開(kāi)放式控制器在數(shù)控機(jī)床低成本改造中的應(yīng)用

吳良凱

摘要：數(shù)控機(jī)床是生產(chǎn)過(guò)程中常用的工具，但是數(shù)控機(jī)床的高成本性往往制約著生產(chǎn)的進(jìn)步與發(fā)展。本研究在控制制造企業(yè)低成本的要求下，以開(kāi)放式控制系統(tǒng)802Dsl在數(shù)控機(jī)床的改造應(yīng)用為主線，以豐富我國(guó)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的功能為目的，深入探索了利用開(kāi)放式控制器對(duì)造數(shù)控機(jī)床進(jìn)行低成本改造的重要技術(shù)問(wèn)題。為用戶對(duì)數(shù)控機(jī)床的低成本改造提供一定的理論支持和解決方案。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放式控制器；數(shù)控機(jī)床；低成本改造；應(yīng)用

Abstract：Nc machine tool is a commonly used tool in the production process，but the high-cost nature of nc machine tools tend to restrict the progress and development of production.This study under the requirement of low cost control manufacturing enterprises，to open 802 DSL in nc machine tool control system application as the main line，to enrich our country's existing nc machine function，for the purpose of exploring the use of the open controller made the numerical control machine tool of the important technical problems of the reform of low cost.Low-cost transformation of nc machine tool for the user to provide certain theoretical support and solutions.

Key words：open controller；CNC machine tools；The transformation of the low cost；application

引言

數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前生產(chǎn)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要力量，它自身所具備的高精度和高質(zhì)量的需求在很大程度上提高了生產(chǎn)的整體效率。但是，數(shù)控機(jī)床更新速度的高節(jié)奏和在某些方面相對(duì)較差的適應(yīng)性又在一定程度上提高了數(shù)控機(jī)床的使用成本和使用難度。因此如何在現(xiàn)有條件下通過(guò)系統(tǒng)改造，最大限度地發(fā)揮企業(yè)已有數(shù)控機(jī)床的作用，是擺在企業(yè)和研究者中的一項(xiàng)重要課題。本文將探索開(kāi)放式控制器在數(shù)控機(jī)床低成本改造中的應(yīng)用，以期為數(shù)控機(jī)床的低成本改造奠定一定的理論基礎(chǔ)。

文章首先闡述了制造業(yè)的特點(diǎn)和數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用現(xiàn)狀。進(jìn)而簡(jiǎn)要分析了行業(yè)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的主要問(wèn)題和改造的市場(chǎng)需求，同時(shí)從技術(shù)角度分析了改造的可行性和預(yù)期的改造效果。然后給出了開(kāi)放式控制器低成本改造數(shù)控機(jī)床的方案。最后從改造過(guò)程中的硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)兩個(gè)方面對(duì)核心技術(shù)進(jìn)行了研究?；窘鉀Q了在低成本要求下運(yùn)用開(kāi)放式控制器對(duì)我國(guó)數(shù)控機(jī)床改造的核心任務(wù)。

一、數(shù)控機(jī)床改造的需求與可行性分析

（一）數(shù)控機(jī)床應(yīng)用過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題

數(shù)控機(jī)床應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面：

1.成本普遍較高。數(shù)控機(jī)床的成本一方面是指數(shù)控機(jī)床的購(gòu)置成本，數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一條生產(chǎn)線動(dòng)輒上千萬(wàn)，一般企業(yè)再投入上還有一定壓力，特別是在當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)普遍不景氣的大環(huán)境下，企業(yè)對(duì)制造設(shè)備的高價(jià)值投入信心不強(qiáng)。另一方面還指維護(hù)成本，高檔機(jī)床依賴制造商家的維修和配件，機(jī)床一旦出現(xiàn)故障，制造商的跟進(jìn)成本是一大支出，問(wèn)題嚴(yán)重還會(huì)耽誤產(chǎn)品交貨期，影響制造企業(yè)聲譽(yù)。

2.更新?lián)Q代困難性大。設(shè)備管理過(guò)程中的操作困難，不同的品牌年代都不利于一種產(chǎn)品的共同制造。最嚴(yán)重的問(wèn)題還在于數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)更新升級(jí)困難，代價(jià)高等。

3.功能適應(yīng)性較差。企業(yè)產(chǎn)品一般較為固定，造成對(duì)部分機(jī)床的功能形成了浪費(fèi)，而企業(yè)又不能對(duì)這些功能進(jìn)行刪減或改變，嚴(yán)重影響機(jī)床性價(jià)比。特別是專用或特種機(jī)床，很少有專用控制器，而企業(yè)很難在已有的通用控制器中加載想用的專有功能。

（二）改造的可行性及可期解決效果

國(guó)內(nèi)很多制造企業(yè)在自動(dòng)化改造過(guò)程中引進(jìn)了數(shù)控設(shè)備，現(xiàn)在看來(lái)設(shè)備已顯陳舊，然而經(jīng)過(guò)改造仍可使用，因此來(lái)講數(shù)控機(jī)床的改造工作是很有市場(chǎng)的一項(xiàng)工作[2]。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的改造，即運(yùn)用開(kāi)放式控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，匹配有關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，最終達(dá)到以較低的開(kāi)發(fā)成本實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)的多種需求。運(yùn)用企業(yè)原來(lái)的資源和設(shè)備，來(lái)彌補(bǔ)企業(yè)已有的數(shù)控機(jī)床在性能上的浪費(fèi)、不完整問(wèn)題，最終滿足高品質(zhì)的制造需求。

1.盡量降低成本：在改造過(guò)程中，要充分利用制造企業(yè)原來(lái)的設(shè)備，依托企業(yè)實(shí)際情況確定改造范圍，改造面對(duì)企業(yè)需求不做過(guò)多的奇技淫巧，不造成功能上的二次浪費(fèi)。

2.提高人機(jī)效率：針對(duì)上面的使用問(wèn)題，我們要改造的目的便是不造成使用和維護(hù)困難，在用戶體驗(yàn)方面注重操作界面統(tǒng)一，改造有利于工人操作的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬件形象進(jìn)行調(diào)配，這樣的話不僅成本可控而且后期故障企業(yè)可以自行解決。同時(shí)采用模塊化結(jié)構(gòu)，這樣可以使得機(jī)器的可靠性進(jìn)一步加強(qiáng)，也是在為后期的維護(hù)方便。

3.進(jìn)一步提高柔性：從一個(gè)簡(jiǎn)單的手機(jī)可以看出，市場(chǎng)消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的要求是個(gè)性化，那么制造過(guò)程也將面臨同樣的問(wèn)題，其實(shí)數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)本身就是人類在制造柔性化上的進(jìn)一步探索，那么改造要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多品種小批量的制造環(huán)境。特別地，要想方設(shè)法滿足企業(yè)特種設(shè)備的控制需求。

二、開(kāi)放式控制器低成本改造數(shù)控機(jī)床方案設(shè)計(jì)

（一）開(kāi)放式控制器

可以說(shuō)控制器或者叫控制系統(tǒng)的選擇是改造的關(guān)鍵，因?yàn)樗细脑炷康男阅堋，F(xiàn)在市場(chǎng)上較為先進(jìn)的控制如美國(guó)有名的Delta Taut、Galil公司Galil系列運(yùn)動(dòng)控制器，奧地利PCC等以及德國(guó)西門(mén)子控制器等[3]。這些控制器他們一般都有開(kāi)放的接口函數(shù)、功能性較強(qiáng)、多種軟件兼容以及應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。在本文研究過(guò)程中我們選擇了802Dsl控制器，它是SIMMERIK 802Dsl控制系統(tǒng)中的控制器模塊，廠家為西門(mén)子公司。它擁有可編程邏輯控制器，加載了ISO語(yǔ)言編輯，具有變成容易，循環(huán)多樣的特點(diǎn)。他打破了RS232端口的傳輸藩籬，在生產(chǎn)上更加注重效率。最為驚喜的是操作界面簡(jiǎn)單，通過(guò)簡(jiǎn)單的“Ctrl+c”和“Ctrl+v”就可以實(shí)現(xiàn)程序的選擇和編輯，便于今后更改。整體系統(tǒng)上可以連接六個(gè)軸，其中一個(gè)是PLC軸。開(kāi)放控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖1所示。

（二）數(shù)控機(jī)床技術(shù)參數(shù)

（見(jiàn)表1）

（三）改造方案的確定

數(shù)控機(jī)床的改造過(guò)程主要是對(duì)控制平臺(tái)的和支持硬件的改造過(guò)程，一般的過(guò)程如圖2所示。改造方案的流程具體工作內(nèi)容為：

1.工作（改造）任務(wù)：工作任務(wù)就是利用對(duì)802Dsl控制器的重新設(shè)置和程序的編寫(xiě)使得數(shù)控機(jī)床滿足新的工作要求。

2.主要技術(shù)指標(biāo)的確定。這里的是后續(xù)改造后的性能指標(biāo)，也就是要達(dá)到目標(biāo)的參數(shù)化，因此不同任務(wù)他的指標(biāo)是不盡相同的，這也是改造的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。一般情況下的主要類型有：①要改造后的數(shù)控機(jī)床性能情況，包括工藝范圍、加工工件的材料、數(shù)量、質(zhì)量、形體參數(shù)等。②要改造后的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率情況和柔性。也就是他能加工那類工件、一次可以加工多少，加刀數(shù)量、批量和生產(chǎn)環(huán)境要求等等。③產(chǎn)品的性能參數(shù)，如數(shù)控機(jī)床常常要考慮其精度、強(qiáng)度、剛度、可靠性、熱變形、噪音、磁感性等指標(biāo)。④改造過(guò)程數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)方式[4]。⑤周期和成本，我們的改造要便于企業(yè)應(yīng)用，同時(shí)要考慮改造周期和成本，前面強(qiáng)調(diào)了要在低成本下進(jìn)行改造，該項(xiàng)指標(biāo)同樣很重要。

3.整體改造方案的制定、評(píng)價(jià)和優(yōu)化。應(yīng)該講此步驟是核心工作，該項(xiàng)工作的優(yōu)劣直接關(guān)系后面的具體實(shí)施和成果。同時(shí)該像是一個(gè)技術(shù)含量很強(qiáng)的過(guò)程，總體方案的制定依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求和制造要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于一些可變的項(xiàng)目，如數(shù)控系統(tǒng)常常可以選擇兩軸聯(lián)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)型，控制方式有各種向量模式，伺服電機(jī)的選擇等。最重要的是控制方式、控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)等?；痉桨高€要對(duì)其作簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)，就是要從成本、周期等綜合因素考慮，并提出優(yōu)化意見(jiàn)。最終確定方案。

4.具體改造的實(shí)施。就是設(shè)計(jì)者同工人把方案進(jìn)行具體落實(shí)的過(guò)程，在該過(guò)程中設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者和施工工程師要多溝通和協(xié)作，不打折扣，確保工期和質(zhì)量。

5.改造后的評(píng)價(jià)。按照上述要求對(duì)改造工程后的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行評(píng)價(jià)，比如機(jī)械性能和電氣穩(wěn)定性，甚至可以進(jìn)行試驗(yàn)工件的切削來(lái)觀測(cè)。

三、改造的硬件設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)

（一）硬件的設(shè)計(jì)

根據(jù)本次改造數(shù)控機(jī)床的參數(shù)表我們可以得知，本機(jī)床不同于一般的主流設(shè)備的交流伺服電動(dòng)機(jī)，而是直流電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該直流電動(dòng)機(jī)的基本性能較好，未發(fā)生變性等情況，但是其中V5直流調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)了一些可控的毛病，因此改造時(shí)不改變電動(dòng)機(jī)性質(zhì)，但是要去掉直流調(diào)控裝置，同時(shí)加載590直流調(diào)速器，最后該主軸成為直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)辦法，形成半閉環(huán)，其原理如圖2。

對(duì)應(yīng)改造過(guò)程中應(yīng)用直流調(diào)速設(shè)備（歐陸590），這個(gè)驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)三相四限，其他參數(shù)：I輸入max=110A，三相交流電壓U～=380V，輔助交流控制電壓U輔～=220V。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速峰值、加減速時(shí)的扭矩、連續(xù)負(fù)載周期、載荷扭矩等原因都會(huì)對(duì)電機(jī)的性能產(chǎn)生影響。一般我們依據(jù)目標(biāo)載荷來(lái)確定伺服電機(jī)，而負(fù)載的扭矩（為切削扭矩和摩擦扭矩之和）和負(fù)載慣量是主要的電機(jī)軸上的負(fù)載，一般電機(jī)要求實(shí)際負(fù)載的扭矩要略小于額定扭矩，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程還會(huì)附帶來(lái)“加速扭矩”，這個(gè)避免不了，而加速扭矩的控制要依靠

這個(gè)值的大小來(lái)控制，一般地，

越大，其動(dòng)態(tài)性能較差，而

越小，其動(dòng)態(tài)性能較良，同時(shí)這時(shí)電機(jī)的能耗增強(qiáng)。因此要在這二者之間尋求一種平衡，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)擁?xiàng)改造設(shè)計(jì)中將

控制在（x<2.5，z<3）就可以達(dá)到平衡加速扭矩的效果。直流伺服電機(jī)的速度和位置反饋可以使用旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)選件ACC8Dopt7 12位的RDC轉(zhuǎn)換，形成每轉(zhuǎn)4096脈沖的數(shù)字反饋量。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以從802Dsl上直接獲得脈沖指令。從這一例改造可以看出，利用802Dsl控制器的開(kāi)放特點(diǎn)，可以對(duì)原有的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)種改造，這樣便可以對(duì)企業(yè)已有的設(shè)備進(jìn)行充分的挖掘和使用[5]。常見(jiàn)的工作比如：a.更換CNC系統(tǒng)。b.更換CNC系統(tǒng)和全部伺服系統(tǒng)。c.更換CNC系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器，保留伺服電機(jī)。d.更換CNC系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)器[6]。

（二）軟件的開(kāi)發(fā)

可編程邏輯控制器S7-200系列可以滿足系列控制要求，他在規(guī)模較小的改造中使用特別頻繁。同時(shí)要指出，它具有多種CPU類型和電壓等級(jí)，這使得他對(duì)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)過(guò)程中具有很強(qiáng)的適應(yīng)特性。S7-200 PLC一般來(lái)講它的特點(diǎn)有：a.可以規(guī)范掉電保護(hù)區(qū)；b.即可寫(xiě)讀I/O；c.制訂停止?fàn)顟B(tài)時(shí)的輸出值；d.可以模擬電位器；e.高速I/0。它的工作過(guò)程為，第一為采樣階段，第二為執(zhí)行階段，第三為刷新階段。對(duì)應(yīng)的它分別分為上電處理、掃描處理、出錯(cuò)處理三個(gè)部分[7]。

我們本次采用了820Dsl數(shù)控系統(tǒng)，其為嵌入式 PLC，就是說(shuō)這個(gè)嵌入式PLC的NCU集成了CPU和NC，在控制數(shù)控機(jī)床的各種執(zhí)行設(shè)備時(shí)，只需要將行程開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)和電磁閥、接觸器的輸出信號(hào)只要與輸入輸出模塊相連便可，極大地升階了系統(tǒng)的集成性和穩(wěn)定性，最終可以實(shí)現(xiàn)改造全數(shù)控。同時(shí)嵌入式 PLC對(duì)外接口有驅(qū)動(dòng)和反饋兩個(gè)接口，這樣便可以規(guī)避信息傳遞過(guò)程中的藩籬，使得系統(tǒng)的可控制性得到了加強(qiáng)[8]。圖3為數(shù)控車床PLC的系統(tǒng)。

我們選用的802Dsl數(shù)控系統(tǒng)給客戶搭載了一個(gè)PLC子程序庫(kù)，在這個(gè)苦中給出的程序中就可以實(shí)現(xiàn)一般控制的功能，方法就是上面已經(jīng)提出的復(fù)制粘貼。但是機(jī)器加工工件的不同和設(shè)備的特性使得要對(duì)程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，但是這里的開(kāi)發(fā)就是在基礎(chǔ)程序庫(kù)中的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，就是說(shuō)根據(jù)企業(yè)機(jī)床的類型重新寫(xiě)PLC程序，大大提高了效率。

PLC主程序的設(shè)計(jì)包括很多，要根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能具體對(duì)待，比如機(jī)床過(guò)載、工件脫落、夾具為上齊等緊急程序要具備，又如機(jī)床刀架換刀過(guò)程控制何手動(dòng)操作控制等。特別強(qiáng)調(diào)輔助功能壓力檢測(cè)、行程控制、報(bào)警燈控制等方面也要考慮到[9]。

本研究過(guò)程結(jié)合了程序庫(kù)和改造后數(shù)控車床的具體情況編寫(xiě)了PLC程序，主程序的過(guò)程如如圖4所示。編寫(xiě)時(shí)要求在輔助的主體框架下進(jìn)行，在數(shù)控機(jī)床上電后，主程序開(kāi)始運(yùn)行，在系統(tǒng)初始化前進(jìn)行復(fù)位，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)給予監(jiān)控，中途會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和判斷，控制信號(hào)MCP根據(jù)接到的信號(hào)實(shí)施工作，如果有自動(dòng)操作就轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)操作程序，如果是收到手動(dòng)程序就進(jìn)行手動(dòng)操作，再者進(jìn)到各個(gè)軸的是能控制步驟，開(kāi)啟冷凍液，進(jìn)行（自動(dòng)/手動(dòng)）加工。如果存在緊急狀態(tài)則要進(jìn)入對(duì)應(yīng)的急停處理程序。

結(jié)語(yǔ)

本文首先說(shuō)明了開(kāi)放式控制器在數(shù)控機(jī)床低價(jià)改造過(guò)程中的意義和前景，進(jìn)而對(duì)市場(chǎng)需求和可行性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的辨析，進(jìn)而給出改造的建議方案，對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)行了框架的搭建和設(shè)計(jì)，給具體進(jìn)行改造工作提出了參考。前文已經(jīng)提到，基于我國(guó)縱多的制造企業(yè)數(shù)控機(jī)床的落后現(xiàn)狀，使用控制器的改造實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的生命延續(xù)、功能延續(xù)會(huì)給企業(yè)的生產(chǎn)成本減負(fù)。從技術(shù)上講就是開(kāi)放結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)會(huì)依據(jù)客戶的生產(chǎn)需要，構(gòu)建了面向客戶且具有廣泛兼容性的控制器，滿足客戶對(duì)不同國(guó)家、類型、年代的數(shù)控機(jī)床的替代，并且提高設(shè)備性能。

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