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附件 1 外文資料翻譯譯文 CNC 和 PLC 他們對于機(jī)床是同一概念嗎 摘要 設(shè)計(jì)一個計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器 CNC 傳統(tǒng)做法是將裝置分為三個實(shí)體 一個可 編程控制器 PLC 一個可以稱之為 CNC 控制器 CNCD 的黑盒子 一個包含 CNC 軸向控制器和可以簡單描述為軸向?qū)嶓w的合成體 我們將指出這一機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn) 展示一種新機(jī)構(gòu)并介紹他的優(yōu)勢所在 最后 在對比傳統(tǒng) PLC 和新機(jī)構(gòu)之后 我 們認(rèn)為 CNC 就是一種改進(jìn)的 PLC PLC 裝置 傳統(tǒng)的可編程控制器 PLC 是基于兩個主要模塊 控制臺和執(zhí)行器 控制臺 向操作者提供了一個交互式設(shè)計(jì)的人機(jī)界面 由于這個原因 他不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時約 束 執(zhí)行器控制基本任務(wù)的時序以使 PLC 工作和確保相關(guān)的時間約束 執(zhí)行器啟 動并管理不同的循環(huán)周期 控制臺的目標(biāo)是人機(jī)界面而執(zhí)行器的目標(biāo)是時序安排 可以這樣說 在大多數(shù)情況下 PLC 的主要目標(biāo)是在沒有控制臺的情況下單機(jī)運(yùn)行 CNC 使用的分類 CNC 對所有機(jī)床的應(yīng)用本質(zhì)上分為三個不同的種類 本地使用 直接數(shù)字化控 制 DNC 和遠(yuǎn)程使用 在本地使用中 操作者在機(jī)床附近 他直接輸入命令 通過按下按鈕來控制 機(jī)床和加工過程 他也可以創(chuàng)建和修改刀具描述符和零件加工程序 這些是以 CNC 的標(biāo)準(zhǔn)代碼或類似代碼寫入的 在這一背景下 對零件的設(shè)計(jì)和輔助制造也是可能的 盡管此類活動顯得與 機(jī)床周圍糟糕的環(huán)境質(zhì)量 比如噪音 高溫 灰塵 格格不入 DNC 直接數(shù)字化控制 使用 添加了從主機(jī)下載 向主機(jī)上傳 零件加工程序 的功能 主機(jī)匯集了零件加工程序 可以被看作是一個文件服務(wù)器 這些操作仍 然完全在位于機(jī)床附近的人工操作員的控制下 在某些情況下 在遠(yuǎn)距離的操作 者之間可能會使用郵件服務(wù)器 這一類 CNC 使用方式 除了能向服務(wù)器傳輸零件 加工程序和刀具描述符之外 與前一種使用并沒有本質(zhì)上的不同 第三種使用方式與柔性化加工有關(guān)而且可以自我說明 它向 CNC 提供完全的 遠(yuǎn)程控制 CNC 必須可以控制和調(diào)節(jié)刀具和零件 可以發(fā)送收集到的足夠的內(nèi)部信 息來報告 CNC 運(yùn)作狀態(tài) CNC 也要可以接受控制指令并最終實(shí)現(xiàn)與外部程序的同步 所有這些新功能帶來了一些重要的需要定義的問題 比如 任務(wù)概念 備注 88 但 由于這些并非本論文的主要目的 此處不再贅述 從第三類使用中 得到的一個 重要事實(shí)是 在柔性化制造中 由于人工操作者只在有維護(hù)任務(wù)時才直接面對 CNC 所以對 CNC 來說人機(jī)交互界面變得無用了 事實(shí)上 在一個柔性化的制造環(huán) 境中 操作 CNC 的必需部分只是執(zhí)行器 現(xiàn)在我們可以說我們的主要目標(biāo)就是找到一種可以滿足以上三種使用方式的 體系 CNC 設(shè)計(jì)修改 雙體結(jié)構(gòu) 之前的設(shè)計(jì)思路將整個 CNC 劃分成兩個主要的部分 控制臺和執(zhí)行器 控制 臺的目的是作為一個精細(xì)的人機(jī)交互界面或改進(jìn)的終端 執(zhí)行器的目的是控制加 工過程 嚴(yán)格意義上說 在柔性制造環(huán)境中 控制臺不是必須的 事實(shí)上所有 CNC 控制和決策的的智能是集中在控制器上的 因此創(chuàng)建了一種只帶有開 閉開關(guān)和急 停按鈕的黑盒子 控制臺和執(zhí)行器應(yīng)具備哪些具體功能 怎樣選擇必須有一些表 述清楚的標(biāo)準(zhǔn) 控制臺的基本要求包括下列的功能 顯示加工參數(shù) 以 CNC 標(biāo)準(zhǔn)代碼生成 顯示和編輯零件加工程序 生成 顯示和編輯刀具描述符 對零件編程提供圖形幫助工具 以永久形式存儲 硬盤 零件加工程序和刀具描述符 在 CNC 設(shè)置階段能輔助自動調(diào)節(jié)并顯示狀態(tài) 調(diào)整軸向控制器的參數(shù) 設(shè)置執(zhí)行器的設(shè)置參數(shù) 向執(zhí)行器載入工作指令 為日后分析顯示和存儲統(tǒng)計(jì)信息 運(yùn)行預(yù)設(shè)的測試程序以便執(zhí)行器為今后追逐已報告過的問題提供診斷計(jì)劃 可以打印出所有顯示或存儲的信息 建造一個控制臺的最常用方式是選擇一個微電腦 微電腦的操作系統(tǒng)和繪圖 工具箱搭載適當(dāng)軟件后能夠滿足先前提到的要求 作為一個獨(dú)立的單元 控制臺 可以很容易的獨(dú)立于執(zhí)行器進(jìn)行升級 以跟上加工方式的新發(fā)現(xiàn) 比如新的人機(jī) 界面理念 和新的技術(shù)革新 比如新的具有更好性能的硬件 此外 讓控制臺獨(dú) 立是通用化控制臺設(shè)計(jì)的第一步 這種狀況下的分析和對錯誤的診斷沒有進(jìn)行錯誤分析的基礎(chǔ)上 我們可以對 CNC 和 PLC 來說 控制臺扮演著相同的角色 在柔性化制造環(huán)境中 沒有操作員 機(jī)床獨(dú)立工作 執(zhí)行器包含所有適用于 柔性化制造環(huán)境所需要的功能 更準(zhǔn)確地說 執(zhí)行器的功能有以下三個基本要求 執(zhí)行要求 將以 CNC 標(biāo)準(zhǔn)代碼寫成的零件加工程序翻譯為機(jī)床可以理解和處理的中介代 碼 根據(jù)加工程序所選的機(jī)床修正加工軌跡 管理不同加工步驟地序列 控制輔助部件 如潤滑液 換刀裝置 生成加工軌跡 控制軸向進(jìn)給 與現(xiàn)場總線 如果存在 通信 管理要求 在加工過程中 以合適的方式存儲當(dāng)前和下一步任務(wù) 以更新機(jī)床描述符 比如更新加工時間信息數(shù)據(jù) 以半永久方式存儲設(shè)置參數(shù) 更新和管理包含標(biāo)記為報告事件信息的日志 在適當(dāng)時間進(jìn)行自動診斷 獨(dú)立工作所需的附加要求 與管理計(jì)算機(jī)通信 探測刀具損壞 測量刀具磨損 確認(rèn)刀具 管理和識別托盤 確認(rèn)和測量加工零件 這些要求顯示執(zhí)行器幾乎受制于硬件的實(shí)時約束 與控制臺相反 由于執(zhí)行 器內(nèi)在的復(fù)雜性 CNC 設(shè)計(jì)的訣竅就在于執(zhí)行器 處理這一部分必須小心 尤其在 設(shè)計(jì)它的結(jié)構(gòu)時 分析到這一步 有人會說網(wǎng)絡(luò)作為第三方 顯然就是 DNC 或遠(yuǎn)程控制使用 事實(shí)上 考慮到類似加工自動化協(xié)議 MAP 這樣的網(wǎng)絡(luò) 潛在的復(fù)雜性和稱作加 工信息規(guī)范 MMS 的應(yīng)用層所提供的服務(wù)似乎會帶領(lǐng)我們闡述這個命題 但即便 如此 這個想法不在本論文范圍之列 執(zhí)行器設(shè)計(jì) 傳統(tǒng) 方式 設(shè)計(jì)一個計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器 CNC 的傳統(tǒng)方式是裝置分為三個實(shí)體 一個可 編程控制器 PLC 一個可以稱之為 CNC 控制器 CNCD 一個包含 CNC 軸向控制 器 PLC 的主要功能是管理不同的機(jī)床附件 軸 潤滑液 CNCD 的主要任務(wù) 是翻譯 CNC 國際標(biāo)準(zhǔn)代碼 向軸向控制器輸出移動量 以及處理操作者的動作并 執(zhí)行 PLC 和 CNCD 每個都包含 CNC 的一部分 單獨(dú)任何一個都不能進(jìn)行 CNC 的控 制 他們共同控制整個 CNC 為了獲得一個控制命令 觸發(fā)器 可以是 PLC 或者 CNCD 必須知道整個 CNC 系統(tǒng)的狀態(tài) 因此 PLC 和 CNCD 共享狀態(tài)數(shù)據(jù) 這些數(shù) 據(jù)處于一個公共的雙通道存儲器中 或者 在處于最差的情況下 這些數(shù)據(jù)一直 不斷在 PLC 和 CNCD 間交換 因而 這信息交換所需要的高速數(shù)據(jù)傳輸率會造成嚴(yán) 重阻塞 因?yàn)閭鬏數(shù)奈锢斫橘|(zhì) 通常是專用總線 必須有十分先進(jìn)的性能 通常 只有十分尖端的技術(shù)才能達(dá)到 1984 年 瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院開始研發(fā) CNC 系統(tǒng)原 型時 這一現(xiàn)象不十分明顯 在 1987 年 7 月 他們設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了第一臺基于 傳 統(tǒng) CNC 體系的原型 在那時 進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn) 這個系統(tǒng)原型有著嚴(yán)重的信息 傳輸問題 因此 他們決定重新設(shè)計(jì)這個體系 并且研制第二個原型 驗(yàn)證些新 出現(xiàn)的想法 在深入研究信息傳輸問題之后 他們著手開始工作 執(zhí)行者 PLC 核心 一個主要基于 Gregotre87 和 Gregotre89 理論的研究表明 執(zhí)行中心可以 設(shè)計(jì)成一個大型的有限狀態(tài)機(jī) 時序安排呼叫服務(wù) 圖 1 相比于傳統(tǒng)的體系相 比 單實(shí)體控制執(zhí)行 執(zhí)行狀態(tài)整體集中于這個單實(shí)體中 這個方法解決了先前 所提到的共有數(shù)據(jù)問題 圖 1 FSM 的作用在于 保證了不同服務(wù)器之間的同步問題 FSM 控制執(zhí)行并且建立 了強(qiáng)勁的結(jié)構(gòu) 它可以在任何時候做出準(zhǔn)確的決定 使適當(dāng)?shù)姆?wù)器工作 從執(zhí) 行的角度看整個 FSM 可以被認(rèn)為是一種 PLC 的核心 服務(wù)器是一種相當(dāng)獨(dú)立的程序?qū)嶓w 有著自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 也可以與其他服 務(wù)器共享 并且擁有代表服務(wù)器狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息 從原理上講 每臺服務(wù)器 應(yīng) 該由自己的處理器執(zhí)行指令 然而 一些實(shí)際理念上 遵循的是編組原則 即將 一些服務(wù)器編為一組 然后分配給每一組一個單獨(dú)的處理器 實(shí)際上 服務(wù)器概 念所包含的內(nèi)容比它本身更廣泛 它包括所有 CNC 執(zhí)行所能找到的所有任務(wù) 例 如 將部分用 ISO 編碼寫的程序翻譯成中間碼 出于工具尺寸和磨損問題的考慮 更正軌跡 進(jìn)給和控制軸板塊 設(shè)備數(shù)據(jù)設(shè)置管理 恢復(fù)與存儲 其中一些服務(wù)器運(yùn)行十分繁重的計(jì)算程序 給執(zhí)行這些程序的執(zhí)行器造成很 大的負(fù)載系數(shù) 這主要是由于這些服務(wù)器用數(shù)字運(yùn)算 如刀具修正器 或者分列 運(yùn)算法 如 ISO 編譯器 由于性能原因 一個特定程序執(zhí)行可以將任務(wù)分配到高 速的特殊控制板和復(fù)雜的硬件 假定這些控制板存在于 PLC 擴(kuò)展板范圍中 只需 要一個軟件去調(diào)試 所以 現(xiàn)在的 PLC 硬件經(jīng)過少許的調(diào)整 就可以重新使用 服務(wù)器 的準(zhǔn)確定義是研究中新的焦點(diǎn)領(lǐng)域 可以假設(shè) 為了更精確 每一 個服務(wù)器的規(guī)范必須是正式的 由于服務(wù)器可以視為 CNC 可再使用部件的種類 有一些要求必須注意 而 FSM 集合了這些 這也可能引導(dǎo)正式的技術(shù)描述 實(shí)踐執(zhí)行 為了證實(shí)我們的理論 我們計(jì)劃在第二個 CNC 原型中執(zhí)行新提出體系 所選 用的程序語言為 ADA 因?yàn)樗绦蚍€(wěn)定 并且簡便 全面的項(xiàng)目設(shè)計(jì)按照 OO 論執(zhí) 行 在所有的設(shè)計(jì)方法中 這是最適合 ADA 所有的功能 軟件的功能實(shí)體分部在遵循以下表中要求的硬件中 控制臺 IBM 的 PC VME 板 可能在將來被 UNIX 工作站代替 它可以執(zhí)行所有控制臺的 功能 執(zhí)行 MOTOROLA MVME 133 XT cpu 板 MC68020 25MHz 用于控制臺的通訊和耗時 服務(wù) ISO 編譯器 修正工具和 MSD 管理 MOTOROLA MVME 133 XT cpu 板 MC68020 25MHz 用于 FSM 執(zhí)行 輔助設(shè)備與現(xiàn) 場總線的通訊 一些 MOTOROLA MVME 133 XT cpu 板 MC68020 25MHz 用于軸的分類機(jī) 每一個板塊執(zhí)行一個以上分類機(jī) 確切的數(shù)量視結(jié)構(gòu)而定 這些板塊支持軸的服 務(wù)器 一些 TMS320C25 板塊 用于軸控制器 這些板塊 在日后升級之后被取消 由特 殊的數(shù)字伺服控制器代替 一個管理所有加工刀具傳感器和制動器的現(xiàn)場總線板塊 與軸有關(guān)的除外 這些最新的約束 暫時的 是由于現(xiàn)場總線存在與軸控制要求時間的延遲 詳情 可參考 baguette et al 91 所有的硬件集中在 VME 架上 所有的板塊通過同一個總線連接 因此所有執(zhí) 行板塊的信息交流通過共享內(nèi)存 服務(wù)器的響應(yīng) 使用一種特定的遠(yuǎn)程程序響應(yīng) 這是專門為實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制研發(fā)的 這個運(yùn)行在主執(zhí)行板塊 FSM 的軟件和一種 PLC 中心軟件十分相似 所以 這個板塊可以方便的用 PLC 來替換 上述關(guān)于軸的分布式差補(bǔ)的要求不會產(chǎn)生與我們第一個原型一樣的問題 因 為 我們已經(jīng)采用了分散分類機(jī) 它執(zhí)行著如 Debourse87 所描述的概念 只 需要升級和調(diào)整 如 Decotignie91 所描述的 在寫這篇論文的時候 第二臺原型機(jī)已經(jīng)處于測試階段 但已經(jīng)達(dá)到完全的 功能 結(jié)論 新介紹的 CNC 體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的 PLC 體系結(jié)構(gòu)相比 有很多的相似之處 這 證明了 CNC 也是一種 PLC 或者 更確切點(diǎn)說 是一種進(jìn)化了的 PLC 因?yàn)樗兄?許多更高級的功能 實(shí)際上 這個新的體系結(jié)構(gòu)可以和一個 PLC 中心一起執(zhí)行命 令 一個帶有可視為協(xié)處理器的 CPU 板 隸屬于 PLC 中心 執(zhí)行服務(wù)軟件 和 PLC 標(biāo)準(zhǔn)軸板塊執(zhí)行分散分類機(jī)軟件 附件 2 外文原文 復(fù)印件