基于多系统控制的数控系统及其实现方法与流程

本发明属于数控系统和自动控制应用领域，涉及一种基于多系统控制的数控系统及其实现方法，具体涉及由三菱的C5系列数控系统升级为C70系列数控系统和Q系列的PLC控制系统，融合了数控系统，自动控制系统，Profibus总线，三菱H网、CC-LINK网等现场总线技术，用于汽车发动机缸体线进行缸体的钻孔和攻丝。

背景技术：

汽车发动机缸体作为发动机的核心部件，需要在缸体上加工安装孔用来连接外围的油路、气路等其它组装部件，缸体机加线主要是用来在缸体上进行钻孔和刚性攻丝。

现有的汽车发动机缸体线采用的是90年代的三菱C5系列数控系统，每个工位机床配有独立CNC数控系统和PLC控制系统，由于设备使用年限较长，系统老化，程序参数等信息不能备份，故障频发，严重影响了生产效率。随着数控产品的更新换代，C5系列的数控系统已经买不到电机，驱动器等模块。一旦设备硬件出现损坏将没有备件可以更换，这对于日加工千台的缸体机加线而言是不能接受的，对企业更是巨大的威胁。三菱最新C70系列数控系统由于具备多系统功能，特别适合配置在既要求独立运行，又要求联合运行的生产线上。其设备成本可以大大降低。本发明研究一种基于多系统控制的汽车缸体生产线三菱C5数控系统升级方法，解决缸体线遇到的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种基于多系统控制的数控系统及其实现方法。依托三菱通用编程软件平台进行多系统控制方法的程序设计，通过触摸屏完成CNC数控系统多系统参数的设置，通过H网络总线实现多个独立PLC控制系统与NC控制单元之间系统信号的交互；通过光纤实现控制部分与执行部分的高速通讯。以NC控制单元为中心，最终实现在一套CNC数控系统控制下同时完成 三个工位机床的钻孔和刚性攻丝。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于多系统控制的数控系统，包括数控部分以及与其连接的PLC控制部分；所述数控部分包括NC控制单元以及与其连接的执行部分，所述执行部分包括通过光纤连接的多个伺服驱动器,每个伺服驱动器连有用于控制机床主轴或伺服轴的电机；PLC控制部分包括多个通过H网连接通信的PLC控制系统。

所述PLC控制系统包括PLC的CPU以及与其连接的CC-LINK主站网络模块、PROFIBUS模块、H网本地站模块、IO模块；所述CPU与NC控制单元、或者通过H网本地站模块与其它PLC控制系统的CPU连接。

所述NC控制单元连有触摸屏，用于CNC数控系统参数的设置以及加工程序的编写。

所述PLC控制系统配置3个系统通道，用于控制2个主轴和7个伺服轴。

基于多系统控制的数控系统实现方法，包括以下步骤：

通过触摸屏完成数控系统参数的设置、初始化以及加工程序，通过共享元件G更新PLC控制系统的CPU与NC控制单元之间的交互数据，通过H网络总线实现多个独立PLC控制系统与NC控制单元之间系统信号的交互；

每个PLC控制系统自动启动，线体辊道输送工件到某个PLC控制系统对应的加工工位；该PLC控制系统通过检测开关检测工件到位，控制夹具气缸电磁阀得电，带动夹具夹紧工件；此时该PLC控制系统向NC控制单元发出需要调用的加工程序号；

NC控制单元根据各PLC控制系统发来的加工程序号启动加工程序，分别控制各工位机床的主轴和伺服轴的伺服驱动器，通过伺服驱动器控制电机带动机械执行机构完成主轴、X、Z伺服轴对缸体加工面坐标位置和加工深度的定位；

定位完成后，NC控制单元发送加工完成代码至该PLC控制系统；该PLC控制系统控制工件夹具松开，并发送工件放行信号，线体辊道输送线将工件传送到下一个加工工位。

所述参数包括：设备参数、轴规格参数、伺服参数、主轴规格参数、性能参数。

所述H网络总线实现多个独立PLC控制系统与NC控制单元之间系统信号的交互

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用的C70数控系统，光纤通讯，系统响应速度快，缩短了线体生产节拍，提高了生产效率。

2.本发明通过网口、USB等传输媒介系统参数和加工程序的可以上传下载，方便了用户的日常维护。

3.本发明采用的多系统设计方法，大大节约了硬件成本。

4.本发明实现了对多系统的状态实时监控及数控系统的控制和外围信号的控制一体化。

附图说明

图1为本发明的数控系统硬件组态结构图；

图2a为本发明的缸体线数控系统控制流程图一；

图2b为本发明的缸体线数控系统控制流程图二；

图2c为本发明的缸体线数控系统控制流程图三；

图3本发明的多系统控制方法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明的缸体线三个工位机床的硬件为一套C70数控系统配三套独立Q系列PLC控制系统，采用多系统控制的方法，设计3个系统通道，控制2个主轴和7个伺服轴：第1系统通道用于控制6工位机床的1个主轴3个伺服轴；第2系统通道用于控制4工位机床的1个主轴3个伺服轴；第3系统通道用于控制7工位机床的1个伺服轴；数控系统采用光纤通讯，通过触摸屏完成CNC数控系统参数的设置、初始化以及加工程序的编写，通过共享元件G更新PLC控制系 统的CPU与NC控制单元之间的交互数据，通过H网络总线实现三个独立PLC控制系统与NC控制单元之间的系统信号的交互。依托三菱通用编程软件平台利用梯形图语言进行多系统控制方法的PLC程序设计。本发明以NC控制单元为控制中心，PLC控制系统辅助控制缸线体的逻辑动作。NC控制单元控制伺服驱动器和电机带动执行机构完成运动轨迹，最终实现在一套CNC数控系统控制下完成在三个工位机床的钻孔和刚性攻丝。

所述多系统控制指的是CNC数控系统设置多个控制系统，每个系统可以单独控制一台机床，它包括机床的坐标轴X、Y、Z、…，主轴，刀库位置控制，PLC功能等。系统数和每个系统内的控制轴数，可由参数设定，系统间做到独立控制，互不干扰。

所述机床执行机构由X轴，Z轴和主轴构成，Z轴电机通过联轴器连接丝杠，带动机床纵向移动，X轴电机通过齿轮连接滑台，带动机床横向移动，主轴电机轴端安装刀套，用于加工的刀具安装。

所述H网总线，采用同轴电缆连接三个PLC控制系统的H网本地站模块，通过H完成多个独立PLC控制系统与NC控制单元之间的轴初始化、模式选择、M代码完成、NC复位、等系统的状态信号的交互。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示,数控系统包括数控部分和PLC控制系统，数控部分包括NC控制单元、触摸屏及其执行部分。触摸屏与NC控制单元通过网口通讯，执行部分包括伺服驱动，伺服电机。该发明配置3个系统，2个伺服主轴，7个伺服轴。NC控制单元与执行部分通过光纤高速通讯，连接6工位机床一个主轴和三个伺服轴，连接4工位机床一个主轴和三个伺服轴和7工位机床一个伺服轴。选用HF系列伺服电机，MDS-D系列伺服驱动器，SJ-D系列主轴电机。

三菱的C70系列数控系统区别于专用机床的数控系统，该系统专用于联合运行的生产线上，安装也区别于专用数控系统。采用型号为Q173NCCPU的数控系统直接安装在三菱Q系列PLC的机架槽板上，通过高速总线与PLC控制系 统的CPU通讯。

触摸屏采用GT1675-STBA,触摸屏与系统通过网口相连，通过触摸屏完成所有CNC数控系统参数的设置和初始化以及加工程序的编写。C70数控系统可以使用触摸屏而不必使用数控系统专用的显示屏。特别是对于多系统控制而言，相当于节省了5套硬件操作面板。同时可以利用触摸屏的强大画面制作和监控功能，实现人性化的操作控制。

每个工位机床配置独立的PLC控制系统，每个PLC控制系统采用三菱Q系列Q04UDHCPU作为控制中心、QJ61BT11N作为CC-LINK主站网络模块，实现人机界面、操作站与CPU的通讯；QJ71BR11作为H网本地站模块，完成多个独立PLC控制系统与NC控制单元之间的轴初始化、模式选择、M代码完成、NC复位、等系统的状态信号的交互。QJ71PB92V作为PROFIBUS主站模块，实现机床外围输入和输出信号的远程控制，IO模块连接本地输入输出信号。采用同轴电缆连接三个PLC控制系统的H网本地站模块，实现三个PLC控制系统之间，与NC控制单元之间的组网。

缸体线多系统控制的数控系统控制流程如下：

如图2a、图2b、图2c所示，三个工位机床数控系统控制流程如下：

采用梯形图编程，NC控制单元参数设置完成，系统初始化和PLC控制系统初始化完成，PLC控制系统的PLC程序开始自动启动。线体辊道输送工件到加工工位,PLC控制系统通过检测开关检测工件到位，控制夹具气缸电磁阀得电，带动夹具夹紧工件，PLC控制系统向NC控制单元发出需要调用的加工程序号；NC控制单元根据各PLC控制系统发来的加工程序号启动加工程序，分别控制各工位机床的主轴和伺服轴的伺服驱动器，通过伺服驱动器控制电机带动机械执行机构完成主轴、X、Z伺服轴对缸体加工面坐标位置和加工深度的定位；定位完成后，NC控制单元发送加工完成代码至该PLC控制系统；该PLC控制系统控制工件夹具松开，并发送工件放行信号，线体辊道输送线将工件传送到下一个加工工位。

如图3所示，多系统控制方法包括多系统NC控制单元参数设计和多系统PLC控制系统程序设计。多系统NC控制单元参数设计包含：基本参数设置，轴规格参数和伺服参数设置，主轴规格和性能参数设置；多系统PLC控制系统程序设计包含系统控制流程设计，伺服轴、主轴初始化，工作模式，手轮选择编程，多PLC间系统信号编程。

所述多系统控制单元NC参数设计：本发明配置3个系统，设备参数主要设定控制轴的构成，多系统需要设置以下基本参数，

#1001号参数设定选择系统及PLC轴的有/无。#1001＝3

#1002号参数设定每个系统内的控制轴数、PLC轴数。

#1013号参数设定每个系统内的轴名。

#1016号参数设定每个系统内的滚珠丝杠的螺距。

#1017号参数设定每个系统内的电机的旋转方向。

#1021号参数设定5个系统内的驱动单元特定编号。

#1039号参数设定主轴数。#1039＝2

轴规格参数和伺服参数设置直接影响到了数控机床的加工精度和性能。设置编码器分辨率、齿数比、快移速度、加减速时间、回零方式、回零速度、回零时电流限制、加减速时间、速度环增益、位置环增益、主轴同期控制位子增益、加速度前馈等多项伺服参数，伺服参数需要多次调整调试，调试原则:首先调整电流环参数然后调整速度环参数,最后调整位置环参数。只有电流环和速度环的伺服参数设置合适,才能得到较高的位置环性能,数控机床的位置精度和跟随精度才可能得到提高。

主轴规格和性能参数主要设置：主轴类型、主轴最大速度、限制速度、主轴攻螺纹转速、主轴定位转速、同期攻丝切换主轴转速、定位、位置环原点返回方式的时间常数、攻螺纹时间常数等。在设备参数中设置了主轴数，而不能指定该主轴属于哪个系统。加工程序中主轴转速指令使用S指令，在多主轴时，使用S○＝******指令。S指令可以来自任一系统的加工程序。各主轴指令根据 ○的内容进行区分。如S1＝3500，第1主轴3500(r/min)指令；S2＝1500；第2主轴1500(r/min)指令。

所述多系统PLC控制系统程序设计，CNC数控系统的控制单元和PLC控制系统的CPU安装在用一块高速基板上，二者通过共享元件G更新交互数据。PLC的CPU预留了X300\Y300之后的软元件地址用于与NC控制单元之间的数据交互。在三菱通用编程软件平台下，利用梯形图语言进行多系统控制方法PLC控制系统的PLC程序设计。

设计多系统控制的数控系统的控制流程；设计伺服轴和主轴的初始化程序，例如伺服轴使能、自动互锁、手动互锁、外部减速、单节互锁、主轴使能、主轴攻丝、主轴正反转、主轴换挡、M代码完成、NC复位、进给保持、加工程序启动等信号编程设计；设计自动初始设定模式，JOG模式，手轮模式，自动模式，单节模式，参考点返回六种工作模式，设计多系统手轮程序，手轮轴选，倍率程序；设计H网程序，实现多个独立PLC控制系统与NC控制单元之间系统信号的交互，如各个PLC控制系统的状态信号，NC控制单元的伺服轴初始化信号，手轮信号，模式信号等信号状态通过H网的内部地址传递到各个PLC的CPU的软元件里，参与数控系统的流程控制。