摘要 ：

　　本文主要介紹了 LMC058 運動控制器與 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 運動控制總線實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的控制，并可以執(zhí)行由CAD-CAM 軟件生成的 Gcode 文件，從而實現(xiàn)了 CNC 的功能。

　　本文重點介紹了工藝原理、結(jié)構(gòu)特點、工藝流程、控制方案等。

　　關(guān)鍵字：LMC058、CANMotion、CANopen、Modbus TCP、LXM23A、ATV312、上位機

　　前言：近年來，隨著我國大規(guī)模的基建投資和工業(yè)化進程的快速推進，鋁型材作為建筑領(lǐng)域和機械工業(yè)領(lǐng)域里重要的應(yīng)用材料，其整個行業(yè)的產(chǎn)量和消費量迅猛增長，我國也一躍成為世界最大的鋁型材生產(chǎn)基地和消費市場。

　　本文中的應(yīng)用客戶系專業(yè)從事鋁型材門窗加工設(shè)備的研發(fā)、制造和銷售的中國頂級品牌企業(yè)，在國內(nèi)率先研發(fā)出數(shù)控三軸鉆銑床等高精尖設(shè)備，填補了行業(yè)空白。

　　一、工藝簡介

　　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，可完成多個孔槽的鉆銑工作，可通過 CAD-CAM 軟件對加工圖形進行轉(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(機械坐標與工件坐標)、可執(zhí)行 Mcode 等功能;具有操作簡單、性能可靠、技術(shù)先進、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。

　　2、結(jié)構(gòu)特點

　　該設(shè)備由定位機構(gòu)、水平橫移軸(X 軸)、水平垂直軸(Y 軸)、鉆銑軸(Z 軸)、氣動系統(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，鉆銑頭部分由 ATV312 變頻器驅(qū)動高速電主軸完成啟動與停止工作。

　　3、工作原理

　　主要工序為原點回歸，水平橫移軸、水平垂直軸、鉆銑軸的手動操作，Gcode 文件的執(zhí)行，且在運行過程中可以調(diào)整倍率從而實現(xiàn)三軸的速度變換等，傳動系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)與進口齒輪齒條、絲杠進行控制，使定位精度可精確至 0.01MM，重復(fù)定位精度至 0.01MM，通過上位機對加工工藝參數(shù)進行設(shè)置與監(jiān)控。

　　為確保設(shè)備安全性，每個軸的機械限位信號(常閉信號)與原點信號直接接入伺服系統(tǒng)，在遇到機械限位信號或原點信號時，使伺服系統(tǒng)可以快速反應(yīng);同時，鉆銑軸的電機抱閘由伺服系統(tǒng)的 DO 輸出控制，完美實現(xiàn)對伺服電機抱閘的控制。

　　4、工藝流程

　?、瘛Ⅻc擊“手動畫面”可進入手動操作，如定位板升降、噴霧冷卻、型材壓緊等動作，也可完成對每個軸的點動移動等動作，且可通過倍率旋鈕實現(xiàn)速度變換;

　?、颉Ⅻc擊“同時回原點”按鈕，首先鉆銑軸執(zhí)行回原點功能，原點回歸完成后，再執(zhí)行水平兩軸的回原點功能，從而避免水平軸回原點時對鉆銑軸的碰撞;原點回歸采用查找到原點信號再反轉(zhuǎn)找電機 Z 相的方式，提高原點回歸的定位精度，同時，也可重復(fù)執(zhí)行原點回歸功能;

　?、蟆Ⅻc擊“加載NC程序”按鈕，選擇需要加工的Gcode文件并打開，無論選擇文件的名字是什么，加載至LMC058中即修改為“”;

　　Ⅳ、點擊“解碼啟動”按鈕，LMC058即執(zhí)行對“”文件的解碼工作，同時解碼狀

　　態(tài)欄中會顯示“正在解碼中…”信息，當解碼完成后，解碼狀態(tài)欄中會顯示“解碼完成”;實際測試9000步的Gcode文件解碼時間約為90-100S;

　　V、點擊“循環(huán)啟動”按鈕，則系統(tǒng)立即執(zhí)行Gcode文件，在運行過程中可以通過調(diào)整倍率旋鈕實現(xiàn)速度變換，當倍率為0時，系統(tǒng)停止運行，不為0時，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，當恢復(fù)“緊急停止”按鈕時，按下“循環(huán)啟動”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，可通過SMC_Interpolator的wM變量監(jiān)控到執(zhí)行Mcode的當前值，從而根據(jù)此數(shù)值進行邏輯部分的控制，當完成該步Mcode時，觸發(fā)bAcknM輸入則繼續(xù)執(zhí)行Gcode文件;

　　VII、在Gcode文件執(zhí)行過程中，可以獲取當前Gcode的執(zhí)行行號，從而獲取Gcode文件的執(zhí)行情況。

　　5、設(shè)備性能指標

　　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： 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

　　進刀速度： 0～30 m/min

　　移動速度： 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

　　運動控制器：DI：26 點，24VDC;DO：16 點，Tr，24VDC，0.5A;內(nèi)置 CANMotion 運動控制總線，CANopen 現(xiàn)場總線，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)場總線接口

　　伺服系統(tǒng)：一臺 1.0 KW 的 LXM23A 控制水平橫移軸，一臺 0.75 KW 的 LXM23A 控制水平垂直軸，一臺 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運動控制器為核心

　　I、LMC058與LXM23A伺服系統(tǒng)之間采用CANMotion運動控制總線，從而實現(xiàn)三軸的點動、原點回歸、相對與絕對定位控制、Gcode文件執(zhí)行等功能，可實時獲取當前位置、當前速度、工作狀態(tài)等信息;

　　II、LMC058與ATV312系列變頻器之間采用CANopen現(xiàn)場總線控制，主要控制電主軸的啟動與停止，讀取變頻器的當前速度，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)場總線來讀取模擬量輸入端的電壓變化，從而實現(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 與上位機之間采用工業(yè)以太網(wǎng) Modbus TCP 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，上位機采用 VB 開發(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 FTP 的方式下載至 LMC058 中，且無論選擇哪一個 Gcode 文件，下載至 LMC058中默認是“”文件，在程序中只需要對“”文件進行讀取與解碼即可;

　　IV、所有控制部分全部采用 CANMotion 運動控制總線與 CANopen 現(xiàn)場總線，具有安裝操作方便、節(jié)約配線時間、減少了因硬件接線過多造成的潛在隱患點、抗干擾能力強、可擴展性等優(yōu)勢。

　　系統(tǒng)架構(gòu)如下：

　　3、控制難點分析

　　Ⅰ、Gcode文件執(zhí)行;自LMC058發(fā)布以來，與LXM23A的CANMotion運動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)用未有詳細的資料可供參考，根據(jù)現(xiàn)場測試與摸索，現(xiàn)列出LMC058可以支持的Gcode與標準的書寫方式，如下：

　　N：行號或序列號

　　G00：快速定位

　　G01：直線插補定位

　　G02：CW(順時針)圓弧/螺旋插補定位

　　G03：CCW(逆時針)圓弧/螺旋插補定位

　　G04：暫停延時

　　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/螺旋插補的平面選擇，對于直線插補無任何影響

　　G90：絕對坐標定位

　　G91：相對坐標定位

　　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

　　標準的 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)的原點回歸方式選擇為7或11，描述為：以第一速度查找原點信號，當遇到原點信號時，電機反轉(zhuǎn)，以第二速度離開原點信號的下降沿后，查找到電機的Z相信號后停止，但由于LXM23A的原點回歸在找到Z相信號后，會有一個減速過程，從而產(chǎn)生了一個小的位置偏差，但無法保證不同回原點速度下的位置偏差相同;解決方案：在原點回歸完成后立即執(zhí)行一次MC_MoveAbsolute絕對定位使其找到真正的電機Z相信號，此時，坐標系的位置全部為0

　　Ⅲ、伺服系統(tǒng)每次原點回歸的位置不一致?原點回歸模式為遇到原點信號之后反轉(zhuǎn)找到伺服系統(tǒng)的 Z 相后停止，在原點信號非常接近伺服系統(tǒng) Z 相信號的情況下，如果原點信號響應(yīng)時間快，則會發(fā)生反轉(zhuǎn)時立刻就會抓到伺服 Z 相的現(xiàn)象，而原點信號響應(yīng)時間慢時，則會發(fā)生反轉(zhuǎn)時伺服 Z 相到達而原點信號還未到達的現(xiàn)象，造成原點回歸停止在伺服第二次 Z相信號位置;

　　解決方案：輕微移動原點信號，使其在觸發(fā)時大約在伺服相對 Z 相點的半圈位置。

　　4、NC 文件的加載

　　根據(jù)客戶需要，使用VB開發(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系統(tǒng)中，或者二次開發(fā)均可;軟件啟動后，會在D:\根目錄下創(chuàng)建一個“NCFiles”文件夾;傳送單個文件時，傳輸至LMC058的NC文件名字指定為“”;傳送多個文件時，會將D:\NCFiles文件夾下的所有*.txt傳輸至LMC058，但不會更改文件的名字，需要使用某一個文件時，需要在LMC058的程序功能塊中設(shè)置文件名字。

　　5、如何驗證Gcode文件生成的圖形

　　在實際應(yīng)用中，用戶常常使用不同的軟件進行Gcode文件的生成，因此，這里有一個問題，就是其中Gcode的小數(shù)點保留位數(shù)的問題，舉例來講，我們使用一個第三方的軟件生成Gcode文件下載至LMC058后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是一個整圓的動作，但是執(zhí)行的效果卻是不符的，通過第三方的NC路徑查看軟件驗證此圖形是正確的，經(jīng)過自己分析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，變?yōu)榱薎10.623，因此LMC058無法正確的識別這個Gcode，從而產(chǎn)生了不同的執(zhí)行結(jié)果;為了避免此類情況的發(fā)生，有兩種方式可以實現(xiàn)對Gcode的驗證：

　　I、新建一個LMC058的工程，添加“CNC”，將Gcode復(fù)制至編輯框內(nèi)，則自動生成所描述的圖形，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軟件進行圖形查看，進一步驗證

　　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：

　　● 采用CANMotion與CANopen總線控制方式，消除了常規(guī)控制方式所帶來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)信息的實時反饋確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，通過總線控制方式，有效降低了生產(chǎn)成本，減少了配線工作量，為未來設(shè)備的擴展與更新提供了便利條件;

　　●提高了設(shè)備運行的穩(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50 m/min。生產(chǎn)速度提高10%，設(shè)備運行穩(wěn)定性相比以前提高10%;

　　● 人性化的編程界面，多種語言混合編程模式，操作簡單，使用方便。

　　四、設(shè)計開發(fā)工具

（轉(zhuǎn)載）