技术领域
[0001] 本
发明涉及以labview
软件平台为
基础，结合PLC技术、视觉及
图像处理技术及自动化加工系统控制技术领域。
背景技术
[0002] 金属冲击试样自动化加工系统由一铣，即平面铣、二铣，即分料和成型铣，即铣V型缺口三部机床、三维机械手、料位转换和
定位装置、排屑、去毛刺装置及打号机等机械装置组成，冲击试样的加工过程分为如下3道工艺环节：毛坯
铣削分料→试件表面加工→试件V型缺口铣削。因此，相应地把冲击试样加工中心总体结构分成3个特征加工部分：四
锯片铣刀分料铣削、高速平面铣削、V型缺口成型铣削，每个部分负责试样的一类加工工艺环节。分料铣削部分负责毛坯分料环节，将一
块大的毛坯件铣成三块相同大小的单试件坯件；高速铣削部分负责冲击试样四个平面的表面加工，一次加工6个
工件；V型缺口铣削部分利用成型铣刀在试样上加工V型缺口。系统必须实现全自动化，完成从毛坯料到合格冲击试样产出的一次性自动加工过程。需要智能化自动控制系统完成上述工序。
发明内容
[0003] 本发明目的在于公开金属冲击试样自动化加工装置的自动控制系统，控制系统由运动控制系统，包括PLC子系统与伺服子系统及视觉检测系统构成。利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW及RTSI技术来无缝地集成系统，各部分之间能够实时通讯、同步协调运行。
[0004] 在加工流程中，PLC子系统控制着加工中心的大部分顺序动作。本发明FPO系列C32T可编程
控制器，进行I/O分配，并搭建
信号输入
电路、输出负载电路；设计PLC系统控制
流程图，进而在FPWIN GR编程环境上编制梯形图、调试；基于LabVIEW软件设计PLC与外部通信的程序。
[0005] 伺服控制子系统负责加工中心各部分的进给控制，系统中虚拟仪器技术的
硬件PCI-7358 8轴运动控制卡与交流伺服系统搭建硬件平台，控制刀具切削进给以及
工作台变速定位运动；用LabVIEW软件编制了伺服系统的控制程序，使控制对象按照所期望的参数运行。根据不同的控制要求，分别在速度控
制模式和
位置控制模式下控制伺服
电机，通过整定PID参数，使系统达到较好的运动性能。
[0006] 虚 拟 仪 器 的 软 件 开 发 环 境 LabVIEW、VISA(Virtual Instrument SoftwareArchitecture)函数库以及RTSI技术把PLC控制子系统、伺服控制子系统、视觉检测系统有机地集成为一体，形成了一套多任务调度策略软件。系统配有方便、实用的
人机交互界面，操作技术人员可通过微机对测控功能简单的操作实现冲击试样的全自动加工。
[0007] 所述的视觉检测系统完成工件的尺寸和形状的在线检测，不同环节的检测结果作为加工参数和
质量控制重要信息。
[0008] 本发明系统的集成与通信；
[0009] 本发明以LabVIEW软件为连接
桥梁有机集成了PLC技术、运控技术和视觉技术。利用LabVIEW辅以Motion运动
控制模块设计编写伺服
系统软件，并实现不同硬件之间的数据传输；辅助实现控制器与
图像采集卡间的相互触发；设计集成控制系统交互式软件操作界面，简化操作与控制系统的信息管理。
[0010] 本发明采集PLC各端口的状态值以及PLC与
伺服控制器之间相互传输的一些控制指令，采用端到端的数据指令传输模式。选择了PC机的RS-232串口作为PLC与运动控制器数据交换的通道。
[0011] LabVIEW软件中的VISA库，提供了针对串口通信完整功能的组件，有5个串口通信
节点，分别实现串口设置、串口读、串口写、串口缓存检测和串口暂停等功能，能方便地规定主机串口地址、从机地址、传送的数据量及一
帧串行数据的格式等。把PLC通过串口传输回来的命令通过专
门算法转换成布尔值驱动控制器控制伺服进给；伺服进给到位后也是通过串口给PLC控制指令。PLC系统与伺服系统间的通信基本是靠VISA库来实现的。
[0012] RTSI(Real-Time System Integration)总线提供NI硬件产品之间的高速链接，实现硬件之间的实时触发，通过RTSI总线可以方便地将运动控制、
数据采集、图像采集装置的多个功能同步到一个触发器或时间事件上。
[0013] 系统中采用的PCI-7358运动控制器和PCI-1409图像采集卡都配有RTSI总线
接口，通过RTSI总线实现运动控制与视觉检测系统间的触发信号共享，实现运动控制与图像采集的同步，从而有效地将它们整合成一个多功能集成系统。
[0014] 本发明系统软件结构为：
[0015] 本发明根据Windows系统及LabVIEW软件的多线程机制，建立冲击试样加工中心集成系统控制软件的多线程模型，将系统中管理、控制功能实现分作若干个模块，分别置于独立的线程中。根据实际生产的要求，将系统控制软件分成硬件初始化模块、参数设置模块、外部信号采集模块、系统控制模块、故障诊断模块、数据保存模块、系统动态显示模块。集成控制系统的软件结构如图.3所示。
[0016] 系统控制模块是软件系统的调度核心，该模块每循环一次就对外部输入数据进行处理，根据处理结果调用对应的子任务；而不受它控制的任务则作为并行的子任务运行。系统工作过程中的许多子任务都不是简单的顺序控制，而是多任务并行的控制过程，故必须在软件系统中进行多任务调度研究、设计合理的多任务调度策略，保证系统的实时性、可靠性。
[0017] LabVIEW RT通过将LabVIEW图形化编程环境和实时
操作系统的巧妙结合，提供了一个非常方便的开发实时测控系统的途径。本发明利用Windows XP系统的抢占式多任务的调度功能，配合LabVIEW软件的多任务编程技术，采用合理的调度策略，保证了系统的实时性。在本集成控制系统中，控制软件主要实现以下几项实时任务：
[0018] (1)外部数据采集任务外部数据采集任务需要实时捕捉到PLC的各端口状态的变化，并及时将数据传输到系统控制模块进行处理，故其优先级最高。
[0019] (2)系统控制任务对外部输入数据进行实时处理，并根据
数据处理结果
马上输出
控制信号，控制对应的子任务。对紧急任务的控制，优先级与外部数据采集任务的优先级相同。非紧急的控制任务优先级次之。
[0020] (3)报警任务报警任务并不经常发生，产生故障信号时，必须实时处理，所以其优先级必须设为最高。
[0021] (4)系统动态显示任务及数据保存任务集成系统中动态显示任务包括：PLC、伺服及视觉检测系统的运行状态显示，试样尺寸及图像显示等。这个任务是非时间临界的，所以其优先级低于外部数据采集等任务的优先级。数据保存任务仅仅是保存一些加工数据，其优先级设为最低。
[0022] LabVIEW环境下的多任务：作为数据流编程语言的LabVIEW能很好地支持多任务编程。LabVIEW中多任务最典型的例子就是独立的While循环。
[0023] 多任务调度策略“在开发LabVIEW平台上的多任务应用程序过程中，本发明根据优先级的设置和执行系统的选择，结合固定时间间隔调度、实时事件驱动，制定了一套多任务调度策略。
[0024] 基于LabVIEW多任务调度策略的可行性和易操作性，把上述的多任务调度策略成功应用到了LabVIEW平台上的控制系统。在本发明中选择了4个执行子系统，使用了3个优先级。
[0025] 考虑到系统的实时性要求，外部数据采集、系统报警任务及系统控制任务的优先级都设置为High Priority；动态显示任务的优先级设为Above NormalPriority；数据保存任务的优先级为Normal Priority。在运行过程中，选择了High Priority优先级的任务将顺序执行，第一个任务执行到一定时间，将被放到队列尾，第二个任务将继续执行，依次类推。虽然外部数据采集任务、报警任务及系统控制任务都处于同一优先级，但执行子系统不一样，完全可以保证三个任务实时运行。
[0026] 优先级最高的外部数据采集任务采用固定时间间隔策略来调度，它设立了Wait等待函数，而且其实际执行时间远小于其等待时间(250ms)，因此可以把每个周期中剩余的时间留给低优先级任务使用。同样，动态显示、数据保存等任务也构成了自己的优先级队列，任务也是顺序执行的。如果碰到高优先级任务，就会被挂起，直到高优先级任务运行完成。
[0027] 系统中的报警任务采用事件驱动调度策略。在系统运行过程中，报警任务一直处于等待状态，由系统控制任务模块负责判断是否满足报警条件，如果满足报警条件，就设置报警事件；报警任务接收到报警事件后就会被激活，执行报警功能。
[0028] 本发明实现冲击试样加工中心为多工艺环节、多工位转换操作的一体化系统，系统中综合运用了机、电、光、液压和计算机软硬件技术，实现了测量和工艺过程的全自动化，可完成从毛坯料到合格冲击试样产出的一次性自动加工过程。
[0029] 本发明冲击试样的全自动加工，毛坯铣削分料→试件表面加工→试件V型缺口铣削。3个特征加工部分：四锯片铣刀分料铣削、高速平面铣削、V型缺口成型铣削，分料铣削部分负责毛坯分料环节，将一块大的毛坯件铣成三块相同大小的单试件坯件；高速铣削部分负责冲击试样四个平面的表面加工，一次加工6个工件；V型缺口铣削部分利用成型铣刀在试样上加工V型缺口。
附图说明
[0030] 图1为本发明
实施例冲击试样加工工艺流程及通讯、控制关系示意图；
[0031] 图2为本发明实施例集成控制系统系统结构图；
[0032] 图3为本发明实施例控制系统软件结构图。
[0033] 具体实施方式
[0034] 冲击试样自动加工系统为多工艺环节、多工位转换操作的一体化系统，系统中综合运用了机、电、光、液压和计算机软硬件技术，实现了测量和工艺过程的全自动化，可完成从毛坯料到合格冲击试样产出的一次性自动加工过程。
[0035] 冲击试样的加工过程分为3道工艺环节：毛坯铣削分料→试件表面加工→试件V型缺口铣削。因此，相应地把冲击试样加工中心总体结构分成3个特征加工部分，如图.1所示：四锯片铣刀分料铣削、高速平面铣削、V型缺口成型铣削，每个部分负责试样的一类加工工艺环节。分料铣削部分负责毛坯分料环节，将一块大的毛坯件铣成三块相同大小的单试件坯件；高速铣削部分负责冲击试样四个平面的表面加工，一次加工6个工件；V型缺口铣削部分利用成型铣刀在试样上加工V型缺口。
[0036] 如图1所示，整个系统由包含运动控制系统，包括PLC控制子系统及伺服控制子系统，和视觉检测系统的集成控制系统实行控制。虚拟仪器的软件开发环境LabVIEW、VISA(Virtual Instrument Software Architecture)函数库以及RTSI技术把PLC控制子系统、伺服控制子系统、视觉检测系统有机地集成为一体，形成了一套多任务调度策略软件。
[0037] 在冲击试样的加工流程中，PLC子系统控制着加工中心的大部分顺序动作。伺服控制子系统负责加工中心各部分的进给控制。系统中选用了美国NI公司基于虚拟仪器技术的硬件PCI-7358 8轴运动控制卡与松下交流伺服系统搭建硬件平台，来控制刀具切削进给以及工作台变速定位运动；用LabVIEW软件编制了伺服系统的控制程序，使控制对象按照所期望的参数运行。冲击试样加工中心详细的工艺流程及各环节与机械手的通讯关系如图3所示。
[0038] 集成控制系统是冲击试样加工中心的大脑，是实现冲击试样一体化自动加工的基础。
[0039] 系统的硬件主要是由计算机硬件平台和硬件接口模块组成。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，是本硬件系统的主体，管理着系统的硬、软件资源，主要用来提供实时高效的数据处理性能。硬件接口模块包括仪器硬件和各种通用接口总线，主要用来采集、传输信号。接口硬件根据不同的标准接口总线转换输入或
输出信号，供其它系统使用，在此基础上组成以虚拟仪器为核心的虚拟仪器系统。
[0040]
应用软件是系统运行的关键。本发明的应用软件主要包括：集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口(I/O接口)、仪器驱动程序。本发明采用虚拟仪器技术的图形化编程语言，编程简单、直观、开发效率高。
[0041] 仪器驱动程序是整个测试系统中重要的组成部分之一，用来实现仪器硬件的通信和控制功能。本发明采用的是美国NI公司的可互换虚拟仪器标准IVI，能自由互换仪器硬件而无需
修改测试程序，使程序的开发完全独立于硬件。
[0042] I/O接口软件是系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件间连接的底层通信协议。当今的虚拟仪器测试软件都建立在一个标准化I/O接口
软件组件的通用
内核上，为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应用编程接口(API)，使用户的测试系统能选择不同的计算机平台和仪器硬件。
[0043] 集成控制系统监控着系统的每一步动作，贯穿于试样加工的整个过程。集成控制系统包括运动控制系统和视觉检测系统：运动控制系统需要对加工过程中的各个动作进行控制，而视觉检测系统则负责对试样尺寸及形状进行检测，它们之间需要同步协调工作。
[0044] 运动控制系统分为两个部分：一部分为PLC控制系统，实现工件输送、装夹定位等加工流程的顺序控制；另一部分为伺服控制系统，负责刀具进给
精度控制以及工作台进给控制。在试样加工过程中，运动控制系统在某个动作结束时得实时触发视觉检测系统；视觉检测系统也要实时检测试样尺寸及形状，并及时把信息反馈给运动控制系统，它们之间必须能实时通讯、协调工作。因此，采用NI虚拟仪器技术来无缝地集成运动控制系统和视觉检测系统。
[0045] 在本发明中试样从毛坯料到成品需要经过分料、平面加工、铣V型缺口3个主要加工过程，PLC控制系统分成分料铣削环节、平面加工环节和V型缺口铣削环节。
[0046] 在分料控制环节中，毛坯的铣削分料由伺服系统实现，PLC主要负责的是坯料上料过程控制、分料结束后送料过程的控制。其工作过程如下：PLC系统启动后，机械手将坯料送到工作台上；坯料料到位后，夹具夹紧坯料；启动伺服系统开始铣削分料，将一个毛坯料分为三块等大小的坯料；分料铣削结束后，给机械手取料信号，将分号的小料送入下道工序。
[0047] 在V型缺口铣削控制环节中：机械手送料到工作台，接着对试样进行定位
整理；V型缺口
铣床夹具夹紧试样，同时启动铣床
主轴电机；给运动控制卡一个触发信号，运动控制卡驱动铣刀及工作台动作，在
机器视觉检测系统的协调下，对V形槽进行铣削，直到满足加工试样精度要求。
[0048] PLC系统三个控制环节既相互独立又相互制约。例如，当第一储料区满时，系统就得让机械手取料到铣削区，否则毛坯分料环节后续加工的试样就无处安放；但此时铣削区可能还在对前一批试样进行铣削，不允许机械手送料。这就要求在分料铣削及平面铣削两个控制环节之间必须有一个动作协调性的设计，比如当出现上述情况时，应该让铣削分料环节停止动作，直到第一储料区的试样被机械手取走后再开始工作。要实现三个控制环节之间的协调工作，就要把一些条件信号采用逻辑关系式处理，使各个控制环节间某些不能同时进行的动作“互
锁”，从而避免三个控制环节间的相互干扰。
[0049] PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。PLC与计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换。在本发明中，松下FPO PLC利用专用
电缆通过RS-232串口连接计算机，根据松下电工的通信协议(MEWTOCOL)在FPWINGR的通信模板上配置串口通信参数，基于LabVIEW软件及VISA函数库开发PLC的通信程序。
[0050] VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是虚拟仪器软件结构体系的简称，是在所有LabVIEW平台上控制VXI、GPIB、RS232以及其它种类仪器的接口程序库，是一种用于仪器编程的标准I/O应用程序接口。VISA标准库中有90多个与仪器物理接口类型无关的I/O操作函数，可以控制多种仪器设备。它不仅提供了简单易用的控制函数集，而且提供了强大的仪器控制功能与资源管理，能提供仪器间的
互操作性与兼容性。
[0051] 与C、VC、VB等语言开发的串行通信程序相比，LabVIEW在实现串行通信及后续的分析、存储和显示等更为直观、快捷，并且具有虚拟仪器的
风格。LabVIEW共有5个串行通讯节点，包括初始化端口、串口写、串口读、检测串口输入缓存中的字节数、串口中断等功能。用LabVIEW及VISA库实现PLC串口通讯的步骤如下：
[0052] (1)初始化串口并设定PLC串口通讯协议所要求的各个参数；
[0053] (2)对PLC数据帧进行异或计算，得出BCC校验码，并把包括BCC校验码的整个数据帧打包；
[0054] (3)把整个命令帧发送到串口，延时等待PLC的应答帧；
[0055] (4)读取PLC串口返回的应答帧；
[0056] (5)把PLC的应答帧解包，并读取相应的数据。
[0057] 本发明交流伺服驱动单元有三种控制模式，即速度控制模式、位置控制模式和转矩控制模式。这三种控制模式的主要不同点在于所输入的参考值不同，它们所输入的量分[36]别是速度参考(模拟
电压)、位置参考(数字脉冲)、
扭矩参考(模拟
电流) 。在本加工中心采用的松下交流伺服系统中，通过在伺服
驱动器中进行参数设置，就可以实现位置、速度和转矩三种控制模式的切换。
[0058] 系统中采用梯形加减速控制方式，运动部件能在极短的时间内达到给定的速度，并能在高速运行中准确定位，加工过程运动平稳，冲击小。
[0059] 在本伺服系统中，上位控制器采用NI公司PCI-7358 8轴运动控制卡，伺服驱动单元选用松下Minas A4系列MBDDT2210交流伺服驱动器。由于硬件兼容性问题，PCI-7358运动控制卡与松下伺服驱动器无法直接连接，选用第三方电机驱动通用接口UMI-7764，作为二者之间的连接桥梁。将运动控制卡的68针运动I/O信号接到UMI-7764上，然后再把UMI-7764的输出端信号与松下
伺服电机驱动器连接，从而实现上位控制器对伺服电机的控制。
[0060] 本发明软件如图3所示。
[0061] 在图形化编程语言LabVIEW环境下，利用高效的测试控制直观性图形开发功能辅以NI-Motion运动函数库及Motion Assistant，极大的简化了伺服系统软件的编写，缩短了系统开发周期。
[0062] 伺服系统软件：本伺服系统主要负责工作台的变速控制与刀具直线进给位置精度的控制，伺服程序只是作为控制集成系统的子程序而存在。故伺服程序可分为以下几个主要子模块：控制卡初始化程序、分料铣削控制程序(包括分料工作台变速运动子程序、分料铣刀运动轨迹控制子程序)、平面铣削程序(包括
砂轮对
刀子程序、砂轮Z向与Y向进给子程序)、V型缺口铣削程序(包括V型缺口铣刀进给子程序、工作台变速运动子程序)、伺服系统运动参数设置程序、砂轮修磨程序、控制状态显示程序、伺服系统报警程序等。系统的软件结构如图.12所示。
[0063] 在伺服软件系统中，初始化程序、控制状态显示程序以及伺服报警程序只是作为辅助程序而存在；最为重要的是运动控制模块，它包含了试样加工所需要的全部伺服进给程序，直接决定着试样加工的成败。在此，简要介绍利用LabVIEW及NI-Motion函数库来设计伺服进给程序的几个步骤：
[0064] (1)初始化运动控制器，设置通道号以及轴号；
[0065] (2)载入速度、
加速度、减速度以及加减速模式等各种运动约束；
[0066] (3)设置控制对象的位移模式，载入位移量(单位为脉冲)；
[0067] (4)载入“运动开始”程序模块，伺服系统开始动作；
[0068] (5)加载While loop循环，并在循环内部导入“位移显示”模块及“判断运动是否结束”模块，由后者来判断系统是否运行到
指定位移，从而决定系统是否停止运动；
[0069] (6)载入“运动停止模块”及“系统错误处理”模块。
[0070] 本发明集成控制系统由运动控制系统(包括PLC子系统与伺服子系统)及视觉检测系统构成。要实现高效率、高精度的实时控制，就必须把运动控制系统与视觉检测系统有机集成，它们之间必须能够实时通讯、同步协调运行，故利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW及RTSI技术来无缝地集成系统。
[0071] 本发明软件必须能够满足实时采集外部信号、控制指令实时输出、系统报警、加工过程监视等要求。本发明根据Windows系统及LabVIEW软件的多线程机制，建立冲击试样加工中心集成系统控制软件的多线程模型，将系统中管理、控制功能实现分作若干个模块，分别置于独立的线程中。根据实际生产的要求，将系统控制软件分成以下模块：硬件初始化模块、参数设置模块、外部信号采集模块、系统控制模块、故障诊断模块、数据保存模块、系统动态显示模块。
[0072] 实际上，系统控制模块是软件系统的调度核心，该模块每循环一次就对外部输入数据进行处理，根据处理结果调用对应的子任务；而不受它控制的任务则作为并行的子任务运行。系统工作过程中的许多子任务都不是简单的顺序控制，而是多任务并行的控制过程，故必须在软件系统中进行多任务调度研究、设计合理的多任务调度策略，保证系统的实时性、可靠性。
[0073] LabVIEW RT通过将LabVIEW图形化编程环境和实时操作系统的巧妙结合，提供了一个非常方便的开发实时测控系统的途径。
[0074] 对于本发明通过合理利用Windows XP系统的抢占式多任务的调度功能，配合LabVIEW软件的多任务编程技术，采用合理的调度策略，保证系统的实时性。在本集成控制系统中，控制软件主要实现以下几项实时任务：
[0075] (1)外部数据采集任务外部数据采集任务需要实时捕捉到PLC的各端口状态的变化，并及时将数据传输到系统控制模块进行处理，故其优先级最高。
[0076] (2)系统控制任务对外部输入数据进行实时处理，并根据数据处理结果马上输出控制信号，控制对应的子任务。对紧急任务的控制，优先级与外部数据采集任务的优先级相同。非紧急的控制任务优先级次之。
[0077] (3)报警任务报警任务并不经常发生，产生故障信号时，必须实时处理，所以其优先级必须设为最高。
[0078] (4)系统动态显示任务及数据保存任务集成系统中动态显示任务包括：PLC、伺服及视觉检测系统的运行状态显示，试样尺寸及图像显示等。这个任务是非时间临界的，所以其优先级低于外部数据采集等任务的优先级。数据保存任务仅仅是保存一些加工数据，其优先级设为最低。
[0079] 系统中的报警任务采用事件驱动调度策略。在系统运行过程中，报警任务一直处于等待状态，由系统控制任务模块负责判断是否满足报警条件，如果满足报警条件，就设置报警事件；报警任务接收到报警事件后就会被激活，执行报警功能。
[0080] 为了使整个集成系统具备适当的功能，多个任务中的信息变化、传输必须是有序的，它们之间的数据传输可以使用局部变量和全局变量，但其占系统资源较大，要慎重使用，否则就会影响系统的实时性。
[0081] 对视觉检测的技术要求
[0082]
夏比冲击试验所需的试样的尺寸、形状、表面质量及形位公差由伺服控制、夹具和定位装置保证，视觉系统主要对铣削V型缺口后的冲击试样进行尺寸和形状检测，为控制系统提供运动控制和加工状态及质量的监控信息。V型缺口的测量参数为：
[0083] (1)
角度的测量，首先采用采用耙形区域搜索拟合V形夹角口的两边，采用四点测角度得到要测的角度值。
[0084] (2)底部圆弧半径的测量，通过
辐射搜索来拟合并且得到圆心的坐标和圆弧的半径图像距离。
[0085] (3)深度的测量，测量底部圆弧的最低点与零件边缘之间的距离。
[0086] 在执行测量的过程中进行3次测量求取平均值作为测量结果，程序
框图见附录。在实际操作过程中，如果需要对参数进行设置或显示试样尺寸及实际图像，用户仅需要点击对应的按钮，操作非常简便、直观。以分料铣削参数设置为例，当系统控制软件处于运行状态时，点击“分料铣削参数设置”按钮，就可以跳出如图.19所示的参数设置界面，用户可以根据实际需要任意更改面板上的参数，进行保存保存、退出设置面板后，集成控制系统就会按照所设置的参数运行。
