圖形化三軸數(shù)控加工系統(tǒng)設(shè)計
2018-3-16 來源：深圳大學機電與控制 深圳大學廣東教育 作者：林國勇 徐剛
摘要: 針對數(shù)控系統(tǒng)中，低成本以及操作簡易的需求，研發(fā)了一種基于 HMI+機器控制器的數(shù)控加工系統(tǒng)。該加工系統(tǒng)通過在機器控制器內(nèi)預(yù)編常見零件加工程序，并調(diào)用在人機界面上組態(tài)的零件圖形結(jié)合輸入相關(guān)的加工參數(shù)，實現(xiàn)對特定類型零件或者零件的特定部位數(shù)控加工。另外，該系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要設(shè)置不同的零件加工參數(shù)，只需一次編程，就能加工出多個結(jié)構(gòu)相似的零件，解決了傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)加工前必須進行 G 代碼生成或者手工編程的問題。表明該系統(tǒng)具有較強可操作性和較高的實用價值。
關(guān)鍵詞: 界面組態(tài); 機器控制器; 零件圖庫; 運動程序
0 前言
1952 年美國成功試制了第一臺三軸數(shù)控機床，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過 60 多年的深入研究，其可靠性、實用性和靈活性都得到了不斷改善。隨著伺服技術(shù)和檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機床的加工精度也在不斷提高［1］。目前，國內(nèi)外主要的數(shù)控系統(tǒng)有德國 SIE-MENS 公司 SINUMEＲIK 系列，日本 FANOC，大連數(shù)控和廣州數(shù)控等。
這些系統(tǒng)大多采用全閉環(huán)控制或者半閉環(huán)控制技術(shù)，在控制精度、可靠性、操作方便性方面日趨成熟，已開發(fā)并制造了一系列用途廣功能強大的數(shù)控加工設(shè)備，得到了廣泛應(yīng)用。但是，在目前使用廣泛的數(shù)控機床加工設(shè)備中，數(shù)控系統(tǒng)比較復(fù)雜，操作人員需要具備一定的機械加工知識，并且操作人員需要經(jīng)過長時間的專業(yè)培訓。另外，數(shù)控系統(tǒng)的源代碼開發(fā)程度不高，難以對系統(tǒng)進行二次開發(fā)。
最關(guān)鍵的是數(shù)控系統(tǒng)價格昂貴，維護費用高，導致機械技術(shù)人員接觸少，無力購買 。文中將傳統(tǒng)機械加工工藝與現(xiàn)代數(shù)字運動控制技術(shù)相結(jié)合。采用維倫通 MT8101i E 人機界面與安川MP2310 運動控制器相結(jié)合，創(chuàng)新研發(fā)了一個用于機床機械加工的經(jīng)濟型源代碼完全可以修改、重新配置的開放式數(shù)控系統(tǒng)。
本文作者以該系統(tǒng)的開發(fā)為例，基于安川運動控制器專用運動控制語言，分析構(gòu)建 “HMI+機器控制器”數(shù)控系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法。
1、 數(shù)控加工系統(tǒng)構(gòu)建
1. 1 系統(tǒng)概述
圖形化三軸數(shù)控加工系統(tǒng)主要由 HMI+機器控制器組成，再配有 PC 機、輔助操作裝置、伺服驅(qū)動器、交流伺服電機、編碼器和限位開關(guān)等組成一個模塊化數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖如圖 1所示。
圖 1 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖
PC 機內(nèi)置有 CAM 作圖軟件、Easy Builder 組態(tài)軟件及 MPE720 程序開發(fā)軟件，通過 Ethernet 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)人機界面圖庫信息與機器控制器內(nèi)運動程序信息互換。輔助操作面板作用是調(diào)節(jié)各運動軸伺服電機的正向或反向運動，點動或步進運動，便于零件加工前的快速分中對刀操作。
利用操作面板上的按鈕發(fā)出脈沖信號控制伺服電機運動，代替了傳統(tǒng)數(shù)控機床的手輪，簡化系統(tǒng)編程，也節(jié)約了設(shè)備制造的成本。機器控制器為系統(tǒng)的核心部件，采用安川 MP2310 運動控制器，通過 hECHATＲOLINK-Ⅱ通信協(xié)議對伺服驅(qū)動器發(fā)送指令，實現(xiàn)順控、運動控制、數(shù)據(jù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)視和參數(shù)調(diào)試等操作任務(wù)。MP2310 控制器最多支持16 軸插補，其專用的運動語言可以進行循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、條件分支、選擇執(zhí)行和并列執(zhí)行等控制命令編程。
此外，MP2310 還具有強大的 PLC 梯形圖編程功能。系統(tǒng)硬件配置如表 1 所示。
表 1 系統(tǒng)硬件配置
1. 2 硬件電路設(shè)計
三軸數(shù)控加工系統(tǒng)硬件電路圖如圖 2 所示。系統(tǒng)X、Y、Z 和主軸電機控制采用 YASKAWA 公司生產(chǎn)的∑-V 系列中容量、中慣量交流伺服電機，分別配以 MECHATＲOLINK-Ⅱ通信指令型伺服控制單。通信指令型伺服控制器除了可以進行速度、轉(zhuǎn)矩和位控制，還可實現(xiàn)高精度的同步相位運動控制。各運動軸伺服控制單元通過 MECHATＲOLINK-Ⅱ網(wǎng)絡(luò)連接，可以實時快速收發(fā)各種控制信息。
伺服控制器I / O 端口 POT、NOT 和 DEC 引腳分別接入組合開關(guān)，接收運動平臺限位、原點復(fù)歸等開關(guān)量信號。伺服單元主回路為交流 220 V 輸入，并且在主電路設(shè)計安裝過、
浪涌抑制和噪聲濾波等保護裝置。另外，控制電路中設(shè)計了異常情況緊急停止運行電路，具體工作原理如下: ALM－端口為低電平，繼電器 KA1 得電閉合，從而接觸器 KM2 閉合，系統(tǒng)正常工作。
當任意運動軸伺服控制器出現(xiàn)異常時，ALM +端口為高電平，此時繼電器 KA1 失電釋放，從而接觸器 KM2 切斷控制器主電路，實現(xiàn)電機的緊急停止，同時觸發(fā)聲光報警裝置。
按下按鈕 SB2 則可以解除當前報警。
圖 2 三軸數(shù)控加工系統(tǒng)硬件電路圖
2、 軟件設(shè)計
圖形化三軸數(shù)控加工系統(tǒng)采用 “HMI+機器控制器” 為 平 臺， 選 用 維 倫 通 Easy Builder 和 安 川MPE720 作為軟件開發(fā)工具。對系統(tǒng)進行 PLC 程序設(shè)計、人機界面設(shè)計和運動程序設(shè)計。軟件設(shè)計流程圖如圖 3 所示。
圖 3 軟件設(shè)計流程圖
2. 1 數(shù)控加工系統(tǒng)主界面設(shè)計
基于維倫通組態(tài)軟件 Easy Builder Pro4. 10. 04，對數(shù)控系統(tǒng)上位機操作主界面進行設(shè)計。數(shù)控系統(tǒng)上位機主界面如圖 4 所示。
圖 4 上位機系統(tǒng)主界面
系統(tǒng)的人機界面主要包括界面操作、實時信息顯示、窗口界面管理和參數(shù)設(shè)置等四大功。
( 1) 界面操作功能: 利用組態(tài)軟件編程，將傳統(tǒng)數(shù)控操作面板虛擬化，實現(xiàn)對系統(tǒng)伺服的啟動 /停止，數(shù)控系統(tǒng)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，代替?zhèn)鹘y(tǒng)數(shù)控機床使用手輪進行分中對刀的功能。
( 2) 實時信息顯示功能: 主要包括屏幕的操作信息、狀態(tài)信息、系統(tǒng)故障報警信息和各軸坐標信息等的顯示功能。
( 3) 窗口界面管理功能: 主要包括零件的分中界面、換刀界面、螺紋加工界面、幫助信息界面、機床參數(shù)界面、零件圖庫界面和加工圖形界面。
( 4) 參數(shù)設(shè)置功能: 在進行數(shù)控加工時，需要預(yù)先設(shè)置控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)和工作狀態(tài)。
例如機床的主軸轉(zhuǎn)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(shù)設(shè)置。
2. 2 圖庫管理界面設(shè)計
人機界面和機器控制器作為系統(tǒng)中的主控元件，在人機界面內(nèi)組態(tài)出零件圖庫，零件圖庫中預(yù)先保存有各種常見的零件加工信息，包括零件尺寸信息、進刀量刀具信息等。確定零件的加工工藝方案后，在零件圖庫中尋找相應(yīng)的圖形零件，圖形零件符合加工圖樣要求，設(shè)置相應(yīng)的加工參數(shù)。如果圖庫中沒有加工圖樣的零件，則需要通過使用 PC 機內(nèi)置有 CAM 作圖軟件、Easy Builder 組態(tài)軟件及 MPE720 運動程序編程軟件，編寫加工程序，并生成新的零件圖形。
為防止因參數(shù)設(shè)置不當而可能出現(xiàn)走刀軌跡錯誤，在啟動加工前需要進行加工干涉檢查，只有在干涉檢查通過才能啟動程序進行加工。零件圖庫管理流程圖如圖5 所示。
圖 5 圖庫管理流程圖
在正確設(shè)置待加工零件的尺寸信息和加工參數(shù)信息，系統(tǒng)檢查通過后，即可在零件圖庫中調(diào)出待零件圖。零件圖設(shè)計界面如圖 6 所示。
圖 6 待加工零件圖界面
2. 3 圖形化三軸數(shù)控加工系統(tǒng)軟件編程
MP2300 系列機器控制器包括梯形圖程序和運動程序兩種程序方式，通過組合這兩種程序方式進行運動控。圖形化三軸數(shù)控加工系統(tǒng)運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
平面 ( 圓弧面) 加工首先需要進行參數(shù)設(shè)置檢查，通過比較零件尺寸參數(shù)寄存器與加工參數(shù)寄存器中的數(shù)值大小，確定進行自動加工的初始條件。當輸入零件尺寸參數(shù)小于加工參數(shù)時，系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示報警，系統(tǒng)無法啟動加工，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等數(shù)據(jù)均放在程序中指定的寄存器里，系統(tǒng)執(zhí)行時直接讀取寄存器中的數(shù)據(jù)，通過這種方法，并且利用 MPE720 程序開發(fā)語言如循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、條件分支、并列執(zhí)行、選擇執(zhí)行和分支等控制命令編程，實現(xiàn)復(fù)雜的運動軌跡編程。限于篇幅，以下列出幾條編程語句，利用圓弧插補命令，實現(xiàn)圓弧面切削加工任務(wù)。
加工之前，只需在對應(yīng)的寄存器內(nèi)輸入相關(guān)參數(shù)，通過調(diào)用程序塊即可實現(xiàn)加工，使得編程簡單、靈活
。
2. 3. 2 螺紋加工
為使設(shè)備操作更具有實用性，設(shè)置了手動加工和自動加工兩種螺紋加工模式。螺紋加工操作界面如圖8 所示。
圖 8 螺紋加工操作界面
通過對 Z 軸和主軸進行插補，實現(xiàn)螺紋加工，主要編程程序語句如下:
系統(tǒng)處在螺紋加工模式下，主軸的點動、步進等功能被限制，以確保系統(tǒng)的安全性。
3 、結(jié)論
基于 HMI 與機器控制器的三軸數(shù)控加工系統(tǒng)，通過調(diào)用人機界面上的零件圖形，設(shè)置加工參數(shù)，即可對待加工毛坯件進行分中對刀操作，自動加工出目標零件。解決了那些沒有經(jīng)過嚴格的數(shù)控專業(yè)培訓，不具備 Pro/E、UG、Mastercam 等圖形處理能力的人員使用數(shù)控設(shè)備進行加工的瓶頸問題，具有較強可操作性和較高的實用價值。
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