基於SYNTEC的螺旋錐齒輪加工機床數控係統開發 （中）
2017-1-3 來源：沈陽工業大學 作者：張西棟
第 3 章 新代 SYNTEC 數控係統
新代 SYNTEC-10B 數控係統作為台灣新代科技股份有限公司開發的具有良好性價（jià）比的數控產（chǎn）品（pǐn），具有很高（gāo）的市場競爭力，它具有開放式的架構，能夠滿足用（yòng）戶的個性化（huà）客製要求（qiú），標準便捷的控製麵（miàn）板是人機交互的基礎。
3.1 SYNTEC 數控係統概述
齒輪（lún）在機械行業中占有舉足輕重的（de）地位，是機械工業的基礎件（jiàn）[30]。在相（xiàng）交（jiāo）軸傳動的場合，弧（hú）齒錐齒輪具有明顯有點，例如承載能力高、傳動（dòng）效率高、對安裝誤差的敏感性小（xiǎo）以及傳動平穩等。鑒於該（gāi）型齒輪優越的性能，它（tā）的數控加工越來越得到工程（chéng）技術人員的重視[15]。由於弧齒錐（zhuī）齒輪的數控加工程序編製複雜，而且編程語言抽象；所以為了滿足不同（tóng）規格螺（luó）旋錐齒輪的數控加工要求，需要對其進行的參數化編程，而參數化編程的思想是以友好的參數化輸入（rù）界麵—人機界麵（Human Machine InterfaceHMI）為基礎的。用戶與（yǔ）機床之間的信息傳遞是通（tōng）過人機界（jiè）麵來（lái）完成的，人機界麵是（shì）互相傳遞信息的媒介，它（tā）可以實現信息的輸入和輸出[38]。數控係統操作界麵的（de）友好與否直接影響到數控編程的效率（lǜ），甚至影響到整個數控係統的（de）用戶認可度（dù）[39]，所（suǒ）以人機（jī）界麵在整個數控係統的開發中同樣占有（yǒu）舉足輕重的位置。 新代科技股份有限公司成立於 1995 ，是一家專業的 PC based 控製器廠商，長期從事於機床控製器的（de）軟件及硬件技術（shù）研發，並（bìng）致力於拓展兩（liǎng）岸市場，目前已成為亞太市（shì）場中最具有影響力及發展潛力的控製器品牌（pái）之一。
新代專注於數（shù）控（kòng）領域，產品涵蓋車銑床控製器與產業機械控製（zhì）器，以高度的技術創新、加值型應用以及完善的售後服務深得顧客信任（rèn）；除（chú）機床控製器外，近年來將產品延伸至（zhì）高端主軸伺服方案（àn）、線性馬達以及直驅馬達等特色產品。為了順應智慧自動化的趨勢，積極開（kāi）發通用（yòng）型的自動（dòng）化控製器及各類型機械手臂控製器，能（néng）提供相（xiàng）關的整合加值產品，滿足各種生產線智能化及自動化的需求。新代科技以“工業 4.0”作為新技術（shù）發展的主軸，積極在相關領域進行資源整合與布局（jú）。 我單位為了滿（mǎn）足螺旋錐齒輪數控加工（gōng）機床的開發需要，引（yǐn）進了台灣新代科技股份有限公司研發的 SYNTEC-10B 數（shù）控係（xì）統，該係統具有較高（gāo）的（de）性價比，良好的開放性，可以利用係統自帶軟件開發（fā）包（bāo），對螺（luó）旋錐齒輪數控加工所需的各級（jí）參數輸入界麵進行相關客製，形成一個完備的界麵係統（tǒng），為後期參數化編程工作打下良（liáng）好基礎。
3.2 軟件工具
對新代（dài）數控係統的二次開發之前需要登錄新代科技股份有限公司的官方網站（http://www.syntecclub.com.tw/），注冊一個用戶帳號，登錄到相關的“下載專區”欄目中，下載 win32 版本的相關客製仿真軟件（jiàn）、升級包，分別為：Windows Update 升級包、Lad Edit-2.13.0.msi、Macro Dev 軟件、銑床 Win32 軟件（數控銑床專用）。這四個軟件開發包是新代科技（jì）股份有限公司專門為自己的新代（dài）數控係統進行二次開（kāi）發而特定開發的軟件，這是對新（xīn）代（dài）數控係統進行開發設計的軟（ruǎn）件基礎。
軟件（jiàn）的安裝環境是通用型 PC 機（jī），操作環境要求是 windows7/XP/2000，特別注意：四（sì）個軟件需要按照規定順序依次安裝，否則會（huì）出現兼容性問題[40]。其中的 Windows Update 升級包裏（lǐ）麵有單獨的安裝說明，需要按照（zhào）安（ān）裝（zhuāng）要求一步步地安裝，任何一個軟件安裝環節出現問題，就需要將之前安裝完畢（bì）的所（suǒ）有軟件都卸載，清理注冊表之後（hòu）重新安裝，否則會出現安裝（zhuāng）失敗或者安裝成功卻無法運（yùn）行的情（qíng）況。安裝完之後需要重（chóng）啟計算機（jī），然後開發客製軟（ruǎn）件即可在通用 PC 上運行了，操作（zuò）環境為 windows2000/XP/7。
SYNTEC 係統相配套的 e HMI 是一款可以幫助您更直覺、更簡易編輯控製麵板（bǎn）人機接口的開發工具，仿真器安裝完畢（bì）之後，需要安裝該客製軟件。在 e HMI 中（zhōng）通過直接點選和表格輸入的方式，讓用戶免除繁雜的程序編寫過程（chéng），取而代之的是更簡易、更有效率、更人性化的操作接口[41,42]。將 e HMI 開發軟（ruǎn）件用於參數化編程中所需相關（guān）界麵的客製工作，可以提（tí）高數控係統二次開（kāi）發的效率，優化數控編程加工過程中的人機交互性（xìng）。圖 3.1 是 e HMI 的客（kè）製設計界麵之一。
圖 3.1 e HMI 的客製設計（jì）界麵之一
3.3 新代數控係統（tǒng）開放式（shì）架（jià）構
3.3.1 新（xīn）代 10B 控製器架構
數控銑床上采（cǎi）用的是 10B 控製（zhì）器，該型（xíng）控製器具有較好的開放式接口架構，除了出廠設定（dìng）的標（biāo）準（zhǔn）接口外，控製器（qì）另外提供（gòng）全麵且方便的客製環境（jìng），讓（ràng）電氣控製的（de）開發人員可以利用客製工具進行相關的客製（zhì）工（gōng）作，滿足（zú）客戶各式各樣的需求。圖 3.2 是（shì）新代數（shù）控係統控製器架構示意圖。
圖 3.2 新（xīn）代數控（kòng）係（xì）統控製器架構示意圖
“核心”是控製器裏負責解譯程序、規劃運動方（fāng）程路線（xiàn）、插值以及軸向移動等的部件。PLC 主要是負責主（zhǔ）導狀態（tài）流程、鏈（liàn）接外（wài）部（bù）裝置、與核心的雙（shuāng）向溝通等工作。“人機”是操（cāo）作者與控（kòng）製（zhì）器內部運作間的橋梁，操作者（zhě）使用人機輸入信息，控製器（qì）使用人機輸出（chū）狀態、信息等。“Program”為加工程序，客（kè）製的 MACRO 要經過核心（xīn）解譯，成為機器能夠識（shí）別的 G 代碼。
3.3.2 開放式數控係統概（gài）述
FANUC 和 SIEMENS 數控係（xì）統是現在市場占（zhàn）有率比較高的（de）數控係統，他們（men）的數控係統具有一定的封閉（bì）性，屬於專用性（xìng）的體（tǐ）係結（jié）構，在（zài）實際生（shēng）產應（yīng）用中，相關的軟硬件（jiàn）結構均由各自的廠家單獨設計製造，數控係統的通用性、兼容性不強[43]。數控加工時（shí），機床（chuáng）操作（zuò）人員按照自（zì）己的經驗將加工程序中的過程參（cān）數設定為固定值，具體的編程工（gōng）作利用手工方式或自（zì）動編程的方式完成，雖然這種數控係（xì）統具有技術成熟、結（jié）構簡單（dān）的優點，但（dàn）是這種數控係統不能夠及時地與計算機輔助製造技術相融合，隨著現代製造業的飛速發（fā）展，信息化以及敏捷製造（zào）模式越來（lái）越明顯地體現在現代製造業中，該型數控係統的（de）缺陷越（yuè）來越明顯[44]。
控製係統的（de）封閉性（xìng）以（yǐ）及專一性與多樣化的市場需求之間的（de）矛盾可以通過開放式數控係統來解決。開放式（shì）的數控係統在適應市場變化（huà）的（de）過程中表現出形式靈活、價格低、結構緊湊的（de）優勢（shì），並具有很強的二次開發性和適應性，表現出良好的（de）性價比優勢。隨著 CNC 技術的發展，具有可移植、可伸縮、可重構、可擴展性等優（yōu）良特性的開放式數控係統越來越得（dé）到技術人員的重視和認可。開放式（shì）數控（kòng）係統允許操作人員在保留原軟硬件的基礎上，根（gēn）據自（zì）己的（de）需（xū）要將傳（chuán）感器集成在控製器中，對數控係統進行（háng）修改和配置，最終使數控係統能夠完成加工過程（chéng）的控（kòng）製和（hé）監視（shì）。
1980 年之後，開放式數控係統的研究正式提上日（rì）程。IEEE 認為開放式數（shù）控係統能夠完美地在不同（tóng）的平台上運行，兼容性較好，能夠與其它應（yīng）用係統（tǒng）相互操（cāo）作，並且可以（yǐ）提（tí）供（gòng）統一的用戶交互風格，具備可移植性、可互換（huàn）性、可擴展（zhǎn）性、可伸縮性等特點[45-48]。根據（jù）開放式數控的定義（yì），這（zhè）種類型的數控係統首先應該（gāi）允（yǔn）許（xǔ）終端用戶對數控係統進行（háng）模塊替換（huàn）、模塊添加、模塊重構等操作[49]；然後該類數控係（xì）統（tǒng）還應該能夠完美地按照技術人（rén）員定義的控製策略運行，能夠補（bǔ）償三（sān）維空間誤差；其（qí）次，該型係統允許機床按照某一速度（dù）運行的（de）同時，能夠實時地接收來自伺服係統的數據；開放式（shì）的係（xì）統構架能夠按照加工的需要（yào）將相關智能控製設備嵌入到控製器中；而且它能夠根（gēn）據過程控製策略，對進給速度（dù）、主（zhǔ）軸（zhóu）轉速進行智能修（xiū）正。
3.3.3 開放式數控係統發展趨勢
數控係統的發展趨勢是以集（jí）成（chéng）化、網絡化、智能（néng）化為特點（diǎn），應具有（yǒu）高速、柔性化、高可靠性、高精度的特點。當前的數控係統由於不能適應市場（chǎng）的多樣化要求，不能很好地實現專業（yè）化和多樣化（huà）的（de）要求，其結構的封閉性問題（tí）越來越突出。需要研究數控係（xì）統開放性（xìng）的體係（xì）結構，以期能夠實現數控設備的聯網、自動化、智能化、個性化、高柔性化（huà）目（mù）標。
（1）數控（kòng）加工智能化和集成化
數控（kòng）係統的功能模塊向智能化、集成化（huà）方向發展，同時（shí）借助計算機技（jì）術、通信技術、微（wēi）電子技術的進一步開發，控製係統將具備反饋單（dān）元、數據采集（jí）和處理、執行單元、伺服（fú）驅動等功能，係統的整體性更強[50]。CNC 智（zhì）能化（huà）研究的主要內容有智能化（huà）控（kòng）製、自診斷以及智能化接口技術等，機床故障智能診斷、刀具狀態監測、代碼生成技術、誤差補償與精度（dù）控製、CAD/CAM/CNC 一（yī）體化與加工參數優化等方麵是相關研究的重點[51] 。
（2）高速、高精（jīng）、高可靠（kào）性
開（kāi）放式數控係統的主軸轉速（sù）達 6000 轉/分鍾，進給速度達 60 米（mǐ）/分鍾，係統無故障時間可以達（dá）到三萬（wàn）小時[52]。發那科係統中的 AI 納（nà）米輪廓控製功能可以用於高精度、多坐標聯動、小程序段、高（gāo）速加工中。該（gāi）功能能夠減小由於伺服延時、進給速度增加以及加減速引起的位置滯後問題，有利於減小輪廓的加工誤差。納米輪廓（kuò）控（kòng）製可以保證（zhèng）伺服機構接收到納米插補（bǔ）器的（de）指（zhǐ）令信號是納米級的，工作台移（yí）動的平（píng）順性得益於該納米（mǐ）級的指（zhǐ）令信號，從而使工件的表麵質量和加工精度得到保證。
（3）網絡（luò）化（huà）
為了滿足全球製造、虛擬企業以及敏捷製造等新型生產形式的發展需要，同時順應企業生產中信息集成（chéng）化的趨勢，數控設備逐漸走向網絡（luò）化。為了抓住數控係統網絡化的趨勢，近年（nián）來，幾家知名的數控裝備公司對相（xiàng）關技（jì）術進行了研究，並（bìng）取得了一定的數控裝備成果，日本馬紮克公司提出智（zhì）能生產（chǎn）控製中心的概念，德國西門子公司提出（chū）開放製造環境（jìng）的項目等[53] 。
（4）柔性化、軟件化
不同的機床適應加（jiā）工對象變化的能力（lì）是不同的，它的衡量指標就是柔性。機床的柔性包括硬（yìng）件的柔性和軟件的柔性。傳統生產設備的控製係統是機械或剛性（xìng）連（lián）接實現的，不能滿足加工對象多（duō）樣化的需要。而（ér）在可編程器（qì）件設計的硬件係統（tǒng）中，硬件功能的改（gǎi）變可（kě）以通過調整相（xiàng）應的程序（xù）參數實現，從而（ér）增加了硬件係統的柔性。這個過程就（jiù）是（shì）硬件的部分功能由軟（ruǎn）件來完成，實現硬件功能的軟件替換的過程，這樣可以降低硬（yìng）件電路的複雜性，係統柔性得到加強。
為了順應開放式數控係統（tǒng）的發展趨勢，發揮開放式數控係統在現代數控加（jiā）工中體現出（chū）來的優越性，新代科技有限公司推出 SYNTEC-10B 數控係統，該型數控係統同樣也具備（bèi）良好的開放性，其開放式架構如圖（tú） 3.3 所示。
3.4 開放式 SYNTEC 加（jiā）工性能
新代開放式數控係統通過和 Win CE 係統配合可以達到每秒執行 1000 個單元的速度（dù），而且可（kě）以（yǐ）預解程（chéng）序路（lù）徑，最多可以達到 2000 個單節的破解量，因此可以使加工速度（dù）更為平順，並提供自動轉角減速（sù）及圓弧（hú）速度（dù）抑製功能，以確保工（gōng）件精度，確保了（le）SYNTEC-10B 數控係統具有高速高精的加工性能（néng）。
因受限於機台狀況，即使驅動器的位置回路增益調整至最佳數值，在實際加工上仍會（huì）產（chǎn）生伺服落後的問題，此狀（zhuàng）況尤以在高速加工時特別嚴重；因此（cǐ）針對伺服（fú）路後造成工件尺寸內縮，而開發出此精度補償功能，確保了 SYNTEC-10B 數控係統在保持精度的同時還具有較好的平順性。
模具加工中多（duō）使用 CAD/CAM 軟件自動（dòng）生成加工程序，這樣生成（chéng）的加工程序（xù）中存在致使加（jiā）工路（lù）徑（jìng）不合理的（de）單節程序語句（jù），SYNTEC-10B 數控係統提供路徑平滑功能，將軟件產生（shēng）的加工路徑平滑化，用以提高加工表麵的光潔度（dù）、加工效率與機台穩定度。
CAD/CAM 軟件生成（chéng）的線性刀具軌跡是非連續性（xìng），對於加工速度、表麵狀況、機台穩定（dìng）度皆會（huì）有一定的影響（xiǎng），尤其（qí）是在軟件中設（shè）定的加工精度以及公差不佳的情況下，此問題更為嚴（yán）重；高精度軌跡（jì）輪廓控製是利用（yòng）合適的曲線（xiàn）將（jiāng）線性刀具軌跡擬合為連（lián）續軌跡，且在加工速度的規劃上不再受限於不聯係的單節，因（yīn）而可（kě）以得到優良的加工品（pǐn）質，使 SYNTEC-10B 數控係統具有高精軌跡輪廓控製的性能。
機床操作者隻需做“精度（dù）優先”與（yǔ）“速度優先”的選擇，“路（lù）徑貼合”與“高平滑性”的等級選擇，以及（jí）選擇 SPA 的開啟與關閉即可控製加工狀況（kuàng），使得 SYNTEC-10B數（shù）控係統在高速高精度加工中的參數控製更加簡化明了。
操作者將檔案（àn）放置於外部裝置（USB、網絡等），保持（chí）邊傳輸，邊加工的工作狀態，一方麵滿足大型檔案（àn）加（jiā）工的需求；另（lìng）一方麵，操作者能夠在操（cāo）作上免去了加工程（chéng）序不斷傳檔的步驟，提高了加工效率。
3.5 控製麵板
操作麵板和控製（zhì）器麵板是（shì）機床操作人員與數控（kòng）係統進行信息交互的直接（jiē）窗口。項目中采用的新代 10B 控製器與 SK4-M 型的銑（xǐ）床麵板。新代 10B 係列的控製器（qì）采用先進的開放式架構（gòu）技術，並可以搭載 Mechatrolink-II 串列的通訊控製方式，可以改善傳（chuán）統脈波式泛用型控製器在多軸運動（dòng）控製中（zhōng）各種命令的（de）傳輸時間差與脈波時序（xù）問題，以達到良（liáng）好的同步控製並兼顧即時性；同時更加精簡配線，提（tí）升擴充性以及減少繁雜信號的幹擾。10B 控製器采用的是內置（zhì）嵌入式工業電腦，配置 10.4 寸液晶顯示器，結合伺服軸、手輪軸、主軸、內建 PLC 及 USB 接口的 CF Card 讀取裝置。
圖 3.3 新代 SYNTEC-10B 數控係統開放式架構框圖
該型控製器可以（yǐ）實現（xiàn） 8 軸伺服控製，具有手輪專用軸（zhóu），配置有一組 12BIT D/A 輸出接口，而且該控製器可以外接兩個 I/O 模塊（最多可（kě）達（dá） 128 點輸入/128 輸出點）。控製器構建的 USB 接口 CF CARD 卡片閱讀機具有動態熱插入功能。配備有 128MB的 RAM，可以實現 RS-232、RS422 以及 RS485 的網絡通訊。新（xīn）代 10B 控製器具有低價格、高性能、結構簡單、易於使用、可靠性高的（de）特點。圖 3.4 與圖 3.5 分別為新代 10B控製器麵板的正麵圖（tú）與背麵圖。
圖 3.4 新代 10B 控製器麵板（bǎn）正麵圖
圖 3.5 新代 10B 控製器麵板背部圖
新代 SK4-M 型的銑床（chuáng）麵板是機械式按（àn）鍵麵板，具有（yǒu）防油汙，耐腐蝕的特點（diǎn），結合新代標準型鍵盤，使我們（men）獲得便捷的操作環境（jìng）。圖 3.6 與圖 3.7 是新（xīn）代 SK4-M 型（xíng）銑床麵板的正麵圖與背部圖。該型麵板（bǎn）是基於新代標準鍵盤而設計，具有三（sān）組旋鈕式開關輸入，獨立的 Input 點允許應用（yòng）人員用來自行規劃。
圖 3.6 新代 SK4-M 型銑床麵板正麵（miàn）圖
圖 3.7 新代 SK4-M 型銑（xǐ）床麵板背部（bù）圖
區域①是快捷鍵功能區，其中（zhōng）包（bāo）括 F1-F8、ESC 以及翻頁鍵，該區域的快（kuài）捷鍵與顯示器下（xià）方的（de）快捷（jié）鍵功能一致。其中（zhōng）的翻頁鍵用於（yú）對當前多（duō）於（yú）一頁的程序界麵進行翻頁操作，以便操作者瀏覽多個程序和界麵，進行相關的（de）編輯和查看操作。 區域②是程序代碼編輯區域，負責數控編程中相關字符的修改編（biān）輯。其中包（bāo）括 26個字母鍵組成的（de）字母分區（qū）、10 個數字鍵組（zǔ）成的數（shù）字分區、遊標移動鍵（jiàn）分區、刪除鍵、換擋鍵、插（chā）入鍵（jiàn）等。數字鍵與字母鍵在指令位置和資料輸入過程中發揮作用。遊標移動按鍵用於對屏幕編輯區的光標進（jìn）行相關移動操作，對其進行（háng）精確快速定位，提高編程效率。換擋鍵用於（yú）切換按鍵的（de）第二層功能。刪除（chú）鍵用於程序編輯中消除誤輸入的詞句程序段。 區域③是輔助功能區。其中包括切削液開關、工作燈開關、加工吹（chuī）氣開關、排屑機正反轉、主軸正反轉控製、主軸轉（zhuǎn）速切換、刀（dāo）庫正反轉等輔助功能。 區域④是方向鍵區。手動控製（zhì）軸向移動，通過按鍵的組合可以達到（dào）快速移動的目（mù）的，其中包括 X、Y、Z 三個軸的正向和負向移動。 區域⑤是（shì）操作模式區，其中包括原點模（mó）式、MPG 寸動模式、自動加工模式、手（shǒu）動寸動模式（shì）、單節執行、選擇停（tíng）止等模式（shì）。 區（qū）域⑥是開關機分區。其中（zhōng）包括機床上電與斷（duàn）電按鍵，程序的啟動與停止按鍵以及轉速的倍率選擇旋鈕、急停按鈕等。該分區的功能主要是機床的啟動和停止，控製（zhì）加工程序的動作等。在操作失誤以及出現（xiàn）安全（quán）隱患時（shí），緊急停止按鈕能夠切斷所有的機電控（kòng）製；這種（zhǒng）情況下，控（kòng）製器處於供電狀態，其他諸如伺服、加工液（yè）、主軸（zhóu）等重電都被切斷，最終達到保（bǎo）護工作人員以及（jí）機械設備的目的。
3.6 本（běn）章小結
本章對新代 SYNTEC 數（shù）控係統進行了（le）整體性（xìng）的描述，論述了（le）新代數控係統二次（cì）開發所利用的模擬仿真軟件的功（gōng）能，對軟件安裝過程中的特殊要求進行了特別說明，保證了課題研究的軟件基礎。對新代 10B 控製器的架構進行了歸納總結，通過對開放式數控係（xì）統的分析，總結了新代開放式係統的性能（néng）優勢，提（tí）出（chū）了新（xīn）代係統的開放式架構。分析了新（xīn）代控製麵板，它的設計合理與否直接影響到數控係統的人機交互性。
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