一種六坐標系運動的動態互斥控制方法
【專利摘要】本發明提供了一種六坐標系運動動態互斥控制方法。該方法包括多系統并行加工程序互斥區域管理機制，基于同一個筒狀工作對象把同心的內外圓柱坐標系分六區管理，統一部署各系統銑削頭與夾具頭的工作區域和加工程序，并提供互斥區域預測訪問機制同步各系統加工狀態；多系統局域網通信模塊，周期性互傳重疊進給軸的位置和狀態；重疊軸安全區域互斥控制模塊，實時處理本系統和相鄰系統對應重疊軸的互斥區域和工作狀態，同時控制本系統的運動行為。該技術響應速度快，可應用于同一組圓柱坐標系下三系統并行加工的數控銑削機床。
【專利說明】一種六坐標系運動的動態互斥控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械數控銑削加工【技術領域】，具體是一種圓柱面工件三系統分區并行銑削加工與測量控制六坐標系運動的有效加工區域實時控制與重疊區域動態互斥技術。
【背景技術】
[0002]研宄表明，在三個系統并行銑削同一個圓柱工件內表面過程中，需要規劃各系統銑削頭的有效加工區域、重疊加工區域以及各系統銑削頭進入重疊區域的時序，避免出現邊界區域加工不到或鄰近系統互相碰撞等問題，否則會嚴重影響銑削安全和銑削效果；同理，在三系統并行控制同一個圓柱工件外表面上三個不同的夾具頭時，也需要合理規劃并有效控制各系統夾具頭的有效加工區域、重疊加工區域以及各夾具頭進入重疊區域的時序。至此，需要同時對六個坐標系的運動進行統一調配和實時控制。
[0003]以實際加工中每個系統的B軸控制圓柱工件內表面銑削為例說明區域管理與互斥的意義。B軸實際可移動區域為130°，可以保證邊界被加工到；每個B軸所在內立柱本身占據了 70°范圍，除去三個系統的內立柱后三個B軸余下的可用角度為150°，則每個系統的B軸可用空間50°，遠小于130°所需空間。以系統I為例，規劃區域為-5°?+125°，如采用靜態互斥區域管理方法，當系統三B3軸占據+5°位置時，系統一 BI軸在角度減小方向的互斥訪問區域邊界為+75°，當系統二 B2軸占據115°位置時，系統一 BI軸在角度增加方向的互斥訪問區域邊界為正+45°，則左右互斥區域邊界相互重疊，系統一在任何時候都處于互斥區域，甚至在+45°?+75°時同時互斥兩邊系統的B軸。因此，在實際加工中動態控制鄰近系統之間B軸的互斥區域，并進行可達性預測控制，對于保證B軸內立柱銑削寬度有重要意義。同理，每個系統的A軸控制圓柱工件外表面夾具頭的浮動支撐和測量控制，每個軸也需要130°可移動區域，本身A軸所在外立柱占據35°空間，在圓柱外表面360°空間里每個A軸自由空間為85°，需要動態互斥方可實現邊界區域的有效駐留和全柱面控制。現有數控系統本身不能互相訪問并同步運動，此時必須設計一個基于局域網的有效加工區域實時控制與動態互斥區域管理機制。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是給圓柱面工件三系統并行銑削和測控提供一種基于局域網的響應速度快、可預測控制的有效加工區域實時控制與重疊區域動態互斥技術，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0005]為了實現這一目的，本發明采取的技術方案是:
[0006]一種六坐標系運動的動態互斥控制方法，包括多系統并行加工程序互斥區域管理機制、多系統局域網通信模塊、重疊軸區域互斥控制模塊；
[0007](I)多系統并行加工程序互斥區域管理機制通過同一個圓柱坐標系建立多系統并行加工模型，在模型中統一處理各系統加工坐標系和互斥區域預測訪問時序，生成各系統可并行加工的程序；
[0008]圍繞一個圓筒工件沿周向均勻分成三個分區，每個分區各占120° ;在每個分區安裝一臺數控系統，每臺數控系統分別控制內外立柱兩個通道的兩個坐標系，外立柱上設置支撐頭，內立柱上設置加工頭；定義每個數控系統的B軸控制圓柱工件內立柱加工頭的內表面銑削，A軸控制圓柱工件外立柱支撐頭的浮動支撐和測量控制；
[0009]共有六個坐標系:
[0010]內圓柱坐標系按130°區域陣列分布的三個內立柱銑削加工坐標系，每個內立柱銑削加工坐標系向鄰近內立柱銑削加工坐標系各伸出5° ;
[0011]外圓柱坐標系按130°區域陣列分布的三個外立柱夾具頭運動坐標系，每個外圓柱銑削支撐坐標系向鄰近外圓柱銑削支撐坐標系各伸出5° ;
[0012]用指定M代碼區分為每個數控系統生成專屬程序:為三臺數控系統分別插入對應的M代碼，分別為M54、M55、M56 ；
[0013]用特殊M代碼實現互斥區域預測訪問，允許本數控系統在進入互斥區域之前查詢鄰近數控系統的位置并等待其離開，實現互斥區域先到先執行、后來的延遲執行；在程序中實現外立柱支撐頭跟隨內立柱加工頭的運行規則，在內立柱加工頭到位之前把外立柱支撐頭移動到工件銑削區域的背面支撐工件；為三臺數控系統分別劃分自由加工區域和邊界互斥區域，在即將加工互斥區域時插入M57指令；在設計的PLC互斥程序里為M57指令提供A/B軸提前6°邊界互斥檢測方法，支持M57指令實現對互斥區域的預測訪問；
[0014](2)多系統局域網通信模塊
[0015]為每個數控系統獨立設計互斥區域通信HMI模塊，通過數控系統HMI 二次開發接口為每個系統單獨設計和配置的坐標與狀態局域網廣播模塊，基于多媒體定時器實現實時坐標與狀態同步；互斥區域通信HMI模塊以及坐標與狀態局域網廣播模塊每1ms向局域網廣播自己互斥軸的位置和狀態，同時采集鄰近兩臺系統互斥軸的位置和狀態，在通信未建立時通知系統PLC鎖住自身的運動；
[0016](3)重疊軸互斥區域控制模塊
[0017]在每個數控系統的PLC里設計一組程序，基于相鄰數控系統重疊進給軸的當前位置，依據本身所屬區域和鄰近數控系統互斥軸的坐標實時計算本數控系統重疊軸的互斥區域，向相鄰數控系統發布互斥區域的占用狀態，根據當前狀態控制本數控系統的運動行為；
[0018]如本數控系統占據互斥區域則輸出信號給鄰近數控系統；
[0019]如此時鄰近數控系統已在互斥區域則鎖死本數控系統的運動，直到鄰近數控系統離開互斥區域才恢復運動。
[0020]進一步的，如上所述的一種六坐標系運動的動態互斥控制方法，多系統局域網通信模塊工作的具體過程為:
[0021]首先通過VS2010設計基于VC++的OCX模塊，在OCX模塊里設計一個WINDOWS多媒體定時器實現每周期通過局域網UDP廣播本數控系統A/B軸位置和狀態，同時通過局域網UDP獲取其他兩臺數控系統的A/B軸位置和狀態；通過數控系統設計VBS腳本文件，在腳本里設計定時器，每周期訪問OCX模塊里提供的數據讀寫接口獲取其他系統A/B軸的位置和狀態，調用數控系統的PLC變量讀寫接口更新各系統A/B軸位置和狀態到本系統的PLC互斥程序里，同時把本系統A/B軸的位置和狀態發送到局域網；
[0022]進一步的，如上所述的一種六坐標系運動的動態互斥控制方法，重疊軸互斥區域控制模塊中，互斥區域的確定方法為:每個互斥區域均基于相鄰數控系統的最大最小邊界而定，A\B軸互斥區域動態確定，以系統一二、系統二三、系統三一之間旋轉軸當前坐標值確定互斥區域的邊界，以控制兩個系統之間B軸坐標差值大于72°，而A軸的坐標差值大于37。。
[0023]在現有數控系統上，本發明具有如下的有益效果:該技術可實現在保證每個系統有效加工區域的同時，對鄰近系統實現重疊區域的互斥訪問以達到自動加工中的防碰撞，區域計算準確、響應速度快，實現了鄰近系統對重疊區域有序加工，可保證圓柱工件內表面全尺寸安全加工，可應用于圓柱工件內表面多系統并行銑削機床。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為有效加工區域互斥控制模塊結構。
[0025]圖2為內外立柱不同坐標系示意圖。
[0026]圖3為旋轉軸重疊區域互斥示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0028]如圖1所示，本發明實施例中，一種六坐標系運動的動態互斥控制方法，包括多系統并行加工程序互斥區域管理機制、多系統局域網通信模塊、重疊軸區域互斥控制模塊；
[0029](I)多系統并行加工程序互斥區域管理機制通過同一個圓柱坐標系建立多系統并行加工模型，在模型中統一處理各系統加工坐標系和互斥區域預測訪問時序，生成各系統可并行加工的程序；
[0030]圍繞一個圓筒工件沿周向均勻分成三個分區，每個分區各占120° ;在每個分區安裝一臺數控系統，每臺數控系統分別控制內外立柱兩個通道的兩個坐標系，外立柱上設置支撐頭，內立柱上設置加工頭；定義每個數控系統的B軸控制圓柱工件內立柱加工頭的內表面銑削，A軸控制圓柱工件外立柱支撐頭的浮動支撐和測量控制；
[0031]共有六個坐標系，如圖2所示:
[0032]內圓柱坐標系按130°區域陣列分布的三個內立柱銑削加工坐標系，每個內立柱銑削加工坐標系向鄰近內立柱銑削加工坐標系各伸出5° ;
[0033]外圓柱坐標系按130°區域陣列分布的三個外立柱夾具頭運動坐標系，每個外圓柱銑削支撐坐標系向鄰近外圓柱銑削支撐坐標系各伸出5° ;
[0034]用指定M代碼區分為每個數控系統生成專屬程序:為三臺數控系統分別插入對應的M代碼，分別為M54、M55、M56 ；
[0035]用特殊M代碼實現互斥區域預測訪問，允許本數控系統在進入互斥區域之前查詢鄰近數控系統的位置并等待其離開，實現互斥區域先到先執行、后來的延遲執行；在程序中實現外立柱支撐頭跟隨內立柱加工頭的運行規則，在內立柱加工頭到位之前把外立柱支撐頭移動到工件銑削區域的背面支撐工件；為三臺數控系統分別劃分自由加工區域和邊界互斥區域，在即將加工互斥區域時插入M57指令；在設計的PLC互斥程序里為M57指令提供A/B軸提前6°邊界互斥檢測方法，支持M57指令實現對互斥區域的預測訪問；
[0036](2)多系統局域網通信模塊
[0037]為每個數控系統獨立設計互斥區域通信HMI模塊，通過數控系統HMI 二次開發接口為每個系統單獨設計和配置的坐標與狀態局域網廣播模塊，基于多媒體定時器實現實時坐標與狀態同步；互斥區域通信HMI模塊以及坐標與狀態局域網廣播模塊每1ms向局域網廣播自己互斥軸的位置和狀態，同時采集鄰近兩臺系統互斥軸的位置和狀態，在通信未建立時通知系統PLC鎖住自身的運動；
[0038](3)重疊軸互斥區域控制模塊
[0039]在每個數控系統的PLC里設計一組程序，基于相鄰數控系統重疊進給軸的當前位置，依據本身所屬區域和鄰近數控系統互斥軸的坐標實時計算本數控系統重疊軸的互斥區域，向相鄰數控系統發布互斥區域的占用狀態，根據當前狀態控制本數控系統的運動行為；
[0040]如本數控系統占據互斥區域則輸出信號給鄰近數控系統；
[0041]如此時鄰近數控系統已在互斥區域則鎖死本數控系統的運動，直到鄰近數控系統離開互斥區域才恢復運動。
[0042]在本實施例中，多系統局域網通信模塊工作的具體過程為:
[0043]首先通過VS2010設計基于VC++的OCX模塊，在OCX模塊里設計一個WINDOWS多媒體定時器實現每周期通過局域網UDP廣播本數控系統A/B軸位置和狀態，同時通過局域網UDP獲取其他兩臺數控系統的A/B軸位置和狀態；通過數控系統設計VBS腳本文件，在腳本里設計定時器，每周期訪問OCX模塊里提供的數據讀寫接口獲取其他系統A/B軸的位置和狀態，調用數控系統的PLC變量讀寫接口更新各系統A/B軸位置和狀態到本系統的PLC互斥程序里，同時把本系統A/B軸的位置和狀態發送到局域網；
[0044]圖1中在數控系統內部增加的PLC模塊，以系統一為例說明互斥計算和控制過程:獲取鄰近系統二的A2、B2軸坐標，得到本系統最大可達安全區域的邊界A1_MAX = A2-72、Β1_ΜΑΧ = Β2-72軸，獲取鄰近系統三的A3、B3軸坐標，得到本系統最小可達安全區域的邊界A1_MIN = A2+72-360、Bl_MIN = B2+72-360 軸；比較本系統 Al 軸坐標與 A1_MAX、A1_MIN，可知Al軸是否在最大或最小方向的互斥區域，同理比較本系統BI軸坐標與B1_MAX、B1_MIN，可知BI軸是否在最大或最小方向的互斥區域，如果Al或BI占據了最小方向的互斥區域，則輸出互斥狀態給系統三，如果Al或BI占據了最大方向的互斥區域，則輸出互斥狀態給系統二；如果本系統占據了最小方向互斥區域而未接收到來自系統一的互斥區域占用信號則標明本系統獲得互斥區域占據豁免權可繼續運動，如此時接收到了系統一的占用信號，則本系統自動進入運動停止狀態，直到系統一退出互斥區域才恢復可運動狀態，這個處理同時適用于對“最大方向互斥區域”與系統二的處理；若八1與A2\A3的坐標差值小于或等于72°，或者BI與B2\B3的坐標差值小于或等于72°，則本系統提示用戶對當前運動進行處理；如本系統當前不在互斥區域，但需要在下一步進入互斥區域，則調用M57指令檢查當前Al和BI軸坐標改變±5°后是否進入互斥區域，如此時進入互斥區域則立即停止當前系統的運動，直到其互斥系統離開互斥區域才恢復正常運動。
[0045]圖3中所示為三個并行系統圍繞同一個圓柱型工件表面的旋轉軸A軸工作區域劃分和重疊區域互斥基本原理，每個互斥區域均基于相鄰系統的最大最小邊界而定，以外立柱35°身量確定A軸互斥區域邊界，如系統一與系統二之間的A軸互斥區域為{80° , 160° }，其中80°為系統二最小值115°減去35°所得，160°為系統一最大值125°加上35°所得。在實際加工中，A\B軸互斥區域動態確定，總是以系統一二或系統二三或系統三一之間旋轉軸當前坐標值確定互斥區域的邊界，即保證兩個系統之間B軸坐標差值大于72°，而A軸的坐標差值大于37°。本技術發明無誤差積累，響應速度快，能有效降低工件形變對銑削效果的影響，可應用于數控薄壁工件銑削機床。
【權利要求】
1.一種六坐標系運動的動態互斥控制方法，其特征在于: 包括多系統并行加工程序互斥區域管理機制、多系統局域網通信模塊、重疊軸區域互斥控制模塊； (1)多系統并行加工程序互斥區域管理機制通過同一個圓柱坐標系建立多系統并行加工模型，在模型中統一處理各系統加工坐標系和互斥區域預測訪問時序，生成各系統可并行加工的程序； 圍繞一個圓筒工件沿周向均勻分成三個分區，每個分區各占120° ;在每個分區安裝一臺數控系統，每臺數控系統分別控制內外立柱兩個通道的兩個坐標系，外立柱上設置支撐頭，內立柱上設置加工頭；定義每個數控系統的B軸控制圓柱工件內立柱加工頭的內表面銑削，A軸控制圓柱工件外立柱支撐頭的浮動支撐和測量控制； 共有六個坐標系: 內圓柱坐標系按130°區域陣列分布的三個內立柱銑削加工坐標系，每個內立柱銑削加工坐標系向鄰近內立柱銑削加工坐標系各伸出5° ; 外圓柱坐標系按130°區域陣列分布的三個外立柱夾具頭運動坐標系，每個外圓柱銑削支撐坐標系向鄰近外圓柱銑削支撐坐標系各伸出5° ; 用指定M代碼區分為每個數控系統生成專屬程序:為三臺數控系統分別插入對應的M代碼，分別為M54、M55、M56 ； 用特殊M代碼實現互斥區域預測訪問，允許本數控系統在進入互斥區域之前查詢鄰近數控系統的位置并等待其離開，實現互斥區域先到先執行、后來的延遲執行；在程序中實現外立柱支撐頭跟隨內立柱加工頭的運行規則，在內立柱加工頭到位之前把外立柱支撐頭移動到工件銑削區域的背面支撐工件；為三臺數控系統分別劃分自由加工區域和邊界互斥區域，在即將加工互斥區域時插入M57指令；在設計的PLC互斥程序里為M57指令提供A/B軸提前6°邊界互斥檢測方法，支持M57指令實現對互斥區域的預測訪問； (2)多系統局域網通信模塊 為每個數控系統獨立設計互斥區域通信HMI模塊，通過數控系統HMI 二次開發接口為每個系統單獨設計和配置的坐標與狀態局域網廣播模塊，基于多媒體定時器實現實時坐標與狀態同步；互斥區域通信HMI模塊以及坐標與狀態局域網廣播模塊每1ms向局域網廣播自己互斥軸的位置和狀態，同時采集鄰近兩臺系統互斥軸的位置和狀態，在通信未建立時通知系統PLC鎖住自身的運動； (3)重疊軸互斥區域控制模塊 在每個數控系統的PLC里設計一組程序，基于相鄰數控系統重疊進給軸的當前位置，依據本身所屬區域和鄰近數控系統互斥軸的坐標實時計算本數控系統重疊軸的互斥區域，向相鄰數控系統發布互斥區域的占用狀態，根據當前狀態控制本數控系統的運動行為； 如本數控系統占據互斥區域則輸出信號給鄰近數控系統； 如此時鄰近數控系統已在互斥區域則鎖死本數控系統的運動，直到鄰近數控系統離開互斥區域才恢復運動。
2.如權利要求1所述的一種六坐標系運動的動態互斥控制方法，其特征在于:多系統局域網通信模塊工作的具體過程為: 首先通過VS2010設計基于VC++的OCX模塊，在OCX模塊里設計一個WINDOWS多媒體定時器實現每周期通過局域網UDP廣播本數控系統A/B軸位置和狀態，同時通過局域網UDP獲取其他兩臺數控系統的A/B軸位置和狀態；通過數控系統設計VBS腳本文件，在腳本里設計定時器，每周期訪問OCX模塊里提供的數據讀寫接口獲取其他系統A/B軸的位置和狀態，調用數控系統的PLC變量讀寫接口更新各系統A/B軸位置和狀態到本系統的PLC互斥程序里，同時把本系統A/B軸的位置和狀態發送到局域網。
3.如權利要求1所述的一種六坐標系運動的動態互斥控制方法，其特征在于:重疊軸互斥區域控制模塊中，互斥區域的確定方法為:每個互斥區域均基于相鄰數控系統的最大最小邊界而定，A\B軸互斥區域動態確定，以系統一二、系統二三、系統三一之間旋轉軸當前坐標值確定互斥區域的邊界，以控制兩個系統之間B軸坐標差值大于72°，而A軸的坐標差值大于37°。
【文檔編號】G05B19/406GK104503366SQ201410679890
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】李宇昊, 畢慶貞, 劉鋼, 王國慶, 丁鵬飛, 孫秀京 申請人:上海拓璞數控科技有限公司, 首都航天機械公司, 中國運載火箭技術研究院