基于臺(tái)達(dá)數(shù)控系統(tǒng)的客制化CNC控制方案

　　摘要：中達(dá)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(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)、PLC和LCD的規(guī)劃，工藝特點(diǎn)、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(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)的英文縮寫(xiě)，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(jì)算機(jī)信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)制造也提出了更高的目標(biāo)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(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(biāo)準(zhǔn)CNC數(shù)控機(jī)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(yùn)輸（如焊接、點(diǎn)膠、封裝，工業(yè)機(jī)器人、等CNC產(chǎn)業(yè)機(jī)械）等整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程中去。
　　本文以一臺(tái)齒輪淬火機(jī)床CNC系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)為例，詳述了如何利用中達(dá)電通PUTNC-H4通用系列CNC、臺(tái)達(dá)DELTA交流伺服系統(tǒng)，并結(jié)合客戶產(chǎn)品加工的工藝特點(diǎn)，為產(chǎn)業(yè)機(jī)械打造出客制化的CNC控制方案。
　　2 齒輪淬火機(jī)床對(duì)控制系統(tǒng)的要求
　　2.1機(jī)械設(shè)計(jì)
　　機(jī)械設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)加工零件類型時(shí)的轉(zhuǎn)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(jī)兩種傳動(dòng)方式，當(dāng)加工齒輪類零件時(shí)，伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)和齒輪盤(pán)兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)被加工齒輪做分度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)加工零件為光軸類零件時(shí)，Y軸伺服電機(jī)停止工作，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)改變?yōu)樽冾l器拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)同步帶，帶動(dòng)光軸零件高速旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)解決了伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)兩級(jí)減速后，Y軸轉(zhuǎn)盤(pán)速度無(wú)法滿足光軸類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。
　　（2）Z軸為垂直軸，通過(guò)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，帶動(dòng)淬火加熱感應(yīng)器上下運(yùn)動(dòng)，
　　（3）X軸為水平軸，同樣通過(guò)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，帶動(dòng)淬火感應(yīng)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(bǔ)功能，這樣可以實(shí)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(dòng)即可。
　　機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1淬火機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　2.2零件加工的工藝要求
　　（1）機(jī)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(jī)床在更換淬火感應(yīng)器靠模后，還可以實(shí)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(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)的淬火方式：連續(xù)淬火、同時(shí)淬火、分段連續(xù)淬火（分段淬火通過(guò)程序設(shè)定，不需行程開(kāi)關(guān)）、分段同時(shí)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(shí)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(shí)速度穩(wěn)定。
　　（6）連續(xù)零件自動(dòng)加工時(shí)，應(yīng)保證足夠的絕對(duì)精度，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。
　　2.3控制系統(tǒng)要求
　　機(jī)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)。
　　（1）在手動(dòng)調(diào)試模式下：CNC系統(tǒng)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(diào)節(jié)感應(yīng)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(xiàn)Y軸變頻電機(jī)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(jī)測(cè)試使用。（I/O規(guī)劃參見(jiàn)方案的制定和實(shí)施）
　　（2）在自動(dòng)運(yùn)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(jī)運(yùn)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(xiàn)Y軸變頻電機(jī)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(jiàn)方案的制定和實(shí)施)；自動(dòng)加工過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)任意暫停，單節(jié)測(cè)試等操作功能。
　　（3）在程序編輯模式下：要求系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)至少500組不同零件加工程式，并可以
　　對(duì)程式內(nèi)容進(jìn)行編輯；在加工標(biāo)準(zhǔn)的直齒和斜齒齒輪時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)齒輪工藝參數(shù)自動(dòng)生成加工程式；加工光軸類零件時(shí)，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的G代碼實(shí)現(xiàn)零件程序設(shè)計(jì)；加工階梯軸類零件時(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(duì)淬火的輔助工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如感應(yīng)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(shè)定。
　　3 中達(dá)電通PUTNC-H4通用系統(tǒng)介紹
　　PUTNC-H4數(shù)控系統(tǒng)是中達(dá)電通公司針對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制需求開(kāi)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(diǎn)就是開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)，其CNC的狀態(tài)信號(hào)Sbit含義、內(nèi)置PLC的指令信號(hào)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(kāi)放給機(jī)床制造商使用，設(shè)計(jì)者只需配合專用的PLC編輯軟件和LCD畫(huà)面編輯軟件就可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從而打造出符合產(chǎn)業(yè)機(jī)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(diǎn)：開(kāi)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(jī)械和自動(dòng)化設(shè)備。高清晰LCD液晶顯示，用戶可以自行規(guī)劃畫(huà)面內(nèi)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(yīng)可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)的24點(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出，可選配I/O擴(kuò)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(gòu)建主從追隨和同步裁剪功能。支持標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算，NC編程功能更強(qiáng)大。程序存儲(chǔ)容量512Kbyte，NC程序組別高達(dá)1000組。提供RS232C標(biāo)準(zhǔn)接口，可連接個(gè)人電腦（PC）實(shí)現(xiàn)DNC在線加工功能。
　　4 方案的制定和實(shí)施
　　綜合上述的分析，CNC系統(tǒng)選用PUTNC-H4C-3就完全可以實(shí)現(xiàn)淬火機(jī)床的控制要求。以下將針對(duì)齒輪淬火的主要工藝要求對(duì)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(xiàn)
　　PUTNC-H4C-3具有3個(gè)獨(dú)立的伺服軸通道，可以實(shí)現(xiàn)X/Y/Z，3軸伺服聯(lián)動(dòng)，亦可任意兩軸伺服插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。伺服軸的進(jìn)給速度可以通過(guò)G01直線插補(bǔ)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(duì)精度，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)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(guò)LCD畫(huà)面規(guī)劃，直接修改系統(tǒng)變量參數(shù)數(shù)值來(lái)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(guò)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(jī)能，可以在NC程序中直接通過(guò)S代碼設(shè)定變頻馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，用于光軸類零件的淬火加工。
　　通過(guò)PLC編輯，Y軸的伺服馬達(dá)的使能信號(hào)O004和變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)O000電氣互鎖，確保機(jī)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(shí)現(xiàn)。
　　機(jī)床制造商通過(guò)專用的PLC編輯軟體可以對(duì)PUTNC-H4通用系統(tǒng)的內(nèi)置PLC進(jìn)行編輯，可以實(shí)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(jī)床I/O規(guī)劃如表1所示。
　　表1CNC淬火機(jī)床I/O規(guī)劃

CNC淬火機(jī)床自定義M代碼如表2所示。
表2淬火機(jī)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(shí)現(xiàn)
　　PUTNC-H4系列通用數(shù)控系統(tǒng)是具有標(biāo)準(zhǔn)CNC的功能，因此可以輕松實(shí)現(xiàn)伺服運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)數(shù)控面板的操作可以實(shí)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(cè)試等操作功能。
　　機(jī)床制造商只需根據(jù)產(chǎn)業(yè)機(jī)械最終用戶的操作習(xí)慣和工藝要求，對(duì)按鍵和LCD畫(huà)面做進(jìn)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(jī)、HMI人機(jī)+PLC的控制方案相比，無(wú)論在運(yùn)動(dòng)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(duì)的優(yōu)勢(shì)。
　　4.4加工程序G代碼數(shù)據(jù)的生成和處理
　　淬火機(jī)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(duì)CNC基本不具備編程能力。所以如何能夠結(jié)合產(chǎn)業(yè)機(jī)械的自身的工藝特點(diǎn)，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(jī)械專用系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。淬火機(jī)床在程序編輯上主要以下提出三點(diǎn)要求：
　　（1）加工光軸類零件時(shí)，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的G代碼實(shí)現(xiàn)零件程序設(shè)計(jì)。
　　（2）在加工標(biāo)準(zhǔn)的直齒和斜齒齒輪時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)齒輪工藝參數(shù)自動(dòng)生成加工程式。
　　（3）在程序編輯模式下還可以對(duì)淬火的輔助工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如感應(yīng)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(shè)定。
　　中達(dá)電通PUTNC-H4系列數(shù)控系統(tǒng)不僅支持標(biāo)準(zhǔn)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(jī)床程序編輯要求，以下對(duì)上述三點(diǎn)要求實(shí)現(xiàn)展開(kāi)詳細(xì)說(shuō)明。
　　5 加工和輔助工藝參數(shù)設(shè)計(jì)
　　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(guò)程比較簡(jiǎn)單，最終用戶稍加NC編程基礎(chǔ)的培訓(xùn)，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(qū)域?yàn)榧t色部分，G代碼設(shè)計(jì)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(guò)圖紙計(jì)算得出，也可以通過(guò)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(guò)程中，都會(huì)涉及到一些淬火機(jī)床加工輔助工藝參數(shù)，如淬火進(jìn)給速度F，延時(shí)時(shí)間X等，這些參數(shù)即可以通過(guò)LCD規(guī)劃的變量表格輸入，也可以通過(guò)具體數(shù)值直接給定，如上例說(shuō)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(guò)程為例進(jìn)行說(shuō)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(kāi)如圖5所示。

圖5直齒類零件圓周展開(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(yīng)頭進(jìn)給到齒根----Z軸以淬火速度提升，淬火感應(yīng)頭由淬火起點(diǎn)B上升到淬火終點(diǎn)C----Z軸，繼續(xù)以快速進(jìn)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(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(yīng)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(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(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，只是齒輪類零件的一個(gè)齒加工周期的工藝過(guò)程，對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)自身MACRO宏指令功能，進(jìn)行數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)加工程式自動(dòng)循環(huán)。例如：
　　G65L01P#1A0齒數(shù)加工計(jì)數(shù)#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(dāng)前齒數(shù)#1送入#2
　　G65L02P#1A#2B1#2+1=#1加工計(jì)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(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(shè)定的很精確，否則會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差！并且機(jī)械上的誤差是沒(méi)有辦法通過(guò)具體的數(shù)據(jù)修正。此外MACRO宏指令屬于NC高階應(yīng)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(yīng)用方案。
　　6.2通過(guò)變量表格和CNC自動(dòng)生成G代碼數(shù)據(jù)鏈方式
　　通過(guò)上述G代碼的編輯不難發(fā)現(xiàn)，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(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(guò)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(gè)齒距。故可以利用CNC的特殊執(zhí)行模式R154、R242來(lái)實(shí)現(xiàn)變量表格和CNC自動(dòng)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：