基于臺達系統(tǒng)的客制化CNC控制方案分析
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 （Computerized Numerical Control）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。
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。
1 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S bit含義、內(nèi)置PLC的指令信號C bit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2 PUTNC-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(dǎo)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(xué)、邏輯運算，NC編程功能更強大。程序存儲容量 512K byte，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。
1 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3 CNC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)PLC I/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1 CNC淬火機床I/O規(guī)劃.
|
輸入點bbbbb定義 |
輸出點OUTPUT定義 | ||||
|
I000 |
循環(huán)啟動按鈕 |
I010 |
Z軸正限位 |
O000 |
Y軸旋轉(zhuǎn)繼電器 |
|
I001 |
緊急停止按鈕 |
I011 |
Z軸負限位 |
O001 |
淬火加熱繼電器 |
|
I002 |
主軸旋轉(zhuǎn)ON |
I012 |
Z軸原點信號 |
O002 |
主噴液繼電器 |
|
I003 |
主軸旋轉(zhuǎn)OFF |
I013 |
X軸正限位 |
O003 |
輔助噴液繼電器 |
|
I004 |
加熱ON |
I014 |
X軸負限位 |
O004 |
Y軸伺服使能信號 |
|
I005 |
加熱OFF |
I015 |
X軸原點信號 |
O005 |
手動狀態(tài)指示燈 |
|
I006 |
主噴液ON |
I016 |
X軸手輪選擇 |
O006 |
自動狀態(tài)指示燈 |
|
I007 |
主噴液OFF |
I017 |
Y軸手輪選擇 |
O007 |
故障狀態(tài)指示燈 |
|
I008 |
輔助噴液ON |
I018 |
Z軸手輪選擇 |
O008 |
X、Z軸
伺服使能信號 |
|
I009 |
輔助噴液OFF |
I009 |
Y軸為變頻器 | ||
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
|
M03 |
Y軸變頻器旋轉(zhuǎn) |
M05 |
Y軸變頻器停止 |
|
M09 |
淬火加熱ON |
M10 |
淬火加熱OFF |
|
M25 |
主噴液ON |
M26 |
主噴液OFF |
|
M27 |
輔助噴液ON |
M28 |
輔助噴液OFF |
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(xí)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(dǎo)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(xùn)，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。
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
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：
N01 G01 Z#210 F#212 Z軸提升到進給起點位置（直齒輪）
G01 X#250 F#213 X軸進給到淬火位置，進給F值 #213
M9 淬火感應(yīng)器加熱
G04 X#145 延時變量#145秒
M25 冷卻噴液開
G04 x0.5
M27 輔助冷卻噴液開
G01 Z#220 F#222 Z軸提升到淬火終點，進給F值 #222
M10 淬火感應(yīng)器停止加熱
G04 x0.5
M28 輔助噴液關(guān)
G01 Z#230 F#223 Z軸提升到噴液停止位置D，進給F值 #223
G04 X#124 延時變量#124秒
M26 主噴液延時斷
G01 X#240 F#213 X軸退回，進給F值 #213
G01 Z#210 F#212 Z軸下降到進給起點位置，進給F值 #212
N100 G01 Y#13125 F#168 Y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(xué)、邏輯運算來實現(xiàn)加工程式自動循環(huán)。例如：
G65 L01 P#1 A0 齒數(shù)加工計數(shù)#1清零
N01 G01 Z#210 F#212 Z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
- --------------------
G01 Z#210 F#212 Z軸下降到進給起點位置，進給F值 #212
N100 G01 V#999 F#168 Y軸增量分度齒距#999，進給F值 #168
G65 L01 P#2 A#1 當前齒數(shù)#1送入#2
G65 L02 P#1 A#2 B1 #2+1=#1加工計數(shù)#1加一
G65 L81 P02 A#1 B#3 判斷，如果#1=#3，GOTO N02 #3為設(shè)定齒數(shù)
G65 L84 P01 A#1 B#3 判斷，如果#1<#3，GOTO N01 #3為設(shè)定齒數(shù)
N02 M02
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：
6.3 CNC狀態(tài)C255和R242的說明
在編輯模式下，利用PLC使CNC狀態(tài)C255=1，即可激活R242功能。當R242=特定數(shù)值時，CNC可以實現(xiàn)特定的自定義按鍵功能。從而可以在編輯模式下自動生成程式內(nèi)容，配合LCD變量表格功能，程式就可以以變量表格數(shù)據(jù)鏈的形式展現(xiàn)給使用者，而且變量表格里的生成的每個數(shù)據(jù)都可以單獨修改。
|
R242值 |
PLC動作 |
|
=69 |
刪除當前程式 |
|
=98 |
編輯模式下由PLC插入一行程式 |
自動生成Y軸數(shù)據(jù)鏈的PLC規(guī)劃如下
6.4 R154的說明
中達電通PUTNC-H4系列CNC，除了有標準G，MCODE執(zhí)行模式外，還有另一種較特殊的執(zhí)行模式。只要 R154 有某一BIT位為1后，CNC就會被切換到特殊的執(zhí)行模式中，并且依照指定的程序位置來做子程序跳躍的功能。 R154 可以同時多個 BIT ON，但每單節(jié)只執(zhí)行一次跳躍動作 (BIT位較低的，優(yōu)先權(quán)高)。
|
CODE |
R154 |
Program |
數(shù)據(jù)存放地址 |
|
Y |
BIT24=ON |
O0792 |
#13125 |
|
Z |
BIT25=ON |
O0793 |
#13126 |
舉例說明：主程序單節(jié)N00 Y36.000
當R154bit24=1時，在主程序在執(zhí)行過程中，并不會去執(zhí)行N00 Y36.000 而是會去執(zhí)行子程序O0792里的程式內(nèi)容，數(shù)據(jù)36.000同時被CNC存放到變量地址#13125。
所以只要將齒輪加工一個齒的加工程式固化到子程序O0792中，并且在主程序執(zhí)行過程中，能夠不斷將Y軸的分度數(shù)據(jù)賦值到變量地址#13125里，即可實現(xiàn)整個齒輪的連續(xù)淬火加工控制。
通過變量表格和CNC自動生成G代碼數(shù)據(jù)鏈方式也同樣適用于斜齒齒輪和其它各類齒輪零件的編輯，在此不在復(fù)述。通過這種方案，最終用戶無須具備NC編程的知識和能力，只需根據(jù)編輯對話框的要求填入相應(yīng)工藝參數(shù)，就可以通過PLC運算自動計算出Y軸分度的絕對坐標數(shù)值，不會存在增量方式的累計誤差，并且可以以G代碼的形式存儲下來。操作者還可以根據(jù)實際加工情況來修改變量表格中數(shù)據(jù)鏈的數(shù)值，因此使用最為簡單和便利，是齒輪編程的最佳應(yīng)用方案。
為了滿足不同用戶的需求和淬火機床加工光軸類零件的需要，我們設(shè)計了標準G代碼編程和變量表格兩種編程方式，操作者只需在編輯LCD畫面選擇不同的路徑即可。
6、結(jié)束語
本案只是中達電通--通用型CNC數(shù)控系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)機械上的一個典型應(yīng)用。對于CNC產(chǎn)業(yè)機械而言，CNC系統(tǒng)的操作和使用，以及零件加工的工藝條件都和標準的金屬切削類數(shù)控機床存在很大的差異，所以最佳的客制化方案是應(yīng)該在充分了解產(chǎn)業(yè)機械的加工工藝特點和機床的最終用戶操作和使用需求的基礎(chǔ)上來開發(fā)的實現(xiàn)的。
只有從客戶的實際應(yīng)用出發(fā)，并結(jié)合中達電通----通用型CNC，開放的系統(tǒng)架構(gòu)這一優(yōu)點，合理的對CNC系統(tǒng)的PLC和LCD進行規(guī)劃開發(fā)，才能夠為客戶提供更有價值的客制化控制解決方案。
本文標簽：基于臺達系統(tǒng)的客制化CNC控制方案分析
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