基于臺達(dá)數(shù)控系統(tǒng)的客制化CNC控制方案

分類：解決方案日期：2009-08-13 08:33:33 來源：廠商

中達(dá)電通公司伺服數(shù)控產(chǎn)品處張廣偉

Zhang Guangwei

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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)電通PUTNC-H4通用系列CNC、臺達(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，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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(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(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(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(dá)1000組。提供RS232C標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(dá)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INPUT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(fù)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(fù)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	O008	X、Z軸伺服使能信號

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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的G代碼實現(xiàn)零件程序設(shè)計。

（2）在加工標(biāo)準(zhǔn)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(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，完全可以滿足機床程序編輯要求，以下對上述三點要求實現(xiàn)展開詳細(xì)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。