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圖形化三軸數控加工係統設計

2018-3-16 來源：深圳大學機電與控製深圳大學廣東教育作者：林國勇徐剛

摘要: 針對（duì）數控係統中，低成本以及操作簡易的需求，研發了一種基（jī）於 HMI+機器控製器的數控加工係統。該加（jiā）工係統通過在機（jī）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（tú）形結合輸入相關的加工參數，實（shí）現對特定類型零件或者零件（jiàn）的特定（dìng）部位數（shù）控加工。另外，該（gāi）係統可以根據（jù）實際需要設置不同的零件加工（gōng）參數（shù），隻需一次編程，就能加工出多個結（jié）構相似的零件，解決了傳統的數控係（xì）統加工前（qián）必須進行 G 代碼生成或者手工編（biān）程的問題。表明該係統具有（yǒu）較強可操作性和較高的實（shí）用價值。

關鍵詞: 界（jiè）麵組態; 機器控製器; 零件圖庫; 運動（dòng）程序

0 前言

1952 年美國成功試製了第一（yī）台三軸（zhóu）數控機床，數控係統經過 60 多（duō）年的深入研究，其可（kě）靠（kào）性、實用性和靈活（huó）性都得到（dào）了不斷改善。隨著（zhe）伺服技術（shù）和檢測技術的（de）飛速發展，數控機床的加工精度（dù）也在不（bú）斷提高［1］。目前，國內外主要的數控係統有德國 SIE-MENS 公司 SINUMEＲIK 係列，日本 FANOC，大（dà）連數控（kòng）和廣州數控等。

這些係統（tǒng）大（dà）多采用全閉環控製（zhì）或者半閉（bì）環控製技術，在控製精度、可靠性、操作方便性方麵日趨成（chéng）熟，已開發並製造了一係列用途（tú）廣功能強大的數控加工設備，得到了廣泛應用。但是，在目前使用廣泛的數控機床加工設備中（zhōng），數（shù）控係（xì）統比較複雜，操作人員需要具備一定的機械（xiè）加工知識（shí），並且（qiě）操作人員需要（yào）經過長時間的專業培訓。另外（wài），數控係統的（de）源代（dài）碼開發程度不高，難以（yǐ）對係統進行二次開發。

最關（guān）鍵的是數控係統價格（gé）昂貴，維護費用高，導致機械技術人（rén）員接觸少，無力購買。文中將傳統機械加工工藝與現代數字運動控製（zhì）技（jì）術相結合。采用維倫通 MT8101i E 人機界麵與安川MP2310 運動控製器相結合，創新研發了一（yī）個用於機床（chuáng）機械加工的經濟型源代碼完全可以修改、重新配置（zhì）的開放式數控（kòng）係統。

本文作者以該係統的開發為例，基（jī）於安川運動控製器專用運動（dòng）控製語言，分析構建 “HMI+機器控（kòng）製（zhì）器”數控係統的一些（xiē）關鍵技術及實現方（fāng）法。

1、數（shù）控加工係統構建

1. 1 係統概述

圖形化三軸（zhóu）數控加工係統主要（yào）由 HMI+機器控製器組（zǔ）成，再配有 PC 機、輔助操作裝置、伺服驅動器、交流（liú）伺服電機、編碼器和限位（wèi）開關等組成一個（gè）模塊化數控係統（tǒng）。係統硬件結構組成框圖（tú）如圖 1所示。

圖 1 數控係統硬件結構組成框圖

PC 機內置有 CAM 作圖軟件、Easy Builder 組態軟件及 MPE720 程序開發（fā）軟件，通過 Ethernet 網絡實現人機界（jiè）麵圖庫信息與機器控製器內運動程序（xù）信息互換。輔（fǔ）助操作麵板作用是調（diào）節各運動軸伺服電機的正向或反向運動，點動或（huò）步（bù）進運動，便於零件加工前的快（kuài）速分中對刀操作。

利用操作（zuò）麵板（bǎn）上的按鈕發出脈（mò）衝（chōng）信號控製伺服（fú）電機運動（dòng），代替（tì）了傳統數控機床的手輪，簡化係統編程，也節（jiē）約了設備製造的成本。機器控製器為係統的核心部件，采用安川 MP2310 運動控製器（qì），通過 hECHATＲOLINK-Ⅱ通信協議對伺服驅（qū）動器發（fā）送指令，實現順（shùn）控、運動控製、數據設定、狀（zhuàng）態監視和參數調試等操作任（rèn）務。MP2310 控製器最（zuì）多支（zhī）持16 軸插補，其專用的（de）運動語言可以進行循環、跳轉、條件分支、選擇執行和並（bìng）列執行等控製命令（lìng）編程。

此外，MP2310 還具有強大的 PLC 梯形圖編程功能。係統硬（yìng）件配置如表 1 所示。

表 1 係統硬件配置

1. 2 硬件電路設計

三軸數控加工係統硬件（jiàn）電路圖如圖（tú） 2 所示。係統X、Y、Z 和主軸電機控製（zhì）采用（yòng） YASKAWA 公司生產的∑-V 係列中容量、中慣量交流伺服電（diàn）機，分別配以（yǐ） MECHATＲOLINK-Ⅱ通信指令型伺服控製單。通信指令型（xíng）伺（sì）服控（kòng）製器除了（le）可以進行速度、轉矩和位控製，還可實現高精度的同（tóng）步相位運動控製。各運動軸伺服控製單元通過 MECHATＲOLINK-Ⅱ網絡連（lián）接，可以實（shí）時快速收發各種控製（zhì）信息。

伺（sì）服控製器I / O 端口 POT、NOT 和 DEC 引（yǐn）腳分別接入組合（hé）開關（guān），接收運動平台限位、原點複歸等開關量信號。伺服單元主回路為交流（liú） 220 V 輸入，並且在主電路設計安裝過、

浪湧抑製和噪聲濾波等保護裝置。另外，控製（zhì）電路中設計了異常情況緊急停止運行電（diàn）路，具體工作（zuò）原理如（rú）下: ALM－端口為低電平，繼電（diàn）器 KA1 得電閉合，從而接觸器 KM2 閉合，係統正常工作。

當任意運動軸伺服控製器（qì）出（chū）現異常時，ALM +端口為高電平，此時繼電（diàn）器 KA1 失電釋放，從而接觸器 KM2 切斷控製器主（zhǔ）電路，實（shí）現電機的緊（jǐn）急停止，同（tóng）時觸發（fā）聲光報警裝置（zhì）。

按下按鈕 SB2 則可以（yǐ）解除（chú）當前報警。

圖 2 三軸數控加工係統硬件電路（lù）圖

2、軟件設（shè）計

圖形（xíng）化三（sān）軸數控（kòng）加工（gōng）係（xì）統（tǒng）采用 “HMI+機（jī）器控製器” 為平台，選用（yòng）維倫通 Easy Builder 和安川MPE720 作（zuò）為軟（ruǎn）件（jiàn）開發工具。對係統進行 PLC 程序（xù）設計、人機界麵設計和運（yùn）動程序設計。軟件設計流程圖如圖（tú） 3 所示。

圖 3 軟件設（shè）計（jì）流程圖

2. 1 數控加工係（xì）統主界麵（miàn）設計

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

圖 4 上位（wèi）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（xiǎn）示、窗口界麵管理（lǐ）和參數設置等四大功。

( 1) 界麵操作功能: 利用組態（tài）軟件編程，將傳（chuán）統數控操作麵板虛擬化，實現（xiàn）對係統伺服的（de）啟動 /停止，數控係統的操作模式選擇，各運動軸的點動、步進（jìn）、連續運行，實現精準分中對刀操作，代替傳統數控機床使用手輪進行（háng）分中對刀的功能。

( 2) 實時信息顯示功（gōng）能: 主要包括屏幕的操作信息、狀態（tài）信息（xī）、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（zhù）信息界麵、機床參數界麵、零件圖庫界麵和加工圖形（xíng）界麵（miàn）。

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

例如機床的（de）主軸（zhóu）轉速、進給速度、刀（dāo）具直徑、毛坯件的分（fèn）中（zhōng）坐標、圖庫零（líng）件的目標尺寸和加工進刀（dāo）量等（děng）參數設置。

2. 2 圖庫管理界麵設計

人機界（jiè）麵和機器控（kòng）製器作為係統中的主控元件，在人機界麵內組態出零件圖庫，零件圖庫中預先保存有各種常見的零件加工（gōng）信息（xī），包括零件尺寸信息（xī）、進刀量刀具（jù）信息等。確定零件的加（jiā）工工藝方案後，在零件圖庫中（zhōng）尋（xún）找相應的圖形零件，圖形零件符合加（jiā）工圖樣要求，設置相應（yīng）的加工參數。如果圖庫中沒有加工圖樣的零（líng）件，則需要通過使（shǐ）用 PC 機內置有 CAM 作圖軟件、Easy Builder 組態軟件（jiàn）及 MPE720 運（yùn）動程序編程軟件，編寫加（jiā）工程序，並生成新的零件圖形。

為防止（zhǐ）因參數設置不當而（ér）可能出（chū）現走刀軌跡錯誤，在啟動加工前需要進行加工幹（gàn）涉檢查，隻有在幹涉檢查通過（guò）才能啟動程序進行加（jiā）工。零件圖庫管理流程圖如圖5 所示。

圖 5 圖庫管（guǎn）理流程圖

在（zài）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（líng）件圖庫（kù）中調出待零件圖。零件圖設計界麵如圖 6 所示。

圖 6 待加工零件圖界麵

2. 3 圖形（xíng）化三軸數控加工係（xì）統軟件編程

MP2300 係列機器控（kòng）製器（qì）包括梯形圖程序和運動程序兩種程序方式，通過組合這兩種程序方式進行運動控。圖形化三軸數控加工係統運（yùn）動程序（xù）編程分為切（qiē）削加（jiā）工編程和螺紋加工編程兩種。

2. 3. 1 切（qiē）削加工（gōng）

平麵 ( 圓弧麵) 加工（gōng）首先需要進行參（cān）數設置檢（jiǎn）查，通過比較零件尺寸參數寄存器與加工參數寄存器中的數值大（dà）小，確定進行自動加工的初始條（tiáo）件。當輸入零件尺（chǐ）寸參數小於加工參數時，係統狀態信息顯（xiǎn）示報警，係統無法啟動加工，這樣能有效避免誤操作引起錯誤（wù）走刀。切削加（jiā）工（gōng）算法流程圖如圖 7 所示（shì）。

圖 7 切削加（jiā）工算法流程（chéng）圖

零件的尺寸值、加工進刀量和（hé）刀具直徑等數據均放在程序中指定的寄存器裏，係統（tǒng）執行時直接讀取寄存器中的數據，通過（guò）這種方法，並且利用 MPE720 程序（xù）開（kāi）發（fā）語（yǔ）言如循環、跳（tiào）轉、條件分支、並列執行、選擇執行和分支等控製命令編程，實現複（fù）雜（zá）的運動軌跡編程。限於篇幅，以（yǐ）下列出幾條編程語句，利用（yòng）圓弧插補命令，實現圓（yuán）弧麵切削加工任務。

加工之前（qián），隻需（xū）在對應的寄存器內輸入（rù）相關參數，通過調用程序塊即可實（shí）現加工（gōng），使得編程簡單、靈活

。

2. 3. 2 螺紋加工

為使設備操作更具有實用性，設置了手（shǒu）動（dòng）加工和自動加工兩種（zhǒng）螺紋加工模式。螺紋加工操作界麵如圖8 所示。

圖 8 螺紋（wén）加工操作界麵

通過（guò）對 Z 軸和主軸進行插補（bǔ），實現螺紋加工，主要（yào）編程程序語句如下:

係統處在螺紋加工模式下，主軸的點動、步進等功能被（bèi）限製，以確保（bǎo）係統的安全（quán）性。

3 、結論

基於（yú） HMI 與機器控製（zhì）器的三軸數控加工係統，通過（guò）調（diào）用人（rén）機界麵上的（de）零件圖（tú）形，設置加工（gōng）參數，即可對待加工毛坯件進行分中（zhōng）對刀操作，自動加工出目標零件。解決了那些沒有經過嚴格的數控專業培訓，不具（jù）備 Pro/E、UG、Mastercam 等圖形處理能力的人員使用（yòng）數控設備進行加工（gōng）的瓶頸問題，具有（yǒu）較強可操作性和較高的實用價值。

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