基于SYNTEC的螺旋锥齿轮加工机床数控系统开发 （中）
2017-1-3 来源：沈阳工业大学 作者：张西栋
第 3 章 新代 SYNTEC 数控系统
新代 SYNTEC-10B 数控系统作为台湾新代科技股份有限公司开发的具有良好性价比的数控产品，具有很高的市场竞争力，它具有开放式的架构，能够满足用户的个性化客制要求，标准便捷的控制面板是人机交互的基础。
3.1 SYNTEC 数控系统概述
齿轮在机械行业中占有举足轻重的地位，是机械工业的基础件[30]。在相交轴传动的场合，弧齿锥齿轮具有明显有点，例如承载能力高、传动效率高、对安装误差的敏感性小以及传动平稳等。鉴于该型齿轮优越的性能，它的数控加工越来越得到工程技术人员的重视[15]。由于弧齿锥齿轮的数控加工程序编制复杂，而且编程语言抽象；所以为了满足不同规格螺旋锥齿轮的数控加工要求，需要对其进行的参数化编程，而参数化编程的思想是以友好的参数化输入界面—人机界面（Human Machine InterfaceHMI）为基础的。用户与机床之间的信息传递是通过人机界面来完成的，人机界面是互相传递信息的媒介，它可以实现信息的输入和输出[38]。数控系统操作界面的友好与否直接影响到数控编程的效率，甚至影响到整个数控系统的用户认可度[39]，所以人机界面在整个数控系统的开发中同样占有举足轻重的位置。 新代科技股份有限公司成立于 1995 ，是一家专业的 PC based 控制器厂商，长期从事于机床控制器的软件及硬件技术研发，并致力于拓展两岸市场，目前已成为亚太市场中最具有影响力及发展潜力的控制器品牌之一。
新代专注于数控领域，产品涵盖车铣床控制器与产业机械控制器，以高度的技术创新、加值型应用以及完善的售后服务深得顾客信任；除机床控制器外，近年来将产品延伸至高端主轴伺服方案、线性马达以及直驱马达等特色产品。为了顺应智慧自动化的趋势，积极开发通用型的自动化控制器及各类型机械手臂控制器，能提供相关的整合加值产品，满足各种生产线智能化及自动化的需求。新代科技以“工业 4.0”作为新技术发展的主轴，积极在相关领域进行资源整合与布局。 我单位为了满足螺旋锥齿轮数控加工机床的开发需要，引进了台湾新代科技股份有限公司研发的 SYNTEC-10B 数控系统，该系统具有较高的性价比，良好的开放性，可以利用系统自带软件开发包，对螺旋锥齿轮数控加工所需的各级参数输入界面进行相关客制，形成一个完备的界面系统，为后期参数化编程工作打下良好基础。
3.2 软件工具
对新代数控系统的二次开发之前需要登录新代科技股份有限公司的官方网站（http://www.syntecclub.com.tw/），注册一个用户帐号，登录到相关的“下载专区”栏目中，下载 win32 版本的相关客制仿真软件、升级包，分别为：Windows Update 升级包、Lad Edit-2.13.0.msi、Macro Dev 软件、铣床 Win32 软件（数控铣床专用）。这四个软件开发包是新代科技股份有限公司专门为自己的新代数控系统进行二次开发而特定开发的软件，这是对新代数控系统进行开发设计的软件基础。
软件的安装环境是通用型 PC 机，操作环境要求是 windows7/XP/2000，特别注意：四个软件需要按照规定顺序依次安装，否则会出现兼容性问题[40]。其中的 Windows Update 升级包里面有单独的安装说明，需要按照安装要求一步步地安装，任何一个软件安装环节出现问题，就需要将之前安装完毕的所有软件都卸载，清理注册表之后重新安装，否则会出现安装失败或者安装成功却无法运行的情况。安装完之后需要重启计算机，然后开发客制软件即可在通用 PC 上运行了，操作环境为 windows2000/XP/7。
SYNTEC 系统相配套的 e HMI 是一款可以帮助您更直觉、更简易编辑控制面板人机接口的开发工具，仿真器安装完毕之后，需要安装该客制软件。在 e HMI 中通过直接点选和表格输入的方式，让用户免除繁杂的程序编写过程，取而代之的是更简易、更有效率、更人性化的操作接口[41,42]。将 e HMI 开发软件用于参数化编程中所需相关界面的客制工作，可以提高数控系统二次开发的效率，优化数控编程加工过程中的人机交互性。图 3.1 是 e HMI 的客制设计界面之一。
图 3.1 e HMI 的客制设计界面之一
3.3 新代数控系统开放式架构
3.3.1 新代 10B 控制器架构
数控铣床上采用的是 10B 控制器，该型控制器具有较好的开放式接口架构，除了出厂设定的标准接口外，控制器另外提供全面且方便的客制环境，让电气控制的开发人员可以利用客制工具进行相关的客制工作，满足客户各式各样的需求。图 3.2 是新代数控系统控制器架构示意图。
图 3.2 新代数控系统控制器架构示意图
“核心”是控制器里负责解译程序、规划运动方程路线、插值以及轴向移动等的部件。PLC 主要是负责主导状态流程、链接外部装置、与核心的双向沟通等工作。“人机”是操作者与控制器内部运作间的桥梁，操作者使用人机输入信息，控制器使用人机输出状态、信息等。“Program”为加工程序，客制的 MACRO 要经过核心解译，成为机器能够识别的 G 代码。
3.3.2 开放式数控系统概述
FANUC 和 SIEMENS 数控系统是现在市场占有率比较高的数控系统，他们的数控系统具有一定的封闭性，属于专用性的体系结构，在实际生产应用中，相关的软硬件结构均由各自的厂家单独设计制造，数控系统的通用性、兼容性不强[43]。数控加工时，机床操作人员按照自己的经验将加工程序中的过程参数设定为固定值，具体的编程工作利用手工方式或自动编程的方式完成，虽然这种数控系统具有技术成熟、结构简单的优点，但是这种数控系统不能够及时地与计算机辅助制造技术相融合，随着现代制造业的飞速发展，信息化以及敏捷制造模式越来越明显地体现在现代制造业中，该型数控系统的缺陷越来越明显[44]。
控制系统的封闭性以及专一性与多样化的市场需求之间的矛盾可以通过开放式数控系统来解决。开放式的数控系统在适应市场变化的过程中表现出形式灵活、价格低、结构紧凑的优势，并具有很强的二次开发性和适应性，表现出良好的性价比优势。随着 CNC 技术的发展，具有可移植、可伸缩、可重构、可扩展性等优良特性的开放式数控系统越来越得到技术人员的重视和认可。开放式数控系统允许操作人员在保留原软硬件的基础上，根据自己的需要将传感器集成在控制器中，对数控系统进行修改和配置，最终使数控系统能够完成加工过程的控制和监视。
1980 年之后，开放式数控系统的研究正式提上日程。IEEE 认为开放式数控系统能够完美地在不同的平台上运行，兼容性较好，能够与其它应用系统相互操作，并且可以提供统一的用户交互风格，具备可移植性、可互换性、可扩展性、可伸缩性等特点[45-48]。根据开放式数控的定义，这种类型的数控系统首先应该允许终端用户对数控系统进行模块替换、模块添加、模块重构等操作[49]；然后该类数控系统还应该能够完美地按照技术人员定义的控制策略运行，能够补偿三维空间误差；其次，该型系统允许机床按照某一速度运行的同时，能够实时地接收来自伺服系统的数据；开放式的系统构架能够按照加工的需要将相关智能控制设备嵌入到控制器中；而且它能够根据过程控制策略，对进给速度、主轴转速进行智能修正。
3.3.3 开放式数控系统发展趋势
数控系统的发展趋势是以集成化、网络化、智能化为特点，应具有高速、柔性化、高可靠性、高精度的特点。当前的数控系统由于不能适应市场的多样化要求，不能很好地实现专业化和多样化的要求，其结构的封闭性问题越来越突出。需要研究数控系统开放性的体系结构，以期能够实现数控设备的联网、自动化、智能化、个性化、高柔性化目标。
（1）数控加工智能化和集成化
数控系统的功能模块向智能化、集成化方向发展，同时借助计算机技术、通信技术、微电子技术的进一步开发，控制系统将具备反馈单元、数据采集和处理、执行单元、伺服驱动等功能，系统的整体性更强[50]。CNC 智能化研究的主要内容有智能化控制、自诊断以及智能化接口技术等，机床故障智能诊断、刀具状态监测、代码生成技术、误差补偿与精度控制、CAD/CAM/CNC 一体化与加工参数优化等方面是相关研究的重点[51] 。
（2）高速、高精、高可靠性
开放式数控系统的主轴转速达 6000 转/分钟，进给速度达 60 米/分钟，系统无故障时间可以达到三万小时[52]。发那科系统中的 AI 纳米轮廓控制功能可以用于高精度、多坐标联动、小程序段、高速加工中。该功能能够减小由于伺服延时、进给速度增加以及加减速引起的位置滞后问题，有利于减小轮廓的加工误差。纳米轮廓控制可以保证伺服机构接收到纳米插补器的指令信号是纳米级的，工作台移动的平顺性得益于该纳米级的指令信号，从而使工件的表面质量和加工精度得到保证。
（3）网络化
为了满足全球制造、虚拟企业以及敏捷制造等新型生产形式的发展需要，同时顺应企业生产中信息集成化的趋势，数控设备逐渐走向网络化。为了抓住数控系统网络化的趋势，近年来，几家知名的数控装备公司对相关技术进行了研究，并取得了一定的数控装备成果，日本马扎克公司提出智能生产控制中心的概念，德国西门子公司提出开放制造环境的项目等[53] 。
（4）柔性化、软件化
不同的机床适应加工对象变化的能力是不同的，它的衡量指标就是柔性。机床的柔性包括硬件的柔性和软件的柔性。传统生产设备的控制系统是机械或刚性连接实现的，不能满足加工对象多样化的需要。而在可编程器件设计的硬件系统中，硬件功能的改变可以通过调整相应的程序参数实现，从而增加了硬件系统的柔性。这个过程就是硬件的部分功能由软件来完成，实现硬件功能的软件替换的过程，这样可以降低硬件电路的复杂性，系统柔性得到加强。
为了顺应开放式数控系统的发展趋势，发挥开放式数控系统在现代数控加工中体现出来的优越性，新代科技有限公司推出 SYNTEC-10B 数控系统，该型数控系统同样也具备良好的开放性，其开放式架构如图 3.3 所示。
3.4 开放式 SYNTEC 加工性能
新代开放式数控系统通过和 Win CE 系统配合可以达到每秒执行 1000 个单元的速度，而且可以预解程序路径，最多可以达到 2000 个单节的破解量，因此可以使加工速度更为平顺，并提供自动转角减速及圆弧速度抑制功能，以确保工件精度，确保了SYNTEC-10B 数控系统具有高速高精的加工性能。
因受限于机台状况，即使驱动器的位置回路增益调整至最佳数值，在实际加工上仍会产生伺服落后的问题，此状况尤以在高速加工时特别严重；因此针对伺服路后造成工件尺寸内缩，而开发出此精度补偿功能，确保了 SYNTEC-10B 数控系统在保持精度的同时还具有较好的平顺性。
模具加工中多使用 CAD/CAM 软件自动生成加工程序，这样生成的加工程序中存在致使加工路径不合理的单节程序语句，SYNTEC-10B 数控系统提供路径平滑功能，将软件产生的加工路径平滑化，用以提高加工表面的光洁度、加工效率与机台稳定度。
CAD/CAM 软件生成的线性刀具轨迹是非连续性，对于加工速度、表面状况、机台稳定度皆会有一定的影响，尤其是在软件中设定的加工精度以及公差不佳的情况下，此问题更为严重；高精度轨迹轮廓控制是利用合适的曲线将线性刀具轨迹拟合为连续轨迹，且在加工速度的规划上不再受限于不联系的单节，因而可以得到优良的加工品质，使 SYNTEC-10B 数控系统具有高精轨迹轮廓控制的性能。
机床操作者只需做“精度优先”与“速度优先”的选择，“路径贴合”与“高平滑性”的等级选择，以及选择 SPA 的开启与关闭即可控制加工状况，使得 SYNTEC-10B数控系统在高速高精度加工中的参数控制更加简化明了。
操作者将档案放置于外部装置（USB、网络等），保持边传输，边加工的工作状态，一方面满足大型档案加工的需求；另一方面，操作者能够在操作上免去了加工程序不断传档的步骤，提高了加工效率。
3.5 控制面板
操作面板和控制器面板是机床操作人员与数控系统进行信息交互的直接窗口。项目中采用的新代 10B 控制器与 SK4-M 型的铣床面板。新代 10B 系列的控制器采用先进的开放式架构技术，并可以搭载 Mechatrolink-II 串列的通讯控制方式，可以改善传统脉波式泛用型控制器在多轴运动控制中各种命令的传输时间差与脉波时序问题，以达到良好的同步控制并兼顾即时性；同时更加精简配线，提升扩充性以及减少繁杂信号的干扰。10B 控制器采用的是内置嵌入式工业电脑，配置 10.4 寸液晶显示器，结合伺服轴、手轮轴、主轴、内建 PLC 及 USB 接口的 CF Card 读取装置。
图 3.3 新代 SYNTEC-10B 数控系统开放式架构框图
该型控制器可以实现 8 轴伺服控制，具有手轮专用轴，配置有一组 12BIT D/A 输出接口，而且该控制器可以外接两个 I/O 模块（最多可达 128 点输入/128 输出点）。控制器构建的 USB 接口 CF CARD 卡片阅读机具有动态热插入功能。配备有 128MB的 RAM，可以实现 RS-232、RS422 以及 RS485 的网络通讯。新代 10B 控制器具有低价格、高性能、结构简单、易于使用、可靠性高的特点。图 3.4 与图 3.5 分别为新代 10B控制器面板的正面图与背面图。
图 3.4 新代 10B 控制器面板正面图
图 3.5 新代 10B 控制器面板背部图
新代 SK4-M 型的铣床面板是机械式按键面板，具有防油污，耐腐蚀的特点，结合新代标准型键盘，使我们获得便捷的操作环境。图 3.6 与图 3.7 是新代 SK4-M 型铣床面板的正面图与背部图。该型面板是基于新代标准键盘而设计，具有三组旋钮式开关输入，独立的 Input 点允许应用人员用来自行规划。
图 3.6 新代 SK4-M 型铣床面板正面图
图 3.7 新代 SK4-M 型铣床面板背部图
区域①是快捷键功能区，其中包括 F1-F8、ESC 以及翻页键，该区域的快捷键与显示器下方的快捷键功能一致。其中的翻页键用于对当前多于一页的程序界面进行翻页操作，以便操作者浏览多个程序和界面，进行相关的编辑和查看操作。 区域②是程序代码编辑区域，负责数控编程中相关字符的修改编辑。其中包括 26个字母键组成的字母分区、10 个数字键组成的数字分区、游标移动键分区、删除键、换挡键、插入键等。数字键与字母键在指令位置和资料输入过程中发挥作用。游标移动按键用于对屏幕编辑区的光标进行相关移动操作，对其进行精确快速定位，提高编程效率。换挡键用于切换按键的第二层功能。删除键用于程序编辑中消除误输入的词句程序段。 区域③是辅助功能区。其中包括切削液开关、工作灯开关、加工吹气开关、排屑机正反转、主轴正反转控制、主轴转速切换、刀库正反转等辅助功能。 区域④是方向键区。手动控制轴向移动，通过按键的组合可以达到快速移动的目的，其中包括 X、Y、Z 三个轴的正向和负向移动。 区域⑤是操作模式区，其中包括原点模式、MPG 寸动模式、自动加工模式、手动寸动模式、单节执行、选择停止等模式。 区域⑥是开关机分区。其中包括机床上电与断电按键，程序的启动与停止按键以及转速的倍率选择旋钮、急停按钮等。该分区的功能主要是机床的启动和停止，控制加工程序的动作等。在操作失误以及出现安全隐患时，紧急停止按钮能够切断所有的机电控制；这种情况下，控制器处于供电状态，其他诸如伺服、加工液、主轴等重电都被切断，最终达到保护工作人员以及机械设备的目的。
3.6 本章小结
本章对新代 SYNTEC 数控系统进行了整体性的描述，论述了新代数控系统二次开发所利用的模拟仿真软件的功能，对软件安装过程中的特殊要求进行了特别说明，保证了课题研究的软件基础。对新代 10B 控制器的架构进行了归纳总结，通过对开放式数控系统的分析，总结了新代开放式系统的性能优势，提出了新代系统的开放式架构。分析了新代控制面板，它的设计合理与否直接影响到数控系统的人机交互性。
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