面向复合加工的多方式组多通道控制技术的研究*

唐 堂，王 品，郑飂默，，韩文业

(1.中国科学院大学，北京 100049;2.中国科学院 沈阳计算技术研究所，沈阳 110168;3.沈阳高精数控技术有限公司，沈阳 110168)

0 引言

随着全球经济化的发展，在数控行业，像以往的单一化产品生产模式已渐渐被淘汰，推出多样化产品，缩短数控产品的生产周期与创新周期，提高产品的质量、精度和增加产品的品种是当今潮流。同时在生产过程中，采用先进的生产工艺技术，既可以保证产品的数量和质量，又可以缩短产品的生产周期，可以提高企业在市场上的竞争力。因此，现代市场制造业对数控复合加工的需求日益增加。所谓复合加工，则是指在柔性自动化的数控加工条件下，当工件在机床上一次装夹后，能自动进行同一类工艺方法的多工序加工(比如同属切削方法的车、铣、钻、镗等加工)或者不同类工艺方法的多工序加工(比如切削加工和激光加工)，从而能在一台机床上顺序地完成工件的全部或大部分加工工序［2］。针对这种日益增长的对复合加工的需求，往往要求机床在同一时间能加工不同的零件、做不同的操作，且互相独立、互不影响，多方式组多通道技术应运而生。

多方式组多通道技术的提出是为了满足对复合加工的强烈需求。本文详细研究了多方式组多通道控制技术在面向复合加工的数控系统上的应用。

1 方式组和通道

为了改变以往数控行业单一化生产的局面，使得NC 程序能够并行执行，大大提高数控产品的精度和复杂性，我们提出了一种多方式组多通道控制技术。在多通道数控系统中，各个通道之间通常存在着任务的相关性，因此需要通道之间的相互合作共同完成统一加工任务。通道之间的合作需要通道之间可以相互通信，本论文提出基于信号的协同控制策略。通道之间通过消息机制进行通信完成通道之间的协同控制功能，以及在通道的控制下，各轴的交换策略。

本文主要围绕着多方式组已经多通道控制层展开叙述，以及多方式组控制下多通道间的协调机制和多通道控制下的轴的交换策略。

1.1 方式组

在介绍方式组之前，不得不介绍数控系统中的操作方式。在数控系统中主要三个操作方式，分别是:AUTO，MDA，JOG。JOG IN AUTO 是AUTO 方式的一个拓展，也就是说JOG IN AUTO 属于AUTO 模式，而非JOG 模式，这里强调这一点是因为方式组对操作方式敏感。下面详细介绍方式组。

方式组中的“方式”指的是操作方式，即JOG，MDA，AUTO 等方式，所以方式组就是以操作方式划分的小组。如果是一个双方式组的系统意味着在这个系统中可以同时出现两种操作方式。方式组是由一系列NC 通道以及通道控制下的进给轴和主轴组成的一个加工单元。从加工序列的视角来看，在同一个方式组下的多通道必须是处于同一个操作方式之下的，而且需要同时协调运行NC 程序。另外，每个方式组包含哪些通道可以在配置中设置的。需要注意一点的是。分配在同一方式组下的通道必须是处于同一操作方式之下，可以连续分配，也可以不连续分配。

1.2 通道

何为通道?通道就是控制零件程序自动运行的最小单元，是轴所使用的NC 及其插补器。多通道可以简单的理解为多个插补器，多通道意味着系统可以同时执行多个NC 程序，互不影响，当然也可以协调同步运行。每个通道中都包含一个NC，在一段时间内可以执行一个NC 程序。机床轴，几何轴，定位轴的指派，是根据当前机床数据的配置，以及当前程序的状态由通道完成的。

系统给每个通道设定一个插补器，进行相应的程序处理。一个插补器适用于一个特定的运行方式，并且是在PLC 的控制之下进行的［1］。

通道所具有一些特性，使得每个通道都能独立的运行自己的NC 程序:每个通道都有自己的速度调节器和快速进给调节器;每个通道都具有专用的解释器;每个通道都具有自己专用的路径插入器(Path Interpolator)，这就使得该通道所控制的机床轴能够同时的被路径轴控制。当然，这个路径插入器是计算路径点的。

通道所具有的上述性能，使得通道可以作为独立运行NC 程序，控制轴运动轨迹的一个独立单元。这也就意味着要想实现NC 程序的并发执行，首先要解决的是通道之间的协调同步问题。

2 多通道间的协调同步

正如上文所说，方式组是由多个处于相同操作方式下的通道组成的加工单元，同样的在同一个方式组下的各通道直接可以相互独立的加工各自的NC 程序，也可以互相协调同步的加工同一个加工序列，所以需要首先解决通道间的协调同步问题［6］。基于此，我们提出一种协调机制:通过信号量在各通道插补器之间的传递来对个通道进行协调［2］。

多通道之间需要进行同步协调来加工同一NC 程序，那么在各个通道之间需要使用一个同步信号来进行同步操作，比如当通道1 运行到某段NC 程序之后，需要通道2 的某段程序的同步操作，这时候，通道1 就需要等待通道2 运行到指定的NC 程序处，基于此，我们提出了同步等待指令(WAI);再比如，当通道1 运行到某NC 程序段的时候，需要其他通道打开相应的NC程序并执行，这时候，我们就需要作用于非本通道的加载NC 指令和执行NC 指令(LAD，EXE)等等。

基于上文所说，接下来详细介绍我们在蓝天多通道数控系统上实现的通道同步等待相关命令(见图1)。

图1 蓝天数控系统同步指令

3 通道控制下的轴交换

在以往的单通道数控系统中，通道在对NC 程序的加工过程中，通道获取到的主轴或者公共轴将一直控制到NC 程序运行结束;也就是说，具有轴交换功能之前，一个轴只能被永久的指派给一个通道，且只能在该通道下使用。

在多通道数控系统中，提高程序的并发性能，提高通道间的协同作用就需要主轴和公共轴在NC 程序运行过程中动态的分配，使用轴交换功能可以使本通道的轴指派给其他通道使用［4］。基于此，我们提出了一种基于信号量机制的轴交换策略:申请获取和等待释放。

该交换策略的原理是:当通道需要获取一个公共轴时候，如果该申请为非强制申请，则向该轴发出获取申请，则首先判断该轴的状态，若为中性轴，则该通道直接可以获取到对该公共轴的使用权，并同时标记该轴为通道轴状态(即非中性状态);若不为中性轴状态，将该通道加入到轴请求队列尾部，并标记该通道为中断状态，以后每个一段时间间隔定时轮询所申请轴的状态，直到轴的状态变为中性轴时，方可得到轴的使用权，同时将通道移除请求队列，并标记该通道为激活状态［9］。另一方面，当通道对轴的使用完成时，通道释放该轴，并标记该轴为中性状态。如果该申请为强制申请，无论该轴是处于什么状态，都将该轴分配给该通道，标记该通道为激活状态，若之前轴处于其他通道控制下，标记被剥夺使用权的通道为中断状态，并且同时标记该轴为通道轴状态，当当前通道使用完成并释放轴时，标记该轴为中性状态。

轴的交换与分配流程图如图2 所示:

图2 轴的交换与分配流程图

4 联机验证

联机平台选择基于蓝天多通道数控系统的HTM63150IY 数控机床，如图3 所示。

图3 HTM63150IY 数控机床

验证代码如图4 所示，三个通道的时序图如图5所示。

图4 三通道同步等待G 代码

图5 三通道时序图

5 结束语

本文研究了面向复合加工的多轴多通道控制技术，提出了基于信号量机制的多通道控制下轴的交换策略和基于模式组的通道间的协作机制，这使得多通道之间的协作加工成为可能，将传统的串行工艺并行化来实现多任务的并发执行，在实际加工过程中，缩短了数控产品的生产周期与创新周期，提高了产品的质量、精度。基本达到了课题的预期目标，为国内多通道控制技术的研究做出了有益的尝试。

［1］Control System SINUMERIC 840D sl BASIC FUNCTION:477 -683.

［2］郇极，靳阳，肖文磊.基于工业控制编程语言IEC 61131 -3 的数控系统软件设计.

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