摘要：設(shè)計了一種基于機器控制器（MP2310）的數(shù)控銑床教學平臺，并給出了具體的實現(xiàn)方法，同時為數(shù)控教學設(shè)備開發(fā)提供了一種新方法。通過使用此平臺，不但可以進行傳統(tǒng)的數(shù)控加工實訓操作，還可以比較全面了解數(shù)控機床的電氣控制原理和運動程序編寫。

0引言

目前，各高校開設(shè)的課程多數(shù)與實際應(yīng)用聯(lián)系緊密，結(jié)合課程的理論知識開設(shè)相應(yīng)的實驗操作課程，有益于學生牢固掌握課程理論知識，提高學生的獨立思考能力和實踐操作能力。但實際情況卻不容樂觀，實驗室的設(shè)備購買時間長，與實際生產(chǎn)應(yīng)用存在技術(shù)滯后。而頻繁的購買實驗設(shè)備無疑將增加學校的教學成本。

此外，目前市場上實驗教學設(shè)備多為模塊化生產(chǎn)，難以與課程結(jié)合，同時學生不能深入了解設(shè)備工作原理，而且其價格高昂。因此設(shè)計與課程內(nèi)容相符，以及與實際生產(chǎn)緊密聯(lián)系的實驗設(shè)備，將極大的調(diào)動學生學習的積極性，培養(yǎng)學生的實際動手能力，實現(xiàn)“自主學習、合作互動”的課堂教學模式。機床平臺的搭建，能以本校學生的實際情況為契合點，以課程內(nèi)容與市場技術(shù)發(fā)展方向為導向，更好的擴展學生的思維，培養(yǎng)具有一定競爭能力的高素質(zhì)人才[1]。鑒于此加工平臺的靈活創(chuàng)新，學生可以根據(jù)自己想法和創(chuàng)新自主設(shè)計加工方案。此外，在實驗指導人員的指導下學生可以加深對數(shù)控加工平臺中各個模塊的理解，能更好的幫助學生對理論課程中相應(yīng)知識點的理解和掌握。著實推動當代本科生對所學知識的實際應(yīng)用，培養(yǎng)有著較強動手能力的新世紀人才，成為解決大學生就業(yè)問題，推動國家經(jīng)濟發(fā)展水平的有效助劑。

我校數(shù)控加工技能實訓課程中使用的數(shù)控機床設(shè)備多由國內(nèi)外著名數(shù)控生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，如德國SIEMENS公司SINUMERIK系列，日本FANOC，大連數(shù)控及廣州數(shù)控等。就目前使用的數(shù)控機床加工設(shè)備中，存在以下幾個問題[2]：

（1）數(shù)控系統(tǒng)比較復雜，操作人員需要具有一定的機械加工知識，并且經(jīng)過長時間的專業(yè)培訓；

（2）數(shù)控系統(tǒng)的源代碼及模塊接口等開放程度不高，難以對系統(tǒng)進行二次開發(fā)；

（3）數(shù)控系統(tǒng)價格昂貴；

針對以上問題，結(jié)合深圳大學本科實訓實踐的教學要求，設(shè)計出一臺適用于機電類和非機電類學生使用的數(shù)控加工平臺。

１、硬件平臺設(shè)計

有別于國外著名大型數(shù)控生產(chǎn)廠家研制數(shù)控系統(tǒng)，本自制三軸數(shù)控加工平臺是基于人機界面（HMI）和MP2310機器控制器，尋求搭建一個價格低廉、操作簡單、能滿足加工常見機械零件的數(shù)控加工系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理如下圖1所示。

加工平臺控制系統(tǒng)采用半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)，機床的X、Y、Z軸和主軸的位置檢測點通過伺服電機編碼器進行。通過檢測伺服電機旋轉(zhuǎn)角度來間接檢測銑床平臺的移動量，而不是通過安裝光柵尺等傳感器來直接檢測銑床平臺的實際位置。設(shè)計的平臺系統(tǒng)不包括機械傳動環(huán)節(jié)，因而平臺具有比較穩(wěn)定的控制性能，雖然其系統(tǒng)的穩(wěn)定性能不如由步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)，但其穩(wěn)定性要比全閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)異。

圖1數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖

此外，半閉環(huán)系統(tǒng)的位置環(huán)內(nèi)各組成環(huán)節(jié)的誤差可以通過相關(guān)的算法可得到一定程度的補償。設(shè)計的銑床平臺半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便和精度相對較高，滿足工程訓練中心的實訓教學和科研加工要求。

本項目研究的銑床教學平臺的核心器件為MP2310機器控制器，機器控制器通過對伺服驅(qū)動器發(fā)送相關(guān)指令控制各運動軸伺服電機精準運行。機器控制器具有位置控制功能：定位，外部定位、原點復歸、多軸插補、恒速進給和恒量進給等。同時，機器控制器能通過其專用的運動語言實現(xiàn)循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、條件分支、并列執(zhí)行、選擇執(zhí)行和分支等控制命令編程[3]。此外，機器控制器具有強大的PLC梯形圖編程功能。利用其I/O模塊能處理操作面板、機床限位、報警和電磁閥等信號。另外，機器控制器與人機界面能進行有關(guān)信息傳遞。

2、數(shù)控銑床教學平臺

圖2系統(tǒng)的操作示意圖

如圖2所示，對機電類專業(yè)實訓學生，通過設(shè)計的數(shù)控銑床教學平臺，不但可以進行傳統(tǒng)的數(shù)控加工實訓操作，還可比較全面了解數(shù)控機床的電氣控制原理。由于此數(shù)控加工平臺所用的機器控制器源代碼完全開放，學生可以在老師的指導下進行PLC梯形圖和運動語言編程。另外，通過運動走刀，還可以加工出各種零件。由于學生每編寫一條運動指令，都能從加工零件的刀路上顯示出來，在體現(xiàn)課程實驗（訓）效果的同時，還能明了的發(fā)現(xiàn)問題，提出相應(yīng)的改進方法，獲得更多的創(chuàng)新。對非機電類專業(yè)實訓學生，由于實訓課時及專業(yè)基礎(chǔ)知識的限制，著重向?qū)W生講解如何操作設(shè)備加工零件，包括裝夾工件，分中對刀，操作面板功能和調(diào)出零件加工等知識。相比傳統(tǒng)數(shù)控加工中心，本自制三軸數(shù)控加工平臺體積小，操作簡單，初學者容易上手。

3、教學平臺設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)控加工平臺機械主體部分主要依托工程訓練中心現(xiàn)有的廢舊故障設(shè)備——簡易數(shù)控銑床。由于需要更換伺服系統(tǒng)，其各軸的伺服電機連接機械零部件需要根據(jù)伺服電機規(guī)格型號進行設(shè)計安裝。伺服電機連接零件的正確設(shè)計及合理安裝能有效延長電機的使用壽命，同時還能減少因機床電機機械性振動而產(chǎn)生的加工誤差。教學平臺的研究技術(shù)路線如圖3所示。

圖3設(shè)計技術(shù)路線

一條運動指令，都能從加工零件的刀路上顯示出來，在體現(xiàn)課程實驗（訓）效果的同時，還能明了的發(fā)現(xiàn)問題，提出相應(yīng)的改進方法，獲得更多的創(chuàng)新。對非機電類專業(yè)實訓學生，由于實訓課時及專業(yè)基礎(chǔ)知識的限制，著重向?qū)W生講解如何操作設(shè)備加工零件，包括裝夾工件，分中對刀，操作面板功能和調(diào)出零件加工等知識。相比傳統(tǒng)數(shù)控加工中心，本自制三軸數(shù)控加工平臺體積小，操作簡單，初學者容易上手。

數(shù)控加工平臺機械主體部分主要依托工程訓練中心現(xiàn)有的廢舊故障設(shè)備——簡易數(shù)控銑床。由于需要更換伺服系統(tǒng)，其各軸的伺服電機連接機械零部件需要根據(jù)伺服電機規(guī)格型號進行設(shè)計安裝。伺服電機連接零件的正確設(shè)計及合理安裝能有效延長電機的使用壽命，同時還能減少因機床電機機械性振動而產(chǎn)生的加工誤差。教學平臺的研究技術(shù)路線如圖3所示。

人機界面作為系統(tǒng)的開關(guān)量、參數(shù)輸入及信息顯示的主要設(shè)備，需要設(shè)計組態(tài)機床X、Y、Z軸伺服電機的實時位置顯示及執(zhí)行信息。組態(tài)各部分按鈕開關(guān)包括模式選擇、各軸恒速恒量運行開關(guān)、程式自動運行、手動運行、機床輔助開關(guān)和調(diào)速旋鈕等等。存儲各種常見零件加工信息，刀具信息等方便調(diào)用。

數(shù)控銑床的電氣系統(tǒng)布線需要根據(jù)設(shè)備的功能需要統(tǒng)籌設(shè)計，包括保護電路設(shè)計、故障報警電路設(shè)計、伺服故障顯示、冷卻系統(tǒng)、照明等。主電路及控制電路的線徑設(shè)計根據(jù)實際設(shè)備功率計算，并按有關(guān)電氣標準執(zhí)行。反復啟動交流高頻強電與信號線分槽走線，以免干擾。設(shè)計安裝漏電保護器、熱保護器、保險絲等動作電器。

梯形圖編程。梯形圖程序根據(jù)輸入信號進行順控（順序操作），對輸出信號和運動程序進行啟動、暫停和停止操作。編寫梯形圖程序?qū)、Y、Z及主軸進行點動運行（JOG）、步進運行（STEP），實現(xiàn)分中對刀是各軸的快速移動或者步進運行。

運動語言編程。利用軸移動命令（如MOV、MVS、MCW、ZNR等）、軸控制命令（MSEE、TIM、END、RET、IFELSEIEND、WHILEWEND等）、基本控制命令（如ABS、INC、POS、PLN、MVM、PLD等）及運算與順序控制命令（+、—、*、/、SIN、COS、TAN等）等機器控制器編程語言，定量加工出各種常見的平面、曲面、螺紋等。

4、結(jié)束語

結(jié)合深圳大學工程訓練中心科研及實訓教學要求，開發(fā)了一套基于安川MP2310技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1）通過調(diào)用人機界面上的零件圖形，設(shè)置加工參數(shù)，即可對待加工毛坯件進行分中對刀操作，自動加工出目標零件。解決了那些沒有經(jīng)過嚴格的數(shù)控專業(yè)培訓，沒具備Pro/E、UG、Mastercam等圖形處理能力的人員使用數(shù)控設(shè)備進行加工的瓶頸問題。

（2）在人機界面上設(shè)置點動（JOG）及步進（STEP）按鍵，實現(xiàn)對各軸的快速移動及分中對刀操作控制。相比傳統(tǒng)數(shù)控機床使用手輪移動軸對刀，這種設(shè)計方法節(jié)約了設(shè)備的成本。

（3）源代碼完全開放，梯形圖以及運動語言編程簡單易懂，便于對設(shè)備進行二次開發(fā)。同時機器控制器能同時執(zhí)行多任務(wù)并列運行程序，同時控制多軸（16根）移動，為后期學生進行課題（畢業(yè)）設(shè)計提供一個題材豐富的平臺。