停车设备型材组合机床控制系统的设计与实现*

岳士超，张承瑞，胡天亮，姬 帅

(1.山东大学机械工程学院，济南 250061;2.高效洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学)，济南 250061)

停车设备型材组合机床控制系统的设计与实现*

岳士超1，2，张承瑞1，2，胡天亮1，2，姬 帅1，2

(1.山东大学机械工程学院，济南 250061;2.高效洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学)，济南 250061)

为提高停车设备型材加工效率及加工精度，针对停车设备型材组合机床设计中钻削、铣削和等离子切割的要求，开发了一套基于EtherMAC实时工业以太网总线平台的21轴组合机床控制系统。文章分析了控制系统硬件和软件需求，并阐述了系统方案的构建及功能实现过程。实际应用中，可加工型材最大长度达7.5m，钻削、铣削、等离子切割可同时进行，效率明显提高，实现了预期加工要求，为停车设备型材的自动加工提供了一个新的可行的方案。

实时以太网;控制系统;组合加工;EtherMAC

0 引言

近年来，高速发展的汽车工业使得城市停车难的问题日益突出，相比传统车库，机械停车设备以其占地省、造价低、使用方便、安全可靠、存取车快捷等优势，越来越受到人们的青睐［1］。机械停车设备一般采用钢结构设计，其中立柱、横梁、纵梁等结构件往往由H型钢、工字钢、槽钢、角钢等型材作为原材料［2］。对于型材上铆接孔，螺栓连接孔，穿线槽等，以扩大自动化范围和提高功能为目的，日本采用多作系统［6-8］，功能针对停车设备型材加工任务，一次装夹定位，即可进行数控钻削、铣削、等离子切割，精度高、效率快且操作简便。

1 组合机床控制功能分析

1.1 机床功能分析

组合机床采用卧式结构，可实现型材自动加工、机床的手动操作功能。自动加工时对工字钢、槽钢等型材的三个面同时进行钻削、铣削或等离子切割。手动功能可实现对机床运动部件的移动。机床的功能要求决定了机床机械结构的设计，如图1所示，有A、B、C三个龙门架，机床的设计功能针对加工较长型材，因此需控制三个龙门架按图中箭头方向整体移动。每个龙门架上分布有三个动力刀架。为实现对型材的三个待加工面同时加工的功能，以A龙门架为例，如图2所示，需控制伺服电机带动滚珠丝杠驱动溜板d，f，分别沿龙门机架导轨上下移动，同样，需控制伺服电机驱动横梁溜板e沿龙门机架横梁横向移动。d、e、f三块溜板上各另安装的一块溜板，也需控制伺服电机，带动其沿与d、e、f垂直的方向移动，从而使刀架1、2、3上安装的钻刀、铣刀、等离子割炬，实现加工目的。

图1 机床结构

图2 龙门架结构

1.2 硬件需求

组合机床的每个龙门架上安装有7台伺服电机，其中6个伺服轴，控制龙门架上每个动力刀架的两个垂直方向的进给，如图2中箭头所示;剩余1个伺服轴控制龙门架沿机床床身方向的进给，如图1中箭头所示。因此整个控制系统的硬件需求包含以下几个方面:

(1)控制21个伺服轴的脉冲及方向;

(2)负责采集21个伺服轴正、负方向的限位输入信号和回参考点输入信号;(3)控制9个主轴电机的输出信号;(4)控制9个冷却液泵的输出信号。

1.3 软件需求

Windows CE6.0是Microsoft为多种嵌入式系统而设计的一个紧凑高效的模块化操作系统，支持多进程、多线程、抢先式多任务操作，能满足实时控制的主要要求［10］。基于 Windows CE的开放式数控系统具有良好的实时性、互操作性好、网络和通讯功能强大等特点［9］。相比通用机床，该组合机床需要控制的伺服轴多达21个，IO信号数量多，利用Windows CE工业计算机的强大运算能力，可以在4ms插补周期内完成21个伺服轴的位置运算和IO逻辑运算。基于实时以太网的多轴运动控制网络，能够在控制器和各个运动轴驱动器之间高频率、无抖动地交换控制和传感器数据，以保证加工的高速度和高精度［9］。所以本组合机床采用实时以太网总线实现机床21轴的插补数据和大量IO数据的实时通讯。

2 基于EtherMAC总线平台的控制系统结构构建

2.1 EtherMAC总线平台简介

EtherMAC是面向制造自动化控制的实时同步工业以太网总线平台，适合于具有强实时性和高同步性要求的运动控制系统应用。它的主控制器基于标准以太网，无需外接专用网卡。无需实时操作系统，并支持Windows XP/XPE/CE6.0/Linux等多种操作系统。提供多达254个点的分布式从站控制，从站间距可达100米。数据传输速率100Mbps，节点间同步误差小于100ns。系统可配置，可扩展，可二次开发。总线硬件平台支持标准工业控制主板和嵌入式控制板，提供进给轴，主轴、数字IO、模拟IO标准接口卡及常用传感器接口卡，并有集成EtherMAC网络接口的伺服驱动器可供选择。

2.2 硬件拓扑结构设计

停车设备型材组合机床的控制系统硬件部分主要由工业控制计算机、EtherMAC运动控制卡、Ether-MAC I/O模块、伺服驱动器、限位开关等组成。如图3所示，工控机与EtherMAC运动控制模块之间由EtherMAC总线连接，其中包含10块双轴控制卡、1块单轴控制卡和三块I/O控制模块。每块双轴控制卡可以控制两个伺服驱动器，单轴控制卡控制一个伺服驱动器。11块运动控制卡可以控制21个伺服驱动器，实现组合机床上相关动力刀架的两轴联动，达到运动控制目的。每块运动控制卡有6个板载输入接口，连接两个伺服轴的正、负限位开关与回零开关。从最后一块运动控制卡向外级联3块I/O控制模块。每个I/O控制模块包含8个数字输入和8个数字输出，负责处理主轴开关、切削液开关、急停和龙门架之间的安全限位等IO信号。

图3 系统硬件结构

2.3 软件结构设计

软件系统分为界面系统、共享内存、运行机三大部分，结构如图4示。界面系统由人机界面、GM代码解释器、自动任务生成器和手动命令生成器组成，开发语言为C#。主要功能是解析GM代码并生成加工任务，实现人对机床的操作。共享内存部分定义了数据存放的位置和结构，主要功能是存储界面系统与运行机的交互数据。运行机部分由任务管理器、自动任务处理器、手动命令处理器、PLC处理器以及通讯接口等组成，开发语言为C++。该部分主要功能是执行自动加工任务，执行机床操作员的手动指令，利用通讯接口操作底层硬件。

图4 软件结构

在工控机Windows CE6.0操作系统下，界面系统与运行机属于两个不同的进程。机床系统运行时，界面系统创建共享内存，启动运行机进程，并把机床配置信息、自动加工任务等数据写入共享内存中。运行机通过共享内存的命名访问这部分物理内存，按照创建共享内存时定义的读写数据规则取出命令数据、配置数据，并按该规则写入执行命令后的结果和底层控制卡反馈的状态数据。当操作员关闭机床时，界面系统负责关闭运行机，共享内存交由Windows CE6.0操作系统自动负责回收。

3 功能实现

3.1 界面系统设计

人机界面是界面系统中最直观的部分，是实现21轴组合机床控制功能的基础。按照功能要求，将人机交互界面(HMI)分为自动模式、手动模式、刀具管理、参数配置、机床诊断五个主菜单。在自动模式下，导入的加工代码由GM代码解释器解析，提取出数控信息交由自动任务生成器处理成自动加工任务。界面上的启动、暂停、复位、单步运行指令，以及在线修改刀具进给速率的修调操作，也由自动任务生成器处理成机床控制命令。人机界面的显示区域负责显示当前速度、位置信息、当前执行的GM代码行以及工件的待加工特征，并在加工过程中显示刀具路径。机床操作者在手动界面下进行的操作，如回参考点，各轴的点动、连续运动指令，由手动命令生成器处理成机床运动控制指令存储到共享内存部分。

3.2 共享内存功能实现

共享内存部分是联系机床界面系统和运行机的纽带，是操作界面与运行系统交互数据的通道。共享内存中的数据分为两大类:指令类数据和状态类数据。指令类数据包括机床运动控制指令，逻辑输出指令以及急停和监控指令。状态类数据包括机床位置、速度反馈信息，输入输出状态和系统反馈信息(如报错等)。

共享内存部分严格定义了各类信息数据的类型、长度以及在内存中存放的相对位置。控制系统的界面系统和运行机必须严格按照这些定义来读写数据，以保证系统数据的准确性与完整性。其中，指令类数据只能由界面系统写入，由运行机读取;状态类数据只能由运行机写入，由界面系统读取:即界面系统写入命令类数据，并读取反馈上来的状态;运行机获得命令并执行后，更新状态数据。采用互斥信号的方式保证界面系统和运行机两个进程间同步，从而避免数据混乱，保证控制逻辑的正确性。

3.3 运行机运行机制

运行机是组合机床控制系统的核心，是机床指令数据的执行者和反馈数据的采集者。运行机中的任务调度器从共享内存中获得机床控制指令后，根据有限状态机的不同状态，利用控制策略选择不同的执行器，分别处理自动任务、手动任务和逻辑输出。经执行器运算得出的数据交由EtherMAC通讯接口下发给伺服电机或者控制板载继电器。同样，EtherMAC通讯接口采集编码器反馈、限位开关状态等信号，回传给任务调度器进行处理。

如下图5所示，系统处于自动加工状态时，接收到开始指令后，首先判断是否是初次开始加工，若是则取指令执行，否则进行下一步判断。若是暂停后的开始加工，则继续执行当前指令;若是完成后的开始加工，则先进行复位操作，待复位完成后进行下一个工件的加工。机床的插补运算是由运行机调用插补接口实现。钻削、铣削只包含直线运动，等离子切割包含直线运动或圆弧运动。当需要执行插补运算时，根据相应的运动要求调用直线插补库函数、顺时针圆弧插补库函数或逆时针圆弧插补库函数。由于本组合机床没有三轴同时插补的控制要求，所以上述插补库函数均为两轴插补运算。插补运算周期为4ms。加工过程中，伺服电机运动平稳，完全满足控制需要。

图5 自动加工流程图

运行机中逻辑执行器执行共享内存中的逻辑指令，产生加工过程中主轴开关信号，切削液开关信号，通过通讯接口传送给IO控制卡，IO卡断开或吸合相应继电器，从而控制机床主轴的启停、切削液的打开或关闭以及等离子割炬的点弧与灭弧。在执行回参考点操作过程中，机床压下Home开关，或是机床在运动过程当中压下限位开关，产生的输入信号也是经IO控制卡的EtherMAC通讯接口传给运行机进行处理。

停车设备型材组合机床控制系统的软件方案，将人机交互界面与运行系统分离，在Windows CE 6.0操作系统下，采用共享内存方式实现两个不同进程间数据交互，结构简单，能够满足控制功能需求。

4 加工实验

控制系统采用实时以太网通讯传输数控信息，在毫秒级数控插补周期内传输大量数据，从而实现对机床21轴实时位置控制。若采用传统的PC+插卡式运动控制卡方式，由于机床轴数目较多，需要PC内具有大量PCI卡槽，可靠性不良且接线复杂。采用WindowsCE6.0操作系统，基于EtherMAC实时以太网总线控制平台开发的停车设备型材组合机床控制系统，内部接口用户级开放，可再次进行升级开发。实时以太网连接可靠性好，控制器板卡用一根网线连接且板卡之间无差别，可以互换使用。

在实际应用中，可以实现停车设备型材的自动加工和对机床的手动控制，控制系统界面友好，人机交互方式简单易行。采用人工方式时，6位熟练工人，完成搬运、划线、打孔、切割所有工作，一天可加工约20根，钻孔中心定位误差1mm。采用该组合机床后，只需两人便完成搬运和操作，可加工型材最长可达7.5m，平均每工作日可加工型材40根以上，钻孔中心定位误差0.5mm。如图6为机床加工工字钢中。

图6 机床自动加工图

5 结束语

停车设备型材组合机床控制系统采用Windows CE6.0嵌入式操作系统，系统运行稳定性好，结合用户级开放式实时以太网总线平台进行二次开发，合理利用了工业计算机强大的运算能力和实时工业以太网总线高带宽、高可靠性、大网络覆盖的特点，可控制机床21轴同时进行钻削、铣削、等离子切割组合加工，经实际工程应用表明，设计的系统可大大提高加工效率和加工精度，其成功实施为停车设备型材加工的自动化提供了一种新的可行的方案。

［1］胡国宁.机械立体停车设备使用效益分析［J］.中国设备工程，2008(3):12－13.

［2］连香姣，郝亮，李丹.升降横移式立体停车设备的机电一体化系统设计［J］.北京建筑工程学院学报，2003，19(2):62－64.

［3］周新民，译.型钢自动加工系统的开发［J］.中外船舶科技，1996(1):1 －5.

［4］马云祥.建筑钢结构构件成套加工设备的应用［J］.建筑机械化，2010(7):66－67.

［5］胡天亮，张承瑞，刘日良，等.功能分离的嵌入式实时系统设计方法及应用［J］.计算机集成制造系统，2008(3):431－437.

［6］张春华，李迪，赖乙宗.基于Windows CE.NET的嵌入式液压机控制系统的研制［J］.制造技术与机床，2006(11):55－58.

［7］Microsoft.Windows CE.NET Help from Microsoft Platform Builder Version 6.0［Z］Dec，2008.

［8］姜峥嵘，王治森，董伯麟，等.基于Windows CE.NET数控系统的插补控制［J］.合肥工业大学学报，2006，29(12):1520－1524.

［9］胡朝斌，王治森，董伯麟.基于Windows CE的数控系统中断控制［J］.中国机械工程，2005，16(9):761－764.

［10］许万，陈幼平，陈冰.基于实时以太网的多轴运动控制网络的研究［J］.制造业自动化，2008，30(11):71－75.

(编辑 李秀敏)

Research and Realization on Combined Machine Tool for Parking Equipment Sectional Materials

YUE Shi-chao1，2，ZHANG Cheng-rui1，2，HU Tian-liang1，2，JIShuai1，2
(1.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China;2.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacturing(Shandong University)，Jinan 250061，China)

In order to achieve high efficiency and precision of parking equipment sectionalmaterialmanufacturing，such as combined drilling，m illing and plasma cutting，a 21-Axes control system for combined machine tools has been developed based on real-time Ethernet platform which is called EtherMAC(Ethernet for Manufacture Automation Control).The hardware and software requirements of the control system is analyzed and the scheme of the control system and function realization are given.In the engineering application，themachine tool is able to manufacture sectionalmaterial as long as 7.5 meters by ways of drilling，milling and plasma cutting simultaneously.Themanufacturing efficiency has been significantly improved and prospective functions are realized.It provides a new feasible solution for automanufacturing of sectionalmaterial of parking equipments.

real-time Ethernet;control system;combined manufacturing;EtherMAC

TH161;TP273.5

A

1001－2265(2012)08－0047－04台机器人开发了型钢自动加工系统［3］。但是需要离线示教，先在设计室制作动作数据，再输送给机器人。国内建筑钢结构件加工使用的主要设备中，一种三维数控钻可同时加工工字钢翼板和腹板［4］。但是功能单一，当切割加工时还需使用数控切割设备，完成一个工件需要多次定位。

本组合机床控制系统采用EtherMAC实时工业以太网总线控制平台，具有高可重构性，用户级开放的特点，可实现复杂嵌入式系统功能的用户级组态设计和商业化［5］。控制系统基于Windows CE6.0操

2011－12－06;

2012－01－14

国家自然科学基金资助项目(51075241);山东省博士后基金资助项目(200903060);山东大学自主创新基金和山东省优秀中青年科学家奖励基金(BS2009ZZ002)

岳士超(1987—)，男，山东泰安人，山东大学机械工程学院硕士研究生，主要研究方向为数控技术、智能制造系统，(E－mail)yueshichao624@gmail.com。