基于客户/服务器模式的磨床控制系统设计

研磨者

基于客户/服务器模式的磨床控制系统设计

1 引言 磨削是轴承加工行业的最后一道工序，它对加工精度、光洁度和一致性的要求都非常高，磨床控制系统设计的难点在于精度的控制。相对于其他机加工方式而言，由于磨削加工工艺的复杂性，影响加工精度的因素多而且复杂，除了机床的静态精度以外，还有砂轮磨损、磨削力、工艺系统弹性变形和工件初始余量的分散误差等，这些因素使得工件的尺寸精度和一致性呈现出不确定性；同时，轴承加工生产的环境恶劣，对系统的可靠性提出了更高的要求。笔者在多年机床控制系统的研制开发基础土，针对轴承行业生产加工的特点，设计了基于客户／服务器模式的磨床控制系统，为经济型磨床数控系统发展提出了新的思路。 磨床控制系统为了减小轴承加工误差，一般都是通过补偿来进行修正的，但是要准确地描述补偿变化规律是很困难的、甚至是不可能的。目前国外使用的是一种定期等值线性补偿方法。由于工件尺寸误差的产生规律是非线性的，这种简单的误差补偿方式不能有效地抑制非线性因素对工件尺寸的影响。本文介绍基于客户／服务器模式的控制系统，除了采用先进的智能补偿算法之外，还提出了“控制型”磨削的优化加工方法，从而有效地抑制加工过程对精度的影响。这种模式把复杂的算法实现、智能决策推理、高精度的计算和数据文件管理事务都交由性能好的服务器处理，将资源较少而可靠性高的单片机现场控制设备作为前台终端控制器（以下简称控制器），服务器为多个控制器提供了公共的服务平台。该系统具有结构合理、使现场系统更为可靠、性价比更高以及维护便捷等特点。 2 系统的总体结构 2 系统的总体结构 系统总体结构（图1）由控制器、中央控制服务器（以下简称服务器）、Moxa公司的串口设备联网服务器组成。控制器作为前台设备对磨床予以直接控制，且基于“瘦客户机”思想，改变了现有控制系统小而全的设计，将部分硬件和软件的功能移至服务器上，并采取了分层、模块化的软硬件结构，极大地提高了系统的灵活性和可靠性；服务器为客户端（控制器）提供了应用服务和“文件”服务，即将复杂的信息处理任务由服务器完成后发送给控制器，而不同品种工件的加工程序、参数和数据库资源保留在服务器上，随时可由控制器下载。另外，服务器还具有集中监控控制器和收集、管理加工数据等功能；串口设备联网服务器将多路RS485串口设备简便地联人网络，透明地完成了在串口和以太网络之间进行双向通讯的任务，实现了同时集中管理多个带有串口设备的目的。 3 硬件设计 选用了工业控制计算机作为服务器，以提高整体系统的可靠性。自行设计的磨床控制器是由主板、显示键盘板、工件尺寸的动态测量板、大功率步进电机驱动板、开关量输人输出控制板和电源系统组成，它具有砂轮架进给驱动、工件尺寸测量、开关量控制和通讯等功能。结构上为保证硬件层面的独立，将驱动、测量及开关量控制板，设计成带有P89LPC76 x系列微处理器的板卡，它们各自模块能够独立工作，与主板之间通过I2C总线进行命令和数据交换。 （1）主板：采用菲利浦P89V51RD2处理器，它是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字节的数据RAM。通过选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量，其指令集在执行和时序上同80C51指令集完全兼容。具有在应用中编程（IAP）功能，为程序和数据的远程下载更新提供了基础。由于在轴承行业中，磨床加工产品比较单一，因此将自动加工程序、手动、监控及低层驱动程序均存放在P89V51RD2内部64kB Flash中。此板上还扩展了显示和键盘接口以及RS485, WDT和掉电检测电路。 （2）测量板：由电感测微传感器、检测电路和处理器组成（图2），其原理是：ICL8038产生20kHz的正弦信号，经稳幅和功率放大电路后作为激励信号施加在标准电感L标和测头电感L测上。当工件尺寸变化时，通过测头中的一套杠杆系统作用在磁芯上，使磁芯空气间隙改变，即尺寸微小的变化△l转换为传感器内线圈的电感量的变化△L测，最终引起电流变化。这个变化经变压器的耦合作用，使得在次级绕组电压信号的幅度发生变化。由检波电路，变换为直流电压，经A/D转换器变成数字信号给MCU。采用双路检波电路一方面为了检出灵敏的变化信号，另一方面，可以抵消共模干扰所造成得误差。由于电感式测量的线性较差，因此，除了在电路中增加线性校正电路外，还采用了分段线性插值方法，设计了非线性校正子程序，使得测量数据精度高、稳定性好。 （3）步进电机驱动板：磨床进给驱动电路既要保证定位的快速性又要考虑加工时的平稳性（电机震动要小，确保磨削的精度），为此采用高低压恒流斩波驱动电路（图3）。低速进给时，仅使用“中压”供电；高速时，自动提升电压来缩短相电流的上升时间，以提高电机转矩，防止失步。上述功能是由鉴频电路完成的，如果它检测相序信号的频率超过阈值频率，则自动根据频率高低控制高压开关管的导通占空比。斩波电流控制电路通过检测线圈电流大小来控制“上”管（Tl）的导通与截止，使线圈电流在上下设定值之间波动，以维持线圈恒流（相电流6A）。为提高电机的平稳性，设计了合理的续流回路，减小斩波频率。由于磨削加工时进给速度很低，电路除具有软件锁相功能之外还设计了硬件自动锁相电路，它一方面可以减小斩波震动，另一方面减小器件的开关损耗。本驱动板还带有过压、欠压、过流、过热故障检测与保护电路，一旦有故障发生，硬件电路自动关闭大功率管，以确保功率管安全。微处理器电路除了与主板通讯外，负责步进电机的脉冲分配，升降速控制等。 （4）开关量输入和输出接口板：按一般磨床控制动作的需要，设计了16入、16出的开关量I/O接口板。输人电路采用了RC滤波后经光电隔离,74LS04整形后输人给MCU。输出通过74LS595串并转换后，经光电隔离和MC1416缓冲，再由BU406D驱动24V电磁阀或MOC3041加可控硅驱动功率继电器。板上的MCU每隔20ms，读取一次外部输人信号，经软件滤波后更新2字节的输人映像存储器；同时根据输出映像存储器的内容定时更新输出接口。此板的通讯程序随时等待主板的控制命令，根据命令来发送存储器中的输入信号映像或更新输出映像存储器。 （4）开关量输入和输出接口板：按一般磨床控制动作的需要，设计了16入、16出的开关量I/O接口板。输人电路采用了RC滤波后经光电隔离,74LS04整形后输人给MCU。输出通过74LS595串并转换后，经光电隔离和MC1416缓冲，再由BU406D驱动24V电磁阀或MOC3041加可控硅驱动功率继电器。板上的MCU每隔20ms，读取一次外部输人信号，经软件滤波后更新2字节的输人映像存储器；同时根据输出映像存储器的内容定时更新输出接口。此板的通讯程序随时等待主板的控制命令，根据命令来发送存储器中的输入信号映像或更新输出映像存储器。 4 软件设计 软件分为控制器和服务器两部分。基于“瘦客户机”模式的控制器软件只保留了自动加工、手动调校、监控和底层驱动等程序。系统运行中，复杂的信息处理都是由服务器完成的，因此控制器必须时刻得到后台“支持”。服务器端软件功能包括：加工控制处理程序、误差补偿处理程序、通讯、数据库和加工程序的管理、工件信息的统计管理和对各控制器加工状态的监控等。 4．1 加工控制处理程序 笔者提出了“控制型”磨削加补偿的方法，此方法除了在补偿上加以处理外，还采用了“因材施磨”的“控制型”加工技术，克服了现有系统统一使用“粗磨”、“精磨”和“光磨”简单磨削方法，使磨削加工按照已优化的工艺曲线进行，从而减少了因加工过程不合理对尺寸精度的影响。 以M250内圆磨床为例，加工精度±3μm，在服务器中保存有因砂轮半径、工件余量等主要影响因素不同而设计的多条进给加工工艺曲线。实际加工曲线是在已有知识库中的加工曲线基础上经过计算得出的。这里以砂轮半径Sr为影响因素加以分析介绍，不同半径sr的加工工艺曲线见图4，随着Sr减小（磨削面积减小），磨削进给速度越小。图4以加工砂轮半径等距地给出了5条曲线，它表明曲线与Sr之间是非线性的，因此，在计算某一半径的实际工艺曲线时，需要在横轴选取离散的n个点，每个点rj分别对应5条曲线上的5个点rj,1～rj,5,使用最小二乘法对这5个点进行二次多项式拟合，而n个点则要有n个拟合多项式，这n个拟合多项式的系数可以用矩阵A来表示，则待求曲线上的n个点表示为： 其中： x1～xn对应的r1～rn,将工件的待磨削尺寸分成了n段，则第i段的加工进给速度为xi，通过上述计算后，就得到了特定条件下的分段离散加工工艺曲线。 x1～xn对应的r1～rn,将工件的待磨削尺寸分成了n段，则第i段的加工进给速度为xi，通过上述计算后，就得到了特定条件下的分段离散加工工艺曲线。 开始加工时，控制器将当前砂轮半径和被加工工件的尺寸发送给服务器，服务器根据此值计算出实际的工艺数据并发送给控制器，它将按照对应加工曲线进行进给控制。由于多个磨床使用同样的加工曲线，从而有利于保证了加工的一致性。 4．2 误差补偿处理程序 4．2 误差补偿处理程序 由于影响磨削精度的因素复杂而无法使用统一的数学模型予以补偿，为此，本设计采用了免疫优化补偿和国外采用的定期等值补偿相结合方法，一方面，将针对砂轮变化的有规律线性补偿从整个补偿中“解耦”出来，把砂轮半径与补偿量的对应经验数据以文件形式保存在硬盘上；另一方面，将磨床机械特性等非线性因素而造成的误差，采用免疫算法进行优化补偿，具体方法是，为每台磨床设计加工补偿记忆数据库，此数据库采用先进先出（FIFO）的方式，动态记录了n个工件的加工补偿历史数据，数据表中包括工件毛坯尺寸、砂轮尺寸、实际工件加工后尺寸、补偿量、补偿亲和度、补偿量浓度调节因子和补偿方向标志字段。亲和度代表通过补偿后的实际的作用效果，如果补偿后的实际尺寸在公差范围内，则亲和度为最大值1；否则通过实际尺寸、补偿尺寸和浓度调节因子等数据换算成亲和度值（0＜亲和度<1）。补偿量浓度调节因子是通过控制单位补偿量的个数，从而调节补偿量的大小。闭环误差补偿系统的结构见图5，为了避免偶然因素对控制算法的影响，采用了从前n个数据中，提取前m个亲和度高的记忆数据作为抗体群，待加工的工件作为抗原，在抗体群中搜索与抗原个体特性相近的记录数据，如果搜索到了相近特性的抗体，则将该记录的亲和度占权重系数为λ（λ>0.7）,其余m-1个亲和度的平均值占权重系数为（1-λ），计算出预期的亲和度；如果未搜索到，则用m个亲和度的平均值作为预期的亲和度。然后，根据上一工件的尺寸误差值和预期的亲和度，得到了本次的浓度调节因子及免疫补偿量。此外，为有利于系统稳定性以避免出现免疫失调，采取了对浓度因子进行了限幅处理。上述算法处理都是在服务器上实现的，由线性补偿量和免疫补偿量两部分组成最终补偿量被发送给控制器并在加工时将此补偿量叠加到进给数据中。 4．3 控制器软件 4．3 控制器软件 该部分软件开发使用TKS系列单片机仿真器，在Windows下 的C51开发环境中，用C语言进行单片机程序开发调试。软件采用了模块化分层结构，主程序由自动、手动和监控三个模块组成，驱动层由与测量等子板的通讯程序、与服务器通讯程序、显示键盘程序、装载加工程序和中断处理程序等组成。通过方式键可实现 自动、手动和监控三种工作方式之间的转换。在自动方式，按下启动键，程序将自动完成所有控制动作和磨削工艺要求。手动调校和监控方式程序通常是不变的，调校功能是为测试系统各部分控制是否正常而设置的，比如，单独控制步进电机的进退、自动测量机械臂摆动和测头的张、缩等。监控方式是用于系统一些参数设定、自动程序的选取和系统自检等功能。 由于加工工件的品种不同，磨床的控制动作及磨削的工艺要求也就不同，因此自动加工程序是需要经常更换的。利用IAP技术与服务器结合，通过调用Boot ROM固件中已经固化有的擦除和编程等IAP子程序，可以方便地实现加工程序和应用数据的更新。各种加工应用程序被放置在服务器上，操作人员可以根据需要从服务器下载不同工件的加工程序。同时，系统设计人员可以通过Internet访问服务器，在完成远程的诊断与维护同时，也可以通过IAP实现控制器中的监控和底层驱动程序的更新。 控制器的可靠性是至关重要的，除了在硬件布线和隔离上注意之外，控制软件上采取以下措施：（1）定时触发WDT,一旦控制软件“死机”，WDT复位控制器。（2）利用多机资源提高应用系统可靠性，服务器与控制器定时双向互发“监控”命令信息，正常情况下，各自将正常运行状态信息发送给对方。如果在一定时间内，未接到对方的“正常”信息，则控制器或服务器提示异常信息，控制器停止加工。 5 结语 在加工量大、精度要求高的轴承行业，采用基于客户／服务器模式的新型磨床控制系统，可以有效利用后台资源，从而简化了控制器的配置，使经济型控制系统的结构更为合理。它的应用对提高加工质量、性价比、可靠性和科学化管理等多方面有着显著的效果，因此在轴承加工领域，基于客户／服务器模式的新型磨床控制系统具有广阔的发展前景。