基於SYNTEC的螺（luó）旋（xuán）錐齒輪加工機床數控係統開（kāi）發 （中）
2017-1-3 來源：沈陽工業大學 作者：張西棟
第 3 章 新代 SYNTEC 數控係統
新（xīn）代（dài） SYNTEC-10B 數控（kòng）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控產品，具有很高的市場競爭（zhēng）力，它具有開放（fàng）式的架構，能夠滿足用戶的個性化客製要求，標準便捷的控製麵（miàn）板是人機交互的基礎。
3.1 SYNTEC 數控係統概述
齒輪在機械行業中占有舉（jǔ）足輕重的地位，是機械工業的基礎件[30]。在相交軸傳動的場合，弧齒錐齒（chǐ）輪具有（yǒu）明顯有點，例如承載能力高、傳動效率高、對安裝誤差的敏感性小以及傳動平穩等。鑒於該型齒輪優越的性能，它的（de）數控加工越來越得到（dào）工（gōng）程技術（shù）人員的重視[15]。由於弧齒（chǐ）錐齒輪的數控加工程（chéng）序編製複雜，而且編程語言抽象；所以為了滿（mǎn）足不同規格螺旋錐齒輪的數控加工要求，需要對其進行的參數化（huà）編程，而參數化編程的思想是以友好的參數化輸入界麵（miàn）—人機界麵（miàn）（Human Machine InterfaceHMI）為基礎的。用戶（hù）與（yǔ）機床之間的（de）信（xìn）息傳遞是通過人機界麵來完成的，人機界麵是（shì）互相傳遞信息的媒介，它可以實現（xiàn）信息的輸入和輸出[38]。數控係統操作界麵（miàn）的友（yǒu）好（hǎo）與否直（zhí）接影響到數（shù）控（kòng）編（biān）程（chéng）的效率，甚至影響到整（zhěng）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（tǒng）的開發中同樣占有舉足輕重的位置。 新代（dài）科技股份有限公司成立於 1995 ，是一家專業的 PC based 控製器廠商，長（zhǎng）期（qī）從事於機（jī）床控（kòng）製器（qì）的軟件及硬件技術研（yán）發，並致（zhì）力於拓展兩岸市場，目前已成為亞太市場中最具有影響力（lì）及發展潛力（lì）的控（kòng）製器品牌之一。
新（xīn）代專注於數控領域，產（chǎn）品涵蓋車銑床控製器與產業機械控製（zhì）器，以高度的技術創新、加值型應用以及完善的售後服務深得顧客信任；除機床控製器外，近年來將（jiāng）產品延伸至高端主軸伺服方案、線性馬達以及直驅馬達等特色產品。為了順應智慧自（zì）動（dòng）化的趨（qū）勢，積極開發通用（yòng）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（zhěng）合加值產品，滿足各種生產線智能化及自動化的需求（qiú）。新代科技以“工業 4.0”作為新技（jì）術發（fā）展的主軸，積極在相關領域進行（háng）資源整合與布局。 我單位為了（le）滿（mǎn）足螺旋錐齒輪數控加工機床的開發需要，引進（jìn）了台灣新代科技股份（fèn）有限公司研發的 SYNTEC-10B 數控係（xì）統，該係統具有較高的性（xìng）價比（bǐ），良好的開放（fàng）性，可以利用係統自帶（dài）軟件（jiàn）開發包（bāo），對螺旋錐齒輪數控加工所需的各（gè）級參數輸（shū）入界麵（miàn）進行相關客製，形成（chéng）一（yī）個完備的界麵係統，為後期參數化編程工作打（dǎ）下良好基礎。
3.2 軟（ruǎn）件工具
對（duì）新代數控係統的二次開發之前需要登錄新（xīn）代科技股份有（yǒu）限公司的（de）官方網站（http://www.syntecclub.com.tw/），注冊一個用戶帳號，登（dēng）錄到相關的“下載專區”欄（lán）目中，下載 win32 版本的相關客（kè）製仿真軟件、升級包（bāo），分別為：Windows Update 升級包、Lad Edit-2.13.0.msi、Macro Dev 軟（ruǎn）件、銑床 Win32 軟件（數控（kòng）銑床專用）。這四個（gè）軟件開發包是新代科技股份有限公司專門為自（zì）己（jǐ）的新代數（shù）控係（xì）統進行二次開發而特定開發的軟件，這是（shì）對（duì）新代數控係統進行開發設計的軟（ruǎn）件基礎（chǔ）。
軟件的安裝環境是通用型 PC 機（jī），操作環境要求（qiú）是 windows7/XP/2000，特別注意：四個軟件需（xū）要按照規定順序（xù）依次安裝，否（fǒu）則會出現兼容性問題[40]。其中的 Windows Update 升級包裏麵有（yǒu）單獨的安裝說明，需要按照安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（bì）的所有軟件都卸載（zǎi），清理注冊表之後重新安裝，否則會出現安裝失敗或（huò）者安裝成功卻無法運行的情（qíng）況。安裝完之後需要重啟計（jì）算機，然後開發客製軟件（jiàn）即可在（zài）通用 PC 上運行了（le），操（cāo）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（yì）編輯控製麵板人機接口的開發工具，仿真器安裝完畢之後，需要安裝該客製軟件。在 e HMI 中通過（guò）直接點選和表格輸（shū）入的方式，讓用戶免除繁雜的（de）程序編寫過程，取而（ér）代之的是更簡易、更有效率、更人性化的操作接口[41,42]。將 e HMI 開發軟件用於參數化編程中所需相關界麵（miàn）的（de）客製工作，可以提高數控係統二次開發的效（xiào）率，優化數控編（biān）程加工過程中的人機（jī）交互性。圖 3.1 是 e HMI 的客（kè）製設計界麵之（zhī）一。
圖 3.1 e HMI 的客製設計界（jiè）麵之一
3.3 新代數控係統（tǒng）開放式架構
3.3.1 新代 10B 控製器架構
數控（kòng）銑床上采用的是 10B 控製器，該型控製（zhì）器具有較好的開放式接口架構，除了出廠設定的標準（zhǔn）接口（kǒu）外，控（kòng）製器另外提供（gòng）全麵且方便的客製環境，讓電氣控製的開發人員可以利用客製工具進行相關的客製（zhì）工作，滿足客戶各式各樣的需求。圖（tú） 3.2 是新（xīn）代數控係統（tǒng）控製器架構示意圖。
圖（tú） 3.2 新代數控係（xì）統控製器架構示意圖
“核心”是控製器裏負（fù）責解譯程序、規劃運動方程路線、插（chā）值以及軸向移動等的部件。PLC 主要是負責主導狀態流（liú）程、鏈接外部裝置、與核（hé）心的雙向溝通等工作。“人（rén）機”是操作者與控製器內部（bù）運作間的橋梁，操作者使用人機輸入信息，控製器使用人機輸出狀（zhuàng）態、信息等。“Program”為加工程序，客製的 MACRO 要經過核心（xīn）解（jiě）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（kòng）係（xì）統是現在市場占有率比較高的數控係統，他們（men）的數控係統具（jù）有一定的封閉性，屬（shǔ）於專用性的（de）體係結構，在實際生產應用中，相關（guān）的軟硬件結（jié）構均由各自的廠家單獨設計製造，數控（kòng）係統的通用性、兼容性不強[43]。數控加工時，機床操作人員按照自己的經驗將加工程序中的過程參數設定（dìng）為固定值，具體的編程工作利用手工方式或自動編程（chéng）的方式完成，雖然這（zhè）種數控係統具（jù）有技術成熟、結構（gòu）簡單的優點，但是這種數控係統不能夠及時地與計算機輔助製造（zào）技（jì）術相（xiàng）融合，隨著現代（dài）製造業的飛（fēi）速發展，信息化以及敏捷製造（zào）模式越來越（yuè）明顯地體現在現代製造業中，該（gāi）型數控係統的缺（quē）陷越來越明顯（xiǎn）[44]。
控製係統的封閉性以及專一性與多樣化的市場需求之間的矛盾可（kě）以通過開放式數控係統來解（jiě）決。開放式的數控係統在適應市場變化的過程（chéng）中表現出形式靈活、價格低、結構緊湊的優勢，並具有很強的二次（cì）開發（fā）性和適應性，表現出良好的性價比優勢。隨著 CNC 技（jì）術的發展，具有可移植、可伸縮、可重構、可（kě）擴展性等優良特性的開放式數控係統越來越得到技術人員的重視和認可。開放式數控係統允許操作人員（yuán）在保留（liú）原軟硬件的基礎上（shàng），根據自己的需要將傳感器集成在控製器中，對數控係統（tǒng）進行修改和配置，最終使數控係統能夠完成（chéng）加工過程的控製和監視。
1980 年之後，開放（fàng）式數控係統的研究正式提上（shàng）日程。IEEE 認為（wéi）開放式數控係統能夠完美地（dì）在不同的平台上運行，兼容性（xìng）較好，能夠與其（qí）它（tā）應用係統相互操作，並（bìng）且可以提供統（tǒng）一的用戶交互風格，具（jù）備可移植性（xìng）、可互換性、可擴（kuò）展性、可伸縮性等特點[45-48]。根據開放（fàng）式數控的定義（yì），這種類型的數控係統首（shǒu）先應（yīng）該允許（xǔ）終端用戶對數控係統進行模塊替換、模（mó）塊添加、模塊重構等操作[49]；然（rán）後該類數（shù）控係統還應該能夠完美地按照技術人員定義的控製（zhì）策略運（yùn）行，能夠補償三維空間誤差；其次，該型係統允許機床按照某一速度運（yùn）行的（de）同時，能夠實時地接（jiē）收來（lái）自伺服係統的數據；開放式的係（xì）統構架能夠按（àn）照加工的需要（yào）將（jiāng）相關智能控製設備嵌入到控製器中（zhōng）；而且它能夠根（gēn）據（jù）過程控製策略，對進給速度、主軸轉速（sù）進（jìn）行智能修正。
3.3.3 開放式數控係統發展趨勢
數控係統的發展趨勢是以集成化、網（wǎng）絡化、智能（néng）化為特點（diǎn），應具有高（gāo）速、柔性化、高可靠性、高精度的特點。當前的（de）數控係統由於不能適應市場（chǎng）的（de）多樣化要求，不（bú）能很好地實現專業化和多樣（yàng）化的要求，其結（jié）構（gòu）的封閉性問題越來（lái）越突（tū）出。需要研究數控係統開（kāi）放性的體係結構，以期能夠實現數控設備的聯網、自動化、智能化、個性化、高柔性化（huà）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，同時借助計（jì）算機技術、通信技術、微電子技術的進一步開發，控製係統（tǒng）將具備反饋單元、數據采集和處理、執行單元、伺服驅動等功能，係（xì）統的整體性更強[50]。CNC 智能化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（gù）障智能診斷、刀具狀態（tài）監測、代碼生成技術、誤差（chà）補償與精度（dù）控製、CAD/CAM/CNC 一體化與加工參數（shù）優化等方麵是相關（guān）研究（jiū）的重點[51] 。
（2）高速（sù）、高精、高可靠性
開（kāi）放式數控係統的主軸轉（zhuǎn）速達 6000 轉/分鍾，進給速度達（dá） 60 米/分鍾，係統無故障時間可以達到三萬小（xiǎo）時[52]。發那（nà）科係統中的（de） AI 納米輪（lún）廓控製功能可以用於高精度、多坐標聯動、小程序段、高速加工中。該功能能夠減小由於伺服（fú）延時、進給速度增加以及（jí）加減速引起的位置滯後問題（tí），有利於減小輪（lún）廓的加工誤差。納米輪（lún）廓控製可以保證（zhèng）伺服機（jī）構接收到納米（mǐ）插補器的指令（lìng）信號是納米級的，工作台移動的平順性得益於該納米級的指（zhǐ）令信號，從而使工件的表麵質量和加工精度（dù）得到保證。
（3）網絡化
為了滿足全球製造、虛擬（nǐ）企業以（yǐ）及敏捷製造等新型生產（chǎn）形式的發展需要，同時順應企業生產中信息集成化的趨（qū）勢，數控設備逐漸走向網絡化。為了抓住數控係統（tǒng）網絡化的趨（qū）勢，近年來，幾家知名的（de）數控裝備公司對相關技（jì）術進行了研究，並取得了一定的數（shù）控裝備成（chéng）果，日本馬紮克公司提出智能（néng）生產控製（zhì）中心的概念，德國（guó）西門（mén）子公司提出開放製造環境的項目等[53] 。
（4）柔性化（huà）、軟件化
不同的機床適應加工對象變化的能力是不同的，它的衡量指標就是柔性。機（jī）床的（de）柔性（xìng）包括硬件的柔性和軟（ruǎn）件的柔性。傳統生產設備的控製係統是機械（xiè）或剛性連（lián）接實現的，不能滿足加工對象多樣化的需要。而在可（kě）編程器件設計的硬件係統（tǒng）中，硬件功能（néng）的（de）改變可以通過調整相應的程序參數實現，從而增加了硬件係統的柔性。這個過程就（jiù）是硬件的部分功能（néng）由軟件來完成，實現硬件功能的軟件替換的過程，這樣可以降（jiàng）低硬件電路的複（fù）雜性，係統柔性得到加強。
為（wéi）了順（shùn）應開放式數控係統的發展趨勢，發揮開放式（shì）數（shù）控係（xì）統在現代數控加工中體現出來（lái）的優越性，新代科技有限公（gōng）司推出 SYNTEC-10B 數（shù）控係統，該型（xíng）數控係統同樣也具（jù）備良好的開放性，其開放式架構如圖 3.3 所示。
3.4 開放式 SYNTEC 加工性能
新代開放式數控係統（tǒng）通過和（hé） Win CE 係統配合可以達（dá）到每秒執（zhí）行 1000 個（gè）單元的速度，而且可以（yǐ）預解程序路徑，最多可以達到 2000 個單節（jiē）的破解量，因此可以使加工速度更為平（píng）順，並提（tí）供自動（dòng）轉角減速及圓弧速度抑製功能，以確保（bǎo）工（gōng）件精度，確（què）保了SYNTEC-10B 數（shù）控係統具有高速高精的加工性能。
因受限於機台狀況，即使驅動器的（de）位置回路增益調整至最佳數值，在實際（jì）加工上仍會產生伺（sì）服落後（hòu）的問題（tí），此狀況尤以在高（gāo）速加工時特別嚴重；因此針對伺服路後造成工件尺寸內縮（suō），而開發出（chū）此精度補償（cháng）功能，確保了 SYNTEC-10B 數控係統在保持（chí）精度的同時還具有較好（hǎo）的平順性（xìng）。
模（mó）具加工中（zhōng）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致使（shǐ）加工路徑（jìng）不合理的單節程（chéng）序語（yǔ）句，SYNTEC-10B 數控係統提供路徑平滑功能（néng），將軟件產生的加工路徑平滑化，用以提高加工表麵的光潔度（dù）、加工效率與機台穩定度。
CAD/CAM 軟件生成的（de）線性刀具軌跡是（shì）非連續性，對（duì）於（yú）加工速（sù）度、表麵狀況、機台穩定度皆會有一（yī）定的影響，尤其是在（zài）軟件中設定的加工精度以及公差不佳的情況下，此問題更（gèng）為嚴重；高精（jīng）度軌（guǐ）跡輪（lún）廓控製是（shì）利用合適的曲線將線性刀具軌跡擬合為連續軌跡，且（qiě）在（zài）加工速度的規劃上不再受（shòu）限於不聯（lián）係的單節，因而可以得到優良的加工品質，使 SYNTEC-10B 數控係（xì）統具有高精（jīng）軌跡（jì）輪廓控製的性能。
機床操作（zuò）者隻需做“精度優先”與（yǔ）“速度優先”的選擇，“路（lù）徑（jìng）貼合”與“高平（píng）滑性”的等級選擇，以（yǐ）及選擇 SPA 的開（kāi）啟與關閉即可控製加（jiā）工狀況，使得 SYNTEC-10B數（shù）控係統在高速高精度加工（gōng）中的參數（shù）控製更加簡化明了。
操作者將檔案放置於（yú）外部裝置（USB、網絡等），保持（chí）邊傳輸，邊加工的工作狀態，一方麵滿足大型檔案加（jiā）工的需求；另一方麵，操作者能夠在操作上免去了加工程序不斷傳檔的步驟，提高了加工效率。
3.5 控製麵板
操作麵板和控製（zhì）器麵板是機床操作人員與數控係統進行信息（xī）交互的直接窗口。項目中采用的新代 10B 控製器（qì）與 SK4-M 型的銑（xǐ）床麵板。新代 10B 係列的控製器采用（yòng）先進的開放式架構技術，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（zhì）器在多軸運動控（kòng）製中各種命令的傳輸時間差（chà）與脈波時序問題，以達（dá）到（dào）良好的同步控製並兼顧即（jí）時性；同時更加精簡（jiǎn）配線，提（tí）升擴充性以及減少繁雜信號的幹擾。10B 控製器采用的是內置嵌入式工業電腦，配（pèi）置（zhì） 10.4 寸（cùn）液晶顯示器，結合伺服軸、手輪軸、主軸、內（nèi）建 PLC 及 USB 接口的 CF Card 讀取裝置。
圖 3.3 新代 SYNTEC-10B 數控係統開放式架構框圖
該型控製器可以（yǐ）實現 8 軸伺服控製，具（jù）有手輪專（zhuān）用軸，配置有一組 12BIT D/A 輸（shū）出接口，而且該控製器可以外接兩個（gè） I/O 模塊（最多可達 128 點輸入/128 輸出點（diǎn））。控（kòng）製器構建的 USB 接口 CF CARD 卡片閱讀（dú）機具有動態熱（rè）插入功能。配備（bèi）有 128MB的 RAM，可以實現 RS-232、RS422 以及 RS485 的網絡通訊。新代 10B 控製器具有低價格、高性能、結構簡單、易於使用、可靠性高的特點。圖 3.4 與圖 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（miàn）板正麵圖
圖 3.5 新代 10B 控製器（qì）麵板（bǎn）背部圖
新代 SK4-M 型的銑床麵板是機械（xiè）式按鍵麵板，具有防（fáng）油（yóu）汙，耐腐蝕的（de）特點，結合新代標準型鍵盤，使我們獲得便（biàn）捷的操作環境。圖 3.6 與圖 3.7 是新代 SK4-M 型銑（xǐ）床麵板的正麵圖與（yǔ）背（bèi）部（bù）圖。該型（xíng）麵板是基於（yú）新代標（biāo）準鍵盤而設計（jì），具有三組旋鈕（niǔ）式開關輸入，獨立的 Input 點允許應用人員用來自行規劃。
圖 3.6 新代 SK4-M 型（xíng）銑床麵板正麵圖
圖 3.7 新代 SK4-M 型銑床（chuáng）麵板背部圖
區域①是快捷鍵功能區，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。其中的翻頁鍵用於對當前（qián）多於一頁的程序界麵進行翻頁操作（zuò），以便操（cāo）作（zuò）者瀏覽多個程序（xù）和界麵，進行相關的編輯和查看操作。 區域②是（shì）程序代（dài）碼編輯區域，負責數（shù）控編程（chéng）中相關字符的修改編輯。其中包括（kuò） 26個字母鍵組成的字母分區、10 個數（shù）字鍵組成的（de）數（shù）字（zì）分區、遊標移動鍵分區、刪除鍵、換（huàn）擋鍵、插入（rù）鍵等。數字鍵與字母鍵在指令位置和資料輸入過（guò）程中發揮作用。遊標移動按（àn）鍵用於對屏幕編輯區的光標進行相關移動操作（zuò），對其進行精確快速定位，提高編程效率。換擋鍵用於切換按鍵的（de）第二（èr）層功能。刪（shān）除鍵用（yòng）於程序編輯中消除誤輸入的詞句程序段。 區域③是輔（fǔ）助功能區。其中包括切削（xuē）液開關、工作燈（dēng）開關（guān）、加工吹氣開關、排屑機正反轉、主軸正反轉控製、主軸轉速切換、刀庫正（zhèng）反轉等輔助功能。 區域④是方向鍵區。手動控製（zhì）軸向移動，通過按鍵的組合可（kě）以達到快速移（yí）動的目的，其中包括 X、Y、Z 三個軸的正向和負向移動（dòng）。 區域⑤是操作模式區，其中包括原點模式、MPG 寸動模式、自動加工模式、手動寸動模式（shì）、單節執行（háng）、選擇停止等模式。 區域（yù）⑥是開關機分區。其中包括機床上電與（yǔ）斷電按鍵，程序（xù）的啟動與停止按鍵以及（jí）轉（zhuǎn）速的倍率選擇旋鈕、急停按鈕（niǔ）等。該分區的功（gōng）能主要是機床的啟動和停止，控（kòng）製（zhì）加工程序的（de）動作等。在操作失誤（wù）以及（jí）出現安全隱患時，緊急停止按鈕能夠切斷所有的機電控製；這種情況下，控製器處於供電狀態，其他諸如伺服、加工液、主軸等（děng）重電都被切斷，最終達（dá）到保護工作人員（yuán）以及機械設備的目的。
3.6 本章小結（jié）
本章對新代 SYNTEC 數控係統進行了整體性的描述，論述了新代數控係（xì）統二次開發所利用（yòng）的模擬仿真軟件的功能，對軟件安（ān）裝（zhuāng）過程中的特殊要求進行（háng）了特（tè）別說明，保證了課題研究的軟件基礎。對新代 10B 控製器的架構（gòu）進行了歸納總（zǒng）結，通過對開放式數控係統的分析，總結了新（xīn）代開放（fàng）式係統的性能優（yōu）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接影響到（dào）數控係統的人機交互性。
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