基于台达数控系统的客制化CNC控制方案

1 引言
CNC （Computerized Numerical Control）是计算机数值控制系统的英文缩写，也称数控系统。在现代工业生产中得到了广泛的应用。
今天，随着计算机信息技术和生产技术的迅猛发展，制造业对产品生产制造也提出了更高的目标和要求：产品制造周期要求越来越短，零部件的生产效率和柔性化生产的程度越来越高，产品的加工质量和性能也要求更高、更稳定。CNC系统也从一般的产品的零部件加工控制（如车削、铣削、高速切削、等标准CNC数控机床）被逐步发展应用到产品的组装、包装乃至产品的运输（如焊接、点胶、封装，工业机器人、等CNC产业机械）等整个生产制造过程中去。
本文以一台齿轮淬火机床CNC系统应用开发为例，详述了如何利用中达电通PUTNC-H4通用系列CNC、台达 DELTA交流伺服系统，并结合客户产品加工的工艺特点，为产业机械打造出客制化的CNC控制方案。

2 齿轮淬火机床对控制系统的要求
2.1 机械设计
机械设计为3轴伺服控制和1轴变频器控制：
（1）Y轴为旋转轴，传动机构会根据加工零件类型时的转速要求而有所不同，分为伺服和变频器拖动异步电动机两种传动方式，当加工齿轮类零件时，伺服电机经过减速机和齿轮盘两级减速机构，带动被加工齿轮做分度运动。当加工零件为光轴类零件时，Y轴伺服电机停止工作，传动结构改变为变频器拖动异步电动机经过同步带，带动光轴零件高速旋转。设计解决了伺服电机经过两级减速后，Y轴转盘速度无法满足光轴类零件的淬火工艺要求的问题。两种传动方式通过电气互锁，确保安全。
（2）Z轴为垂直轴，通过伺服电机直接驱动滚珠丝杆，带动淬火加热感应器上下运动，
（3）X轴为水平轴，同样通过伺服电机直接驱动滚珠丝杆，带动淬火感应器前后进给。其中Y轴伺服和Z轴伺服要求具有两轴插补功能，这样可以实现斜齿轮类和人字形齿轮类零件的淬火加工，而X轴伺服单动即可。
机械结构简图如图1所示。

图1 淬火机床机械结构

2.2 零件加工的工艺要求
（1）机床要求能够加工直齿轮、斜齿轮、人字形齿轮、阶梯齿轮的淬火加工。齿轮的加工最大直径2米，齿顶高0.8米。最大齿数100齿。
（2）机床在更换淬火感应器靠模后，还可以实现光轴类零件的淬火要求。
（3）配合不同的淬火感应器靠模设计，能够实现的淬火方式：连续淬火、同时淬火、分段连续淬火（分段淬火通过程序设定，不需行程开关）、分段同时淬火。
（4）齿轮淬火加工顺序要求间隔加工，以便留有足够冷却时间，保证齿轮最小的加工热变形，以齿数10为例，即按照1、3、5、7、9、2、4、6、8、10淬火顺序加工。
（5）要求各伺服轴，空行程速度F0和淬火加工速度F1分段可调，齿轮分度旋转时速度稳定。
（6）连续零件自动加工时，应保证足够的绝对精度，不会产生累计误差。

2.3 控制系统要求
机床操作上要求有手动模式和自动模式，以及程式编辑模式三种基本工作状态。
（1）在手动调试模式下：CNC系统可以通过操作面板控制伺服轴，快速JOG移动和MPG
手轮移动，方便操作工人调节感应器靠模和齿轮工件的位置；手动情况下可以通过外部的按钮来实现Y轴变频电机旋转ON/OFF、淬火感应器加热ON/OFF、喷液电磁阀ON/OFF、辅助喷液电磁阀ON/OFF控制，方便操作者调机测试使用。（I/O规划参见方案的制定和实施）
（2）在自动运行模式下：CNC系统可以按照预先选用的程序控制伺服电机运动，
完成齿轮零件的全部淬火加工过程；可以使用自定义M代码来实现Y轴变频电机旋转ON/OFF、淬火感应器加热ON/OFF、喷液电磁阀ON/OFF、辅助喷液电磁阀ON/OFF，I/O控制(M代码规划参见方案的制定和实施)；自动加工过程中可以实现任意暂停，单节测试等操作功能。
（3）在程序编辑模式下：要求系统能够存储至少500组不同零件加工程式，并可以
对程式内容进行编辑；在加工标准的直齿和斜齿齿轮时，控制系统可以根据齿轮工艺参数自动生成加工程式；加工光轴类零件时，可以通过标准的G代码实现零件程序设计；加工阶梯轴类零件时，不需要增加外部的行程开关，可以通过多个程序组合来完成一个零件的分段淬火加工；在该模式下还可以对淬火的辅助工艺参数进行设定，如感应器加热延时时间，喷液延时时间，齿轮加工空行程时的速度以及淬火加工时的速度设定。

3 中达电通PUTNC-H4通用系统介绍
PUTNC-H4数控系统是中达电通公司针对产业机械的运动控制需求开发的一款通用型CNC数控系统。该CNC系统最大的特点就是开放的系统架构，其CNC的状态信号S bit含义、内置PLC的指令信号C bit含义、系统特殊寄存器R含义、以及系统内部特殊变量V定义，被完全开放给机床制造商使用，设计者只需配合专用的PLC编辑软件和LCD画面编辑软件就可以对产品进行二次开发，从而打造出符合产业机械工艺要求和最终用户操作要求的客制化CNC系统，如图2所示。

图2 PUTNC-H4数控系统

PUTNC-H4通用系统的特点：开放式的系统架构，內含嵌入式 PLC ，可应用各类产业机械和自动化设备。高清晰LCD液晶显示，用户可以自行规划画面内容。配合PLC开发，可面板自定义按键功能，使操作更灵活。最大4轴伺服接口, 响应可达500Kpps。 解析度可设定至 7 位数，全闭环控制架构，控制精度更高。最大提供2组D/A输出、A/D输入。提供标准的24点输入和16点输出，可选配I/O扩展单元，56点输入，64点输出。具有主仆模式功能和被动ENCODER反馈功能，轻松构建主从追随和同步裁剪功能。支持标准G代码，提供变量表格编程和教导程序输入功能，编程更灵活。更具有MACRO宏指令，可以进行数学、逻辑运算，NC编程功能更强大。程序存储容量 512K byte，NC程序组别高达1000组。提供RS232C标准接口，可连接个人电脑（PC）实现DNC 在线加工功能。

4 方案的制定和实施
综合上述的分析，CNC系统选用PUTNC-H4C-3就完全可以实现淬火机床的控制要求。以下将针对齿轮淬火的主要工艺要求对方案可行性逐一进行分析。

4.1伺服位置控制和变频器速度控制的实现
PUTNC-H4C-3具有3个独立的伺服轴通道，可以实现X/Y/Z，3轴伺服联动，亦可任意两轴伺服插补运动。伺服轴的进给速度可以通过G01直线插补的F值设定。解析度可设定至 7 位数，全闭环控制架构完全可以保证足够的绝对精度，不会产生累计误差。
PUTNC-H4C-3系统还可以提供两路D/A模拟量输出接口，输出0~10V的模拟量电压。其中一路D/A输出通过LCD画面规划，直接修改系统变量参数数值来设定系统特殊寄存器R143的大小，用于淬火温度的控制。另外一路D/A输出通过设定系统特殊寄存器R238=5，指定该通道为主轴转速机能，可以在NC程序中直接通过S代码设定变频马达的转速，用于光轴类零件的淬火加工。
通过PLC编辑，Y轴的伺服马达的使能信号O004和变频器运转信号O000电气互锁，确保机械安全。CNC控制架构如图3所示。

图3 CNC控制架构

4.2 系统的I/O规划，以及自定义M代码功能的实现。
机床制造商通过专用的PLC编辑软体可以对PUTNC-H4通用系统的内置PLC进行编辑，可以实现PLC I/O规划、电气安全互锁和用户自定义M代码功能。CNC淬火机床I/O规划如表1所示。
表1 CNC淬火机床I/O规划

CNC淬火机床自定义M代码如表2所示。
表2 淬火机床自定义M代码

自定义M代码PLC规划范例如图4所示。

图4自定义M代码PLC规划范例

4.3系统的操作功能的实现
PUTNC-H4系列通用数控系统是具有标准CNC的功能，因此可以轻松实现伺服运动控制。通过数控面板的操作可以实现模式切换、基本G代码编程、MPG手轮功能、任意暂停、单节测试等操作功能。
机床制造商只需根据产业机械最终用户的操作习惯和工艺要求，对按键和LCD画面做进一步的规划，使其能更直观的反映加工信息即可。因此和工控机、HMI人机+PLC的控制方案相比，无论在运动控制方面，还是系统操作易用性和稳定性上都有着绝对的优势。

4.4加工程序G代码数据的生成和处理
淬火机床是热处理加工环节的一种专用设备，操作者往往具备本专业的理论基础，而对CNC基本不具备编程能力。所以如何能够结合产业机械的自身的工艺特点，完美的生成和处理加工程序数据，是把通用CNC打造成产业机械专用系统的关键一步。淬火机床在程序编辑上主要以下提出三点要求：
（1）加工光轴类零件时，可以通过标准的G代码实现零件程序设计。
（2）在加工标准的直齿和斜齿齿轮时，控制系统可以根据齿轮工艺参数自动生成加工程式。
（3）在程序编辑模式下还可以对淬火的辅助工艺参数进行设定，如感应器加热延时时间、喷液延时时间、齿轮加工空行程时的速度以及淬火加工时的速度设定。
中达电通PUTNC-H4系列数控系统不仅支持标准G代码编程外，还提供变量表格编程和教导程序输入，更支持MACRO宏指令等多种NC编程功能，完全可以满足机床程序编辑要求，以下对上述三点要求实现展开详细说明。

5 加工和辅助工艺参数设计
5.1 光轴类零件的加工和辅助工艺参数的处理
（1）光轴类零件的加工工艺过程比较简单，最终用户稍加NC编程基础的培训，便可以通过人工G代码编程、示教模式，并配合自定义M代码来完成编程。
以下零件为例，淬火区域为红色部分，G代码设计如下，其中X，Z轴的数据(如下例中的Z1、X1等)最终用户可以通过图纸计算得出，也可以通过CNC的示教功能采集得出。

（2）淬火辅助工艺参数的处理。在淬火零件加工过程中，都会涉及到一些淬火机床加工辅助工艺参数，如淬火进给速度F，延时时间X等，这些参数即可以通过LCD规划的变量表格输入，也可以通过具体数值直接给定，如上例说明描述。工艺参数界面规划如下：

5.2 齿轮类零件加工
齿轮零件一般主要分为直齿类零件和斜齿类零件两大类，人字型齿轮和阶梯类齿轮也是这两大类零件的延伸。以下就直齿轮零件的加工过程为例进行说明，CNC是如何结合工艺要求给操作者提供最便利的编程方式。将直齿类零件圆周，展开如图5所示。

直齿淬火的一个淬火周期过程如下：Z轴快速进给到淬火起点B－－－－-X轴淬火感应头进给到齿根－－－－Z轴以淬火速度提升，淬火感应头由淬火起点B上升到淬火终点C－－－－Z轴，继续以快速进给提升到喷液安全距离D－－－－ X轴淬火感应头退回到齿顶－－-Y轴分度一个齿距A。直齿齿轮一个加工周期的G代码编辑如下：

以上的举例，只是齿轮类零件的一个齿加工周期的工艺过程，对于多齿零件编程如果依靠操作者人工G代码编程和示教方式生成数据并不合适。因此需要更为便利的编辑功能来实现G代码的自动生成和处理。

6 编程方式讨论
6.1 增量编程配合宏指令编程方式
宏指令编程就是利用CNC系统自身MACRO宏指令功能，进行数学、逻辑运算来实现加工程式自动循环。例如：

通过CNC增量编程，并配合MACRO宏指令功能编程方式，Y轴的增量进给V值必须设定的很精确，否则会产生累计误差！并且机械上的误差是没有办法通过具体的数据修正。此外MACRO宏指令属于NC高阶应用语言，使用者也较难掌握，因此该方案并不是齿轮编程的最佳应用方案。

6.2 通过变量表格和CNC自动生成G代码数据链方式
通过上述G代码的编辑不难发现，齿轮在淬火加工时，每个齿的加工过程中，其G代码数据X、Z值都是固定不变的。以直齿齿轮为例，只有Y轴的分度数据Y#13125需要不断的更新，而X、Z值可以通过变量的形式固化在NC程序中去。而Y值Y#13125的数据在不考虑修正的情况下，差值是固定的增量数值等于一个齿距。故可以利用CNC的特殊执行模式R154、R242来实现变量表格和CNC自动生成G代码数据链的编辑方式。该方案的核心方法如下：

6.3 CNC状态C255和R242的说明
在编辑模式下，利用PLC使CNC状态C255=1，即可激活R242功能。当R242=特定数值时，CNC可以实现特定的自定义按键功能。从而可以在编辑模式下自动生成程式内容，配合LCD变量表格功能，程式就可以以变量表格数据链的形式展现给使用者，而且变量表格里的生成的每个数据都可以单独修改。

自动生成Y轴数据链的PLC规划如下

6.4 R154的说明
中达电通PUTNC-H4系列CNC，除了有标准G，MCODE执行模式外，还有另一种较特殊的执行模式。只要 R154 有某一BIT位为1后，CNC就会被切换到特殊的执行模式中，并且依照指定的程序位置来做子程序跳跃的功能。 R154 可以同时多个 BIT ON，但每单节只执行一次跳跃动作 (BIT位较低的，优先权高)。

举例说明：主程序单节N00 Y36.000
当R154bit24=1时，在主程序在执行过程中，并不会去执行N00 Y36.000 而是会去执行子程序O0792里的程式内容，数据36.000同时被CNC存放到变量地址#13125。
所以只要将齿轮加工一个齿的加工程式固化到子程序O0792中，并且在主程序执行过程中，能够不断将Y轴的分度数据赋值到变量地址#13125里，即可实现整个齿轮的连续淬火加工控制。
通过变量表格和CNC自动生成G代码数据链方式也同样适用于斜齿齿轮和其它各类齿轮零件的编辑，在此不在复述。通过这种方案，最终用户无须具备NC编程的知识和能力，只需根据编辑对话框的要求填入相应工艺参数，就可以通过PLC运算自动计算出Y轴分度的绝对坐标数值，不会存在增量方式的累计误差，并且可以以G代码的形式存储下来。操作者还可以根据实际加工情况来修改变量表格中数据链的数值，因此使用最为简单和便利，是齿轮编程的最佳应用方案。
为了满足不同用户的需求和淬火机床加工光轴类零件的需要，我们设计了标准G代码编程和变量表格两种编程方式，操作者只需在编辑LCD画面选择不同的路径即可。

7 结束语
本案只是中达电通－－通用型CNC数控系统在产业机械上的一个典型应用。对于CNC产业机械而言，CNC系统的操作和使用，以及零件加工的工艺条件都和标准的金属切削类数控机床存在很大的差异，所以最佳的客制化方案是应该在充分了解产业机械的加工工艺特点和机床的最终用户操作和使用需求的基础上来开发的实现的。
只有从客户的实际应用出发，并结合中达电通－－－－通用型CNC，开放的系统架构这一优点，合理的对CNC系统的PLC和LCD进行规划开发，才能够为客户提供更有价值的客制化控制解决方案。