基於SYNTEC的螺旋錐齒輪加工機床數控係統開發 （中）
2017-1-3 來源：沈陽工業大（dà）學 作者：張西棟
第 3 章 新（xīn）代 SYNTEC 數控係統
新代 SYNTEC-10B 數控係統作為台灣新代科技（jì）股份有限公司開發的（de）具有良好性價比的數（shù）控產（chǎn）品，具有很高的市場競爭力（lì），它具（jù）有開放式的架（jià）構，能夠滿足用戶的個性化客製要求，標準便捷的控製麵板是人機交互的基礎。
3.1 SYNTEC 數控係（xì）統概述（shù）
齒輪在機械行業中占有舉足輕重的地位，是機械工業的基（jī）礎（chǔ）件[30]。在（zài）相交軸傳動的（de）場合，弧齒（chǐ）錐齒輪具有明顯有點，例（lì）如承載能力高（gāo）、傳動效率高、對安裝（zhuāng）誤差的敏感性小以及傳動平穩等。鑒於該型齒（chǐ）輪優越的性能，它的數控加工越來越得到（dào）工程技術人員的重視[15]。由於弧齒錐（zhuī）齒輪的數控加工程序編製（zhì）複雜，而且編程語言抽象；所以為了滿足不同規格螺（luó）旋錐齒輪的數控加工要求，需要對其進行的參數化編程，而參數化編程的思想是以友（yǒu）好的參（cān）數化輸入界（jiè）麵（miàn）—人（rén）機界麵（Human Machine InterfaceHMI）為基礎（chǔ）的。用戶與機床之間的信息傳遞是通過（guò）人機界麵來完成的，人機界麵（miàn）是互相傳遞信息的媒介，它可（kě）以實現信息的輸入和輸出[38]。數控係統操作界麵的友好與否直（zhí）接影響到數控編程的效率，甚至影響到整個數控係統的用戶認可度[39]，所以人機界麵在整個數控係統的開發中同樣占有舉足（zú）輕重的位置。 新代科技股（gǔ）份有限公司成立（lì）於 1995 ，是一家專業的 PC based 控（kòng）製器廠（chǎng）商，長期從事於機床（chuáng）控製器的軟（ruǎn）件及硬件（jiàn）技（jì）術研發，並致力（lì）於拓展兩岸（àn）市場，目前已成為亞太市場中最具有影響力（lì）及發展潛力的控製器品牌之一。
新代專注於數控領域，產品涵蓋車銑床控製器與（yǔ）產業機械控製器（qì），以高度的技術創新、加值型應用以及完善的售後服務（wù）深得顧客信任；除機床控（kòng）製器外，近年來將產品（pǐn）延伸（shēn）至（zhì）高（gāo）端主（zhǔ）軸伺服方（fāng）案、線（xiàn）性馬達（dá）以（yǐ）及直驅（qū）馬達等特色產品。為了順應智（zhì）慧自動化的（de）趨勢，積極開（kāi）發（fā）通用型的自動化控製器及各類型機械手臂控製器，能提供相關的整合加（jiā）值產品，滿足各種生產線智能化及自（zì）動化的需求。新（xīn）代科技以（yǐ）“工業 4.0”作為新（xīn）技術發展的主軸（zhóu），積極在相關領域進行資源整合與布局。 我單（dān）位為了滿足螺旋（xuán）錐齒輪數控加工機床的開發需要，引進了台灣新代科技股份有（yǒu）限公司研發的 SYNTEC-10B 數控（kòng）係統（tǒng），該係統具有（yǒu）較高的性價比，良好的開放性，可以利（lì）用係統自帶軟件開發包，對螺旋錐齒輪數控加工所需的各級參數輸（shū）入界麵進行相關（guān）客製，形成一個完備的界麵係統，為（wéi）後期參數化編程工作打下良好基礎。
3.2 軟件工具
對新代數（shù）控係統的二次開（kāi）發之（zhī）前需要登錄新代科（kē）技股份有限公司的（de）官方網站（http://www.syntecclub.com.tw/），注冊一個用戶帳號，登錄到相關的“下載專區”欄目中，下載 win32 版本（běn）的相關客製仿真軟件、升級包，分別為：Windows Update 升級包（bāo）、Lad Edit-2.13.0.msi、Macro Dev 軟件（jiàn）、銑（xǐ）床 Win32 軟件（數控銑床專用）。這四個軟件開發包是新（xīn）代科技股份有限公司專（zhuān）門為自己的新代數控係統（tǒng）進行二次開發而特定開發的軟件，這是對新代數控係（xì）統進行開（kāi）發設計的軟（ruǎn）件基礎。
軟件的安裝環境是通用型 PC 機，操作環（huán）境要求是 windows7/XP/2000，特別注意：四個（gè）軟件需要按照規定順（shùn）序依次安裝，否則（zé）會出現兼容性（xìng）問題[40]。其中（zhōng）的 Windows Update 升級包裏麵有單獨的安裝說明，需要按照安（ān）裝要求一步步地安裝，任何一個軟件安裝環節出（chū）現問題，就需要將之前安裝完畢的所有（yǒu）軟件都卸載，清（qīng）理注冊表之後重新安（ān）裝，否則會（huì）出現安裝失敗或者安裝成功卻無法運行的情（qíng）況。安裝完之後需要重啟計算機，然後開發客製軟件即（jí）可在通（tōng）用 PC 上運（yùn）行了（le），操作環（huán）境為 windows2000/XP/7。
SYNTEC 係統相配套的 e HMI 是一款可以幫助您更直覺、更簡易編輯控（kòng）製麵板人機接口的開發工具（jù），仿真器安裝完畢之後，需要安裝（zhuāng）該客製軟件。在 e HMI 中通過直接點選和表格輸入的方式，讓用（yòng）戶免除繁雜的程序編寫過程（chéng），取而代（dài）之的是更簡易（yì）、更有效率、更人性化的操作（zuò）接口[41,42]。將 e HMI 開發軟件用（yòng）於參數化編程（chéng）中所需相關界（jiè）麵的客製工作，可以提高數控（kòng）係統二次開發的效率，優化數（shù）控（kòng）編程加工過程中的人機交互性。圖 3.1 是 e HMI 的客製設計界麵（miàn）之一。
圖（tú） 3.1 e HMI 的客製設計界麵之一
3.3 新代數控係統開放式架構
3.3.1 新代 10B 控製器架構
數控銑床上采用的是 10B 控製器，該型控製器（qì）具有較（jiào）好的開放式接口（kǒu）架構，除了出廠設定（dìng）的標準接口外，控製器另外提供全（quán）麵且方便的（de）客製環境，讓電（diàn）氣控（kòng）製的（de）開發人員可以利用（yòng）客製工（gōng）具進（jìn）行相關的客製工作，滿足客戶各（gè）式各樣的需求。圖 3.2 是（shì）新代數控係統控製器架構示意圖。
圖 3.2 新代數控係統控製器架構示意圖
“核（hé）心（xīn）”是（shì）控製器裏負責解譯程序、規劃運動方程路（lù）線、插值以及軸向移動等的部件。PLC 主要是負責主（zhǔ）導狀態（tài）流程、鏈接外部裝（zhuāng）置、與核心的雙向溝通等工作。“人機”是操（cāo）作者與控製器內部（bù）運作間的橋（qiáo）梁，操作者使用人機輸入信息，控製器使用人機輸出狀態、信息等。“Program”為加工程序，客製的 MACRO 要經過核心（xīn）解譯，成為機器能（néng）夠識別的 G 代碼。
3.3.2 開放式數控係統概述
FANUC 和 SIEMENS 數控係統是現在市場占有率比較高的數控係（xì）統，他們（men）的數控係統具（jù）有一定的（de）封閉性，屬於專用性（xìng）的（de）體係結構，在實際生產應（yīng）用中，相關的軟硬件結構（gòu）均由各自的廠家單獨設計製造，數控係（xì）統的通用性、兼容性不強[43]。數控（kòng）加工時，機床操作人員按照自己（jǐ）的經驗（yàn）將加工程序中的過程參數設定為固（gù）定值，具體的編程工作利用手工（gōng）方式或自動編程的方式完成，雖然（rán）這種數控（kòng）係統具有技（jì）術成熟、結構簡單的優點，但是這種數控係統不能夠及時地與計（jì）算機（jī）輔助製造技術相融合，隨著現代（dài）製造業的（de）飛速發展，信息化以（yǐ）及敏捷製（zhì）造模式越來越明顯地體現在現（xiàn）代製造業中，該（gāi）型數控係（xì）統的缺陷越來越明顯[44]。
控製係統的封閉性以（yǐ）及專一性與多樣（yàng）化的（de）市場需求之間的矛盾可以通過開放式數控係統來解決。開放式的數控係統在適應市場變化的過程中表現（xiàn）出形式靈活、價格低、結構緊湊的優（yōu）勢，並具有很強的二次（cì）開發性和適（shì）應性，表（biǎo）現出良好的性價比優勢。隨著 CNC 技術的發展，具有可移植、可伸縮、可重構、可擴展性等（děng）優良特性的開放式數控係統越來越得到技術人員的（de）重視和認可。開放式數（shù）控係統允許操作人員在保留（liú）原軟硬件的基礎上，根據自己的需要將傳感器集成在控製器中，對數控係統進行（háng）修改（gǎi）和配置（zhì），最終使數控係統能夠完成加工過程的控製和監視。
1980 年之（zhī）後，開放式數控係統的研究正式（shì）提上日程。IEEE 認（rèn）為開放式數控係統能夠完美地在不（bú）同的平台上運行，兼容性較好，能夠與（yǔ）其它應用係統相互操作，並且可以提供統一的用（yòng）戶交互風格，具備可移植性、可互換（huàn）性、可擴展性、可（kě）伸縮性等特點[45-48]。根據開放式數控的定義，這種類型的數控係統首先應該允許終端用戶對數控係統（tǒng）進行模塊替換、模塊添加、模塊重構等操作[49]；然（rán）後該類數控係統還應（yīng）該能（néng）夠完美地按照（zhào）技術人員定義的控（kòng）製（zhì）策略運行，能（néng）夠（gòu）補償三維空間誤差；其次，該型係統允許機（jī）床按照某一速度運行的同時，能夠實時地接收來自伺服係統的數據；開放式的係統構架能（néng）夠按照加工的需要將相（xiàng）關智能控製設（shè）備嵌入到控（kòng）製器中；而且它能夠根據（jù）過程控製策略，對進給速度、主軸轉速進行智能修正。
3.3.3 開放（fàng）式數控係統（tǒng）發展（zhǎn）趨勢
數（shù）控係統的發（fā）展趨勢是以集（jí）成化（huà）、網絡化、智能化為特點，應具有（yǒu）高速、柔性化、高可靠性、高精度的特點。當前的（de）數控係統由於不（bú）能適應市場的多（duō）樣化要求，不（bú）能很（hěn）好地實現專業化和多樣化的要求，其結構（gòu）的封閉性問題越來越突出。需要研究數控係統（tǒng）開放性的體係結構，以期能夠實現（xiàn）數控設備的聯網、自動化、智能化、個性化、高柔性化目標。
（1）數控加工智能化和集成化
數控係統的功能模塊向智能化、集成化方向發展，同時借（jiè）助計算機技術、通（tōng）信技術、微（wēi）電（diàn）子技術的進一步開發，控製係統將具備反（fǎn）饋單元、數據采集和處（chù）理、執行單元、伺服驅動等功能，係統的整體性更強（qiáng）[50]。CNC 智（zhì）能化（huà）研究的主要內容有智能化控（kòng）製、自診斷以及智能化接口技術等，機床故障智能診斷、刀具狀態監測、代碼生成技術、誤差補償與精度（dù）控製、CAD/CAM/CNC 一（yī）體化與加工參數優（yōu）化等方麵是相關研究的（de）重點[51] 。
（2）高速、高精、高可靠性
開放式數控係統的主軸（zhóu）轉速達 6000 轉（zhuǎn）/分鍾，進給速度達 60 米/分鍾，係統無故障時間可以達到三萬小時[52]。發那科係（xì）統中的 AI 納米輪廓控製功能可以用於高精度（dù）、多坐標（biāo）聯動（dòng）、小程序段、高速加工中。該功能能夠減小由（yóu）於伺服延時（shí）、進（jìn）給速度增加以及加減速引起的位置滯後問題（tí），有利於減小輪廓的加工誤差。納米輪廓控製可以（yǐ）保（bǎo）證伺服（fú）機構接收到納米插補器的指令信（xìn）號是納米級的（de），工（gōng）作（zuò）台移動的平順性得益（yì）於該納米級的指令信號，從而使工件的表麵質量和加工精度得到保（bǎo）證。
（3）網絡化
為了滿足全球（qiú）製造、虛擬企業以及敏捷製造等新型生產形（xíng）式的發展需要，同時順應企（qǐ）業生產中信息集成化（huà）的趨勢，數控設備逐漸走向網絡化（huà）。為了抓（zhuā）住數控係統網絡化的趨勢，近年來，幾家知名的數控裝備公司對（duì）相關技術進行了研究，並取得了一定的數控裝備成果（guǒ），日本馬紮（zhā）克公司提出智能生產控製中（zhōng）心的概念，德國西門子公司（sī）提出開放製造環境的項目等[53] 。
（4）柔性化、軟件化
不同的機床適應加工對象變化的能力是不（bú）同的，它的衡量指標就是柔性（xìng）。機床的柔性包括硬件的柔性和軟件的柔性。傳統（tǒng）生產設備的控製係統是機械或剛性連接實現（xiàn）的，不能滿足加工對象多樣（yàng）化的需（xū）要。而在可編（biān）程器件設計的硬件係統中，硬件功能的改（gǎi）變（biàn）可以通過調整相應的（de）程序參數實現，從而增（zēng）加了硬件係（xì）統的柔性。這個過程就是硬件的（de）部分功能由軟（ruǎn）件來完成，實（shí）現硬件功能的軟件替換的過程，這（zhè）樣可以降低（dī）硬件電路的複雜性，係統柔性得到（dào）加強。
為了順應（yīng）開放式數控係統的發展趨勢，發揮開放式數控（kòng）係統在現代數控（kòng）加（jiā）工中體現出來的優越性，新代科技有限公司（sī）推出 SYNTEC-10B 數控係統，該型數控係統同樣也（yě）具備良好的開放性，其開放式架構如圖 3.3 所示。
3.4 開放式（shì） SYNTEC 加工（gōng）性能
新（xīn）代開（kāi）放式數控係統通過和 Win CE 係統（tǒng）配合可以達到每秒執行 1000 個（gè）單元的速度，而且可以預解程序（xù）路徑，最多（duō）可以達到 2000 個單節的破解（jiě）量，因此可以使（shǐ）加工速度更為平（píng）順，並提供（gòng）自動轉角減速及圓弧速（sù）度抑製功能，以確保工件精度，確保了（le）SYNTEC-10B 數控（kòng）係統具有高速高精的加工性能。
因受限於機（jī）台狀況，即使驅動器的位置回路增益調整至（zhì）最佳數值，在實際加工上（shàng）仍會產生伺服落後的問題，此狀況尤以在高速加工時特別嚴重；因此（cǐ）針（zhēn）對伺服路後造成工件尺寸內縮，而（ér）開發出此精度補償功能（néng），確保了 SYNTEC-10B 數控係統在（zài）保持精（jīng）度的同時還具有較好的平順性。
模具加工中多使用 CAD/CAM 軟件自動生成加工程序，這樣生成的加工程序中存在（zài）致使加工路徑不合（hé）理的（de）單節（jiē）程序語句，SYNTEC-10B 數控係統提供路徑平滑功能（néng），將軟（ruǎn）件產生的加工路徑平滑化，用以提高加工表麵的光潔度、加工效率與機台穩定度。
CAD/CAM 軟（ruǎn）件生成的（de）線性刀具軌跡是非連續性，對於加工速度、表（biǎo）麵狀況、機台穩定度皆會有一定的影響，尤其是在軟件中設定的加工（gōng）精度以（yǐ）及公差不佳的情況下，此問（wèn）題更為（wéi）嚴重；高精度軌跡輪廓控製是利用合適的曲線將線性刀具軌跡擬合為連（lián）續軌（guǐ）跡，且在加工速度的規劃上不再受限於不聯係的（de）單節，因而可以（yǐ）得到優良的加工品質，使 SYNTEC-10B 數控係統具有高精軌跡輪廓控製的（de）性能。
機（jī）床操作者隻需做“精度優先”與“速度優（yōu）先”的選擇，“路徑貼合”與“高平（píng）滑性”的等級選（xuǎn）擇，以及選擇 SPA 的開啟（qǐ）與關閉即可控製加工狀況，使得 SYNTEC-10B數控係統在高速高精度加工中的參數（shù）控製更加簡化明了。
操作者將檔案放置於外部裝置（USB、網絡等），保持（chí）邊傳輸，邊加工的（de）工作狀態，一（yī）方麵滿足大型檔案加工的需求；另一方麵，操作者能夠在操作上免去了加工（gōng）程序不斷傳檔的步驟，提高了加工效（xiào）率。
3.5 控製麵板（bǎn）
操作麵板和控製器麵（miàn）板是機床操作人員與數控係統進（jìn）行信息交互（hù）的直接窗口（kǒu）。項目中采用的新（xīn）代 10B 控製器與 SK4-M 型的銑床麵板。新代 10B 係列的控製（zhì）器采（cǎi）用先進的（de）開放式架構技術，並可以搭載 Mechatrolink-II 串列的通訊控製方式，可以改（gǎi）善傳統脈波式泛用型控製器在多軸運動控製中各種命令的（de）傳輸時間差與脈波時序問（wèn）題，以達到良（liáng）好的同步控製並兼顧即時性；同時更加精簡配線，提升擴充性以及（jí）減少繁雜信號的幹擾。10B 控製器采（cǎi）用的是內置嵌入式工業（yè）電腦（nǎo），配置（zhì） 10.4 寸液晶顯示器，結合伺服軸、手輪軸、主軸、內建（jiàn） PLC 及 USB 接口的 CF Card 讀取裝置。
圖 3.3 新（xīn）代 SYNTEC-10B 數控係統開放式架構框圖（tú）
該型控製器可以（yǐ）實現 8 軸伺服控製，具有手輪專用軸，配（pèi）置（zhì）有一組 12BIT D/A 輸出接口，而且（qiě）該控製器可以外（wài）接兩個 I/O 模塊（最多可達 128 點輸入/128 輸出（chū）點（diǎn））。控製器構建（jiàn）的 USB 接口 CF CARD 卡片閱讀機具有動態熱插入功能（néng）。配備有 128MB的 RAM，可以實現 RS-232、RS422 以及 RS485 的網絡通（tōng）訊。新代 10B 控製器具有低價格、高性（xìng）能、結構簡單、易於使用、可（kě）靠性高的特點。圖 3.4 與圖（tú） 3.5 分別為新代 10B控製器麵板的正麵圖與背麵圖。
圖 3.4 新代 10B 控製器麵板正麵圖
圖（tú） 3.5 新代 10B 控製（zhì）器麵板背部圖
新代 SK4-M 型的銑床（chuáng）麵板是機械式按鍵麵板，具有防油汙，耐腐蝕的特點，結合新代標準型鍵盤（pán），使我們獲得便捷的操作（zuò）環境。圖 3.6 與圖 3.7 是新（xīn）代 SK4-M 型（xíng）銑床（chuáng）麵板（bǎn）的正麵圖與背部圖。該型麵板是基於新代標準鍵盤（pán）而設計，具有三（sān）組旋鈕式開關輸入，獨立的 Input 點允許應用人員用來自行（háng）規劃。
圖 3.6 新代（dài） SK4-M 型銑床麵板正麵圖
圖（tú） 3.7 新代 SK4-M 型銑床麵板背部圖
區（qū）域①是（shì）快捷鍵功能區，其中包括 F1-F8、ESC 以及翻頁鍵，該區域的快捷鍵與顯示器下方的快捷鍵功能一致。其中（zhōng）的翻頁鍵用於對當前多於一頁的程序界麵進行翻頁操作，以便操作者（zhě）瀏覽（lǎn）多個（gè）程序和界麵，進行相關（guān）的編（biān）輯和查（chá）看操作（zuò）。 區域②是程序代碼編輯區域，負責（zé）數控編程中相關字符的修改編輯。其中包括 26個字母鍵組成的字母分區、10 個數字鍵組成的數字分區（qū）、遊標移（yí）動鍵分區、刪除鍵、換擋鍵、插（chā）入（rù）鍵等。數字鍵與字母鍵在指令位（wèi）置和資料輸入過程（chéng）中發揮（huī）作用。遊標移動按鍵用（yòng）於對屏幕編輯區的光標進行相關移動操作，對其進行精確快速定位，提（tí）高編程效（xiào）率（lǜ）。換擋鍵用（yòng）於切換按鍵的第二層功能。刪除（chú）鍵用於（yú）程序編輯中消除誤輸入的詞句（jù）程序段。 區域③是輔助功能（néng）區。其中包括切削（xuē）液開關、工作燈開關、加工吹氣開關、排屑機正反轉、主軸正反轉控製、主軸轉速切（qiē）換、刀庫正反轉等輔助功能。 區域④是方向鍵區（qū）。手動控製軸向移動，通（tōng）過按鍵（jiàn）的組合可以（yǐ）達到快速移動的目的，其中包括 X、Y、Z 三個軸的正向和負向移動。 區域⑤是操作模（mó）式區，其中（zhōng）包括原點模式、MPG 寸動模式、自動加工模式（shì）、手動（dòng）寸動模式、單節執行、選擇停止等模式。 區域⑥是（shì）開關機（jī）分（fèn）區。其中包括機（jī）床上電與斷電按鍵，程序的啟動與（yǔ）停止按鍵以及轉速的倍率（lǜ）選擇旋鈕、急停按鈕等。該（gāi）分區的功能主要是機床的啟動和停止，控製加工程序的動作（zuò）等。在操作失誤以及出現安全隱患時，緊急停止按鈕能夠切斷所（suǒ）有的機電控製；這種情況下，控製器處於供電狀態（tài），其他（tā）諸（zhū）如伺服、加工液、主軸等重電都被切斷（duàn），最（zuì）終達（dá）到保護工作人員以及機械設備的目的。
3.6 本章小結
本（běn）章對新代 SYNTEC 數控係統進行了整體性的描述，論述了新代數控係統二次開發（fā）所利用（yòng）的模擬仿（fǎng）真軟件的功能，對軟件安裝過程中的特殊要求進行了特別說明，保證了（le）課題研究的軟件基礎。對新代 10B 控製器的架構進行了（le）歸納總結，通過對開放式（shì）數控係統的分（fèn）析，總結了新代開放式係統的性能優勢，提出了新代係統的開放式架構。分析了新代控製麵（miàn）板，它的設計合理與否直（zhí）接影（yǐng）響到數控係統的人機交互（hù）性。
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