1 引言

　 cnc(computerized numerical control)是計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)的英文縮寫，也稱數(shù)控系統(tǒng)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　 今天，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，制造業(yè)對產(chǎn)品生產(chǎn)制造也提出了更高的目標(biāo)和要求：產(chǎn)品制造周期要求越來越短，零部件的生產(chǎn)效率和柔性化生產(chǎn)的程度越來越高，產(chǎn)品的加工質(zhì)量和性能也要求更高、更穩(wěn)定。cnc系統(tǒng)也從一般的產(chǎn)品的零部件加工控制(如車削、銑削、高速切削、等標(biāo)準(zhǔn)cnc數(shù)控機(jī)床)被逐步發(fā)展應(yīng)用到產(chǎn)品的組裝、包裝乃至產(chǎn)品的運(yùn)輸(如焊接、點(diǎn)膠、封裝，工業(yè)機(jī)器人、等cnc產(chǎn)業(yè)機(jī)械)等整個生產(chǎn)制造過程中去。

　本文以一臺齒輪淬火機(jī)床cnc系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)為例，詳述了如何利用中達(dá)電通putnc-h4通用系列cnc、臺達(dá) delta交流伺服系統(tǒng)，并結(jié)合客戶產(chǎn)品加工的工藝特點(diǎn)，為產(chǎn)業(yè)機(jī)械打造出客制化的cnc控制方案。

2 齒輪淬火機(jī)床對控制系統(tǒng)的要求

　2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

　 機(jī)械設(shè)計(jì)為3軸伺服控制和1軸變頻器控制：

　(1) y軸為旋轉(zhuǎn)軸，傳動機(jī)構(gòu)會根據(jù)加工零件類型時(shí)的轉(zhuǎn)速要求而有所不同，分為伺服和變頻器拖動異步電動機(jī)兩種傳動方式，當(dāng)加工齒輪類零件時(shí)，伺服電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)和齒輪盤兩級減速機(jī)構(gòu)，帶動被加工齒輪做分度運(yùn)動。當(dāng)加工零件為光軸類零件時(shí)，y軸伺服電機(jī)停止工作，傳動結(jié)構(gòu)改變?yōu)樽冾l器拖動異步電動機(jī)經(jīng)過同步帶，帶動光軸零件高速旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)解決了伺服電機(jī)經(jīng)過兩級減速后，y軸轉(zhuǎn)盤速度無法滿足光軸類零件的淬火工藝要求的問題。兩種傳動方式通過電氣互鎖，確保安全。

　 (2) z軸為垂直軸，通過伺服電機(jī)直接驅(qū)動滾珠絲桿，帶動淬火加熱感應(yīng)器上下運(yùn)動，

　 (3) x軸為水平軸，同樣通過伺服電機(jī)直接驅(qū)動滾珠絲桿，帶動淬火感應(yīng)器前后進(jìn)給。其中y軸伺服和z軸伺服要求具有兩軸插補(bǔ)功能，這樣可以實(shí)現(xiàn)斜齒輪類和人字形齒輪類零件的淬火加工，而x軸伺服單動即可。

　 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 淬火機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2 零件加工的工藝要求

　 (1) 機(jī)床要求能夠加工直齒輪、斜齒輪、人字形齒輪、階梯齒輪的淬火加工。齒輪的加工最大直徑2米，齒頂高0.8米。最大齒數(shù)100齒。

　 (2) 機(jī)床在更換淬火感應(yīng)器靠模后，還可以實(shí)現(xiàn)光軸類零件的淬火要求。

　 (3) 配合不同的淬火感應(yīng)器靠模設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)的淬火方式：連續(xù)淬火、同時(shí)淬火、分段連續(xù)淬火(分段淬火通過程序設(shè)定，不需行程開關(guān))、分段同時(shí)淬火。

　 (4) 齒輪淬火加工順序要求間隔加工，以便留有足夠冷卻時(shí)間，保證齒輪最小的加工熱變形，以齒數(shù)10為例，即按照1、3、5、7、9、2、4、6、8、10淬火順序加工。

　 (5) 要求各伺服軸，空行程速度f0和淬火加工速度f1分段可調(diào)，齒輪分度旋轉(zhuǎn)時(shí)速度穩(wěn)定。

　 (6) 連續(xù)零件自動加工時(shí)，應(yīng)保證足夠的絕對精度，不會產(chǎn)生累計(jì)誤差。

2.3 控制系統(tǒng)要求

　機(jī)床操作上要求有手動模式和自動模式，以及程式編輯模式三種基本工作狀態(tài)。

　 (1) 在手動調(diào)試模式下：cnc系統(tǒng)可以通過操作面板控制伺服軸，快速jog移動和mpg手輪移動，方便操作工人調(diào)節(jié)感應(yīng)器靠模和齒輪工件的位置；手動情況下可以通過外部的按鈕來實(shí)現(xiàn)y軸變頻電機(jī)旋轉(zhuǎn)on/off、淬火感應(yīng)器加熱on/off、噴液電磁閥on/off、輔助噴液電磁閥on/off控制，方便操作者調(diào)機(jī)測試使用。(i/o規(guī)劃參見方案的制定和實(shí)施)

　 (2) 在自動運(yùn)行模式下：cnc系統(tǒng)可以按照預(yù)先選用的程序控制伺服電機(jī)運(yùn)動，完成齒輪零件的全部淬火加工過程；可以使用自定義m代碼來實(shí)現(xiàn)y軸變頻電機(jī)旋轉(zhuǎn)on/off、淬火感應(yīng)器加熱on/off、噴液電磁閥on/off、輔助噴液電磁閥on/off，i/o控制(m代碼規(guī)劃參見方案的制定和實(shí)施)；自動加工過程中可以實(shí)現(xiàn)任意暫停，單節(jié)測試等操作功能。

　 (3) 在程序編輯模式下：要求系統(tǒng)能夠存儲至少500組不同零件加工程式，并可以對程式內(nèi)容進(jìn)行編輯；在加工標(biāo)準(zhǔn)的直齒和斜齒齒輪時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)齒輪工藝參數(shù)自動生成加工程式；加工光軸類零件時(shí)，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的g代碼實(shí)現(xiàn)零件程序設(shè)計(jì)；加工階梯軸類零件時(shí)，不需要增加外部的行程開關(guān)，可以通過多個程序組合來完成一個零件的分段淬火加工；在該模式下還可以對淬火的輔助工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如感應(yīng)器加熱延時(shí)時(shí)間，噴液延時(shí)時(shí)間，齒輪加工空行程時(shí)的速度以及淬火加工時(shí)的速度設(shè)定。

3 中達(dá)電通putnc-h4通用系統(tǒng)介紹

　 putnc-h4數(shù)控系統(tǒng)是中達(dá)電通公司針對產(chǎn)業(yè)機(jī)械的運(yùn)動控制需求開發(fā)的一款通用型cnc數(shù)控系統(tǒng)。該cnc系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是開放的系統(tǒng)架構(gòu)，其cnc的狀態(tài)信號s bit含義、內(nèi)置plc的指令信號c bit含義、系統(tǒng)特殊寄存器r含義、以及系統(tǒng)內(nèi)部特殊變量v定義，被完全開放給機(jī)床制造商使用，設(shè)計(jì)者只需配合專用的plc編輯軟件和lcd畫面編輯軟件就可以對產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)，從而打造出符合產(chǎn)業(yè)機(jī)械工藝要求和最終用戶操作要求的客制化cnc系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 putnc-h4數(shù)控系統(tǒng)

　 putnc-h4通用系統(tǒng)的特點(diǎn)：開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，內(nèi)含嵌入式 plc，可應(yīng)用各類產(chǎn)業(yè)機(jī)械和自動化設(shè)備。高清晰lcd液晶顯示，用戶可以自行規(guī)劃畫面內(nèi)容。配合plc開發(fā)，可面板自定義按鍵功能，使操作更靈活。最大4軸伺服接口,響應(yīng)可達(dá)500kpps。解析度可設(shè)定至7 位數(shù)，全閉環(huán)控制架構(gòu)，控制精度更高。最大提供2組d/a輸出、a/d輸入。提供標(biāo)準(zhǔn)的24點(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出，可選配i/o擴(kuò)展單元，56點(diǎn)輸入，64點(diǎn)輸出。具有主仆模式功能和被動encoder反饋功能，輕松構(gòu)建主從追隨和同步裁剪功能。支持標(biāo)準(zhǔn)g代碼，提供變量表格編程和教導(dǎo)程序輸入功能，編程更靈活。更具有macro宏指令，可以進(jìn)行數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算，nc編程功能更強(qiáng)大。程序存儲容量 512k byte，nc程序組別高達(dá)1000組。提供rs232c標(biāo)準(zhǔn)接口，可連接個人電腦(pc)實(shí)現(xiàn)dnc 在線加工功能。

4 方案的制定和實(shí)施

　綜合上述的分析，cnc系統(tǒng)選用putnc-h4c-3就完全可以實(shí)現(xiàn)淬火機(jī)床的控制要求。以下將針對齒輪淬火的主要工藝要求對方案可行性逐一進(jìn)行分析。

　 4.1 伺服位置控制和變頻器速度控制的實(shí)現(xiàn)

　 putnc-h4c-3具有3個獨(dú)立的伺服軸通道，可以實(shí)現(xiàn)x/y/z，3軸伺服聯(lián)動，亦可任意兩軸伺服插補(bǔ)運(yùn)動。伺服軸的進(jìn)給速度可以通過g01直線插補(bǔ)的f值設(shè)定。解析度可設(shè)定至7 位數(shù)，全閉環(huán)控制架構(gòu)完全可以保證足夠的絕對精度，不會產(chǎn)生累計(jì)誤差。

　　putnc-h4c-3系統(tǒng)還可以提供兩路d/a模擬量輸出接口，輸出0～10v的模擬量電壓。其中一路d/a輸出通過lcd畫面規(guī)劃，直接修改系統(tǒng)變量參數(shù)數(shù)值來設(shè)定系統(tǒng)特殊寄存器r143的大小，用于淬火溫度的控制。另外一路d/a輸出通過設(shè)定系統(tǒng)特殊寄存器r238=5，指定該通道為主軸轉(zhuǎn)速機(jī)能，可以在nc程序中直接通過s代碼設(shè)定變頻馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，用于光軸類零件的淬火加工。

　 通過plc編輯，y軸的伺服馬達(dá)的使能信號o004和變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)信號o000電氣互鎖，確保機(jī)械安全。cnc控制架構(gòu)如圖3所示。

圖3 cnc控制架構(gòu)如

4.2 系統(tǒng)的i/o規(guī)劃，以及自定義m代碼功能的實(shí)現(xiàn)。

　 機(jī)床制造商通過專用的plc編輯軟體可以對putnc-h4通用系統(tǒng)的內(nèi)置plc進(jìn)行編輯，可以實(shí)現(xiàn)plc i/o規(guī)劃、電氣安全互鎖和用戶自定義m代碼功能。cnc淬火機(jī)床i/o規(guī)劃如表1所示。

cnc淬火機(jī)床自定義m代碼如表2所示。

自定義m代碼plc規(guī)劃范例如圖4所示。

圖4 自定義m代碼plc規(guī)劃范例

　 4.3 系統(tǒng)的操作功能的實(shí)現(xiàn)

　 putnc-h4系列通用數(shù)控系統(tǒng)是具有標(biāo)準(zhǔn)cnc的功能，因此可以輕松實(shí)現(xiàn)伺服運(yùn)動控制。通過數(shù)控面板的操作可以實(shí)現(xiàn)模式切換、基本g代碼編程、mpg手輪功能、任意暫停、單節(jié)測試等操作功能。

　 機(jī)床制造商只需根據(jù)產(chǎn)業(yè)機(jī)械最終用戶的操作習(xí)慣和工藝要求，對按鍵和lcd畫面做進(jìn)一步的規(guī)劃，使其能更直觀的反映加工信息即可。因此和工控機(jī)、hmi人機(jī)+plc的控制方案相比，無論在運(yùn)動控制方面，還是系統(tǒng)操作易用性和穩(wěn)定性上都有著絕對的優(yōu)勢。

　 4.4 加工程序g代碼數(shù)據(jù)的生成和處理

　 淬火機(jī)床是熱處理加工環(huán)節(jié)的一種專用設(shè)備，操作者往往具備本專業(yè)的理論基礎(chǔ)，而對cnc基本不具備編程能力。所以如何能夠結(jié)合產(chǎn)業(yè)機(jī)械的自身的工藝特點(diǎn)，完美的生成和處理加工程序數(shù)據(jù)，是把通用cnc打造成產(chǎn)業(yè)機(jī)械專用系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。淬火機(jī)床在程序編輯上主要以下提出三點(diǎn)要求：

　(1) 加工光軸類零件時(shí)，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的g代碼實(shí)現(xiàn)零件程序設(shè)計(jì)。

　(2) 在加工標(biāo)準(zhǔn)的直齒和斜齒齒輪時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)齒輪工藝參數(shù)自動生成加工程式。

　 (3) 在程序編輯模式下還可以對淬火的輔助工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如感應(yīng)器加熱延時(shí)時(shí)間、噴液延時(shí)時(shí)間、齒輪加工空行程時(shí)的速度以及淬火加工時(shí)的速度設(shè)定。

　 中達(dá)電通putnc-h4系列數(shù)控系統(tǒng)不僅支持標(biāo)準(zhǔn)g代碼編程外，還提供變量表格編程和教導(dǎo)程序輸入，更支持macro宏指令等多種nc編程功能，完全可以滿足機(jī)床程序編輯要求，以下對上述三點(diǎn)要求實(shí)現(xiàn)展開詳細(xì)說明。

5 加工和輔助工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

　 5.1 光軸類零件的加工和輔助工藝參數(shù)的處理

　(1) 光軸類零件的加工工藝過程比較簡單，最終用戶稍加nc編程基礎(chǔ)的培訓(xùn)，便可以通過人工g代碼編程、示教模式，并配合自定義m代碼來完成編程。

　 以下零件為例，淬火區(qū)域?yàn)榧t色部分，g代碼設(shè)計(jì)如下，其中x，z軸的數(shù)據(jù)(如下例中的z1、x1等)最終用戶可以通過圖紙計(jì)算得出，也可以通過cnc的示教功能采集得出。

g01 z1 f#212 z軸提升到進(jìn)給起點(diǎn)位置
m03 s500 變頻電機(jī)on。
g01 x1 f#213 x軸進(jìn)給到淬火位置，進(jìn)給f值 #213
m9 淬火感應(yīng)器加熱
g04 x#145 延時(shí)變量#145秒
m25 冷卻噴液開
g01 z2 f100 z軸到淬火終點(diǎn)，進(jìn)給f值直接指定
m10 淬火感應(yīng)器停止加熱
g01 z3 f#223 z軸提到安全位置，進(jìn)給f值 #223
g04 x5 延時(shí)時(shí)間也可以通過x值直接指定
m26 主噴液延時(shí)斷
g01 x0 f#213 x軸退回，進(jìn)給f值 #213
m05 變頻電機(jī)off
m02 程序結(jié)束

(2) 淬火輔助工藝參數(shù)的處理。在淬火零件加工過程中，都會涉及到一些淬火機(jī)床加工輔助工藝參數(shù)，如淬火進(jìn)給速度f，延時(shí)時(shí)間x等，這些參數(shù)即可以通過lcd規(guī)劃的變量表格輸入，也可以通過具體數(shù)值直接給定，如上例說明描述。工藝參數(shù)界面規(guī)劃如下：

　5.2 齒輪類零件加工

　 齒輪零件一般主要分為直齒類零件和斜齒類零件兩大類，人字型齒輪和階梯類齒輪也是這兩大類零件的延伸。以下就直齒輪零件的加工過程為例進(jìn)行說明，cnc是如何結(jié)合工藝要求給操作者提供最便利的編程方式。將直齒類零件圓周，展開如圖5所示。