基于臺達數控系統(tǒng)的客制化CNC控制方案
2008/6/12 14:46:00
1 引言
CNC （Computerized Numerical Control）是計算機數值控制系統(tǒng)的英文縮寫，也稱數控系統(tǒng)。在現代工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。
今天，隨著計算機信息技術和生產技術的迅猛發(fā)展，制造業(yè)對產品生產制造也提出了更高的目標和要求：產品制造周期要求越來越短，零部件的生產效率和柔性化生產的程度越來越高，產品的加工質量和性能也要求更高、更穩(wěn)定。CNC系統(tǒng)也從一般的產品的零部件加工控制（如車削、銑削、高速切削、等標準CNC數控機床）被逐步發(fā)展應用到產品的組裝、包裝乃至產品的運輸（如焊接、點膠、封裝，工業(yè)機器人、等CNC產業(yè)機械）等整個生產制造過程中去。
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)，并結合客戶產品加工的工藝特點，為產業(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軸為旋轉軸，傳動機構會根據加工零件類型時的轉速要求而有所不同，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，伺服電機經過減速機和齒輪盤兩級減速機構，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，傳動結構改變?yōu)樽冾l器拖動異步電動機經過同步帶，帶動光軸零件高速旋轉。設計解決了伺服電機經過兩級減速后，Y軸轉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。
機械結構簡圖如圖1所示。
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圖1 淬火機床機械結構
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100齒。
（2）機床在更換淬火感應器靠模后，還可以實現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，能夠實現的淬火方式：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，齒輪分度旋轉時速度穩(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(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(guī)劃參見方案的制定和實施)；自動加工過程中可以實現任意暫停，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)可以根據齒輪工藝參數自動生成加工程式；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數控系統(tǒng)是中達電通公司針對產業(yè)機械的運動控制需求開發(fā)的一款通用型CNC數控系統(tǒng)。該CNC系統(tǒng)最大的特點就是開放的系統(tǒng)架構，其CNC的狀態(tài)信號S bit含義、內置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品進行二次開發(fā)，從而打造出符合產業(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。
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圖2 PUTNC-H4數控系統(tǒng)
PUTNC-H4通用系統(tǒng)的特點：開放式的系統(tǒng)架構，內含嵌入式 PLC ，可應用各類產業(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，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
PUTNC-H4C-3具有3個獨立的伺服軸通道，可以實現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，全閉環(huán)控制架構完全可以保證足夠的絕對精度，不會產生累計誤差。
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)變量參數數值來設定系統(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和變頻器運轉信號O000電氣互鎖，確保機械安全。CNC控制架構如圖3所示。
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圖3 CNC控制架構
4.2 系統(tǒng)的I/O規(guī)劃，以及自定義M代碼功能的實現。
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)的內置PLC進行編輯，可以實現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
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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
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自定義M代碼PLC規(guī)劃范例如圖4所示。
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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
PUTNC-H4系列通用數控系統(tǒng)是具有標準CNC的功能，因此可以輕松實現伺服運動控制。通過數控面板的操作可以實現模式切換、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產業(yè)機械最終用戶的操作
CNC （Computerized Numerical Control）是計算機數值控制系統(tǒng)的英文縮寫，也稱數控系統(tǒng)。在現代工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。
今天，隨著計算機信息技術和生產技術的迅猛發(fā)展，制造業(yè)對產品生產制造也提出了更高的目標和要求：產品制造周期要求越來越短，零部件的生產效率和柔性化生產的程度越來越高，產品的加工質量和性能也要求更高、更穩(wěn)定。CNC系統(tǒng)也從一般的產品的零部件加工控制（如車削、銑削、高速切削、等標準CNC數控機床）被逐步發(fā)展應用到產品的組裝、包裝乃至產品的運輸（如焊接、點膠、封裝，工業(yè)機器人、等CNC產業(yè)機械）等整個生產制造過程中去。
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)，并結合客戶產品加工的工藝特點，為產業(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軸為旋轉軸，傳動機構會根據加工零件類型時的轉速要求而有所不同，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，伺服電機經過減速機和齒輪盤兩級減速機構，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，傳動結構改變?yōu)樽冾l器拖動異步電動機經過同步帶，帶動光軸零件高速旋轉。設計解決了伺服電機經過兩級減速后，Y軸轉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。
機械結構簡圖如圖1所示。
圖1 淬火機床機械結構
2.2 零件加工的工藝要求
（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100齒。
（2）機床在更換淬火感應器靠模后，還可以實現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，能夠實現的淬火方式：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，齒輪分度旋轉時速度穩(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(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(guī)劃參見方案的制定和實施)；自動加工過程中可以實現任意暫停，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)可以根據齒輪工藝參數自動生成加工程式；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數控系統(tǒng)是中達電通公司針對產業(yè)機械的運動控制需求開發(fā)的一款通用型CNC數控系統(tǒng)。該CNC系統(tǒng)最大的特點就是開放的系統(tǒng)架構，其CNC的狀態(tài)信號S bit含義、內置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品進行二次開發(fā)，從而打造出符合產業(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數控系統(tǒng)
PUTNC-H4通用系統(tǒng)的特點：開放式的系統(tǒng)架構，內含嵌入式 PLC ，可應用各類產業(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，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
PUTNC-H4C-3具有3個獨立的伺服軸通道，可以實現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，全閉環(huán)控制架構完全可以保證足夠的絕對精度，不會產生累計誤差。
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)變量參數數值來設定系統(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和變頻器運轉信號O000電氣互鎖，確保機械安全。CNC控制架構如圖3所示。
圖3 CNC控制架構
4.2 系統(tǒng)的I/O規(guī)劃，以及自定義M代碼功能的實現。
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)的內置PLC進行編輯，可以實現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
PUTNC-H4系列通用數控系統(tǒng)是具有標準CNC的功能，因此可以輕松實現伺服運動控制。通過數控面板的操作可以實現模式切換、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產業(yè)機械最終用戶的操作
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