基於SYNTEC的螺旋錐齒輪加工機床數控（kòng）係統開發 （中）
2017-1-3 來源：沈陽工業大學 作者：張西棟（dòng）
第 3 章 新代 SYNTEC 數控係統（tǒng）
新代 SYNTEC-10B 數控係（xì）統（tǒng）作為台灣（wān）新代科技股份有限公司開發的具有良好性價比的數控產品，具有很高的市場競爭力，它具有開放式的（de）架構，能夠（gòu）滿（mǎn）足用戶的個性化客製要求，標準便（biàn）捷的控（kòng）製麵板是人機交互的基（jī）礎（chǔ）。
3.1 SYNTEC 數（shù）控係統概述
齒輪在機械行業中占有舉足輕重的地位，是機械工業的基礎件[30]。在相交軸傳動的場合，弧齒錐齒輪具有明顯有點，例如承載能力（lì）高、傳動效率高、對安（ān）裝（zhuāng）誤差的敏感性小以（yǐ）及傳動平穩等。鑒於該型齒輪優越的性能，它的數控加工越（yuè）來越得到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複雜，而且編程（chéng）語言抽（chōu）象（xiàng）；所以為了滿足不同規格螺旋（xuán）錐齒輪的數控加工要求，需要對其進（jìn）行的參數化編（biān）程，而參數化編程的思想是以友好的參數化輸入界麵—人機界（jiè）麵（miàn）（Human Machine InterfaceHMI）為基（jī）礎（chǔ）的。用戶與（yǔ）機（jī）床之間的信息傳遞是通過人機界麵來完成的，人機界麵是互相傳遞信息的媒介，它可以（yǐ）實現信息的（de）輸入和輸（shū）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（shèn）至（zhì）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（xì）統的開（kāi）發中同樣占有舉足輕重的位置。 新代科技股份有限公司（sī）成立於 1995 ，是一家專（zhuān）業的 PC based 控製器廠商，長期從事於機床（chuáng）控製器的軟件及硬件技術研發，並致（zhì）力於拓展兩岸市場，目前已（yǐ）成（chéng）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（xīn）代專注於數控（kòng）領（lǐng）域，產品涵蓋車銑床控製器與產業機械控製器，以高度的（de）技術創（chuàng）新、加值型應用以及完（wán）善的售（shòu）後服務深得顧客信任；除機床控製器外，近年來（lái）將產品延伸至高端主（zhǔ）軸伺服方案、線性馬達以及直驅馬達等（děng）特色產（chǎn）品。為了順（shùn）應智慧自動化的趨勢，積極開發通用型的（de）自動化（huà）控製器（qì）及各類型機械手臂控製器（qì），能提供相關的整（zhěng）合加值產品，滿（mǎn）足各種生產線（xiàn）智能化及自動化（huà）的（de）需求。新代科技以“工業 4.0”作為新技術發展的（de）主（zhǔ）軸，積極在（zài）相關領域進行資源整合與布局。 我單位為了滿足螺旋錐齒輪數控（kòng）加（jiā）工機床的開發需要，引進了台灣新代科（kē）技股份有限公司研發的 SYNTEC-10B 數控（kòng）係統，該係統具有（yǒu）較高的性價（jià）比，良好的開放性，可以利用係統自帶軟件開發包，對螺旋錐齒輪數控加工所需的（de）各級參（cān）數輸入（rù）界麵進行相（xiàng）關客製，形成一（yī）個完備的界麵係統，為後期參數化編程工作打下良好基礎。
3.2 軟件工具
對新代數控係統的二次開發之前需要登錄新（xīn）代科技股份有限公司的官方網站（http://www.syntecclub.com.tw/），注冊一個用戶帳號，登錄到相關（guān）的“下載專區”欄目中，下載 win32 版本的相關客製仿真軟件、升級包，分別為：Windows Update 升級（jí）包、Lad Edit-2.13.0.msi、Macro Dev 軟件、銑（xǐ）床 Win32 軟件（jiàn）（數控銑床專用）。這四個軟件開發包是新代科技股份有限（xiàn）公司專（zhuān）門為自己的新代數控係統進行二次開（kāi）發而特定開（kāi）發的軟件（jiàn），這是對（duì）新代數控係統進行（háng）開發設計的軟件基（jī）礎。
軟件的安裝環境是通用型 PC 機，操作環境要求是 windows7/XP/2000，特別注意（yì）：四個軟件需要按照規（guī）定（dìng）順序依（yī）次安裝，否（fǒu）則會出現兼容性問題[40]。其中（zhōng）的 Windows Update 升級包（bāo）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（hé）一個軟件安裝環節（jiē）出現問題，就需要將之前安裝完畢的所有軟件都（dōu）卸載，清（qīng）理注冊表之後重新安裝，否則會出現安裝失敗或者安裝成功（gōng）卻無法運（yùn）行的情況。安裝完之後需要重啟（qǐ）計（jì）算機，然後開發客製軟（ruǎn）件即可在通用 PC 上運行了，操作環境為 windows2000/XP/7。
SYNTEC 係統相（xiàng）配（pèi）套的 e HMI 是一（yī）款可以幫助您更（gèng）直覺、更簡易編輯（jí）控製麵板人機接口（kǒu）的開（kāi）發工具（jù），仿真器安（ān）裝完畢之後，需要安裝該（gāi）客製軟件。在 e HMI 中通過直接（jiē）點選和表格（gé）輸入（rù）的方式，讓（ràng）用（yòng）戶免除繁雜的程（chéng）序編寫過程，取而代之的（de）是更簡易、更有效率、更人性化的操作接（jiē）口[41,42]。將 e HMI 開發軟件（jiàn）用於參數化編程中所需相關界麵（miàn）的客（kè）製工作（zuò），可以提高數控係統二次開發（fā）的效率，優化數控編程加工過程中的人機交互性。圖 3.1 是 e HMI 的客製設計界麵之一。
圖 3.1 e HMI 的客製設（shè）計界麵之一
3.3 新代數控係統開放式架（jià）構
3.3.1 新代 10B 控（kòng）製器架構
數控銑床上采用的是 10B 控製器，該（gāi）型控製器具有較好的（de）開放式接口架構，除了出廠設定的標準接口外，控製器另外提供全麵且方便的客製環境，讓電氣控製（zhì）的開（kāi）發（fā）人員可（kě）以利用客製工具進行相關的（de）客製工作，滿足客戶各式各樣的需求。圖 3.2 是新代數控係統控製器架構示意圖。
圖 3.2 新（xīn）代（dài）數控係統控製器架構示（shì）意（yì）圖
“核（hé）心”是控製器裏負責解譯程序、規（guī）劃運動方程路線、插值以及軸向移動等的部件。PLC 主要是負責主導狀態流程、鏈接外部裝置、與核心的雙向溝通（tōng）等工作。“人機”是操作者與控製器內部運作間的橋梁，操作者使用人機輸入信（xìn）息，控製器使用人（rén）機輸出狀態、信息等。“Program”為（wéi）加工（gōng）程序，客製的 MACRO 要經過核心解譯，成為機器（qì）能夠識別的 G 代碼（mǎ）。
3.3.2 開放式數控係統概述
FANUC 和 SIEMENS 數控係統是現在市（shì）場占有率比較高的數控係統（tǒng），他們的數控係統具有一定的封閉性，屬（shǔ）於專用性的體係結構，在實際生產應用中，相關的軟硬件結構均由各自的廠家單獨設計製（zhì）造，數控係統的通用性、兼容性不強[43]。數控加工時，機床操（cāo）作（zuò）人員按照自己的（de）經驗（yàn）將加工程序中的過程（chéng）參數設定（dìng）為固定值（zhí），具體的（de）編程（chéng）工作利用手工方式或自動編程的方式完成（chéng），雖然這種數控係統具有技術成（chéng）熟、結構簡單的優（yōu）點，但是這種數控係統不能夠及時地與計算機輔（fǔ）助製造技術相融合，隨著（zhe）現代製造業的飛速發展，信息化以及敏捷（jié）製造模式越來越（yuè）明顯地體現在現代製造業中，該型（xíng）數控係統的缺陷越來越明顯（xiǎn）[44]。
控製係統的封閉性以及專一性與多樣化的市（shì）場需求之間的矛盾（dùn）可以通過開放式數（shù）控係（xì）統來解決。開（kāi）放式的數控係（xì）統在（zài）適應市場變化的過（guò）程中表現出形式靈活、價（jià）格低、結構緊湊的優勢，並具有很強的二次開發（fā）性和適應（yīng）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（suō）、可重構、可擴展性等（děng）優良特性的開放（fàng）式（shì）數控（kòng）係統越來越得到技術人員的（de）重視和認（rèn）可。開放（fàng）式數控係統允許操作人員在保（bǎo）留原軟硬件的基礎上，根據（jù）自己的需（xū）要將（jiāng）傳感（gǎn）器集成在（zài）控製（zhì）器中，對數控係統進行修（xiū）改和配置，最終使（shǐ）數控係統能夠完成加工過程的（de）控製和監視（shì）。
1980 年之後（hòu），開放式數控係統的研究正式提上日程。IEEE 認為開放式（shì）數控係統能夠完美地（dì）在不同的平台（tái）上運行，兼容性較好，能夠與其它應用係統相互操作，並且可以提供統一的用戶交互風格，具備可移植性、可互換性（xìng）、可擴展性、可伸縮性等特（tè）點[45-48]。根據開放式數控的定義，這種（zhǒng）類型的數控係統首先應該允許終端用戶對數控係統進行模塊替換、模塊添加、模塊重構等（děng）操作[49]；然後該（gāi）類數控係（xì）統還應該能夠完美地按照（zhào）技術（shù）人員定義的（de）控製策略（luè）運行（háng），能夠補（bǔ）償三維空間誤差；其次，該型係統允許機（jī）床（chuáng）按照某一速（sù）度運行的同時，能夠實時地（dì）接收來自伺（sì）服係統的數據；開放式的係統構架能夠按照加工的需要將相關（guān）智能控製設備（bèi）嵌入到控製（zhì）器（qì）中；而且它能夠根據過（guò）程控製策略，對進給速度、主軸轉速（sù）進行智能修正。
3.3.3 開放式數控係（xì）統發展趨勢
數控係統的（de）發展趨勢是以集成化、網絡化、智能化為特點，應具有高速、柔性化（huà）、高可靠性、高精度的特（tè）點。當前的數控係統由（yóu）於不能適應市場的多（duō）樣化要求，不能很好地實現（xiàn）專業化和多樣化的要求，其結構的封閉性問題越來越突出。需要（yào）研究數控係（xì）統（tǒng）開放性的體係結構，以期（qī）能夠實現數（shù）控設備（bèi）的聯網、自動化（huà）、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（mó）塊向智能化、集成（chéng）化方向發展，同時借助計算機（jī）技術（shù）、通信技術、微（wēi）電子技術的進一步開發，控製（zhì）係統將具備反饋單（dān）元、數據采集（jí）和處理、執行單元、伺服驅動等功能，係統（tǒng）的整體性更強[50]。CNC 智（zhì）能化（huà）研（yán）究（jiū）的主要內容有智能化控製、自診斷以及智能化接口技術等（děng），機床故障智能診斷（duàn）、刀具狀態監測、代碼生成技術、誤差補（bǔ）償與精度控製、CAD/CAM/CNC 一體化與加工參數優化（huà）等方麵是相關研究的重（chóng）點[51] 。
（2）高速、高精、高可靠性
開放式數控係統的主軸轉速達 6000 轉/分鍾，進給速度達 60 米/分鍾，係統（tǒng）無故障時間可以達到三萬小時[52]。發那科係統中的 AI 納（nà）米輪廓控製功能可以用於高精度、多坐（zuò）標聯動、小程序段、高速加工中。該功能能夠減小由於伺服延時、進給速（sù）度（dù）增加以及加減速（sù）引起的位置滯後問題，有利於減小輪廓的加工誤差。納米輪廓控製可（kě）以保證伺服機構接收到納米（mǐ）插補器的指令信號是納米級的，工作台移動的（de）平順性得（dé）益於（yú）該納米級（jí）的指令信號，從而使工件的表麵質量和加工精度得到保證。
（3）網絡化
為了滿足全球製（zhì）造、虛擬企業以及敏捷製造等新型生產形式的發展需要，同時順（shùn）應企業生產中信息集成化的（de）趨勢，數（shù）控設（shè）備逐漸走向網絡化。為了抓住數控係統網絡化的趨勢，近年來，幾家知名的數控（kòng）裝備公司（sī）對相關技術進行了研（yán）究，並取得（dé）了一定的數（shù）控裝備成果，日本馬紮克公司提出（chū）智能生產控製中心的概念，德國西門子公司提出開放製造環境（jìng）的項目等（děng）[53] 。
（4）柔性化（huà）、軟件化
不同的機（jī）床適應加（jiā）工對象變化的能力是不同的，它的衡量指標就是柔（róu）性（xìng）。機床的柔性包括硬件的柔性和軟件的柔性。傳統生產設備（bèi）的控製係統是機械或剛（gāng）性連接實現的，不能滿足加（jiā）工對象多樣化的需要。而在可編程（chéng）器件設計的硬（yìng）件係統中，硬件功能的改變（biàn）可（kě）以通過（guò）調整相應的程序參數實現，從而增（zēng）加了硬件係統的柔性。這個過程就（jiù）是硬件的部分功能由軟件來（lái）完成，實（shí）現硬件功（gōng）能的軟件替（tì）換的過程，這樣可以降低硬件電路的複雜性，係統（tǒng）柔性得到加強（qiáng）。
為了順應開（kāi）放式數控係統的發展趨勢，發揮開放式數控係統在現代數控加工中體現出來的優越性，新代科技有限公司推出 SYNTEC-10B 數控係統，該型數控係（xì）統同樣（yàng）也具備良（liáng）好的開放性，其開（kāi）放式架（jià）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通過（guò）和 Win CE 係統配合可以（yǐ）達到每秒執行 1000 個單元（yuán）的（de）速度（dù），而且可以預解程序路徑，最多可以達到 2000 個單節的破解量，因此可以使加（jiā）工（gōng）速度更為平順，並提供（gòng）自動轉角減速（sù）及（jí）圓弧速度抑製功能，以確保（bǎo）工件精（jīng）度，確（què）保了SYNTEC-10B 數控係統具有高速高精的加（jiā）工性能。
因受限於機台狀況，即使驅動器的位置回路增益調整至最佳數值，在實際加工（gōng）上仍會產生伺服落後的問題，此狀況尤以在高速加（jiā）工時特別嚴重；因此針對（duì）伺服路後造成工件尺（chǐ）寸內縮，而開發出此精度補償（cháng）功能，確保了 SYNTEC-10B 數控係統在保持精度的同時還（hái）具有較好的平順性。
模具加工中多使用 CAD/CAM 軟（ruǎn）件自動生成加工程序，這樣生成的加工程序中存在致使加工路徑不合理（lǐ）的單節程（chéng）序語句，SYNTEC-10B 數控係統提供路徑平滑功能，將軟件產生的加工路徑平滑化，用以（yǐ）提高加工表麵的光潔度、加工效率與機台穩（wěn）定度。
CAD/CAM 軟件（jiàn）生成的線性刀（dāo）具軌跡是非連（lián）續性，對於加工速度、表麵（miàn）狀況、機台穩定度皆會有一定（dìng）的影響，尤其（qí）是在軟（ruǎn）件中設定的加工精度以（yǐ）及公差不佳的情況下，此問題更為嚴重；高精度軌跡（jì）輪廓控製是利用合適的曲線將線性刀具軌跡擬合為連續（xù）軌（guǐ）跡，且在加工（gōng）速度的（de）規劃上不再受限於不聯係的單節（jiē），因而可以得到優良的加工品質，使 SYNTEC-10B 數控係統具有高精（jīng）軌跡輪廓（kuò）控製的性能。
機床操（cāo）作者隻需做“精度優先”與“速度優先”的選擇，“路徑貼合”與“高平滑性”的等級選擇，以及選擇（zé） SPA 的（de）開啟與關閉即可控（kòng）製加工狀況，使得 SYNTEC-10B數控係統在高速高精（jīng）度加工中的參數控製更加簡（jiǎn）化（huà）明了。
操作（zuò）者將檔案放置於外部裝置（USB、網絡等），保持邊傳輸，邊（biān）加工（gōng）的工作狀態，一方麵滿足大（dà）型檔案加工的需求；另一方麵，操作者能夠在操作上（shàng）免（miǎn）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（cāo）作（zuò）麵板（bǎn）和控製器麵板是機床操作（zuò）人員與數控係統進行信息交互的（de）直接窗口。項目中采用的新代 10B 控製器與 SK4-M 型的銑床麵板。新代 10B 係列的控製器采用先進的開放式架（jià）構技術，並可以搭載 Mechatrolink-II 串列（liè）的通訊控製方式（shì），可以改善傳統（tǒng）脈波式泛用型控製器在多（duō）軸運動控（kòng）製中各種命令的傳輸時間差與（yǔ）脈波時序（xù）問題，以（yǐ）達（dá）到良好的同步控製並兼（jiān）顧即時（shí）性；同時更加（jiā）精簡配線，提升擴充性以及減少（shǎo）繁雜信號的幹擾。10B 控製器（qì）采用的是內（nèi）置嵌入式工業電腦，配置 10.4 寸液晶顯示器，結合伺服軸、手輪（lún）軸（zhóu）、主軸、內建 PLC 及 USB 接口的 CF Card 讀取裝置。
圖 3.3 新代 SYNTEC-10B 數（shù）控係統（tǒng）開放式架構框圖
該型控製（zhì）器可（kě）以實現 8 軸（zhóu）伺服（fú）控製，具有手輪專用軸，配（pèi）置有一組 12BIT D/A 輸（shū）出接口，而且該控（kòng）製器可以外接兩（liǎng）個 I/O 模塊（最多可達 128 點輸入/128 輸出點）。控製器構建的 USB 接口（kǒu） CF CARD 卡片（piàn）閱讀機具有動態熱插入功能。配（pèi）備有 128MB的（de） RAM，可（kě）以實現 RS-232、RS422 以及 RS485 的網絡通（tōng）訊。新代 10B 控製（zhì）器具（jù）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 控製器麵板正麵（miàn）圖
圖 3.5 新代 10B 控製器麵板（bǎn）背部圖
新代（dài） SK4-M 型的銑床麵板是機械式按鍵麵板，具有防油汙，耐腐（fǔ）蝕的（de）特點，結合新代標準型鍵盤，使我（wǒ）們獲得便（biàn）捷的操作環境（jìng）。圖 3.6 與圖 3.7 是（shì）新代（dài） SK4-M 型銑床麵板的正麵圖與背部圖。該型麵板是基於新代（dài）標準鍵盤（pán）而設計，具（jù）有三組旋鈕式開關輸入，獨立的 Input 點允許應用人（rén）員用來自行規劃。
圖 3.6 新代 SK4-M 型銑床麵板正（zhèng）麵圖
圖 3.7 新代 SK4-M 型銑床麵板背部圖
區域（yù）①是快捷鍵功能區，其（qí）中（zhōng）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多於一頁的程序界麵進行翻頁操作，以便操作者瀏覽多個程序和界麵（miàn），進行（háng）相關（guān）的編輯和查看操作。 區域②是程序代碼編（biān）輯（jí）區域，負責數控編程中（zhōng）相關字符的（de）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（zǔ）成的數字分區、遊標（biāo）移動鍵（jiàn）分區、刪除鍵、換擋鍵、插入鍵等。數字鍵與字母鍵在指令位置和資料輸入（rù）過程中發揮作用。遊標移動按鍵（jiàn）用於對屏幕編輯區的光標進行相關移動操（cāo）作，對其進行精確快速定位（wèi），提高編程效率。換擋鍵用於切換按（àn）鍵的第二層（céng）功能。刪除鍵用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（guān）、工作（zuò）燈開關、加工吹氣開關、排屑機正反轉（zhuǎn）、主軸正反轉控（kòng）製、主軸（zhóu）轉速切換、刀庫正反轉等輔助功能。 區域④是方向鍵區。手動控製軸向（xiàng）移（yí）動，通（tōng）過按鍵的組合可以達到快速移動的目的，其中包括 X、Y、Z 三個軸（zhóu）的正向和負向移動。 區域⑤是操作模（mó）式區，其中包括原點模式、MPG 寸動模式、自動加工模式、手（shǒu）動寸動模式（shì）、單節執行、選擇停止等模式。 區域⑥是開關（guān）機分區。其中包括機床上電與斷電（diàn）按鍵，程序（xù）的啟動與停（tíng）止（zhǐ）按（àn）鍵以及轉速的倍率選擇旋鈕、急停按鈕等。該（gāi）分區的功能（néng）主要是機床的啟動和停止（zhǐ），控製加工程序的動作等（děng）。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有的機電控製；這種情況下，控（kòng）製器處於供電狀態，其他諸如伺服、加工液、主（zhǔ）軸等重電都被切斷，最終達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所利用（yòng）的（de）模擬仿真軟件的功能，對軟件安裝過程（chéng）中的特殊要求進行了特別說明，保證了課題研究的軟件基礎。對新代 10B 控製器的架構進（jìn）行了歸納總結，通過對開放式數控係統（tǒng）的分（fèn）析，總結（jié）了新代（dài）開放式係統的性能優勢，提出了新代（dài）係統（tǒng）的開（kāi）放式架構。分析了新代（dài）控製麵（miàn）板，它的設計合理與否直接影響（xiǎng）到數控係統（tǒng）的人機交互性。
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