications,SensorandTestingTechnology,HydraulicPneumaticTechnology,etc.

numericalcontroltechnology;experimentalteachingplatform;hatknifelibrary;softwarechoosytool;PMC;HMI

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.033

2016-01-27

四川省“卓越工程师”培训计划项目(SUTP1301003)；四川省级教改项目(XUTP1301025)；西南石油大学工训中心2013年校级重点教学改革项目“‘四维一体’工程训练教学模式的探索与实践”资助

黄建明(1974—),男,四川成都,硕士,讲师,车间主任,主要从事机械制造及其自动化方面的教学、科研和管理工作.

E-mail：jianminghuang@swpu.edu.cn

TP311

A

1002-4956(2016)7-0136-04