基于臺達數控系統的客制化CNC控制方案

　　CNC（ComputerizedNumericalControl）是計算機數值控制系統的英文縮寫(xiě)，也稱(chēng)數控系統。在現代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。

　　今天，隨著(zhù)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(lái)越短，零部件的生產(chǎn)效率和柔性化生產(chǎn)的程度越來(lái)越高，產(chǎn)品的加工質(zhì)量和性能也要求更高、更穩定。CNC系統也從一般的產(chǎn)品的零部件加工控制（如車(chē)削、銑削、高速切削、等標準CNC數控機床）被逐步發(fā)展應用到產(chǎn)品的組裝、包裝乃至產(chǎn)品的運輸（如焊接、點(diǎn)膠、封裝，工業(yè)機器人、等CNC產(chǎn)業(yè)機械）等整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程中去。

　　本文以一臺齒輪淬火機床CNC系統應用開(kāi)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，并結合客戶(hù)產(chǎn)品加工的工藝特點(diǎn)，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的要求

　　2.1機械設計

　　機械設計為3軸伺服控制和1軸變頻器控制：

　?。?）Y軸為旋轉軸，傳動(dòng)機構會(huì )根據加工零件類(lèi)型時(shí)的轉速要求而有所不同，分為伺服和變頻器拖動(dòng)異步電動(dòng)機兩種傳動(dòng)方式，當加工齒輪類(lèi)零件時(shí)，伺服電機經(jīng)過(guò)減速機和齒輪盤(pán)兩級減速機構，帶動(dòng)被加工齒輪做分度運動(dòng)。當加工零件為光軸類(lèi)零件時(shí)，Y軸伺服電機停止工作，傳動(dòng)結構改變?yōu)樽冾l器拖動(dòng)異步電動(dòng)機經(jīng)過(guò)同步帶，帶動(dòng)光軸零件高速旋轉。設計解決了伺服電機經(jīng)過(guò)兩級減速后，Y軸轉盤(pán)速度無(wú)法滿(mǎn)足光軸類(lèi)零件的淬火工藝要求的問(wèn)題。兩種傳動(dòng)方式通過(guò)電氣互鎖，確保安全。

　?。?）Z軸為垂直軸，通過(guò)伺服電機直接驅動(dòng)滾珠絲桿，帶動(dòng)淬火加熱感應器上下運動(dòng)，

　?。?）X軸為水平軸，同樣通過(guò)伺服電機直接驅動(dòng)滾珠絲桿，帶動(dòng)淬火感應器前后進(jìn)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(shí)現斜齒輪類(lèi)和人字形齒輪類(lèi)零件的淬火加工，而X軸伺服單動(dòng)即可。

　　機械結構簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1淬火機床機械結構

　　2.2零件加工的工藝要求

　?。?）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100齒。

　?。?）機床在更換淬火感應器靠模后，還可以實(shí)現光軸類(lèi)零件的淬火要求。

　?。?）配合不同的淬火感應器靠模設計，能夠實(shí)現的淬火方式：連續淬火、同時(shí)淬火、分段連續淬火（分段淬火通過(guò)程序設定，不需行程開(kāi)關(guān)）、分段同時(shí)淬火。

　?。?）齒輪淬火加工順序要求間隔加工，以便留有足夠冷卻時(shí)間，保證齒輪最小的加工熱變形，以齒數10為例，即按照1、3、5、7、9、2、4、6、8、10淬火順序加工。

　?。?）要求各伺服軸，空行程速度F0和淬火加工速度F1分段可調，齒輪分度旋轉時(shí)速度穩定。

　?。?）連續零件自動(dòng)加工時(shí)，應保證足夠的絕對精度，不會(huì )產(chǎn)生累計誤差。

　　2.3控制系統要求

　　機床操作上要求有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，以及程式編輯模式三種基本工作狀態(tài)。

　?。?）在手動(dòng)調試模式下：CNC系統可以通過(guò)操作面板控制伺服軸，快速JOG移動(dòng)和MPG

　　手輪移動(dòng)，方便操作工人調節感應器靠模和齒輪工件的位置；手動(dòng)情況下可以通過(guò)外部的按鈕來(lái)實(shí)現Y軸變頻電機旋轉ON/OFF、淬火感應器加熱ON/OFF、噴液電磁閥ON/OFF、輔助噴液電磁閥ON/OFF控制，方便操作者調機測試使用。（I/O規劃參見(jiàn)方案的制定和實(shí)施）

　?。?）在自動(dòng)運行模式下：CNC系統可以按照預先選用的程序控制伺服電機運動(dòng)，

　　完成齒輪零件的全部淬火加工過(guò)程；可以使用自定義M代碼來(lái)實(shí)現Y軸變頻電機旋轉ON/OFF、淬火感應器加熱ON/OFF、噴液電磁閥ON/OFF、輔助噴液電磁閥ON/OFF，I/O控制(M代碼規劃參見(jiàn)方案的制定和實(shí)施)；自動(dòng)加工過(guò)程中可以實(shí)現任意暫停，單節測試等操作功能。

　?。?）在程序編輯模式下：要求系統能夠存儲至少500組不同零件加工程式，并可以

　　對程式內容進(jìn)行編輯；在加工標準的直齒和斜齒齒輪時(shí)，控制系統可以根據齒輪工藝參數自動(dòng)生成加工程式；加工光軸類(lèi)零件時(shí)，可以通過(guò)標準的G代碼實(shí)現零件程序設計；加工階梯軸類(lèi)零件時(shí)，不需要增加外部的行程開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)多個(gè)程序組合來(lái)完成一個(gè)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進(jìn)行設定，如感應器加熱延時(shí)時(shí)間，噴液延時(shí)時(shí)間，齒輪加工空行程時(shí)的速度以及淬火加工時(shí)的速度設定。

3 中達電通PUTNC-H4通用系統介紹

　　PUTNC-H4數控系統是中達電通公司針對產(chǎn)業(yè)機械的運動(dòng)控制需求開(kāi)發(fā)的一款通用型CNC數控系統。該CNC系統最大的特點(diǎn)就是開(kāi)放的系統架構，其CNC的狀態(tài)信號Sbit含義、內置PLC的指令信號Cbit含義、系統特殊寄存器R含義、以及系統內部特殊變量V定義，被完全開(kāi)放給機床制造商使用，設計者只需配合專(zhuān)用的PLC編輯軟件和LCD畫(huà)面編輯軟件就可以對產(chǎn)品進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從而打造出符合產(chǎn)業(yè)機械工藝要求和最終用戶(hù)操作要求的客制化CNC系統，如圖2所示?！　?/p>

圖2PUTNC-H4數控系統

　　PUTNC-H4通用系統的特點(diǎn)：開(kāi)放式的系統架構，內含嵌入式PLC，可應用各類(lèi)產(chǎn)業(yè)機械和自動(dòng)化設備。高清晰LCD液晶顯示，用戶(hù)可以自行規劃畫(huà)面內容。配合PLC開(kāi)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,響應可達500Kpps。解析度可設定至7位數，全閉環(huán)控制架構，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(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出，可選配I/O擴展單元，56點(diǎn)輸入，64點(diǎn)輸出。具有主仆模式功能和被動(dòng)ENCODER反饋功能，輕松構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(jìn)行數學(xué)、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(gè)人電腦（PC）實(shí)現DNC在線(xiàn)加工功能。

4 方案的制定和實(shí)施

　　綜合上述的分析，CNC系統選用PUTNC-H4C-3就完全可以實(shí)現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(jìn)行分析。

　　4.1伺服位置控制和變頻器速度控制的實(shí)現

　　PUTNC-H4C-3具有3個(gè)獨立的伺服軸通道，可以實(shí)現X/Y/Z，3軸伺服聯(lián)動(dòng)，亦可任意兩軸伺服插補運動(dòng)。伺服軸的進(jìn)給速度可以通過(guò)G01直線(xiàn)插補的F值設定。解析度可設定至7位數，全閉環(huán)控制架構完全可以保證足夠的絕對精度，不會(huì )產(chǎn)生累計誤差。

　　PUTNC-H4C-3系統還可以提供兩路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(guò)LCD畫(huà)面規劃，直接修改系統變量參數數值來(lái)設定系統特殊寄存器R143的大小，用于淬火溫度的控制。另外一路D/A輸出通過(guò)設定系統特殊寄存器R238=5，指定該通道為主軸轉速機能，可以在NC程序中直接通過(guò)S代碼設定變頻馬達的轉速，用于光軸類(lèi)零件的淬火加工。

　　通過(guò)PLC編輯，Y軸的伺服馬達的使能信號O004和變頻器運轉信號O000電氣互鎖，確保機械安全。CNC控制架構如圖3所示。

圖3CNC控制架構如

　　4.2系統的I/O規劃，以及自定義M代碼功能的實(shí)現。

　　機床制造商通過(guò)專(zhuān)用的PLC編輯軟體可以對PUTNC-H4通用系統的內置PLC進(jìn)行編輯，可以實(shí)現PLCI/O規劃、電氣安全互鎖和用戶(hù)自定義M代碼功能。CNC淬火機床I/O規劃如表1所示。

　　表1CNC淬火機床I/O規劃

　　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規劃范例如圖4所示?！　?/p>

圖4自定義M代碼PLC規劃范例

　　4.3系統的操作功能的實(shí)現

　　PUTNC-H4系列通用數控系統是具有標準CNC的功能，因此可以輕松實(shí)現伺服運動(dòng)控制。通過(guò)數控面板的操作可以實(shí)現模式切換、基本G代碼編程、MPG手輪功能、任意暫停、單節測試等操作功能。

　　機床制造商只需根據產(chǎn)業(yè)機械最終用戶(hù)的操作習慣和工藝要求，對按鍵和LCD畫(huà)面做進(jìn)一步的規劃，使其能更直觀(guān)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(wú)論在運動(dòng)控制方面，還是系統操作易用性和穩定性上都有著(zhù)絕對的優(yōu)勢。

　　4.4加工程序G代碼數據的生成和處理

　　淬火機床是熱處理加工環(huán)節的一種專(zhuān)用設備，操作者往往具備本專(zhuān)業(yè)的理論基礎，而對CNC基本不具備編程能力。所以如何能夠結合產(chǎn)業(yè)機械的自身的工藝特點(diǎn)，完美的生成和處理加工程序數據，是把通用CNC打造成產(chǎn)業(yè)機械專(zhuān)用系統的關(guān)鍵一步。淬火機床在程序編輯上主要以下提出三點(diǎn)要求：

　?。?）加工光軸類(lèi)零件時(shí)，可以通過(guò)標準的G代碼實(shí)現零件程序設計。

　?。?）在加工標準的直齒和斜齒齒輪時(shí)，控制系統可以根據齒輪工藝參數自動(dòng)生成加工程式。

　?。?）在程序編輯模式下還可以對淬火的輔助工藝參數進(jìn)行設定，如感應器加熱延時(shí)時(shí)間、噴液延時(shí)時(shí)間、齒輪加工空行程時(shí)的速度以及淬火加工時(shí)的速度設定。

　　中達電通PUTNC-H4系列數控系統不僅支持標準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(mǎn)足機床程序編輯要求，以下對上述三點(diǎn)要求實(shí)現展開(kāi)詳細說(shuō)明。

5 加工和輔助工藝參數設計

　　5.1光軸類(lèi)零件的加工和輔助工藝參數的處理

　?。?）光軸類(lèi)零件的加工工藝過(guò)程比較簡(jiǎn)單，最終用戶(hù)稍加NC編程基礎的培訓，便可以通過(guò)人工G代碼編程、示教模式，并配合自定義M代碼來(lái)完成編程。

　　以下零件為例，淬火區域為紅色部分，G代碼設計如下，其中X，Z軸的數據(如下例中的Z1、X1等)最終用戶(hù)可以通過(guò)圖紙計算得出，也可以通過(guò)CNC的示教功能采集得出?！　?/p>

　?。?）淬火輔助工藝參數的處理。在淬火零件加工過(guò)程中，都會(huì )涉及到一些淬火機床加工輔助工藝參數，如淬火進(jìn)給速度F，延時(shí)時(shí)間X等，這些參數即可以通過(guò)LCD規劃的變量表格輸入，也可以通過(guò)具體數值直接給定，如上例說(shuō)明描述。工藝參數界面規劃如下：

　　5.2齒輪類(lèi)零件加工

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

圖5直齒類(lèi)零件圓周展開(kāi)圖

　　直齒淬火的一個(gè)淬火周期過(guò)程如下：Z軸快速進(jìn)給到淬火起點(diǎn)B-----X軸淬火感應頭進(jìn)給到齒根----Z軸以淬火速度提升，淬火感應頭由淬火起點(diǎn)B上升到淬火終點(diǎn)C----Z軸，繼續以快速進(jìn)給提升到噴液安全距離D----X軸淬火感應頭退回到齒頂---Y軸分度一個(gè)齒距A。直齒齒輪一個(gè)加工周期的G代碼編輯如下：

　　N01G01Z#210F#212Z軸提升到進(jìn)給起點(diǎn)位置（直齒輪）

　　G01X#250F#213X軸進(jìn)給到淬火位置，進(jìn)給F值#213

　　M9淬火感應器加熱

　　G04X#145延時(shí)變量#145秒

　　M25冷卻噴液開(kāi)

　　G04x0.5

　　M27輔助冷卻噴液開(kāi)

　　G01Z#220F#222Z軸提升到淬火終點(diǎn)，進(jìn)給F值#222

　　M10淬火感應器停止加熱

　　G04x0.5

　　M28輔助噴液關(guān)

　　G01Z#230F#223Z軸提升到噴液停止位置D，進(jìn)給F值#223

　　G04X#124延時(shí)變量#124秒

　　M26主噴液延時(shí)斷

　　G01X#240F#213X軸退回，進(jìn)給F值#213

　　G01Z#210F#212Z軸下降到進(jìn)給起點(diǎn)位置，進(jìn)給F值#212

　　N100G01Y#13125F#168Y軸分度，進(jìn)給F值#168

　　N20M99

　　以上的舉例，只是齒輪類(lèi)零件的一個(gè)齒加工周期的工藝過(guò)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據并不合適。因此需要更為便利的編輯功能來(lái)實(shí)現G代碼的自動(dòng)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系統自身MACRO宏指令功能，進(jìn)行數學(xué)、邏輯運算來(lái)實(shí)現加工程式自動(dòng)循環(huán)。例如：

　　G65L01P#1A0齒數加工計數#1清零

　　N01G01Z#210F#212Z軸提升到進(jìn)給起點(diǎn)位置（直齒輪）

　　-------------------

　　--------------------直齒齒輪一個(gè)加工周期的G代碼

　　---------------------

　　G01Z#210F#212Z軸下降到進(jìn)給起點(diǎn)位置，進(jìn)給F值#212

　　N100G01V#999F#168Y軸增量分度齒距#999，進(jìn)給F值#168

　　G65L01P#2A#1當前齒數#1送入#2

　　G65L02P#1A#2B1#2+1=#1加工計數#1加一

　　G65L81P02A#1B#3判斷，如果#1=#3，GOTON02#3為設定齒數

　　G65L84P01A#1B#3判斷，如果#1<#3，GOTON01#3為設定齒數
　　N02M02
　　通過(guò)CNC增量編程，并配合MACRO宏指令功能編程方式，Y軸的增量進(jìn)給V值必須設定的很精確，否則會(huì )產(chǎn)生累計誤差！并且機械上的誤差是沒(méi)有辦法通過(guò)具體的數據修正。此外MACRO宏指令屬于NC高階應用語(yǔ)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用方案。

　　6.2通過(guò)變量表格和CNC自動(dòng)生成G代碼數據鏈方式

　　通過(guò)上述G代碼的編輯不難發(fā)現，齒輪在淬火加工時(shí)，每個(gè)齒的加工過(guò)程中，其G代碼數據X、Z值都是固定不變的。以直齒齒輪為例，只有Y軸的分度數據Y#13125需要不斷的更新，而X、Z值可以通過(guò)變量的形式固化在NC程序中去。而Y值Y#13125的數據在不考慮修正的情況下，差值是固定的增量數值等于一個(gè)齒距。故可以利用CNC的特殊執行模式R154、R242來(lái)實(shí)現變量表格和CNC自動(dòng)生成G代碼數據鏈的編輯方式。該方案的核心方法如下：