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摘  要：中達電通通用型CNC應用綜述。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)中得到了廣泛的應用。

    今天，隨著計算機信息技術和生產(chǎn)技術的迅猛發(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 機械設計

    機械設計為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器靠模設計，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定，不需行程開關）、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)零件程序設計；加工階梯軸類零件時，不需要增加外部的行程開關，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)進行設定，如感應器加熱延時時間，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 ，可應用各類產(chǎn)業(yè)機械和自動化設備。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, 響應可達500Kpps。 解析度可設定至 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 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。

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值設定。解析度可設定至 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

    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)的一種專用設備，操作者往往具備本專業(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(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)進行設定，如感應器加熱延時時間、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

    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軸淬火感應頭進給到齒根----Z軸以淬火速度提升，淬火感應頭由淬火起點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                         淬火感應器停止加熱
    G04 x0.5
    M28                        輔助噴液關
    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、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為設定齒數(shù)
    G65 L84 P01 A#1 B#3       判斷，如果#1<#3，GOTO N01  #3為設定齒數(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。

    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)。

           
    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。

7 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上來開發(fā)的實現(xiàn)的。

    只有從客戶的實際應用出發(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。

作者信息:

    張廣偉  中達電通公司伺服數(shù)控產(chǎn)品處