摘要：設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器控制器（MP2310）的數(shù)控銑床教學(xué)平臺(tái)，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)為數(shù)控教學(xué)設(shè)備開發(fā)提供了一種新方法。通過使用此平臺(tái)，不但可以進(jìn)行傳統(tǒng)的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)操作，還可以比較全面了解數(shù)控機(jī)床的電氣控制原理和運(yùn)動(dòng)程序編寫。

引言

目前，各高校開設(shè)的課程多數(shù)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系緊密，結(jié)合課程的理論知識(shí)開設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作課程，有益于學(xué)生牢固掌握課程理論知識(shí)，提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力和實(shí)踐操作能力。但實(shí)際情況卻不容樂觀，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備購(gòu)買時(shí)間長(zhǎng)，與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用存在技術(shù)滯后。而頻繁的購(gòu)買實(shí)驗(yàn)設(shè)備無疑將增加學(xué)校的教學(xué)成本。

此外，目前市場(chǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備多為模塊化生產(chǎn)，難以與課程結(jié)合，同時(shí)學(xué)生不能深入了解設(shè)備工作原理，而且其價(jià)格高昂。因此設(shè)計(jì)與課程內(nèi)容相符，以及與實(shí)際生產(chǎn)緊密聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將極大的調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)“自主學(xué)習(xí)、合作互動(dòng)”的課堂教學(xué)模式。機(jī)床平臺(tái)的搭建，能以本校學(xué)生的實(shí)際情況為契合點(diǎn)，以課程內(nèi)容與市場(chǎng)技術(shù)發(fā)展方向?yàn)閷?dǎo)向，更好的擴(kuò)展學(xué)生的思維，培養(yǎng)具有一定競(jìng)爭(zhēng)能力的高素質(zhì)人才[1]。鑒于此加工平臺(tái)的靈活創(chuàng)新，學(xué)生可以根據(jù)自己想法和創(chuàng)新自主設(shè)計(jì)加工方案。此外，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)人員的指導(dǎo)下學(xué)生可以加深對(duì)數(shù)控加工平臺(tái)中各個(gè)模塊的理解，能更好的幫助學(xué)生對(duì)理論課程中相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。著實(shí)推動(dòng)當(dāng)代本科生對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)有著較強(qiáng)動(dòng)手能力的新世紀(jì)人才，成為解決大學(xué)生就業(yè)問題，推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的有效助劑。

我校數(shù)控加工技能實(shí)訓(xùn)課程中使用的數(shù)控機(jī)床設(shè)備多由國(guó)內(nèi)外著名數(shù)控生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，如德國(guó)SIEMENS公司SINUMERIK系列，日本FANOC，大連數(shù)控及廣州數(shù)控等。就目前使用的數(shù)控機(jī)床加工設(shè)備中，存在以下幾個(gè)問題[2]：

（1）數(shù)控系統(tǒng)比較復(fù)雜，操作人員需要具有一定的機(jī)械加工知識(shí)，并且經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)；

（2）數(shù)控系統(tǒng)的源代碼及模塊接口等開放程度不高，難以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)；

（3）數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格昂貴；

針對(duì)以上問題，結(jié)合深圳大學(xué)本科實(shí)訓(xùn)實(shí)踐的教學(xué)要求，設(shè)計(jì)出一臺(tái)適用于機(jī)電類和非機(jī)電類學(xué)生使用的數(shù)控加工平臺(tái)。

１、硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

有別于國(guó)外著名大型數(shù)控生產(chǎn)廠家研制數(shù)控系統(tǒng)，本自制三軸數(shù)控加工平臺(tái)是基于人機(jī)界面（HMI）和MP2310機(jī)器控制器，尋求搭建一個(gè)價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、能滿足加工常見機(jī)械零件的數(shù)控加工系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理如下圖1所示。

加工平臺(tái)控制系統(tǒng)采用半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)，機(jī)床的X、Y、Z軸和主軸的位置檢測(cè)點(diǎn)通過伺服電機(jī)編碼器進(jìn)行。通過檢測(cè)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度來間接檢測(cè)銑床平臺(tái)的移動(dòng)量，而不是通過安裝光柵尺等傳感器來直接檢測(cè)銑床平臺(tái)的實(shí)際位置。設(shè)計(jì)的平臺(tái)系統(tǒng)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因而平臺(tái)具有比較穩(wěn)定的控制性能，雖然其系統(tǒng)的穩(wěn)定性能不如由步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)，但其穩(wěn)定性要比全閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)異。

圖1數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖

此外，半閉環(huán)系統(tǒng)的位置環(huán)內(nèi)各組成環(huán)節(jié)的誤差可以通過相關(guān)的算法可得到一定程度的補(bǔ)償。設(shè)計(jì)的銑床平臺(tái)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便和精度相對(duì)較高，滿足工程訓(xùn)練中心的實(shí)訓(xùn)教學(xué)和科研加工要求。

本項(xiàng)目研究的銑床教學(xué)平臺(tái)的核心器件為MP2310機(jī)器控制器，機(jī)器控制器通過對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送相關(guān)指令控制各運(yùn)動(dòng)軸伺服電機(jī)精準(zhǔn)運(yùn)行。機(jī)器控制器具有位置控制功能：定位，外部定位、原點(diǎn)復(fù)歸、多軸插補(bǔ)、恒速進(jìn)給和恒量進(jìn)給等。同時(shí)，機(jī)器控制器能通過其專用的運(yùn)動(dòng)語言實(shí)現(xiàn)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[3]。此外，機(jī)器控制器具有強(qiáng)大的PLC梯形圖編程功能。利用其I/O模塊能處理操作面板、機(jī)床限位、報(bào)警和電磁閥等信號(hào)。另外，機(jī)器控制器與人機(jī)界面能進(jìn)行有關(guān)信息傳遞。

2、數(shù)控銑床教學(xué)平臺(tái)

圖2系統(tǒng)的操作示意圖

如圖2所示，對(duì)機(jī)電類專業(yè)實(shí)訓(xùn)學(xué)生，通過設(shè)計(jì)的數(shù)控銑床教學(xué)平臺(tái)，不但可以進(jìn)行傳統(tǒng)的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)操作，還可比較全面了解數(shù)控機(jī)床的電氣控制原理。由于此數(shù)控加工平臺(tái)所用的機(jī)器控制器源代碼完全開放，學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行PLC梯形圖和運(yùn)動(dòng)語言編程。另外，通過運(yùn)動(dòng)走刀，還可以加工出各種零件。由于學(xué)生每編寫一條運(yùn)動(dòng)指令，都能從加工零件的刀路上顯示出來，在體現(xiàn)課程實(shí)驗(yàn)（訓(xùn)）效果的同時(shí)，還能明了的發(fā)現(xiàn)問題，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法，獲得更多的創(chuàng)新。對(duì)非機(jī)電類專業(yè)實(shí)訓(xùn)學(xué)生，由于實(shí)訓(xùn)課時(shí)及專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的限制，著重向?qū)W生講解如何操作設(shè)備加工零件，包括裝夾工件，分中對(duì)刀，操作面板功能和調(diào)出零件加工等知識(shí)。相比傳統(tǒng)數(shù)控加工中心，本自制三軸數(shù)控加工平臺(tái)體積小，操作簡(jiǎn)單，初學(xué)者容易上手。

3、教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)控加工平臺(tái)機(jī)械主體部分主要依托工程訓(xùn)練中心現(xiàn)有的廢舊故障設(shè)備——簡(jiǎn)易數(shù)控銑床。由于需要更換伺服系統(tǒng)，其各軸的伺服電機(jī)連接機(jī)械零部件需要根據(jù)伺服電機(jī)規(guī)格型號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。伺服電機(jī)連接零件的正確設(shè)計(jì)及合理安裝能有效延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，同時(shí)還能減少因機(jī)床電機(jī)機(jī)械性振動(dòng)而產(chǎn)生的加工誤差。教學(xué)平臺(tái)的研究技術(shù)路線如圖3所示。

圖3設(shè)計(jì)技術(shù)路線

一條運(yùn)動(dòng)指令，都能從加工零件的刀路上顯示出來，在體現(xiàn)課程實(shí)驗(yàn)（訓(xùn)）效果的同時(shí)，還能明了的發(fā)現(xiàn)問題，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法，獲得更多的創(chuàng)新。對(duì)非機(jī)電類專業(yè)實(shí)訓(xùn)學(xué)生，由于實(shí)訓(xùn)課時(shí)及專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的限制，著重向?qū)W生講解如何操作設(shè)備加工零件，包括裝夾工件，分中對(duì)刀，操作面板功能和調(diào)出零件加工等知識(shí)。相比傳統(tǒng)數(shù)控加工中心，本自制三軸數(shù)控加工平臺(tái)體積小，操作簡(jiǎn)單，初學(xué)者容易上手。

3、教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)控加工平臺(tái)機(jī)械主體部分主要依托工程訓(xùn)練中心現(xiàn)有的廢舊故障設(shè)備——簡(jiǎn)易數(shù)控銑床。由于需要更換伺服系統(tǒng)，其各軸的伺服電機(jī)連接機(jī)械零部件需要根據(jù)伺服電機(jī)規(guī)格型號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。伺服電機(jī)連接零件的正確設(shè)計(jì)及合理安裝能有效延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，同時(shí)還能減少因機(jī)床電機(jī)機(jī)械性振動(dòng)而產(chǎn)生的加工誤差。教學(xué)平臺(tái)的研究技術(shù)路線如圖3所示。

人機(jī)界面作為系統(tǒng)的開關(guān)量、參數(shù)輸入及信息顯示的主要設(shè)備，需要設(shè)計(jì)組態(tài)機(jī)床X、Y、Z軸伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)位置顯示及執(zhí)行信息。組態(tài)各部分按鈕開關(guān)包括模式選擇、各軸恒速恒量運(yùn)行開關(guān)、程式自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、機(jī)床輔助開關(guān)和調(diào)速旋鈕等等。存儲(chǔ)各種常見零件加工信息，刀具信息等方便調(diào)用。

數(shù)控銑床的電氣系統(tǒng)布線需要根據(jù)設(shè)備的功能需要統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，包括保護(hù)電路設(shè)計(jì)、故障報(bào)警電路設(shè)計(jì)、伺服故障顯示、冷卻系統(tǒng)、照明等。主電路及控制電路的線徑設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際設(shè)備功率計(jì)算，并按有關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。反復(fù)啟動(dòng)交流高頻強(qiáng)電與信號(hào)線分槽走線，以免干擾。設(shè)計(jì)安裝漏電保護(hù)器、熱保護(hù)器、保險(xiǎn)絲等動(dòng)作電器。

梯形圖編程。梯形圖程序根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行順控（順序操作），對(duì)輸出信號(hào)和運(yùn)動(dòng)程序進(jìn)行啟動(dòng)、暫停和停止操作。編寫梯形圖程序?qū)、Y、Z及主軸進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行（JOG）、步進(jìn)運(yùn)行（STEP），實(shí)現(xiàn)分中對(duì)刀是各軸的快速移動(dòng)或者步進(jìn)運(yùn)行。

運(yùn)動(dòng)語言編程。利用軸移動(dòng)命令（如MOV、MVS、MCW、ZNR等）、軸控制命令（MSEE、TIM、END、RET、IFELSEIEND、WHILEWEND等）、基本控制命令（如ABS、INC、POS、PLN、MVM、PLD等）及運(yùn)算與順序控制命令（+、—、*、/、SIN、COS、TAN等）等機(jī)器控制器編程語言，定量加工出各種常見的平面、曲面、螺紋等。

4、結(jié)束語

結(jié)合深圳大學(xué)工程訓(xùn)練中心科研及實(shí)訓(xùn)教學(xué)要求，開發(fā)了一套基于安川MP2310技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過調(diào)用人機(jī)界面上的零件圖形，設(shè)置加工參數(shù)，即可對(duì)待加工毛坯件進(jìn)行分中對(duì)刀操作，自動(dòng)加工出目標(biāo)零件。解決了那些沒有經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)控專業(yè)培訓(xùn)，沒具備Pro/E、UG、Mastercam等圖形處理能力的人員使用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工的瓶頸問題。

（2）在人機(jī)界面上設(shè)置點(diǎn)動(dòng)（JOG）及步進(jìn)（STEP）按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)各軸的快速移動(dòng)及分中對(duì)刀操作控制。相比傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床使用手輪移動(dòng)軸對(duì)刀，這種設(shè)計(jì)方法節(jié)約了設(shè)備的成本。

（3）源代碼完全開放，梯形圖以及運(yùn)動(dòng)語言編程簡(jiǎn)單易懂，便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行二次開發(fā)。同時(shí)機(jī)器控制器能同時(shí)執(zhí)行多任務(wù)并列運(yùn)行程序，同時(shí)控制多軸（16根）移動(dòng)，為后期學(xué)生進(jìn)行課題（畢業(yè)）設(shè)計(jì)提供一個(gè)題材豐富的平臺(tái)。

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