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圖形化三軸數控（kòng）加工係（xì）統設計

2018-3-16 來源：深圳（zhèn）大學機電與控製深圳大學廣（guǎng）東教育作者（zhě）：林國（guó）勇（yǒng）徐剛

摘要: 針對數控係統中，低成本以（yǐ）及操作簡易的需求，研發了一種基於 HMI+機器控製器（qì）的數控加工係統。該加工係統通過在機器控製器內預編常見零件加工程序，並調用在（zài）人機界麵上組態的零件圖形結合輸入相關的加工參數，實現對特定（dìng）類型零件或者零件的特定部位數控（kòng）加工。另外，該係（xì）統可以根（gēn）據實際需要設置不同的（de）零件加工參數，隻需一次編程，就能加工出多個結構相似的零件，解決了傳統的數（shù）控係統加（jiā）工前必須進行 G 代碼（mǎ）生成或者手（shǒu）工編程的問題。表明該（gāi）係統具（jù）有較（jiào）強（qiáng）可操作性和較高的實（shí）用價值。

關鍵詞: 界麵組態; 機器控製器; 零件圖庫; 運動程序

0 前言

1952 年美國成功試製了第（dì）一台三軸數控機床，數控係統經過 60 多年的深入研究，其可靠性、實用性和靈活性都得到（dào）了不斷改善。隨著伺服技術和檢（jiǎn）測技術（shù）的飛速發展（zhǎn），數控（kòng）機床的加工精度（dù）也在不斷提高［1］。目前，國內（nèi）外主（zhǔ）要的數控係統有（yǒu）德國 SIE-MENS 公司 SINUMEＲIK 係列，日（rì）本 FANOC，大連數控和廣州數控等。

這些係統大（dà）多采用全閉環控製或者半閉環控製技術，在（zài）控製精度、可靠性、操作方便性（xìng）方麵日趨成熟，已開發並製造了一係列用途廣功能（néng）強（qiáng）大的數控加工設備，得到了廣泛應用。但（dàn）是，在目前使用廣泛的數控機床加工設備中，數控係統比較複雜（zá），操作人員需要具備一定的機械加工知識，並且操作人員（yuán）需要經過長時間的專業培訓。另外，數控係統的源代碼開發程度不高，難以對（duì）係統進行二次開發。

最關鍵的是數控係統價格昂貴，維護費用高，導致機械技術人員接觸少，無力購買。文中將（jiāng）傳統機（jī）械加工工（gōng）藝與現代數字運動控製技術相結合。采用維倫通 MT8101i E 人機界麵（miàn）與安（ān）川（chuān）MP2310 運動控製器相（xiàng）結（jié）合，創新（xīn）研發（fā）了一個用於機床機（jī）械加工的經濟型源代碼完全可以修改、重新（xīn）配置的開放式數控（kòng）係（xì）統。

本文（wén）作者以該係統的開發為例，基於安川運動（dòng）控製器（qì）專用運動控製（zhì）語言，分析構建（jiàn） “HMI+機器控製器”數控係統的一（yī）些關鍵（jiàn）技術及（jí）實現方法。

1、數控加工（gōng）係統構（gòu）建

1. 1 係統概（gài）述

圖形化三軸數控加工係統主要由 HMI+機器控製器組成，再（zài）配有 PC 機、輔助操（cāo）作裝置、伺服驅動器、交（jiāo）流（liú）伺服電機、編碼器和限位開（kāi）關等組成一（yī）個模塊化數控係統。係統硬件結構組成框圖如圖 1所（suǒ）示。

圖 1 數控係統硬件結構組成（chéng）框圖

PC 機內置有 CAM 作圖軟件、Easy Builder 組態軟件及 MPE720 程（chéng）序開發軟件，通過 Ethernet 網絡實現人（rén）機界麵圖庫信息與機器控製器內運動程序信息互換。輔助操作麵板作（zuò）用是調節（jiē）各運動軸（zhóu）伺服電機的正向或反向運（yùn）動，點動或步進運動，便於零件加工前的快速分中對刀操作。

利用操作（zuò）麵板上的按鈕發出脈衝信號控製伺（sì）服電機運動，代（dài）替了傳統數控機床的手輪（lún），簡化係統編程（chéng），也節約了設（shè）備製造的成本。機器控製器為係統的核心（xīn）部件，采用安川（chuān） MP2310 運動（dòng）控製器，通過 hECHATＲOLINK-Ⅱ通信協議對伺服驅動器發送指令，實現順控、運動控製、數據設定、狀態監視和參數調試等操作任（rèn）務。MP2310 控製器（qì）最多支持16 軸插補，其專用的運動語言可以進行循環、跳轉、條件分支（zhī）、選擇執行和並列執行等控製命令編程。

此外（wài），MP2310 還（hái）具有強大的 PLC 梯形（xíng）圖編程（chéng）功能。係統硬件配置如（rú）表 1 所示。

表 1 係統硬（yìng）件配置

1. 2 硬件電路設計

三軸數控加工係統硬（yìng）件電路圖如圖 2 所示。係統X、Y、Z 和主軸電（diàn）機控製采（cǎi）用 YASKAWA 公司生產的（de）∑-V 係列中容量、中慣量交流伺服電機（jī），分別配以 MECHATＲOLINK-Ⅱ通信（xìn）指令型伺服控製單。通信指令（lìng）型伺服控製器（qì）除（chú）了可以進（jìn）行速度（dù）、轉矩和位控（kòng）製，還可實現高精度的同步相位運動控製。各運動軸伺服控製單元通過 MECHATＲOLINK-Ⅱ網絡（luò）連接，可以實時快速收發各種控製（zhì）信息。

伺服控（kòng）製器（qì）I / O 端口 POT、NOT 和 DEC 引腳（jiǎo）分別接入（rù）組合開（kāi）關，接收運動平台限位、原點複（fù）歸等開關量信號。伺服（fú）單元主回路為交流 220 V 輸入，並且在主電路設計安裝過、

浪湧抑製（zhì）和噪聲濾波等保護裝置。另外，控製電路中（zhōng）設計了異常情況（kuàng）緊急停止運行電（diàn）路，具體工作原理如下: ALM－端（duān）口為低電平，繼電器 KA1 得電閉合，從而接觸器 KM2 閉合，係統正常工作。

當任意運動（dòng）軸伺服控製器出（chū）現異常時，ALM +端口為高電平，此時繼電器 KA1 失電釋放，從而接觸器（qì） KM2 切斷控製器主電路（lù），實現（xiàn）電機的（de）緊急停止，同時觸發聲光（guāng）報警（jǐng）裝（zhuāng）置。

按下按鈕 SB2 則可以（yǐ）解除當前報警。

圖 2 三（sān）軸數控加工係統硬件電路圖

2、軟件設（shè）計

圖形化三軸數（shù）控加工係統采用 “HMI+機（jī）器控製器” 為平台，選用維倫通 Easy Builder 和安川MPE720 作為軟（ruǎn）件（jiàn）開發工具。對係統進行 PLC 程序設計、人機界（jiè）麵設計和運（yùn）動程序設計（jì）。軟件設計流程圖如圖 3 所示。

圖 3 軟件設計流程圖

2. 1 數控加工（gōng）係統主界（jiè）麵設計

基於維倫通組態軟件（jiàn） Easy Builder Pro4. 10. 04，對數控係統上位機操作主界（jiè）麵進行設計。數控（kòng）係統上位機主界麵如圖 4 所示。

圖 4 上位機係統主界麵

係統的人機界麵主要包括界麵操作、實時信息顯示、窗口界麵管理和參數設置等四大（dà）功。

( 1) 界麵操作功能: 利用組態（tài）軟件編程，將傳統數（shù）控操作麵板虛擬化，實現對係統伺服的啟動 /停止，數控係統的操（cāo）作（zuò）模式選擇（zé），各運動（dòng）軸的點動、步進、連續運（yùn）行，實現精準分中對刀操作，代替傳統（tǒng）數控機床使用手輪進行分中對（duì）刀的功能。

( 2) 實（shí）時信息顯示功能: 主要包括屏幕的操作信息、狀態信息、係統故障報警信息和各軸坐標信息等的顯示功能。

( 3) 窗口界麵管理功能: 主要包括零件的分中界麵、換刀界麵、螺紋加工界麵、幫助信息界麵、機床（chuáng）參數界麵、零件圖庫界（jiè）麵和（hé）加工圖形界（jiè）麵。

( 4) 參數設置功能: 在進行數控加工時，需要預先設置控製係統的相關參數和工作狀態。

例如機床的主軸轉速、進給速（sù）度、刀具直徑、毛坯件的分中坐標、圖庫零件的目標尺寸和加工進刀量等參數設置（zhì）。

2. 2 圖庫管理界麵設計

人機界麵和機器控製器作為（wéi）係統中（zhōng）的主控元件，在人機界麵內組態出零件圖（tú）庫，零件圖庫（kù）中預先保存有各種常見的零件加（jiā）工信息，包括零件（jiàn）尺寸信息、進刀量刀具信息等。確（què）定零件的加工工藝方（fāng）案後，在零件圖庫中（zhōng）尋找相應的圖形零件，圖形零件符合加工（gōng）圖樣要求，設置相應（yīng）的加工參數。如（rú）果圖庫中沒有加工圖樣的零件，則需要（yào）通過使（shǐ）用 PC 機內置有 CAM 作圖軟件、Easy Builder 組態軟件及 MPE720 運動（dòng）程序編（biān）程軟（ruǎn）件，編寫加（jiā）工程序，並（bìng）生成新的零件圖形。

為防止因（yīn）參數設置不當而可能（néng）出現走刀軌跡錯誤，在（zài）啟動加工前需要（yào）進行加工幹涉檢查，隻有在幹涉檢查通過才能啟動程序進行加工。零（líng）件圖庫管理流程（chéng）圖如圖5 所示。

圖 5 圖庫管理流程（chéng）圖

在正確設置待加工零件的尺寸信息和加工參數信息，係統檢查通過後，即可在零件圖庫中調出待（dài）零件圖。零件圖設計界麵如圖 6 所示。

圖 6 待加（jiā）工零件圖界麵

2. 3 圖形化三軸數（shù）控加工係統軟件編程（chéng）

MP2300 係列機器控製器包括梯形圖程序和運動（dòng）程序兩種程序方式，通過組合（hé）這兩種程序方式進行運動控。圖形化三軸數控加工係統運動程序編程分為切削加工編程和螺紋（wén）加工編程兩種。

2. 3. 1 切削加工

平麵 ( 圓弧麵) 加工首先需（xū）要進行參數設（shè）置檢查，通過比較零（líng）件尺寸參數寄存器與加工參數寄存器中的數（shù）值大（dà）小，確定進行（háng）自動加工的初始條件。當輸入零件尺寸（cùn）參數小於加工參數時，係統狀態信息顯示報警，係統無法（fǎ）啟動加工，這樣能有效避免誤操作引起錯誤走刀。切削加（jiā）工算法流（liú）程圖（tú）如（rú）圖 7 所（suǒ）示。

圖 7 切削加工算法流程圖（tú）

零件的尺寸值、加工進刀（dāo）量和刀具直（zhí）徑等數（shù）據均放在程序中指（zhǐ）定的寄（jì）存器裏，係統執行時直接讀取寄存器中的數據，通過這種方法，並且利用 MPE720 程序開發語言如（rú）循環、跳轉、條件分支、並列執（zhí）行（háng）、選擇（zé）執行和分支等控製命令編程，實現複雜的運動軌跡編程（chéng）。限於篇（piān）幅，以下列出幾條編（biān）程（chéng）語句，利用圓弧插補命令，實現圓弧麵切削加工任務。

加工（gōng）之前，隻需在（zài）對應的寄存器內輸入相關參數，通過調用程序塊即可實現加工，使（shǐ）得編程簡單、靈活

。

2. 3. 2 螺紋加工（gōng）

為使設備操作更具（jù）有實用性，設置了手（shǒu）動加工和自（zì）動加（jiā）工兩種螺紋加工模式。螺紋加工操（cāo）作界麵（miàn）如圖8 所示。

圖（tú） 8 螺紋加工操作（zuò）界麵

通過對 Z 軸和（hé）主軸進行插補，實現（xiàn）螺（luó）紋加工，主要編程程序語句（jù）如下:

係統處在螺紋加工模式下，主軸的點動、步進等功能被限（xiàn）製，以（yǐ）確保係（xì）統的安全性。

3 、結論

基（jī）於（yú） HMI 與機器控製器的（de）三軸（zhóu）數控加工係統，通過（guò）調用人機界麵上的零（líng）件圖形，設置加工參數（shù），即可對待加工毛坯件進行分中對刀操作，自動加工出目標零件。解決了那（nà）些沒有經（jīng）過嚴格的數控（kòng）專業培訓，不具備 Pro/E、UG、Mastercam 等圖形處理能力的人員（yuán）使用數控設備進（jìn）行加工的瓶頸（jǐng）問題，具（jù）有較強可操作性和較高的實用價值。

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