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圖形化三（sān）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（zhě）：林國勇徐剛（gāng）

摘要: 針對數（shù）控係統中，低成本以及操作（zuò）簡易的需求，研（yán）發了一種基於 HMI+機器控製器的數控加工（gōng）係統。該加工係統（tǒng）通過在機器控製器內預編常見零件加工程序，並調用在人機界麵上組態的零件圖形結合輸入相關的加工參數，實現對特定類型零件或（huò）者（zhě）零件的特定部位數控加工。另外（wài），該係統（tǒng）可以根據實際需要設置（zhì）不同的（de）零件加（jiā）工參數，隻需一次編程，就能加工出多個（gè）結構相似（sì）的零件，解決（jué）了傳統的數控係統加工前（qián）必須進行 G 代碼生成或者手工編程的問題。表明該係統具有較強可操作性和較高的實用價值。

關鍵詞（cí）: 界麵組態; 機（jī）器控製器; 零件圖庫; 運動程序

0 前言

1952 年美國（guó）成功試製了第一台三軸數（shù）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了（le）不斷改善。隨著（zhe）伺服技術和檢測技術的飛速發展，數（shù）控機床的加工精度也在不斷提高［1］。目（mù）前，國內外主要的數控係統有德國 SIE-MENS 公司 SINUMEＲIK 係列，日本 FANOC，大連數控和廣州（zhōu）數控等。

這些係統（tǒng）大多采用全閉環控製或（huò）者半閉環控（kòng）製技術，在控（kòng）製（zhì）精度、可靠性、操（cāo）作方便性方麵日趨成熟，已（yǐ）開發並製造了一係列（liè）用途廣（guǎng）功能強大的數控加工設備，得到了廣（guǎng）泛應用。但是（shì），在目（mù）前使用廣泛的（de）數控機床加工設備中，數控係統比較複雜，操作人（rén）員需要具（jù）備一定的機械（xiè）加工知識（shí），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（yuán）代碼開發程（chéng）度不高，難（nán）以對係統進行二次（cì）開發。

最關鍵的是數控係（xì）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（mǎi）。文中（zhōng）將傳統機（jī）械加工工藝與現代數字運動控製技術相結合。采用維倫通 MT8101i E 人（rén）機界麵（miàn）與安川MP2310 運（yùn）動控（kòng）製器相結合，創新（xīn）研發了一個用於機床機械加工的經濟型源代碼完全可（kě）以修改（gǎi）、重新配置的開放式數控係統。

本文作者以該係統的開發為例，基於安川運動控製器專（zhuān）用運動控製（zhì）語言，分析構建 “HMI+機器控製器”數控係統的一些關（guān）鍵技術及實現方法。

1、數控加（jiā）工係（xì）統構建

1. 1 係統概述

圖形化三軸數控加工係統（tǒng）主要（yào）由 HMI+機器控製器組成，再配有 PC 機、輔助操作裝置、伺服驅動器（qì）、交流伺服電機、編碼器和限位開關等組成（chéng）一個模塊化數控係統。係統硬件結構（gòu）組成框圖如圖 1所示。

圖 1 數控係統（tǒng）硬件結構組成框圖

PC 機內置有 CAM 作圖軟（ruǎn）件、Easy Builder 組態軟件及 MPE720 程序開發軟件，通過 Ethernet 網絡實現人機界麵圖庫信息與機器控製器內（nèi）運動程序信息互換。輔助操（cāo）作麵板作用是調節各運動（dòng）軸伺服（fú）電機的正向或（huò）反（fǎn）向運動，點動或（huò）步進運動（dòng），便於零件加工前的快速分中對刀操作（zuò）。

利用操作麵板上的按鈕發出脈衝信號控製（zhì）伺服電機運動，代替了傳統數控機床（chuáng）的手輪，簡化係統編程，也節約了設備製造（zào）的成本。機器控製器為（wéi）係統的核（hé）心部件，采用安川（chuān） MP2310 運動控（kòng）製器，通過 hECHATＲOLINK-Ⅱ通信協議對伺服（fú）驅動（dòng）器發送指令，實現順控（kòng）、運動控（kòng）製、數據設定、狀（zhuàng）態監視（shì）和參數調試等操作任務。MP2310 控製器最多（duō）支持16 軸插補，其專用（yòng）的運動語言可（kě）以進行循環、跳轉、條件分支（zhī）、選擇執行和並列（liè）執行等控製命令編程。

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

表 1 係統硬件配（pèi）置

1. 2 硬件電路（lù）設計

三軸數控加工係統硬件電路圖如圖 2 所示。係統X、Y、Z 和（hé）主軸電機（jī）控製采用 YASKAWA 公司生產的∑-V 係列中容量（liàng）、中（zhōng）慣量交流伺服電機，分別配以 MECHATＲOLINK-Ⅱ通（tōng）信指令型伺（sì）服控製單。通信指令型（xíng）伺服控製器除了可以進行速度、轉矩和位控製，還可實（shí）現高精度的同步相位（wèi）運動控製。各運動軸伺服控製單（dān）元通過 MECHATＲOLINK-Ⅱ網絡（luò）連接（jiē），可以實時快速收發各種控製信息（xī）。

伺服（fú）控製器（qì）I / O 端口 POT、NOT 和 DEC 引腳分別接入組合開關，接收運動平台限位、原點複歸等開（kāi）關量信號。伺服單元主回路為交流 220 V 輸入，並且在主電路設（shè）計安（ān）裝過、

浪湧抑製和噪聲濾波等保護裝置。另外，控製電路中設計了異常情況緊急停止運行電路，具體工（gōng）作原理如下: ALM－端口為低電平，繼電器 KA1 得（dé）電閉合（hé），從而接（jiē）觸（chù）器 KM2 閉合，係統（tǒng）正常（cháng）工作。

當任意運動軸伺服控製器出現異常時，ALM +端（duān）口為高電平，此（cǐ）時繼電器 KA1 失電釋放，從（cóng）而接觸（chù）器 KM2 切斷（duàn）控製器主電（diàn）路，實現電機的緊急停止，同時觸發聲光報警裝置。

按下按鈕 SB2 則可以解除當前報警（jǐng）。

圖 2 三軸數控加工係統硬件電路圖

2、軟件設計

圖形化（huà）三軸數控加（jiā）工係統采（cǎi）用 “HMI+機器控製器” 為平台，選用維倫通 Easy Builder 和安川（chuān）MPE720 作為軟件開發工具。對（duì）係統進行 PLC 程序設計、人（rén）機界麵設計和運動（dòng）程序設計。軟件設計流程圖如圖 3 所（suǒ）示（shì）。

圖 3 軟件設計流程圖

2. 1 數控加工係統主界麵設計

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

圖 4 上位機係統主界麵

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

( 1) 界麵操作功能: 利用組態軟件編程，將傳統數控操作麵板虛擬化，實現對係統伺服的啟動 /停止，數控係統的操作模式選擇，各運動軸的點動（dòng）、步進、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（jìn）行分中對刀的功能。

( 2) 實時信息顯示功能: 主要包括（kuò）屏（píng）幕的操作信息、狀態信（xìn）息、係（xì）統故（gù）障報警信（xìn）息和各（gè）軸坐標信息（xī）等的顯示（shì）功能。

( 3) 窗口界麵管理功能: 主（zhǔ）要包括零件的分中（zhōng）界麵、換刀界麵、螺紋加工界麵、幫助信息界麵、機（jī）床參數界麵、零件圖（tú）庫界麵和加工圖形界麵。

( 4) 參數設置功能: 在進（jìn）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（jī）床的主軸（zhóu）轉速、進給速度、刀具直（zhí）徑、毛坯件的分中坐標、圖庫（kù）零件的目標尺寸和加工進刀量等參數設置。

2. 2 圖庫管理界麵設計

人機界麵和機器控（kòng）製器作為係統中的主控元（yuán）件，在（zài）人機界麵內組態出零件圖庫，零件圖庫中預先（xiān）保存有各種常見的零件加工信息（xī），包（bāo）括零件尺寸信息、進刀量刀（dāo）具信息等（děng）。確定零件的加工工藝方案後，在零件（jiàn）圖庫中尋找相應（yīng）的圖形零件，圖形零件符合加工圖樣要求，設置相應的加工（gōng）參數。如果圖庫中沒有加工圖樣的零件，則需要通（tōng）過（guò）使用（yòng） PC 機內置有 CAM 作圖軟（ruǎn）件、Easy Builder 組態軟件及 MPE720 運動程序編程軟件，編寫加工程序，並生（shēng）成新的零件圖形。

為防止因參數（shù）設置不當而可能出現走刀軌跡錯誤（wù），在啟動加工前需要進行加工幹涉檢查，隻有在（zài）幹涉檢查通過才能啟動程序（xù）進行加工。零件圖庫管理流程圖如圖5 所示。

圖 5 圖庫管（guǎn）理流程圖（tú）

在正確設置待加工零（líng）件的尺寸（cùn）信息和加工參數信息，係統檢查通（tōng）過後，即可在零件（jiàn）圖庫中調出待零件圖。零件圖設計界（jiè）麵如圖 6 所示。

圖 6 待加工（gōng）零件圖界麵

2. 3 圖形化三軸數控加工（gōng）係統軟件編程

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

2. 3. 1 切削加工

平麵 ( 圓弧（hú）麵) 加工首先需要進（jìn）行參數設置檢查，通過比較零件尺寸參數寄存器與加工參數（shù）寄存器中的數值大小，確定進（jìn）行自動（dòng）加工的初始（shǐ）條件。當輸入零（líng）件（jiàn）尺寸參數小於加工參數時，係統狀態信息顯示（shì）報警，係統（tǒng）無法啟動（dòng）加工，這樣能有效避免誤操作引起錯誤走刀。切削加工算法流（liú）程圖如圖 7 所示。

圖 7 切削加工算法流程圖

零件的尺寸值、加工進刀量和刀具直徑（jìng）等數據均放在程序中指定的寄存（cún）器裏，係統執行時直接讀（dú）取寄（jì）存（cún）器中的數據，通（tōng）過這（zhè）種（zhǒng）方法，並且利用 MPE720 程序開發語言如循環、跳轉、條件分支、並列執行、選（xuǎn）擇執行和分支等（děng）控製命令編程，實現複（fù）雜的運動軌跡（jì）編程。限於（yú）篇幅，以下列出幾條（tiáo）編（biān）程語句，利用圓弧插補命令，實現圓弧（hú）麵切削加工任務。

加工之前，隻需在對應（yīng）的寄存器內輸入（rù）相關參數，通過調用程（chéng）序塊即（jí）可實現加工，使得編程簡單、靈活

。

2. 3. 2 螺紋（wén）加工

為使設備操作更具有實（shí）用性，設置了手動加工和自（zì）動加工兩（liǎng）種螺紋加工模式。螺紋加工（gōng）操作界麵如圖8 所示。

圖 8 螺（luó）紋加工操作界麵

通過對 Z 軸（zhóu）和主（zhǔ）軸進行插補，實現螺紋加工，主要編程程序語句如下:

係統處在螺紋加工模式（shì）下，主軸的點動、步進等（děng）功能被（bèi）限製，以確保係統（tǒng）的安全性。

3 、結論

基於 HMI 與（yǔ）機器控（kòng）製器的三軸（zhóu）數控加工係統，通過調用人機界麵上的（de）零件圖形，設置（zhì）加工參（cān）數，即可對（duì）待（dài）加工毛坯件進行分中對（duì）刀操作，自動加工（gōng）出目標零件。解決了那（nà）些沒有經（jīng）過嚴格的數控專業培訓，不具備 Pro/E、UG、Mastercam 等圖形（xíng）處理能（néng）力的人員使用數控設備進行加工的（de）瓶頸問題，具（jù）有較強可操作性（xìng）和較高的實用價值。

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