基于臺達數(shù)控系統(tǒng)的客制化CNC控制方案

　　摘要：中達電通通用型CNC應(yīng)用綜述。論述通用型CNC系統(tǒng)、客制化的控制方案、開放的系統(tǒng)架構(gòu)、PLC和LCD的規(guī)劃，工藝特點、加工程序G代碼數(shù)據(jù)的生成和處理。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng) 多軸伺服 淬火 客制化
　　1 引言
　　CNC（ComputerizedNumericalControl）是計算機數(shù)值控制系統(tǒng)的英文縮寫，也稱數(shù)控系統(tǒng)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　今天，隨著計算機信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，制造業(yè)對產(chǎn)品生產(chǎn)制造也提出了更高的目標和要求：產(chǎn)品制造周期要求越來越短，零部件的生產(chǎn)效率和柔性化生產(chǎn)的程度越來越高，產(chǎn)品的加工質(zhì)量和性能也要求更高、更穩(wěn)定。CNC系統(tǒng)也從一般的產(chǎn)品的零部件加工控制（如車削、銑削、高速切削、等標準CNC數(shù)控機床）被逐步發(fā)展應(yīng)用到產(chǎn)品的組裝、包裝乃至產(chǎn)品的運輸（如焊接、點膠、封裝，工業(yè)機器人、等CNC產(chǎn)業(yè)機械）等整個生產(chǎn)制造過程中去。
　　本文以一臺齒輪淬火機床CNC系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)為例，詳述了如何利用中達電通PUTNC-H4通用系列CNC、臺達DELTA交流伺服系統(tǒng)，并結(jié)合客戶產(chǎn)品加工的工藝特點，為產(chǎn)業(yè)機械打造出客制化的CNC控制方案。
　　2 齒輪淬火機床對控制系統(tǒng)的要求
　　2.1機械設(shè)計
　　機械設(shè)計為3軸伺服控制和1軸變頻器控制：
　　（1）Y軸為旋轉(zhuǎn)軸，傳動機構(gòu)會根據(jù)加工零件類型時的轉(zhuǎn)速要求而有所不同，分為伺服和變頻器拖動異步電動機兩種傳動方式，當加工齒輪類零件時，伺服電機經(jīng)過減速機和齒輪盤兩級減速機構(gòu)，帶動被加工齒輪做分度運動。當加工零件為光軸類零件時，Y軸伺服電機停止工作，傳動結(jié)構(gòu)改變?yōu)樽冾l器拖動異步電動機經(jīng)過同步帶，帶動光軸零件高速旋轉(zhuǎn)。設(shè)計解決了伺服電機經(jīng)過兩級減速后，Y軸轉(zhuǎn)盤速度無法滿足光軸類零件的淬火工藝要求的問題。兩種傳動方式通過電氣互鎖，確保安全。
　　（2）Z軸為垂直軸，通過伺服電機直接驅(qū)動滾珠絲桿，帶動淬火加熱感應(yīng)器上下運動，
　　（3）X軸為水平軸，同樣通過伺服電機直接驅(qū)動滾珠絲桿，帶動淬火感應(yīng)器前后進給。其中Y軸伺服和Z軸伺服要求具有兩軸插補功能，這樣可以實現(xiàn)斜齒輪類和人字形齒輪類零件的淬火加工，而X軸伺服單動即可。
　　機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1淬火機床機械結(jié)構(gòu)

　　2.2零件加工的工藝要求
　　（1）機床要求能夠加工直齒輪、斜齒輪、人字形齒輪、階梯齒輪的淬火加工。齒輪的加工最大直徑2米，齒頂高0.8米。最大齒數(shù)100齒。
　　（2）機床在更換淬火感應(yīng)器靠模后，還可以實現(xiàn)光軸類零件的淬火要求。
　　（3）配合不同的淬火感應(yīng)器靠模設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)的淬火方式：連續(xù)淬火、同時淬火、分段連續(xù)淬火（分段淬火通過程序設(shè)定，不需行程開關(guān)）、分段同時淬火。
　　（4）齒輪淬火加工順序要求間隔加工，以便留有足夠冷卻時間，保證齒輪最小的加工熱變形，以齒數(shù)10為例，即按照1、3、5、7、9、2、4、6、8、10淬火順序加工。
　　（5）要求各伺服軸，空行程速度F0和淬火加工速度F1分段可調(diào)，齒輪分度旋轉(zhuǎn)時速度穩(wěn)定。
　　（6）連續(xù)零件自動加工時，應(yīng)保證足夠的絕對精度，不會產(chǎn)生累計誤差。
　　2.3控制系統(tǒng)要求
　　機床操作上要求有手動模式和自動模式，以及程式編輯模式三種基本工作狀態(tài)。
　　（1）在手動調(diào)試模式下：CNC系統(tǒng)可以通過操作面板控制伺服軸，快速JOG移動和MPG
　　手輪移動，方便操作工人調(diào)節(jié)感應(yīng)器靠模和齒輪工件的位置；手動情況下可以通過外部的按鈕來實現(xiàn)Y軸變頻電機旋轉(zhuǎn)ON/OFF、淬火感應(yīng)器加熱ON/OFF、噴液電磁閥ON/OFF、輔助噴液電磁閥ON/OFF控制，方便操作者調(diào)機測試使用。（I/O規(guī)劃參見方案的制定和實施）
　　（2）在自動運行模式下：CNC系統(tǒng)可以按照預(yù)先選用的程序控制伺服電機運動，
　　完成齒輪零件的全部淬火加工過程；可以使用自定義M代碼來實現(xiàn)Y軸變頻電機旋轉(zhuǎn)ON/OFF、淬火感應(yīng)器加熱ON/OFF、噴液電磁閥ON/OFF、輔助噴液電磁閥ON/OFF，I/O控制(M代碼規(guī)劃參見方案的制定和實施)；自動加工過程中可以實現(xiàn)任意暫停，單節(jié)測試等操作功能。
　　（3）在程序編輯模式下：要求系統(tǒng)能夠存儲至少500組不同零件加工程式，并可以
　　對程式內(nèi)容進行編輯；在加工標準的直齒和斜齒齒輪時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)齒輪工藝參數(shù)自動生成加工程式；加工光軸類零件時，可以通過標準的G代碼實現(xiàn)零件程序設(shè)計；加工階梯軸類零件時，不需要增加外部的行程開關(guān)，可以通過多個程序組合來完成一個零件的分段淬火加工；在該模式下還可以對淬火的輔助工藝參數(shù)進行設(shè)定，如感應(yīng)器加熱延時時間，噴液延時時間，齒輪加工空行程時的速度以及淬火加工時的速度設(shè)定。
　　3 中達電通PUTNC-H4通用系統(tǒng)介紹
　　PUTNC-H4數(shù)控系統(tǒng)是中達電通公司針對產(chǎn)業(yè)機械的運動控制需求開發(fā)的一款通用型CNC數(shù)控系統(tǒng)。該CNC系統(tǒng)最大的特點就是開放的系統(tǒng)架構(gòu)，其CNC的狀態(tài)信號Sbit含義、內(nèi)置PLC的指令信號Cbit含義、系統(tǒng)特殊寄存器R含義、以及系統(tǒng)內(nèi)部特殊變量V定義，被完全開放給機床制造商使用，設(shè)計者只需配合專用的PLC編輯軟件和LCD畫面編輯軟件就可以對產(chǎn)品進行二次開發(fā)，從而打造出符合產(chǎn)業(yè)機械工藝要求和最終用戶操作要求的客制化CNC系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2PUTNC-H4數(shù)控系統(tǒng)

　　PUTNC-H4通用系統(tǒng)的特點：開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，內(nèi)含嵌入式PLC，可應(yīng)用各類產(chǎn)業(yè)機械和自動化設(shè)備。高清晰LCD液晶顯示，用戶可以自行規(guī)劃畫面內(nèi)容。配合PLC開發(fā)，可面板自定義按鍵功能，使操作更靈活。最大4軸伺服接口,響應(yīng)可達500Kpps。解析度可設(shè)定至7位數(shù)，全閉環(huán)控制架構(gòu)，控制精度更高。最大提供2組D/A輸出、A/D輸入。提供標準的24點輸入和16點輸出，可選配I/O擴展單元，56點輸入，64點輸出。具有主仆模式功能和被動ENCODER反饋功能，輕松構(gòu)建主從追隨和同步裁剪功能。支持標準G代碼，提供變量表格編程和教導程序輸入功能，編程更靈活。更具有MACRO宏指令，可以進行數(shù)學、邏輯運算，NC編程功能更強大。程序存儲容量512Kbyte，NC程序組別高達1000組。提供RS232C標準接口，可連接個人電腦（PC）實現(xiàn)DNC在線加工功能。
　　4 方案的制定和實施
　　綜合上述的分析，CNC系統(tǒng)選用PUTNC-H4C-3就完全可以實現(xiàn)淬火機床的控制要求。以下將針對齒輪淬火的主要工藝要求對方案可行性逐一進行分析。
　　4.1伺服位置控制和變頻器速度控制的實現(xiàn)
　　PUTNC-H4C-3具有3個獨立的伺服軸通道，可以實現(xiàn)X/Y/Z，3軸伺服聯(lián)動，亦可任意兩軸伺服插補運動。伺服軸的進給速度可以通過G01直線插補的F值設(shè)定。解析度可設(shè)定至7位數(shù)，全閉環(huán)控制架構(gòu)完全可以保證足夠的絕對精度，不會產(chǎn)生累計誤差。
　　PUTNC-H4C-3系統(tǒng)還可以提供兩路D/A模擬量輸出接口，輸出0~10V的模擬量電壓。其中一路D/A輸出通過LCD畫面規(guī)劃，直接修改系統(tǒng)變量參數(shù)數(shù)值來設(shè)定系統(tǒng)特殊寄存器R143的大小，用于淬火溫度的控制。另外一路D/A輸出通過設(shè)定系統(tǒng)特殊寄存器R238=5，指定該通道為主軸轉(zhuǎn)速機能，可以在NC程序中直接通過S代碼設(shè)定變頻馬達的轉(zhuǎn)速，用于光軸類零件的淬火加工。
　　通過PLC編輯，Y軸的伺服馬達的使能信號O004和變頻器運轉(zhuǎn)信號O000電氣互鎖，確保機械安全。CNC控制架構(gòu)如圖3所示。

圖3CNC控制架構(gòu)如
　　4.2系統(tǒng)的I/O規(guī)劃，以及自定義M代碼功能的實現(xiàn)。
　　機床制造商通過專用的PLC編輯軟體可以對PUTNC-H4通用系統(tǒng)的內(nèi)置PLC進行編輯，可以實現(xiàn)PLCI/O規(guī)劃、電氣安全互鎖和用戶自定義M代碼功能。CNC淬火機床I/O規(guī)劃如表1所示。
　　表1CNC淬火機床I/O規(guī)劃

CNC淬火機床自定義M代碼如表2所示。
表2淬火機床自定義M代碼

自定義M代碼PLC規(guī)劃范例如圖4所示。

圖4自定義M代碼PLC規(guī)劃范例

　　4.3系統(tǒng)的操作功能的實現(xiàn)
　　PUTNC-H4系列通用數(shù)控系統(tǒng)是具有標準CNC的功能，因此可以輕松實現(xiàn)伺服運動控制。通過數(shù)控面板的操作可以實現(xiàn)模式切換、基本G代碼編程、MPG手輪功能、任意暫停、單節(jié)測試等操作功能。
　　機床制造商只需根據(jù)產(chǎn)業(yè)機械最終用戶的操作習慣和工藝要求，對按鍵和LCD畫面做進一步的規(guī)劃，使其能更直觀的反映加工信息即可。因此和工控機、HMI人機+PLC的控制方案相比，無論在運動控制方面，還是系統(tǒng)操作易用性和穩(wěn)定性上都有著絕對的優(yōu)勢。
　　4.4加工程序G代碼數(shù)據(jù)的生成和處理
　　淬火機床是熱處理加工環(huán)節(jié)的一種專用設(shè)備，操作者往往具備本專業(yè)的理論基礎(chǔ)，而對CNC基本不具備編程能力。所以如何能夠結(jié)合產(chǎn)業(yè)機械的自身的工藝特點，完美的生成和處理加工程序數(shù)據(jù)，是把通用CNC打造成產(chǎn)業(yè)機械專用系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。淬火機床在程序編輯上主要以下提出三點要求：
　　（1）加工光軸類零件時，可以通過標準的G代碼實現(xiàn)零件程序設(shè)計。
　　（2）在加工標準的直齒和斜齒齒輪時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)齒輪工藝參數(shù)自動生成加工程式。
　　（3）在程序編輯模式下還可以對淬火的輔助工藝參數(shù)進行設(shè)定，如感應(yīng)器加熱延時時間、噴液延時時間、齒輪加工空行程時的速度以及淬火加工時的速度設(shè)定。
　　中達電通PUTNC-H4系列數(shù)控系統(tǒng)不僅支持標準G代碼編程外，還提供變量表格編程和教導程序輸入，更支持MACRO宏指令等多種NC編程功能，完全可以滿足機床程序編輯要求，以下對上述三點要求實現(xiàn)展開詳細說明。
　　5 加工和輔助工藝參數(shù)設(shè)計
　　5.1光軸類零件的加工和輔助工藝參數(shù)的處理
　　（1）光軸類零件的加工工藝過程比較簡單，最終用戶稍加NC編程基礎(chǔ)的培訓，便可以通過人工G代碼編程、示教模式，并配合自定義M代碼來完成編程。
　　以下零件為例，淬火區(qū)域為紅色部分，G代碼設(shè)計如下，其中X，Z軸的數(shù)據(jù)(如下例中的Z1、X1等)最終用戶可以通過圖紙計算得出，也可以通過CNC的示教功能采集得出。

圖4自定義M代碼PLC規(guī)劃范例

（2）淬火輔助工藝參數(shù)的處理。在淬火零件加工過程中，都會涉及到一些淬火機床加工輔助工藝參數(shù)，如淬火進給速度F，延時時間X等，這些參數(shù)即可以通過LCD規(guī)劃的變量表格輸入，也可以通過具體數(shù)值直接給定，如上例說明描述。工藝參數(shù)界面規(guī)劃如下：

5.2齒輪類零件加工
齒輪零件一般主要分為直齒類零件和斜齒類零件兩大類，人字型齒輪和階梯類齒輪也是這兩大類零件的延伸。以下就直齒輪零件的加工過程為例進行說明，CNC是如何結(jié)合工藝要求給操作者提供最便利的編程方式。將直齒類零件圓周，展開如圖5所示。

圖5直齒類零件圓周展開圖

　　直齒淬火的一個淬火周期過程如下：Z軸快速進給到淬火起點B-----X軸淬火感應(yīng)頭進給到齒根----Z軸以淬火速度提升，淬火感應(yīng)頭由淬火起點B上升到淬火終點C----Z軸，繼續(xù)以快速進給提升到噴液安全距離, , D----X軸淬火感應(yīng)頭退回到齒頂---Y軸分度一個齒距A。直齒齒輪一個加工周期的G代碼編輯如下：
　　N01G01Z#210F#212Z軸提升到進給起點位置（直齒輪）
　　G01X#250F#213X軸進給到淬火位置，進給F值#213
　　M9淬火感應(yīng)器加熱
　　G04X#145延時變量#145秒
　　M25冷卻噴液開
　　G04x0.5
　　M27輔助冷卻噴液開
　　G01Z#220F#222Z軸提升到淬火終點，進給F值#222
　　M10淬火感應(yīng)器停止加熱
　　G04x0.5
　　M28輔助噴液關(guān)
　　G01Z#230F#223Z軸提升到噴液停止位置D，進給F值#223
　　G04X#124延時變量#124秒
　　M26主噴液延時斷
　　G01X#240F#213X軸退回，進給F值#213
　　G01Z#210F#212Z軸下降到進給起點位置，進給F值#212
　　N100G01Y#13125F#168Y軸分度，進給F值#168
　　N20M99
　　以上的舉例，只是齒輪類零件的一個齒加工周期的工藝過程，對于多齒零件編程如果依靠操作者人工G代碼編程和示教方式生成數(shù)據(jù)并不合適。因此需要更為便利的編輯功能來實現(xiàn)G代碼的自動生成和處理。
　　6 編程方式討論
　　6.1增量編程配合宏指令編程方式
　　宏指令編程就是利用CNC系統(tǒng)自身MACRO宏指令功能，進行數(shù)學、邏輯運算來實現(xiàn)加工程式自動循環(huán)。例如：
　　G65L01P#1A0齒數(shù)加工計數(shù)#1清零
　　N01G01Z#210F#212Z軸提升到進給起點位置（直齒輪）
　　-------------------
　　--------------------直齒齒輪一個加工周期的G代碼
　　---------------------
　　G01Z#210F#212Z軸下降到進給起點位置，進給F值#212
　　N100G01V#999F#168Y軸增量分度齒距#999，進給F值#168
　　G65L01P#2A#1當前齒數(shù)#1送入#2
　　G65L02P#1A#2B1#2+1=#1加工計數(shù)#1加一
　　G65L81P02A#1B#3判斷，如果#1=#3，GOTON02#3為設(shè)定齒數(shù)
　　G65L84P01A#1B#3判斷，如果#1<#3，GOTON01#3為設(shè)定齒數(shù)
　　N02M02
　　通過CNC增量編程，并配合MACRO宏指令功能編程方式，Y軸的增量進給V值必須設(shè)定的很精確，否則會產(chǎn)生累計誤差！并且機械上的誤差是沒有辦法通過具體的數(shù)據(jù)修正。此外MACRO宏指令屬于NC高階應(yīng)用語言，使用者也較難掌握，因此該方案并不是齒輪編程的最佳應(yīng)用方案。
　　6.2通過變量表格和CNC自動生成G代碼數(shù)據(jù)鏈方式
　　通過上述G代碼的編輯不難發(fā)現(xiàn)，齒輪在淬火加工時，每個齒的加工過程中，其G代碼數(shù)據(jù)X、Z值都是固定不變的。以直齒齒輪為例，只有Y軸的分度數(shù)據(jù)Y#13125需要不斷的更新，而X、Z值可以通過變量的形式固化在NC程序中去。而Y值Y#13125的數(shù)據(jù)在不考慮修正的情況下，差值是固定的增量數(shù)值等于一個齒距。故可以利用CNC的特殊執(zhí)行模式R154、R242來實現(xiàn)變量表格和CNC自動生成G代碼數(shù)據(jù)鏈的編輯方式。該方案的核心方法如下：