吳良凱

摘要：數(shù)控機床是生產(chǎn)過程中常用的工具，但是數(shù)控機床的高成本性往往制約著生產(chǎn)的進步與發(fā)展。本研究在控制制造企業(yè)低成本的要求下，以開放式控制系統(tǒng)802Dsl在數(shù)控機床的改造應用為主線，以豐富我國現(xiàn)有數(shù)控機床的功能為目的，深入探索了利用開放式控制器對造數(shù)控機床進行低成本改造的重要技術(shù)問題。為用戶對數(shù)控機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：開放式控制器；數(shù)控機床；低成本改造；應用

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)控機床是當前生產(chǎn)發(fā)展過程中的一個重要力量，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)控機床更新速度的高節(jié)奏和在某些方面相對較差的適應性又在一定程度上提高了數(shù)控機床的使用成本和使用難度。因此如何在現(xiàn)有條件下通過系統(tǒng)改造，最大限度地發(fā)揮企業(yè)已有數(shù)控機床的作用，是擺在企業(yè)和研究者中的一項重要課題。本文將探索開放式控制器在數(shù)控機床低成本改造中的應用，以期為數(shù)控機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)的特點和數(shù)控機床的應用現(xiàn)狀。進而簡要分析了行業(yè)數(shù)控機床應用的主要問題和改造的市場需求，同時從技術(shù)角度分析了改造的可行性和預期的改造效果。然后給出了開放式控制器低成本改造數(shù)控機床的方案。最后從改造過程中的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)兩個方面對核心技術(shù)進行了研究?；窘鉀Q了在低成本要求下運用開放式控制器對我國數(shù)控機床改造的核心任務。

一、數(shù)控機床改造的需求與可行性分析

（一）數(shù)控機床應用過程中的常見問題

數(shù)控機床應用過程中的問題主要包括以下幾個方面：

1.成本普遍較高。數(shù)控機床的成本一方面是指數(shù)控機床的購置成本，數(shù)控機床價格昂貴，一條生產(chǎn)線動輒上千萬，一般企業(yè)再投入上還有一定壓力，特別是在當前我國制造業(yè)普遍不景氣的大環(huán)境下，企業(yè)對制造設(shè)備的高價值投入信心不強。另一方面還指維護成本，高檔機床依賴制造商家的維修和配件，機床一旦出現(xiàn)故障，制造商的跟進成本是一大支出，問題嚴重還會耽誤產(chǎn)品交貨期，影響制造企業(yè)聲譽。

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

3.功能適應性較差。企業(yè)產(chǎn)品一般較為固定，造成對部分機床的功能形成了浪費，而企業(yè)又不能對這些功能進行刪減或改變，嚴重影響機床性價比。特別是專用或特種機床，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

國內(nèi)很多制造企業(yè)在自動化改造過程中引進了數(shù)控設(shè)備，現(xiàn)在看來設(shè)備已顯陳舊，然而經(jīng)過改造仍可使用，因此來講數(shù)控機床的改造工作是很有市場的一項工作[2]。通過對控制系統(tǒng)的改造，即運用開放式控制器的結(jié)構(gòu)特點，匹配有關(guān)功能的實現(xiàn)，最終達到以較低的開發(fā)成本實現(xiàn)制造企業(yè)的多種需求。運用企業(yè)原來的資源和設(shè)備，來彌補企業(yè)已有的數(shù)控機床在性能上的浪費、不完整問題，最終滿足高品質(zhì)的制造需求。

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

2.提高人機效率：針對上面的使用問題，我們要改造的目的便是不造成使用和維護困難，在用戶體驗方面注重操作界面統(tǒng)一，改造有利于工人操作的標準對硬件形象進行調(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。同時采用模塊化結(jié)構(gòu)，這樣可以使得機器的可靠性進一步加強，也是在為后期的維護方便。

3.進一步提高柔性：從一個簡單的手機可以看出，市場消費者對產(chǎn)品的要求是個性化，那么制造過程也將面臨同樣的問題，其實數(shù)控機床的出現(xiàn)本身就是人類在制造柔性化上的進一步探索，那么改造要進一步實現(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、開放式控制器低成本改造數(shù)控機床方案設(shè)計

（一）開放式控制器

可以說控制器或者叫控制系統(tǒng)的選擇是改造的關(guān)鍵，因為他要符合改造目的性能?，F(xiàn)在市場上較為先進的控制如美國有名的Delta Taut、Galil公司Galil系列運動控制器，奧地利PCC等以及德國西門子控制器等[3]。這些控制器他們一般都有開放的接口函數(shù)、功能性較強、多種軟件兼容以及應用廣泛等特點。在本文研究過程中我們選擇了802Dsl控制器，它是SIMMERIK 802Dsl控制系統(tǒng)中的控制器模塊，廠家為西門子公司。它擁有可編程邏輯控制器，加載了ISO語言編輯，具有變成容易，循環(huán)多樣的特點。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單，通過簡單的“Ctrl+c”和“Ctrl+v”就可以實現(xiàn)程序的選擇和編輯，便于今后更改。整體系統(tǒng)上可以連接六個軸，其中一個是PLC軸。開放控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖1所示。

（二）數(shù)控機床技術(shù)參數(shù)

（見表1）

（三）改造方案的確定

數(shù)控機床的改造過程主要是對控制平臺的和支持硬件的改造過程，一般的過程如圖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：工作任務就是利用對802Dsl控制器的重新設(shè)置和程序的編寫使得數(shù)控機床滿足新的工作要求。

2.主要技術(shù)指標的確定。這里的是后續(xù)改造后的性能指標，也就是要達到目標的參數(shù)化，因此不同任務他的指標是不盡相同的，這也是改造的標準和依據(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)控機床常常要考慮其精度、強度、剛度、可靠性、熱變形、噪音、磁感性等指標。④改造過程數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動方式[4]。⑤周期和成本，我們的改造要便于企業(yè)應用，同時要考慮改造周期和成本，前面強調(diào)了要在低成本下進行改造，該項指標同樣很重要。

3.整體改造方案的制定、評價和優(yōu)化。應該講此步驟是核心工作，該項工作的優(yōu)劣直接關(guān)系后面的具體實施和成果。同時該像是一個技術(shù)含量很強的過程，總體方案的制定依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實際需求和制造要求進行設(shè)計。對于一些可變的項目，如數(shù)控系統(tǒng)常?？梢赃x擇兩軸聯(lián)動的經(jīng)濟型，控制方式有各種向量模式，伺服電機的選擇等。最重要的是控制方式、控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計等?；痉桨高€要對其作簡單評價，就是要從成本、周期等綜合因素考慮，并提出優(yōu)化意見。最終確定方案。

4.具體改造的實施。就是設(shè)計者同工人把方案進行具體落實的過程，在該過程中設(shè)計者、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.改造后的評價。按照上述要求對改造工程后的數(shù)控機床進行評價，比如機械性能和電氣穩(wěn)定性，甚至可以進行試驗工件的切削來觀測。

三、改造的硬件設(shè)計與軟件開發(fā)

（一）硬件的設(shè)計

根據(jù)本次改造數(shù)控機床的參數(shù)表我們可以得知，本機床不同于一般的主流設(shè)備的交流伺服電動機，而是直流電動機，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)該直流電動機的基本性能較好，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，因此改造時不改變電動機性質(zhì)，但是要去掉直流調(diào)控裝置，同時加載590直流調(diào)速器，最后該主軸成為直流伺服電機的驅(qū)動辦法，形成半閉環(huán)，其原理如圖2。

對應改造過程中應用直流調(diào)速設(shè)備（歐陸590），這個驅(qū)動器是一個三相四限，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。

電機的轉(zhuǎn)速峰值、加減速時的扭矩、連續(xù)負載周期、載荷扭矩等原因都會對電機的性能產(chǎn)生影響。一般我們依據(jù)目標載荷來確定伺服電機，而負載的扭矩（為切削扭矩和摩擦扭矩之和）和負載慣量是主要的電機軸上的負載，一般電機要求實際負載的扭矩要略小于額定扭矩，因為這個過程還會附帶來“加速扭矩”，這個避免不了，而加速扭矩的控制要依靠

這個值的大小來控制，一般地，

越大，其動態(tài)性能較差，而

越小，其動態(tài)性能較良，同時這時電機的能耗增強。因此要在這二者之間尋求一種平衡，根據(jù)經(jīng)驗，我們該項改造設(shè)計中將

控制在（x<2.5，z<3）就可以達到平衡加速扭矩的效果。直流伺服電機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。步進電機驅(qū)動器可以從802Dsl上直接獲得脈沖指令。從這一例改造可以看出，利用802Dsl控制器的開放特點，可以對原有的數(shù)控機床進行數(shù)種改造，這樣便可以對企業(yè)已有的設(shè)備進行充分的挖掘和使用[5]。常見的工作比如：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)動器，保留伺服電機。d.更換CNC系統(tǒng)和主軸驅(qū)動器[6]。

（二）軟件的開發(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。同時要指出，它具有多種CPU類型和電壓等級，這使得他對自動化實現(xiàn)過程中具有很強的適應特性。S7-200 PLC一般來講它的特點有：a.可以規(guī)范掉電保護區(qū)；b.即可寫讀I/O；c.制訂停止狀態(tài)時的輸出值；d.可以模擬電位器；e.高速I/0。它的工作過程為，第一為采樣階段，第二為執(zhí)行階段，第三為刷新階段。對應的它分別分為上電處理、掃描處理、出錯處理三個部分[7]。

我們本次采用了820Dsl數(shù)控系統(tǒng)，其為嵌入式 PLC，就是說這個嵌入式PLC的NCU集成了CPU和NC，在控制數(shù)控機床的各種執(zhí)行設(shè)備時，只需要將行程開關(guān)的輸入信號和電磁閥、接觸器的輸出信號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，最終可以實現(xiàn)改造全數(shù)控。同時嵌入式 PLC對外接口有驅(qū)動和反饋兩個接口，這樣便可以規(guī)避信息傳遞過程中的藩籬，使得系統(tǒng)的可控制性得到了加強[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PLC子程序庫，在這個苦中給出的程序中就可以實現(xiàn)一般控制的功能，方法就是上面已經(jīng)提出的復制粘貼。但是機器加工工件的不同和設(shè)備的特性使得要對程序進行二次開發(fā)，但是這里的開發(fā)就是在基礎(chǔ)程序庫中的基礎(chǔ)上進行的，就是說根據(jù)企業(yè)機床的類型重新寫PLC程序，大大提高了效率。

PLC主程序的設(shè)計包括很多，要根據(jù)實現(xiàn)功能具體對待，比如機床過載、工件脫落、夾具為上齊等緊急程序要具備，又如機床刀架換刀過程控制何手動操作控制等。特別強調(diào)輔助功能壓力檢測、行程控制、報警燈控制等方面也要考慮到[9]。

本研究過程結(jié)合了程序庫和改造后數(shù)控車床的具體情況編寫了PLC程序，主程序的過程如如圖4所示。編寫時要求在輔助的主體框架下進行，在數(shù)控機床上電后，主程序開始運行，在系統(tǒng)初始化前進行復位，進而對系統(tǒng)給予監(jiān)控，中途會對信號進行識別和判斷，控制信號MCP根據(jù)接到的信號實施工作，如果有自動操作就轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)操作程序，如果是收到手動程序就進行手動操作，再者進到各個軸的是能控制步驟，開啟冷凍液，進行（自動/手動）加工。如果存在緊急狀態(tài)則要進入對應的急停處理程序。

結(jié)語

本文首先說明了開放式控制器在數(shù)控機床低價改造過程中的意義和前景，進而對市場需求和可行性進行了簡單的辨析，進而給出改造的建議方案，對硬件設(shè)計和軟件開發(fā)進行了框架的搭建和設(shè)計，給具體進行改造工作提出了參考。前文已經(jīng)提到，基于我國縱多的制造企業(yè)數(shù)控機床的落后現(xiàn)狀，使用控制器的改造實現(xiàn)數(shù)控機床的生命延續(xù)、功能延續(xù)會給企業(yè)的生產(chǎn)成本減負。從技術(shù)上講就是開放結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)會依據(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，滿足客戶對不同國家、類型、年代的數(shù)控機床的替代，并且提高設(shè)備性能。

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