CN104503366B - 一种六坐标系运动的动态互斥控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种六坐标系运动动态互斥控制方法。该方法包括多系统并行加工程序互斥区域管理机制，基于同一个筒状工作对象把同心的内外圆柱坐标系分六区管理，统一部署各系统铣削头与夹具头的工作区域和加工程序，并提供互斥区域预测访问机制同步各系统加工状态；多系统局域网通信模块，周期性互传重叠进给轴的位置和状态；重叠轴安全区域互斥控制模块，实时处理本系统和相邻系统对应重叠轴的互斥区域和工作状态，同时控制本系统的运动行为。该技术响应速度快，可应用于同一组圆柱坐标系下三系统并行加工的数控铣削机床。
Description
技术领域
本发明属于机械数控铣削加工技术领域，具体是一种圆柱面工件三系统分区并行铣削加工与测量控制六坐标系运动的有效加工区域实时控制与重叠区域动态互斥技术。
背景技术
研究表明，在三个系统并行铣削同一个圆柱工件内表面过程中，需要规划各系统铣削头的有效加工区域、重叠加工区域以及各系统铣削头进入重叠区域的时序，避免出现边界区域加工不到或邻近系统互相碰撞等问题，否则会严重影响铣削安全和铣削效果；同理，在三系统并行控制同一个圆柱工件外表面上三个不同的夹具头时，也需要合理规划并有效控制各系统夹具头的有效加工区域、重叠加工区域以及各夹具头进入重叠区域的时序。至此，需要同时对六个坐标系的运动进行统一调配和实时控制。
以实际加工中每个系统的B轴控制圆柱工件内表面铣削为例说明区域管理与互斥的意义。B轴实际可移动区域为130°，可以保证边界被加工到；每个B轴所在内圆柱本身占据了70°范围，除去三个系统的内圆柱后三个B轴余下的可用角度为150°，则每个系统的B轴可用空间50°，远小于130°所需空间。以系统1为例，规划区域为-5°～+125°，如采用静态互斥区域管理方法，当系统三B3轴占据+5°位置时，系统一B1轴在角度减小方向的互斥访问区域边界为+75°，当系统二B2轴占据115°位置时，系统一B1轴在角度增加方向的互斥访问区域边界为正+45°，则左右互斥区域边界相互重叠，系统一在任何时候都处于互斥区域，甚至在+45°～+75°时同时互斥两边系统的B轴。因此，在实际加工中动态控制邻近系统之间B轴的互斥区域，并进行可达性预测控制，对于保证B轴内圆柱铣削宽度有重要意义。同理，每个系统的A轴控制圆柱工件外表面夹具头的浮动支撑和测量控制，每个轴也需要130°可移动区域，本身A轴所在外圆柱占据35°空间，在圆柱外表面360°空间里每个A轴自由空间为85°，需要动态互斥方可实现边界区域的有效驻留和全柱面控制。现有数控系统本身不能互相访问并同步运动，此时必须设计一个基于局域网的有效加工区域实时控制与动态互斥区域管理机制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是给圆柱面工件三系统并行铣削和测控提供一种基于局域网的响应速度快、可预测控制的有效加工区域实时控制与重叠区域动态互斥技术，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种六坐标系运动的动态互斥控制方法，包括多系统并行加工程序互斥区域管理机制、多系统局域网通信模块、重叠轴区域互斥控制模块；
(1)多系统并行加工程序互斥区域管理机制通过同一个圆柱坐标系建立多系统并行加工模型，在模型中统一处理各系统加工坐标系和互斥区域预测访问时序，生成各系统可并行加工的程序；
围绕一个圆柱工件沿周向均匀分成三个分区，每个分区各占120°；在每个分区安装一台数控系统，每台数控系统分别控制内外圆柱两个通道的两个坐标系，外圆柱上设置支撑头，内圆柱上设置加工头；定义每个数控系统的B轴控制圆柱工件内圆柱加工头的内表面铣削，A轴控制圆柱工件外圆柱支撑头的浮动支撑和测量控制；
共有六个坐标系：
内圆柱坐标系按130°区域阵列分布的三个内圆柱铣削加工坐标系，每个内圆柱铣削加工坐标系向邻近内圆柱铣削加工坐标系各伸出5°；
外圆柱坐标系按130°区域阵列分布的三个外圆柱夹具头运动坐标系，每个外圆柱铣削支撑坐标系向邻近外圆柱铣削支撑坐标系各伸出5°；
用指定M代码区分为每个数控系统生成专属程序：为三台数控系统分别插入对应的M代码，分别为M54、M55、M56；
用特殊M代码实现互斥区域预测访问，允许本数控系统在进入互斥区域之前查询邻近数控系统的位置并等待其离开，实现互斥区域先到先执行、后来的延迟执行；在程序中实现外圆柱支撑头跟随内圆柱加工头的运行规则，在内圆柱加工头到位之前把外圆柱支撑头移动到工件铣削区域的背面支撑工件；为三台数控系统分别划分自由加工区域和边界互斥区域，在即将加工互斥区域时插入M57指令；在设计的PLC互斥程序里为M57指令提供A/B轴提前6°边界互斥检测方法，支持M57指令实现对互斥区域的预测访问；
(2)多系统局域网通信模块
为每个数控系统独立设计互斥区域通信HMI模块，通过数控系统HMI二次开发接口为每个系统单独设计和配置的坐标与状态局域网广播模块，基于多媒体定时器实现实时坐标与状态同步；互斥区域通信HMI模块以及坐标与状态局域网广播模块每10ms向局域网广播自己互斥轴的位置和状态，同时采集邻近两台系统互斥轴的位置和状态，在通信未建立时通知系统PLC锁住自身的运动；
(3)重叠轴互斥区域控制模块
在每个数控系统的PLC里设计一组程序，基于相邻数控系统重叠进给轴的当前位置，依据本身所属区域和邻近数控系统互斥轴的坐标实时计算本数控系统重叠轴的互斥区域，向相邻数控系统发布互斥区域的占用状态，根据当前状态控制本数控系统的运动行为；
如本数控系统占据互斥区域则输出信号给邻近数控系统；
如此时邻近数控系统已在互斥区域则锁死本数控系统的运动，直到邻近数控系统离开互斥区域才恢复运动。
进一步的，如上所述的一种六坐标系运动的动态互斥控制方法，多系统局域网通信模块工作的具体过程为：
首先通过VS2010设计基于VC++的OCX模块，在OCX模块里设计一个WINDOWS多媒体定时器实现每周期通过局域网UDP广播本数控系统A/B轴位置和状态，同时通过局域网UDP获取其他两台数控系统的A/B轴位置和状态；通过数控系统设计VBS脚本文件，在脚本里设计定时器，每周期访问OCX模块里提供的数据读写接口获取其他系统A/B轴的位置和状态，调用数控系统的PLC变量读写接口更新各系统A/B轴位置和状态到本系统的PLC互斥程序里，同时把本系统A/B轴的位置和状态发送到局域网；
进一步的，如上所述的一种六坐标系运动的动态互斥控制方法，重叠轴互斥区域控制模块中，互斥区域的确定方法为：每个互斥区域均基于相邻数控系统的最大最小边界而定，A\B轴互斥区域动态确定，以系统一、系统二、系统三之间旋转轴当前坐标值确定互斥区域的边界，以控制两个系统之间B轴坐标差值大于72°，而A轴的坐标差值大于37°。
在现有数控系统上，本发明具有如下的有益效果：该技术可实现在保证每个系统有效加工区域的同时，对邻近系统实现重叠区域的互斥访问以达到自动加工中的防碰撞，区域计算准确、响应速度快，实现了邻近系统对重叠区域有序加工，可保证圆柱工件内表面全尺寸安全加工，可应用于圆柱工件内表面多系统并行铣削机床。
附图说明
图1为有效加工区域互斥控制模块结构。
图2为内外圆柱不同坐标系示意图。
图3为旋转轴重叠区域互斥示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明实施例中，一种六坐标系运动的动态互斥控制方法，包括多系统并行加工程序互斥区域管理机制、多系统局域网通信模块、重叠轴区域互斥控制模块；
(1)多系统并行加工程序互斥区域管理机制通过同一个圆柱坐标系建立多系统并行加工模型，在模型中统一处理各系统加工坐标系和互斥区域预测访问时序，生成各系统可并行加工的程序；
围绕一个圆柱工件沿周向均匀分成三个分区，每个分区各占120°；在每个分区安装一台数控系统，每台数控系统分别控制内外圆柱两个通道的两个坐标系，外圆柱上设置支撑头，内圆柱上设置加工头；定义每个数控系统的B轴控制圆柱工件内圆柱加工头的内表面铣削，A轴控制圆柱工件外圆柱支撑头的浮动支撑和测量控制；
共有六个坐标系，如图2所示：
内圆柱坐标系按130°区域阵列分布的三个内圆柱铣削加工坐标系，每个内圆柱铣削加工坐标系向邻近内圆柱铣削加工坐标系各伸出5°；
外圆柱坐标系按130°区域阵列分布的三个外圆柱夹具头运动坐标系，每个外圆柱铣削支撑坐标系向邻近外圆柱铣削支撑坐标系各伸出5°；
用指定M代码区分为每个数控系统生成专属程序：为三台数控系统分别插入对应的M代码，分别为M54、M55、M56；
用特殊M代码实现互斥区域预测访问，允许本数控系统在进入互斥区域之前查询邻近数控系统的位置并等待其离开，实现互斥区域先到先执行、后来的延迟执行；在程序中实现外圆柱支撑头跟随内圆柱加工头的运行规则，在内圆柱加工头到位之前把外圆柱支撑头移动到工件铣削区域的背面支撑工件；为三台数控系统分别划分自由加工区域和边界互斥区域，在即将加工互斥区域时插入M57指令；在设计的PLC互斥程序里为M57指令提供A/B轴提前6°边界互斥检测方法，支持M57指令实现对互斥区域的预测访问；
(2)多系统局域网通信模块
为每个数控系统独立设计互斥区域通信HMI模块，通过数控系统HMI二次开发接口为每个系统单独设计和配置的坐标与状态局域网广播模块，基于多媒体定时器实现实时坐标与状态同步；互斥区域通信HMI模块以及坐标与状态局域网广播模块每10ms向局域网广播自己互斥轴的位置和状态，同时采集邻近两台系统互斥轴的位置和状态，在通信未建立时通知系统PLC锁住自身的运动；
(3)重叠轴互斥区域控制模块
在每个数控系统的PLC里设计一组程序，基于相邻数控系统重叠进给轴的当前位置，依据本身所属区域和邻近数控系统互斥轴的坐标实时计算本数控系统重叠轴的互斥区域，向相邻数控系统发布互斥区域的占用状态，根据当前状态控制本数控系统的运动行为；
如本数控系统占据互斥区域则输出信号给邻近数控系统；
如此时邻近数控系统已在互斥区域则锁死本数控系统的运动，直到邻近数控系统离开互斥区域才恢复运动。
在本实施例中，多系统局域网通信模块工作的具体过程为：
首先通过VS2010设计基于VC++的OCX模块，在OCX模块里设计一个WINDOWS多媒体定时器实现每周期通过局域网UDP广播本数控系统A/B轴位置和状态，同时通过局域网UDP获取其他两台数控系统的A/B轴位置和状态；通过数控系统设计VBS脚本文件，在脚本里设计定时器，每周期访问OCX模块里提供的数据读写接口获取其他系统A/B轴的位置和状态，调用数控系统的PLC变量读写接口更新各系统A/B轴位置和状态到本系统的PLC互斥程序里，同时把本系统A/B轴的位置和状态发送到局域网；
图1中在数控系统内部增加的PLC模块，以系统一为例说明互斥计算和控制过程：获取邻近系统二的A2、B2轴坐标，得到本系统最大可达安全区域的边界A1_MAX＝A2-37、B1_MAX＝B2-72轴，获取邻近系统三的A3、B3轴坐标，得到本系统最小可达安全区域的边界A1_MIN＝A2+37-360、B1_MIN＝B2+72-360轴；比较本系统A1轴坐标与A1_MAX、A1_MIN，可知A1轴是否在最大或最小方向的互斥区域，同理比较本系统B1轴坐标与B1_MAX、B1_MIN，可知B1轴是否在最大或最小方向的互斥区域，如果A1或B1占据了最小方向的互斥区域，则输出互斥状态给系统三，如果A1或B1占据了最大方向的互斥区域，则输出互斥状态给系统二；如果本系统占据了最小方向互斥区域而未接收到来自系统一的互斥区域占用信号则标明本系统获得互斥区域占据豁免权可继续运动，如此时接收到了系统一的占用信号，则本系统自动进入运动停止状态，直到系统一退出互斥区域才恢复可运动状态，这个处理同时适用于对“最大方向互斥区域”与系统二的处理；若A1与A2\A3的坐标差值小于或等于37°，或者B1与B2\B3的坐标差值小于或等于72°，则本系统提示用户对当前运动进行处理；如本系统当前不在互斥区域，但需要在下一步进入互斥区域，则调用M57指令检查当前A1和B1轴坐标改变±5°后是否进入互斥区域，如此时进入互斥区域则立即停止当前系统的运动，直到其互斥系统离开互斥区域才恢复正常运动。
图3中所示为三个并行系统围绕同一个圆柱型工件表面的旋转轴A轴工作区域划分和重叠区域互斥基本原理，每个互斥区域均基于相邻系统的最大最小边界而定，以外圆柱35°身量确定A轴互斥区域边界，如系统一与系统二之间的A轴互斥区域为{80°,160°},其中80°为系统二最小值115°减去35°所得，160°为系统一最大值125°加上35°所得。在实际加工中，A\B轴互斥区域动态确定，总是以系统一、系统二、系统三之间旋转轴当前坐标值确定互斥区域的边界，即保证两个系统之间B轴坐标差值大于72°，而A轴的坐标差值大于37°。
本技术发明无误差积累，响应速度快，能有效降低工件形变对铣削效果的影响，可应用于数控薄壁工件铣削机床。
Claims (3)
1.一种六坐标系运动的动态互斥控制方法，其特征在于：
包括多系统并行加工程序互斥区域管理机制、多系统局域网通信模块、重叠轴区域互斥控制模块；
(1)多系统并行加工程序互斥区域管理机制通过同一个圆柱坐标系建立多系统并行加工模型，在模型中统一处理各系统加工坐标系和互斥区域预测访问时序，生成各系统可并行加工的程序；
围绕一个圆柱工件沿周向均匀分成三个分区，每个分区各占120°；在每个分区安装一台数控系统，每台数控系统分别控制内外圆柱两个通道的两个坐标系，外圆柱上设置支撑头，内圆柱上设置加工头；定义每个数控系统的B轴控制圆柱工件内圆柱加工头的内表面铣削，A轴控制圆柱工件外圆柱支撑头的浮动支撑和测量控制；
共有六个坐标系：
内圆柱坐标系按130°区域阵列分布的三个内圆柱铣削加工坐标系，每个内圆柱铣削加工坐标系向邻近内圆柱铣削加工坐标系各伸出5°；
外圆柱坐标系按130°区域阵列分布的三个外圆柱夹具头运动坐标系，每个外圆柱铣削支撑坐标系向邻近外圆柱铣削支撑坐标系各伸出5°；
用指定M代码区分为每个数控系统生成专属程序：为三台数控系统分别插入对应的M代码，分别为M54、M55、M56；
用特殊M代码实现互斥区域预测访问，允许本数控系统在进入互斥区域之前查询邻近数控系统的位置并等待其离开，实现互斥区域先到先执行、后来的延迟执行；在程序中实现外圆柱支撑头跟随内圆柱加工头的运行规则，在内圆柱加工头到位之前把外圆柱支撑头移动到工件铣削区域的背面支撑工件；为三台数控系统分别划分自由加工区域和边界互斥区域，在即将加工互斥区域时插 入M57指令；在设计的PLC互斥程序里为M57指令提供A/B轴提前6°边界互斥检测方法，支持M57指令实现对互斥区域的预测访问；
(2)多系统局域网通信模块
为每个数控系统独立设计互斥区域通信HMI模块，通过数控系统HMI二次开发接口为每个系统单独设计和配置的坐标与状态局域网广播模块，基于多媒体定时器实现实时坐标与状态同步；互斥区域通信HMI模块以及坐标与状态局域网广播模块每10ms向局域网广播自己互斥轴的位置和状态，同时采集邻近两台系统互斥轴的位置和状态，在通信未建立时通知系统PLC锁住自身的运动；
(3)重叠轴互斥区域控制模块
在每个数控系统的PLC里设计一组程序，基于相邻数控系统重叠进给轴的当前位置，依据本身所属区域和邻近数控系统互斥轴的坐标实时计算本数控系统重叠轴的互斥区域，向相邻数控系统发布互斥区域的占用状态，根据当前状态控制本数控系统的运动行为；
如本数控系统占据互斥区域则输出信号给邻近数控系统；
如此时邻近数控系统已在互斥区域则锁死本数控系统的运动，直到邻近数控系统离开互斥区域才恢复运动。
2.如权利要求1所述的一种六坐标系运动的动态互斥控制方法，其特征在于：多系统局域网通信模块工作的具体过程为：
首先通过VS2010设计基于VC++的OCX模块，在OCX模块里设计一个WINDOWS多媒体定时器实现每周期通过局域网UDP广播本数控系统A/B轴位置和状态，同时通过局域网UDP获取其他两台数控系统的A/B轴位置和状态；通过数控系统设计VBS脚本文件，在脚本里设计定时器，每周期访问OCX模块里提供的数据读写接口获取其他系统A/B轴的位置和状态，调用数控系统的 PLC变量读写接口更新各系统A/B轴位置和状态到本系统的PLC互斥程序里，同时把本系统A/B轴的位置和状态发送到局域网。
3.如权利要求1所述的一种六坐标系运动的动态互斥控制方法，其特征在于：重叠轴互斥区域控制模块中，互斥区域的确定方法为：每个互斥区域均基于相邻数控系统的最大最小边界而定，A\B轴互斥区域动态确定，以系统一、系统二、系统三之间旋转轴当前坐标值确定互斥区域的边界，以控制两个系统之间B轴坐标差值大于72°，而A轴的坐标差值大于37°。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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