1 引言

　　CNC（ComputerizedNumericalControl）是計算機數值控制系統的英文縮寫，也稱數控系統。在現代工業生產中得到了廣泛的應用。

　　今天，隨著計算機信息技術和生產技術的迅猛發展，制造業對產品生產制造也提出了更高的目標和要求：產品制造周期要求越來越短，零部件的生產效率和柔性化生產的程度越來越高，產品的加工質量和性能也要求更高、更穩定。CNC系統也從一般的產品的零部件加工控制（如車削、銑削、高速切削、等標準CNC數控機床）被逐步發展應用到產品的組裝、包裝乃至產品的運輸（如焊接、點膠、封裝，工業機器人、等CNC產業機械）等整個生產制造過程中去。

　　本文以一臺齒輪淬火機床CNC系統應用開發為例，詳述了如何利用中達電通PUTNC-H4通用系列CNC、臺達DELTA交流伺服系統，并結合客戶產品加工的工藝特點，為產業機械打造出客制化的CNC控制方案。

2 齒輪淬火機床對控制系統的要求

　　2.1機械設計

　　機械設計為3軸伺服控制和1軸變頻器控制：

　　（1）Y軸為旋轉軸，傳動機構會根據加工零件類型時的轉速要求而有所不同，分為伺服和變頻器拖動異步電動機兩種傳動方式，當加工齒輪類零件時，伺服電機經過減速機和齒輪盤兩級減速機構，帶動被加工齒輪做分度運動。當加工零件為光軸類零件時，Y軸伺服電機停止工作，傳動結構改變為變頻器拖動異步電動機經過同步帶，帶動光軸零件高速旋轉。設計解決了伺服電機經過兩級減速后，Y軸轉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，通過伺服電機直接驅動滾珠絲桿，帶動淬火加熱感應器上下運動，

　　（3）X軸為水平軸，同樣通過伺服電機直接驅動滾珠絲桿，帶動淬火感應器前后進給。其中Y軸伺服和Z軸伺服要求具有兩軸插補功能，這樣可以實現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。

　　機械結構簡圖如圖1所示。

圖1淬火機床機械結構

　　2.2零件加工的工藝要求

　　（1）機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100齒。

　　（2）機床在更換淬火感應器靠模后，還可以實現光軸類零件的淬火要求。

　　（3）配合不同的淬火感應器靠模設計，能夠實現的淬火方式：連續淬火、同時淬火、分段連續淬火（分段淬火通過程序設定，不需行程開關）、分段同時淬火。

　　（4）齒輪淬火加工順序要求間隔加工，以便留有足夠冷卻時間，保證齒輪最小的加工熱變形，以齒數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，齒輪分度旋轉時速度穩定。

　　（6）連續零件自動加工時，應保證足夠的絕對精度，不會產生累計誤差。

　　2.3控制系統要求

　　機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。

　　（1）在手動調試模式下：CNC系統可以通過操作面板控制伺服軸，快速JOG移動和MPG

　　手輪移動，方便操作工人調節感應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現Y軸變頻電機旋轉ON/OFF、淬火感應器加熱ON/OFF、噴液電磁閥ON/OFF、輔助噴液電磁閥ON/OFF控制，方便操作者調機測試使用。（I/O規劃參見方案的制定和實施）

　　（2）在自動運行模式下：CNC系統可以按照預先選用的程序控制伺服電機運動，

　　完成齒輪零件的全部淬火加工過程；可以使用自定義M代碼來實現Y軸變頻電機旋轉ON/OFF、淬火感應器加熱ON/OFF、噴液電磁閥ON/OFF、輔助噴液電磁閥ON/OFF，I/O控制(M代碼規劃參見方案的制定和實施)；自動加工過程中可以實現任意暫停，單節測試等操作功能。

　　（3）在程序編輯模式下：要求系統能夠存儲至少500組不同零件加工程式，并可以

　　對程式內容進行編輯；在加工標準的直齒和斜齒齒輪時，控制系統可以根據齒輪工藝參數自動生成加工程式；加工光軸類零件時，可以通過標準的G代碼實現零件程序設計；加工階梯軸類零件時，不需要增加外部的行程開關，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進行設定，如感應器加熱延時時間，噴液延時時間，齒輪加工空行程時的速度以及淬火加工時的速度設定。

3 中達電通PUTNC-H4通用系統介紹

　　PUTNC-H4數控系統是中達電通公司針對產業機械的運動控制需求開發的一款通用型CNC數控系統。該CNC系統最大的特點就是開放的系統架構，其CNC的狀態信號Sbit含義、內置PLC的指令信號Cbit含義、系統特殊寄存器R含義、以及系統內部特殊變量V定義，被完全開放給機床制造商使用，設計者只需配合專用的PLC編輯軟件和LCD畫面編輯軟件就可以對產品進行二次開發，從而打造出符合產業機械工藝要求和最終用戶操作要求的客制化CNC系統，如圖2所示。　　

圖2PUTNC-H4數控系統

　　PUTNC-H4通用系統的特點：開放式的系統架構，內含嵌入式PLC，可應用各類產業機械和自動化設備。高清晰LCD液晶顯示，用戶可以自行規劃畫面內容。配合PLC開發，可面板自定義按鍵功能，使操作更靈活。最大4軸伺服接口,響應可達500Kpps。解析度可設定至7位數，全閉環控制架構，控制精度更高。最大提供2組D/A輸出、A/D輸入。提供標準的24點輸入和16點輸出，可選配I/O擴展單元，56點輸入，64點輸出。具有主仆模式功能和被動ENCODER反饋功能，輕松構建主從追隨和同步裁剪功能。支持標準G代碼，提供變量表格編程和教導程序輸入功能，編程更靈活。更具有MACRO宏指令，可以進行數學、邏輯運算，NC編程功能更強大。程序存儲容量512Kbyte，NC程序組別高達1000組。提供RS232C標準接口，可連接個人電腦（PC）實現DNC在線加工功能。

4 方案的制定和實施

　　綜合上述的分析，CNC系統選用PUTNC-H4C-3就完全可以實現淬火機床的控制要求。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行分析。

　　4.1伺服位置控制和變頻器速度控制的實現

　　PUTNC-H4C-3具有3個獨立的伺服軸通道，可以實現X/Y/Z，3軸伺服聯動，亦可任意兩軸伺服插補運動。伺服軸的進給速度可以通過G01直線插補的F值設定。解析度可設定至7位數，全閉環控制架構完全可以保證足夠的絕對精度，不會產生累計誤差。

　　PUTNC-H4C-3系統還可以提供兩路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畫面規劃，直接修改系統變量參數數值來設定系統特殊寄存器R143的大小，用于淬火溫度的控制。另外一路D/A輸出通過設定系統特殊寄存器R238=5，指定該通道為主軸轉速機能，可以在NC程序中直接通過S代碼設定變頻馬達的轉速，用于光軸類零件的淬火加工。

　　通過PLC編輯，Y軸的伺服馬達的使能信號O004和變頻器運轉信號O000電氣互鎖，確保機械安全。CNC控制架構如圖3所示。

圖3CNC控制架構如

　　4.2系統的I/O規劃，以及自定義M代碼功能的實現。

　　機床制造商通過專用的PLC編輯軟體可以對PUTNC-H4通用系統的內置PLC進行編輯，可以實現PLCI/O規劃、電氣安全互鎖和用戶自定義M代碼功能。CNC淬火機床I/O規劃如表1所示。

　　表1CNC淬火機床I/O規劃

　　CNC淬火機床自定義M代碼如表2所示。

　　表2淬火機床自定義M代碼

　　自定義M代碼PLC規劃范例如圖4所示。　　

圖4自定義M代碼PLC規劃范例1

　　4.3系統的操作功能的實現

　　PUTNC-H4系列通用數控系統是具有標準CNC的功能，因此可以輕松實現伺服運動控制。通過數控面板的操作可以實現模式切換、基本G代碼編程、MPG手輪功能、任意暫停、單節測試等操作功能。

　　機床制造商只需根據產業機械最終用戶的操作習慣和工藝要求，對按鍵和LCD畫面做進一步的規劃，使其能更直觀的反映加工信息即可。因此和工控機、HMI人機+PLC的控制方案相比，無論在運動控制方面，還是系統操作易用性和穩定性上都有著絕對的優勢。

　　4.4加工程序G代碼數據的生成和處理

　　淬火機床是熱處理加工環節的一種專用設備，操作者往往具備本專業的理論基礎，而對CNC基本不具備編程能力。所以如何能夠結合產業機械的自身的工藝特點，完美的生成和處理加工程序數據，是把通用CNC打造成產業機械專用系統的關鍵一步。淬火機床在程序編輯上主要以下提出三點要求：

　　（1）加工光軸類零件時，可以通過標準的G代碼實現零件程序設計。

　　（2）在加工標準的直齒和斜齒齒輪時，控制系統可以根據齒輪工藝參數自動生成加工程式。

　　（3）在程序編輯模式下還可以對淬火的輔助工藝參數進行設定，如感應器加熱延時時間、噴液延時時間、齒輪加工空行程時的速度以及淬火加工時的速度設定。

　　中達電通PUTNC-H4系列數控系統不僅支持標準G代碼編程外，還提供變量表格編程和教導程序輸入，更支持MACRO宏指令等多種NC編程功能，完全可以滿足機床程序編輯要求，以下對上述三點要求實現展開詳細說明。

5 加工和輔助工藝參數設計

　　5.1光軸類零件的加工和輔助工藝參數的處理

　　（1）光軸類零件的加工工藝過程比較簡單，最終用戶稍加NC編程基礎的培訓，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，淬火區域為紅色部分，G代碼設計如下，其中X，Z軸的數據(如下例中的Z1、X1等)最終用戶可以通過圖紙計算得出，也可以通過CNC的示教功能采集得出。　　

　　（2）淬火輔助工藝參數的處理。在淬火零件加工過程中，都會涉及到一些淬火機床加工輔助工藝參數，如淬火進給速度F，延時時間X等，這些參數即可以通過LCD規劃的變量表格輸入，也可以通過具體數值直接給定，如上例說明描述。工藝參數界面規劃如下：

　　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行說明，CNC是如何結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。

圖5直齒類零件圓周展開圖

　　直齒淬火的一個淬火周期過程如下：Z軸快速進給到淬火起點B-----X軸淬火感應頭進給到齒根----Z軸以淬火速度提升，淬火感應頭由淬火起點B上升到淬火終點C----Z軸，繼續以快速進給提升到噴液安全距離D----X軸淬火感應頭退回到齒頂---Y軸分度一個齒距A。直齒齒輪一個加工周期的G代碼編輯如下：

　　N01G01Z#210F#212Z軸提升到進給起點位置（直齒輪）

　　G01X#250F#213X軸進給到淬火位置，進給F值#213

　　M9淬火感應器加熱

　　G04X#145延時變量#145秒

　　M25冷卻噴液開

　　G04x0.5

　　M27輔助冷卻噴液開

　　G01Z#220F#222Z軸提升到淬火終點，進給F值#222

　　M10淬火感應器停止加熱

　　G04x0.5

　　M28輔助噴液關

　　G01Z#230F#223Z軸提升到噴液停止位置D，進給F值#223

　　G04X#124延時變量#124秒

　　M26主噴液延時斷

　　G01X#240F#213X軸退回，進給F值#213

　　G01Z#210F#212Z軸下降到進給起點位置，進給F值#212

　　N100G01Y#13125F#168Y軸分度，進給F值#168

　　N20M99

　　以上的舉例，只是齒輪類零件的一個齒加工周期的工藝過程，對于多齒零件編程如果依靠操作者人工G代碼編程和示教方式生成數據并不合適。因此需要更為便利的編輯功能來實現G代碼的自動生成和處理。

6 編程方式討論

　　6.1增量編程配合宏指令編程方式

　　宏指令編程就是利用CNC系統自身MACRO宏指令功能，進行數學、邏輯運算來實現加工程式自動循環。例如：

　　G65L01P#1A0齒數加工計數#1清零

　　N01G01Z#210F#212Z軸提升到進給起點位置（直齒輪）

　　-------------------

　　--------------------直齒齒輪一個加工周期的G代碼

　　---------------------

　　G01Z#210F#212Z軸下降到進給起點位置，進給F值#212

　　N100G01V#999F#168Y軸增量分度齒距#999，進給F值#168

　　G65L01P#2A#1當前齒數#1送入#2

　　G65L02P#1A#2B1#2+1=#1加工計數#1加一

　　G65L81P02A#1B#3判斷，如果#1=#3，GOTON02#3為設定齒數

　　G65L84P01A#1B#3判斷，如果#1<#3，GOTON01#3為設定齒數　　N02M02　　通過CNC增量編程，并配合MACRO宏指令功能編程方式，Y軸的增量進給V值必須設定的很精確，否則會產生累計誤差！并且機械上的誤差是沒有辦法通過具體的數據修正。此外MACRO宏指令屬于NC高階應用語言，使用者也較難掌握，因此該方案并不是齒輪編程的最佳應用方案。

　　6.2通過變量表格和CNC自動生成G代碼數據鏈方式

　　通過上述G代碼的編輯不難發現，齒輪在淬火加工時，每個齒的加工過程中，其G代碼數據X、Z值都是固定不變的。以直齒齒輪為例，只有Y軸的分度數據Y#13125需要不斷的更新，而X、Z值可以通過變量的形式固化在NC程序中去。而Y值Y#13125的數據在不考慮修正的情況下，差值是固定的增量數值等于一個齒距。故可以利用CNC的特殊執行模式R154、R242來實現變量表格和CNC自動生成G代碼數據鏈的編輯方式。該方案的核心方法如下：