摘要 ：
本文主要介紹了 LMC058 運(yùn)動(dòng)控制器與 LXM23A 伺服系統(tǒng)在數(shù)控三軸鉆銑床的成功案例，主要采用了CANMotion 運(yùn)動(dòng)控制總線實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制，并可以執(zhí)行由CAD-CAM 軟件生成的 Gcode 文件，從而實(shí)現(xiàn)了 CNC 的功能。
本文重點(diǎn)介紹了工藝原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝流程、控制方案等。
關(guān)鍵字：LMC058、CANMotion、CANopen、Modbus TCP、LXM23A、ATV312、上位機(jī)
前言：近年來(lái)，隨著我國(guó)大規(guī)模的基建投資和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，鋁型材作為建筑領(lǐng)域和機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域里重要的應(yīng)用材料，其整個(gè)行業(yè)的產(chǎn)量和消費(fèi)量迅猛增長(zhǎng)，我國(guó)也一躍成為世界最大的鋁型材生產(chǎn)基地和消費(fèi)市場(chǎng)。
本文中的應(yīng)用客戶系專(zhuān)業(yè)從事鋁型材門(mén)窗加工設(shè)備的研發(fā)、制造和銷(xiāo)售的中國(guó)頂級(jí)品牌企業(yè)，在國(guó)內(nèi)率先研發(fā)出數(shù)控三軸鉆銑床等高精尖設(shè)備，填補(bǔ)了行業(yè)空白。
一、工藝簡(jiǎn)介
1、設(shè)備外觀
數(shù)控三軸鉆銑床 LZX-CNC-3500 主要用于幕墻五金配件、鋁合金、塑鋼門(mén)窗五金配件、工業(yè)鋁材、軌道交通、有色金屬材料安裝孔、排水槽及鎖孔等各種孔槽的加工，一次裝夾，可完成多個(gè)孔槽的鉆銑工作，可通過(guò) CAD-CAM 軟件對(duì)加工圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而生成Gcode 文件，由伺服系統(tǒng)完成孔槽的加工;本設(shè)備具有倍率調(diào)整、緊急停止、暫停、單步執(zhí)行、雙坐標(biāo)(機(jī)械坐標(biāo)與工件坐標(biāo))、可執(zhí)行 Mcode 等功能;具有操作簡(jiǎn)單、性能可靠、技術(shù)先進(jìn)、易于維修保養(yǎng)、銑削速度高、加工精度高、重復(fù)定位精度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
該設(shè)備由定位機(jī)構(gòu)、水平橫移軸(X 軸)、水平垂直軸(Y 軸)、鉆銑軸(Z 軸)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成，其中水平橫移軸、水平垂直軸、鉆銑軸采用 LXM23A 系列伺服系統(tǒng)控制，提高了定位精度與工作效率;同時(shí)，鉆銑頭部分由 ATV312 變頻器驅(qū)動(dòng)高速電主軸完成啟動(dòng)與停止工作。
3、工作原理
主要工序?yàn)樵c(diǎn)回歸，水平橫移軸、水平垂直軸、鉆銑軸的手動(dòng)操作，Gcode 文件的執(zhí)行，且在運(yùn)行過(guò)程中可以調(diào)整倍率從而實(shí)現(xiàn)三軸的速度變換等，傳動(dòng)系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)與進(jìn)口齒輪齒條、絲杠進(jìn)行控制，使定位精度可精確至 0.01MM，重復(fù)定位精度至 0.01MM，通過(guò)上位機(jī)對(duì)加工工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與監(jiān)控。
為確保設(shè)備安全性，每個(gè)軸的機(jī)械限位信號(hào)(常閉信號(hào))與原點(diǎn)信號(hào)直接接入伺服系統(tǒng)，在遇到機(jī)械限位信號(hào)或原點(diǎn)信號(hào)時(shí)，使伺服系統(tǒng)可以快速反應(yīng);同時(shí)，鉆銑軸的電機(jī)抱閘由伺服系統(tǒng)的 DO 輸出控制，完美實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)抱閘的控制。
4、工藝流程
?、瘛Ⅻc(diǎn)擊“手動(dòng)畫(huà)面”可進(jìn)入手動(dòng)操作，如定位板升降、噴霧冷卻、型材壓緊等動(dòng)作，也可完成對(duì)每個(gè)軸的點(diǎn)動(dòng)移動(dòng)等動(dòng)作，且可通過(guò)倍率旋鈕實(shí)現(xiàn)速度變換;
Ⅱ、點(diǎn)擊“同時(shí)回原點(diǎn)”按鈕，首先鉆銑軸執(zhí)行回原點(diǎn)功能，原點(diǎn)回歸完成后，再執(zhí)行水平兩軸的回原點(diǎn)功能，從而避免水平軸回原點(diǎn)時(shí)對(duì)鉆銑軸的碰撞;原點(diǎn)回歸采用查找到原點(diǎn)信號(hào)再反轉(zhuǎn)找電機(jī) Z 相的方式，提高原點(diǎn)回歸的定位精度，同時(shí)，也可重復(fù)執(zhí)行原點(diǎn)回歸功能;
?、?、點(diǎn)擊“加載NC程序”按鈕，選擇需要加工的Gcode文件并打開(kāi)，無(wú)論選擇文件的名字是什么，加載至LMC058中即修改為“”;
?、?、點(diǎn)擊“解碼啟動(dòng)”按鈕，LMC058即執(zhí)行對(duì)“”文件的解碼工作，同時(shí)解碼狀
態(tài)欄中會(huì)顯示“正在解碼中…”信息，當(dāng)解碼完成后，解碼狀態(tài)欄中會(huì)顯示“解碼完成”;實(shí)際測(cè)試9000步的Gcode文件解碼時(shí)間約為90-100S;
V、點(diǎn)擊“循環(huán)啟動(dòng)”按鈕，則系統(tǒng)立即執(zhí)行Gcode文件，在運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整倍率旋鈕實(shí)現(xiàn)速度變換，當(dāng)倍率為0時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行，不為0時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行;發(fā)生緊急情況下可按下“緊急停止”按鈕，則系統(tǒng)立即停止，當(dāng)恢復(fù)“緊急停止”按鈕時(shí)，按下“循環(huán)啟動(dòng)”可繼續(xù)停止前的工作直至Gcode文件被完全執(zhí)行完成;
VI、支持Mcode，在執(zhí)行至Mcode時(shí)，可通過(guò)SMC_Interpolator的wM變量監(jiān)控到執(zhí)行Mcode的當(dāng)前值，從而根據(jù)此數(shù)值進(jìn)行邏輯部分的控制，當(dāng)完成該步Mcode時(shí)，觸發(fā)bAcknM輸入則繼續(xù)執(zhí)行Gcode文件;
VII、在Gcode文件執(zhí)行過(guò)程中，可以獲取當(dāng)前Gcode的執(zhí)行行號(hào)，從而獲取Gcode文件的執(zhí)行情況。
5、設(shè)備性能指標(biāo)
電 源： 三相四線，380VAC，50Hz
電 主 軸： 4.5 KW，轉(zhuǎn)速：18000 r/min
變 頻 器： 4 KW，380VAC，最高輸出頻率：600 Hz
伺服電機(jī)： 1 x 1 KW，2×0.75 KW，轉(zhuǎn)速：3000 r/min
工作壓力： 0.5～0.8 Mpa
供 氣 量： 60 L/min
進(jìn)刀速度： 0～30 m/min
移動(dòng)速度： 水平橫移軸：0～50 m/min，水平垂直軸：0～30 m/min
定位精度： 0.01 mm
重復(fù)定位精度： 0.01 mm
二、控制系統(tǒng)的技術(shù)要求與控制方案
1、技術(shù)要求
運(yùn)動(dòng)控制器：DI：26 點(diǎn)，24VDC;DO：16 點(diǎn)，Tr，24VDC，0.5A;內(nèi)置 CANMotion 運(yùn)動(dòng)控制總線，CANopen 現(xiàn)場(chǎng)總線，Modbus TCP 工業(yè)以太網(wǎng)接口;支持 Gcode 文件的執(zhí)行變頻器：380VAC，4 KW，內(nèi)置 CANopen 現(xiàn)場(chǎng)總線接口
伺服系統(tǒng)：一臺(tái) 1.0 KW 的 LXM23A 控制水平橫移軸，一臺(tái) 0.75 KW 的 LXM23A 控制水平垂直軸，一臺(tái) 0.75 KW 的 LXM23A 控制鉆銑軸(帶抱閘)
2、控制方案
采用施耐德電氣整體解決方案，并以LMC058運(yùn)動(dòng)控制器為核心
I、LMC058與LXM23A伺服系統(tǒng)之間采用CANMotion運(yùn)動(dòng)控制總線，從而實(shí)現(xiàn)三軸的點(diǎn)動(dòng)、原點(diǎn)回歸、相對(duì)與絕對(duì)定位控制、Gcode文件執(zhí)行等功能，可實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、工作狀態(tài)等信息;
II、LMC058與ATV312系列變頻器之間采用CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線控制，主要控制電主軸的啟動(dòng)與停止，讀取變頻器的當(dāng)前速度，工作狀態(tài)等信息;
III、倍率調(diào)整電位器接入在ATV312的模擬量輸入端，由LMC058的CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)讀取模擬量輸入端的電壓變化，從而實(shí)現(xiàn)倍率調(diào)整，充分利用了變頻器的模擬量輸入端，節(jié)約了LMC058的模擬量輸入模塊的成本;LMC058 與上位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng) Modbus TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，上位機(jī)采用 VB 開(kāi)發(fā)的界面，具有數(shù)據(jù)的監(jiān)控與設(shè)置，NC 文件的修改、保存與導(dǎo)入等功能，Gcode文件通過(guò) FTP 的方式下載至 LMC058 中，且無(wú)論選擇哪一個(gè) Gcode 文件，下載至 LMC058中默認(rèn)是“”文件，在程序中只需要對(duì)“”文件進(jìn)行讀取與解碼即可;
IV、所有控制部分全部采用 CANMotion 運(yùn)動(dòng)控制總線與 CANopen 現(xiàn)場(chǎng)總線，具有安裝操作方便、節(jié)約配線時(shí)間、減少了因硬件接線過(guò)多造成的潛在隱患點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)。
系統(tǒng)架構(gòu)如下：
3、控制難點(diǎn)分析
Ⅰ、Gcode文件執(zhí)行;自LMC058發(fā)布以來(lái)，與LXM23A的CANMotion運(yùn)動(dòng)控制總線的通訊未有Gcode文件執(zhí)行的成功案例，CNC中可以執(zhí)行的Gcode是否可在LMC058中應(yīng)用未有詳細(xì)的資料可供參考，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與摸索，現(xiàn)列出LMC058可以支持的Gcode與標(biāo)準(zhǔn)的書(shū)寫(xiě)方式，如下：
N：行號(hào)或序列號(hào)
G00：快速定位
G01：直線插補(bǔ)定位
G02：CW(順時(shí)針)圓弧/螺旋插補(bǔ)定位
G03：CCW(逆時(shí)針)圓弧/螺旋插補(bǔ)定位
G04：暫停延時(shí)
G17：XY 平面選擇
G18：ZX 平面選擇
G19：YZ 平面選擇
G17/G18/G19：決定圓弧/螺旋插補(bǔ)的平面選擇，對(duì)于直線插補(bǔ)無(wú)任何影響
G90：絕對(duì)坐標(biāo)定位
G91：相對(duì)坐標(biāo)定位
E：加速度與減速度
F：速度
I/J/K：在 G02/G03 指令中，定義圓弧/螺旋插補(bǔ)的參數(shù)，常用于圓弧的加工
R：在 G02/G03 指令中，定義圓弧/螺旋插補(bǔ)的參數(shù)，常用于整圓的加工，定義圓的半徑
X/Y/Z：軸的設(shè)定位置，如 X-100.5 Y210.2 Z-300.0
M碼：用戶自定義M碼的作用
標(biāo)準(zhǔn)的 G 代碼格式
N0 E500 E-500
N1 G01 X1000 Y-100 F100
N2 G00 Z-10 F200
N3 G01 X500 Y-50 F60
不同的 G 代碼不能在同一行內(nèi)，比如：N1 G90 G01 X1000 Y-100 F100
如上所示，如果已經(jīng)聲明了加速度與減速度，則在以下的G代碼中未聲明加速度與減速度的，默認(rèn)為上面設(shè)置的加速度與減速度
Ⅱ、重復(fù)定位精度;LXM23A伺服系統(tǒng)的原點(diǎn)回歸方式選擇為7或11，描述為：以第一速度查找原點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)遇到原點(diǎn)信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，以第二速度離開(kāi)原點(diǎn)信號(hào)的下降沿后，查找到電機(jī)的Z相信號(hào)后停止，但由于LXM23A的原點(diǎn)回歸在找到Z相信號(hào)后，會(huì)有一個(gè)減速過(guò)程，從而產(chǎn)生了一個(gè)小的位置偏差，但無(wú)法保證不同回原點(diǎn)速度下的位置偏差相同;解決方案：在原點(diǎn)回歸完成后立即執(zhí)行一次MC_MoveAbsolute絕對(duì)定位使其找到真正的電機(jī)Z相信號(hào)，此時(shí)，坐標(biāo)系的位置全部為0
Ⅲ、伺服系統(tǒng)每次原點(diǎn)回歸的位置不一致?原點(diǎn)回歸模式為遇到原點(diǎn)信號(hào)之后反轉(zhuǎn)找到伺服系統(tǒng)的 Z 相后停止，在原點(diǎn)信號(hào)非常接近伺服系統(tǒng) Z 相信號(hào)的情況下，如果原點(diǎn)信號(hào)響應(yīng)時(shí)間快，則會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)立刻就會(huì)抓到伺服 Z 相的現(xiàn)象，而原點(diǎn)信號(hào)響應(yīng)時(shí)間慢時(shí)，則會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)伺服 Z 相到達(dá)而原點(diǎn)信號(hào)還未到達(dá)的現(xiàn)象，造成原點(diǎn)回歸停止在伺服第二次 Z相信號(hào)位置;
解決方案：輕微移動(dòng)原點(diǎn)信號(hào)，使其在觸發(fā)時(shí)大約在伺服相對(duì) Z 相點(diǎn)的半圈位置。
4、NC 文件的加載
根據(jù)客戶需要，使用VB開(kāi)發(fā)了使用FTP方式傳輸NC文件的工具軟件，此軟件可以集成在上位機(jī)系統(tǒng)中，或者二次開(kāi)發(fā)均可;軟件啟動(dòng)后，會(huì)在D:\根目錄下創(chuàng)建一個(gè)“NCFiles”文件夾;傳送單個(gè)文件時(shí)，傳輸至LMC058的NC文件名字指定為“”;傳送多個(gè)文件時(shí)，會(huì)將D:\NCFiles文件夾下的所有*.txt傳輸至LMC058，但不會(huì)更改文件的名字，需要使用某一個(gè)文件時(shí)，需要在LMC058的程序功能塊中設(shè)置文件名字。
5、如何驗(yàn)證Gcode文件生成的圖形
在實(shí)際應(yīng)用中，用戶常常使用不同的軟件進(jìn)行Gcode文件的生成，因此，這里有一個(gè)問(wèn)題，就是其中Gcode的小數(shù)點(diǎn)保留位數(shù)的問(wèn)題，舉例來(lái)講，我們使用一個(gè)第三方的軟件生成Gcode文件下載至LMC058后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是一個(gè)整圓的動(dòng)作，但是執(zhí)行的效果卻是不符的，通過(guò)第三方的NC路徑查看軟件驗(yàn)證此圖形是正確的，經(jīng)過(guò)自己分析Gcode文件后，發(fā)現(xiàn)在G02指令中的I參數(shù)正確的數(shù)值應(yīng)該為10.6235，但是在第三方軟件生成時(shí)，變?yōu)榱薎10.623，因此LMC058無(wú)法正確的識(shí)別這個(gè)Gcode，從而產(chǎn)生了不同的執(zhí)行結(jié)果;為了避免此類(lèi)情況的發(fā)生，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Gcode的驗(yàn)證：
I、新建一個(gè)LMC058的工程，添加“CNC”，將Gcode復(fù)制至編輯框內(nèi)，則自動(dòng)生成所描述的圖形，如下：
如果Gcode文件在這種方式下，不能生成正確的圖形，則需要檢查Gcode文件的正確性
II、使用權(quán)威的第三方NC View軟件進(jìn)行圖形查看，進(jìn)一步驗(yàn)證
三、應(yīng)用總結(jié)
本系統(tǒng)采用了施耐德電氣整體解決方案，具有以下幾大優(yōu)勢(shì)：
● 采用CANMotion與CANopen總線控制方式，消除了常規(guī)控制方式所帶來(lái)的種種不安全潛在因素，不需要改變?nèi)魏斡布泳€的多模式自由切換方式使控制更加靈活，數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)反饋確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)總線控制方式，有效降低了生產(chǎn)成本，減少了配線工作量，為未來(lái)設(shè)備的擴(kuò)展與更新提供了便利條件;
●提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性;
●提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。采用施耐德電氣方案后，生產(chǎn)速度可達(dá)50 m/min。生產(chǎn)速度提高10%，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性相比以前提高10%;
● 人性化的編程界面，多種語(yǔ)言混合編程模式，操作簡(jiǎn)單，使用方便。
四、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具
（轉(zhuǎn)載）
