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圖形（xíng）化（huà）三軸數控（kòng）加工係統設計

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

摘要: 針對數控係統中，低成本以及操作（zuò）簡（jiǎn）易的需（xū）求，研發了一種基於 HMI+機（jī）器控製器的數控加工係統。該加工係統通過在機器控製器內預編（biān）常（cháng）見零件加工程序，並調用（yòng）在人機界麵上組態（tài）的零件圖形結合輸入相關的加工參數，實現對特定類型零件或者零件的特定部（bù）位數控加工。另外，該係統可以（yǐ）根據（jù）實際需要設置不同的零件加工參數（shù），隻（zhī）需一次編程，就能加（jiā）工（gōng）出多個結構相（xiàng）似的零（líng）件，解（jiě）決了傳統的數控係統加工前必須進行 G 代碼（mǎ）生成或（huò）者手工（gōng）編（biān）程的問題。表明該係統具有（yǒu）較強可操（cāo）作（zuò）性和較高的實用價值。

關鍵詞: 界麵（miàn）組態; 機器控（kòng）製（zhì）器; 零件圖庫; 運動程序

0 前言（yán）

1952 年美國成（chéng）功試製（zhì）了第一台三軸數（shù）控（kòng）機床，數控係統經過 60 多年的深入研究，其可靠性、實用性和（hé）靈活性都得到了不斷改善。隨著（zhe）伺服技術和檢測技術的飛速發展，數（shù）控機床的加工精（jīng）度（dù）也在不（bú）斷提高［1］。目前（qián），國內外主要的數控係（xì）統有德國（guó） SIE-MENS 公司 SINUMEＲIK 係列，日本 FANOC，大連（lián）數控和廣州數控等。

這些係統大多（duō）采用全閉環控製或者半閉環控製技術，在控製精度、可（kě）靠性、操作方便性方麵日趨成熟，已開發並製造了一係列用途廣功能強大的數控加工設（shè）備，得到了（le）廣泛應用。但是，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，操作人員需要具備一定（dìng）的機械加工知識，並且操作人員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，難以對係統進行二次開發。

最關（guān）鍵的是數控（kòng）係統價格昂貴（guì），維護費用高，導致機械技術人（rén）員接觸少，無力（lì）購買。文中（zhōng）將傳統機械加工工藝與現代數字運動控製技（jì）術相結合。采用維倫通 MT8101i E 人機界麵與安川（chuān）MP2310 運動控製器相結合，創新研發了一個（gè）用（yòng）於（yú）機床機械加工的經濟型（xíng）源代碼完全可以修改、重新配置的開放（fàng）式數控係統。

本文作（zuò）者以該係統（tǒng）的開發為（wéi）例，基於安川運動控製器專（zhuān）用運（yùn）動控製語言，分析構建 “HMI+機器控製器”數（shù）控係（xì）統的一些關鍵（jiàn）技術及實現方法。

1、數控加工係統（tǒng）構建

1. 1 係統概述

圖（tú）形化三軸數控加工（gōng）係統主要由（yóu） HMI+機器控製器組成，再配有 PC 機、輔助操作裝置、伺服驅動器、交流（liú）伺（sì）服電機、編碼（mǎ）器和限位開（kāi）關等組成一個模塊化數（shù）控係統（tǒng）。係統硬件結構組成框圖如圖 1所示。

圖 1 數控係統硬件（jiàn）結構組成框圖

PC 機內置有 CAM 作圖（tú）軟件、Easy Builder 組態軟件及 MPE720 程序（xù）開發軟件，通過 Ethernet 網絡實現人機界麵圖庫信息與機器控製器內運動程序信息互換。輔助操作麵板作用是（shì）調節各運動軸伺服電機的正向（xiàng）或反向運動，點動或步進運動，便於零件加工前的快速（sù）分中（zhōng）對刀操作。

利用操作麵板上的按鈕發出脈衝信號控製伺服電機運動，代替了傳統數控機床的手輪，簡化係統（tǒng）編程，也節約了（le）設備製造（zào）的成本。機器控（kòng）製器為係統的核心部件，采（cǎi）用安川 MP2310 運（yùn）動控製器，通過 hECHATＲOLINK-Ⅱ通（tōng）信協議對伺服驅動器發（fā）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（děng）操作任務。MP2310 控製器最多支持16 軸（zhóu）插補，其專用的運動語言可以進（jìn）行（háng）循環、跳（tiào）轉、條件分支、選擇執行和並列執行等控製命令編（biān）程。

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

表 1 係統（tǒng）硬件（jiàn）配置

1. 2 硬件電路（lù）設計

三（sān）軸數控加工係統硬件電路圖如（rú）圖 2 所示。係統（tǒng）X、Y、Z 和主軸電機控製采用 YASKAWA 公司生產的∑-V 係列中容量、中慣量交流伺服電機，分別（bié）配以 MECHATＲOLINK-Ⅱ通信指令型伺服控製單。通（tōng）信（xìn）指令型伺服控製器除了可以進（jìn）行速度、轉矩和位控製，還可實現（xiàn）高精度的同步相位運動控（kòng）製。各運動軸伺服控製單（dān）元通過（guò） MECHATＲOLINK-Ⅱ網（wǎng）絡連接，可（kě）以（yǐ）實時（shí）快速收發（fā）各種控（kòng）製（zhì）信息（xī）。

伺服控製器I / O 端（duān）口 POT、NOT 和 DEC 引腳分別接入組合（hé）開關，接收運動平（píng）台限位、原點複歸等（děng）開關量信號。伺服單（dān）元主回路為交流 220 V 輸入（rù），並且在主電路設計安裝過、

浪湧抑製和噪聲濾波等（děng）保（bǎo）護裝置。另外，控（kòng）製電路中設（shè）計了異常情況緊急停止（zhǐ）運行電路（lù），具體工（gōng）作原理如下（xià）: ALM－端口為低電平，繼電器 KA1 得電（diàn）閉合，從而接觸器 KM2 閉合，係統正常工作。

當任意運動軸伺服（fú）控製器出現異常時，ALM +端口為高電平，此時繼電器 KA1 失電釋（shì）放（fàng），從而接觸器 KM2 切斷（duàn）控製器主電路，實現（xiàn）電機的緊急停止，同時觸發聲光報（bào）警裝置（zhì）。

按（àn）下按鈕 SB2 則可以解除當前報（bào）警。

圖 2 三軸數控加工係統硬件電路圖

2、軟件設計

圖形化三（sān）軸數控加工係統（tǒng）采用 “HMI+機（jī）器控製器” 為平台，選用維倫（lún）通 Easy Builder 和安川MPE720 作為軟件開發工具。對係統進行 PLC 程序設計、人（rén）機界麵設計和運動程序設計。軟件設計流程圖如（rú）圖 3 所（suǒ）示（shì）。

圖 3 軟件設計流程（chéng）圖

2. 1 數控加（jiā）工係統主界麵（miàn）設計

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

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（sì）大功。

( 1) 界麵操作功能: 利（lì）用組態軟件（jiàn）編程，將傳（chuán）統數（shù）控操作麵板虛擬化，實現對係（xì）統伺服的啟動 /停止，數控係統的操作模式選擇，各運動軸的點動、步進、連續（xù）運行，實現（xiàn）精準分中對刀操作（zuò），代（dài）替（tì）傳統數控機床使用手輪進行分中對刀的功能。

( 2) 實時信息顯示（shì）功能: 主（zhǔ）要包括屏幕的操（cāo）作信息、狀態信息、係統（tǒng）故障報警信息和各軸坐標（biāo）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（miàn）、換刀界麵、螺紋加工界麵、幫助信息界麵、機床參數界麵、零件圖庫界麵和加工圖形界麵。

( 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（de）相關參數（shù）和工作狀態。

例如機床（chuáng）的主軸轉速、進給速度、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。

2. 2 圖（tú）庫管理界（jiè）麵設計

人機界麵和機器（qì）控製器作為（wéi）係統中的主控（kòng）元（yuán）件，在（zài）人機界麵內（nèi）組態（tài）出零件圖庫，零件圖庫中預先保存有各種常見的零件加工信息，包括零件尺寸（cùn）信息、進（jìn）刀量刀具信息（xī）等。確定零件的加（jiā）工工藝方案後，在（zài）零件圖庫中尋找相應的圖形零件，圖（tú）形零件符合加工圖（tú）樣要求，設置相應（yīng）的加工參數。如果圖庫中沒有（yǒu）加工（gōng）圖樣（yàng）的（de）零件，則需要通過使用（yòng） PC 機內置有 CAM 作圖（tú）軟件、Easy Builder 組（zǔ）態軟件及 MPE720 運動（dòng）程序（xù）編（biān）程軟件（jiàn），編寫（xiě）加工程序，並生成新的零件圖形（xíng）。

為防止因參數設置不當而可能出現走刀軌跡錯（cuò）誤，在啟動加工前需（xū）要進行加工幹（gàn）涉檢查，隻有（yǒu）在幹（gàn）涉檢查通過才能啟動程序進行加工。零件（jiàn）圖庫管理流程（chéng）圖如圖5 所示。

圖 5 圖庫（kù）管理流程圖

在正確設置待加工（gōng）零（líng）件的尺寸信息（xī）和加工參（cān）數（shù）信息（xī），係統檢查通過後，即可（kě）在零件圖（tú）庫中調出待（dài）零（líng）件圖。零件圖設計界麵如圖 6 所示。

圖 6 待（dài）加工零件圖界麵（miàn）

2. 3 圖形化三軸數控加工係統軟件編程

MP2300 係列機器控（kòng）製器包括梯形圖程序和運動程序兩種程序方式（shì），通過組合這（zhè）兩種程序方式進行運動控。圖形（xíng）化三軸數控加工係統運動程序編程分為（wéi）切削加工（gōng）編程和螺紋加工編程兩種。

2. 3. 1 切削加工

平麵 ( 圓弧麵) 加工首先（xiān）需要進行參數設置檢查（chá），通過比較零件尺寸參數（shù）寄存器（qì）與加工參數寄存器中的數值大小，確（què）定進行自動加工的初始條件。當輸入零件（jiàn）尺寸參數小於加工參數時，係（xì）統狀態信息（xī）顯示報警，係統無法啟動加工，這（zhè）樣能（néng）有效避免誤操作引起（qǐ）錯誤走刀。切（qiē）削加工算法流程圖如圖 7 所示（shì）。

圖 7 切削加工（gōng）算法流程圖

零件（jiàn）的尺（chǐ）寸（cùn）值、加工進刀量和刀具直徑等數（shù）據均放在程序中指定的寄存（cún）器裏（lǐ），係統執行時直接讀取寄存（cún）器中的數據（jù），通過（guò）這（zhè）種方法，並且利用 MPE720 程序開發語言如循環、跳轉（zhuǎn）、條件分（fèn）支、並列執行、選（xuǎn）擇執行和分支等控製命（mìng）令編程，實現複雜的運動軌跡編程。限（xiàn）於（yú）篇幅，以下（xià）列出幾條編程語句，利用圓弧插補（bǔ）命（mìng）令，實現圓弧麵切削加工任務。

加工之前，隻（zhī）需在對應的（de）寄（jì）存器內輸入（rù）相關參數，通過調（diào）用程序塊即可實現加工，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，設置了手動加工和自動加工兩種螺紋加工模式。螺紋加工操作界麵如圖8 所（suǒ）示。

圖 8 螺紋加工操作界麵

通過對 Z 軸和主軸進行插補，實現螺紋加工，主要編程程序語句如（rú）下:

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

3 、結論

基於 HMI 與機（jī）器控製（zhì）器的三軸數控加工係統，通過調用人機界麵上的零件圖形，設置加工參數，即可對待加工毛坯件進（jìn）行分中對刀操作，自（zì）動加工出（chū）目標零件。解決了那些沒（méi）有經過嚴格的數控專（zhuān）業培訓，不具備 Pro/E、UG、Mastercam 等圖形處理（lǐ）能力的人員使用數控設備進行加（jiā）工的瓶頸問題，具有較強可（kě）操作（zuò）性和較高的實用價值。

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