模塊化理念在數(shù)控機床設(shè)計中的應(yīng)用

魯 曉，盧 勇

（1.廣州市敏嘉制造技術(shù)有限公司，廣州 511453；2.廣東科貿(mào)職業(yè)學(xué)院，廣州 510430）

0 引言

模塊化理念就是在設(shè)計過程中，從設(shè)計的源頭開始考慮，將設(shè)計過程中涉及到的功能、工藝等進行歸納總結(jié)，將實現(xiàn)功能或者工藝的過程、步驟進行整體封裝，預(yù)留足夠的對外參數(shù)接口，便于其他類似的設(shè)計過程調(diào)用。因此，在設(shè)計過程中，模塊的功能豐富程度以及接口參數(shù)的可調(diào)用性是模塊化設(shè)計能否順利實施的關(guān)鍵。模塊化設(shè)計理念在自動化領(lǐng)域、軟件設(shè)計中均有廣泛的應(yīng)用［1］。

在現(xiàn)代數(shù)控機床的設(shè)計過程中，模塊化設(shè)計的理念具有較大的應(yīng)用價值。數(shù)控機床設(shè)備一般由底座、床身、立柱、橫梁、主軸、外防護、電氣及控制幾大部分組成。而不同的設(shè)備為了滿足不同的功能，需要設(shè)計各式各樣的的結(jié)構(gòu)及功能模塊。在諸多模塊當中，差異最大的就是機床電氣控制部分［2］和加工零件程序兩部分，這兩部分往往需要根據(jù)機床的功能要求進行個性化設(shè)計［3］，因此，為了節(jié)省設(shè)計工作量，縮短數(shù)控機床交付周期，要求在設(shè)計過程中，盡可能地借用其他成熟的設(shè)計內(nèi)容，提高功能模塊的互用性，即在設(shè)計的過程中，用標準化和模塊化的思維進行設(shè)計［4－5］，從設(shè)計的開始就考慮到設(shè)計要求的標準化、可兼容性，制定靈活的數(shù)據(jù)、功能接口，為提高可兼容性作好準備。

數(shù)控機床在設(shè)計過程中，一般包含用戶需求調(diào)研、總體方案設(shè)計、機械／電氣設(shè)計、編程工藝設(shè)計以及質(zhì)量監(jiān)測保障設(shè)計等主要環(huán)節(jié)，如圖1所示。在這些環(huán)節(jié)中，機械／電氣設(shè)計、編程工藝設(shè)計往往和數(shù)控機床的個性化功能密切相關(guān)，決定了數(shù)控機床所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。本文從設(shè)計環(huán)節(jié)中最重要的PLC控制設(shè)計和編程工藝設(shè)計來描述模塊化設(shè)計理念在數(shù)控機床設(shè)計中的應(yīng)用［6］。

圖1 數(shù)控機床常用設(shè)計流程

1 PLC控制設(shè)計中模塊化理念的應(yīng)用

數(shù)控機床設(shè)備核心的控制部件之一就是數(shù)控系統(tǒng)，為了完成數(shù)控機床的軌跡控制和輔助動作控制，要求數(shù)控系統(tǒng)必須具備運動控制功能和邏輯控制功能，早期的數(shù)控系統(tǒng)采用固定的代碼完成邏輯控制功能，邏輯功能確定后，需要再次修改必須修改數(shù)控系統(tǒng)的源代碼，在數(shù)控機床設(shè)計過程中受到限制。因此，隨著數(shù)控技術(shù)研發(fā)水平的提高，當前數(shù)控系統(tǒng)均含有PLC邏輯控制功能，即俗稱的“軟PLC”，可以通過編制梯形圖的形式靈活設(shè)計邏輯控制功能，大大提高了數(shù)控機床設(shè)計的靈活性，因此“軟PLC”功能成為了數(shù)控系統(tǒng)的一個重要的功能模塊［7］。

隨著“軟PLC”在數(shù)控機床設(shè)計中應(yīng)用的越來越廣泛，在提高數(shù)控機床設(shè)計靈活性的同時，也伴隨設(shè)計難度和周期的增加，在一些專用數(shù)控機床制造廠家表現(xiàn)的尤其突出，因此，在靈活應(yīng)用“軟PLC”進行數(shù)控機床設(shè)計的過程中，如何提高設(shè)計效率，盡可能地降低設(shè)計難度就成為設(shè)計工程師們必須考慮的問題。

在多年的數(shù)控機床電氣設(shè)計過程中，從最早的標準型數(shù)控機床電氣設(shè)計［8］，到現(xiàn)在的大部分的專用數(shù)控機床設(shè)計，通過不同品牌數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計，經(jīng)過多年的研究，總結(jié)出來可以采用模塊化理念來進行PLC控制設(shè)計，即在設(shè)計過程中，將一些常用的邏輯控制功能封裝為子程序，對外預(yù)留靈活的接口地址，在不同的類型的數(shù)控機床電氣設(shè)計中，根據(jù)功能需求，只需要修改對外接口地址即可，采用這種方法可以大幅提高設(shè)計效率，減少設(shè)計難度。比如，在數(shù)控機床設(shè)計中均會有限位功能的設(shè)計，在設(shè)計中就可以應(yīng)用模塊化設(shè)計理念，將限位功能模塊封裝起來，可以作為不同類型數(shù)控機床的設(shè)計需求進行調(diào)用。

例如在某數(shù)控車床的設(shè)計過程中，采用GSK980TDc數(shù)控系統(tǒng)進行設(shè)計［9］，兩個方向的限位開關(guān)接機床的I／O點為X3.0和X3.1，如果用IO點直接編程，那么就如圖2所示［10］。

圖2 常用的限位邏輯控制設(shè)計

如果用標準化理念進行設(shè)計，將這幾個I／O點分別用R中間變量表示，R作為這個功能模塊的對外接口變量，則在其他的設(shè)計過程中，只需要映射不同的輸入地址給R變量即可。本例中是將X3.0映射給R503.0，X3.1映射給R503.1，在實際的限位邏輯功能設(shè)計過程中，信號處理的中間過程就全部用中間變量R來實現(xiàn)。因此，在其他的設(shè)計過程中，類似的這種限位功能，只需要根據(jù)不同的地址，重新映射到R503.0、R503.1即可，這樣就可以方便地實現(xiàn)限位控制功能。如圖3～4所示。

圖3 調(diào)用模塊化功能模塊的映射過程

圖4 模塊化設(shè)計子程序

2 質(zhì)量控制過程中校驗程序的模塊化設(shè)計

數(shù)控機床完成裝配后，必須進行出廠前的質(zhì)量檢驗，其中重要的一環(huán)就是進行加工驗證，需要根據(jù)機床的功能要求，編制相應(yīng)的加工程序，進行加工驗證，檢驗功能和精度是否符合要求。雖然現(xiàn)在有很多編程軟件可以使用，但對于一些專用數(shù)控機床的編程加工，這些編程軟件仍存在局限。那么如何編寫加工程序，加工程序如何應(yīng)用于不同類型的數(shù)控機床，實現(xiàn)互通借用、快速換刀等，可以同樣采用PLC設(shè)計過程中的模塊化理念［11］，實現(xiàn)加工程序在不同場合的互用，提高編制加工程序的效率，降低工作難度。如在復(fù)合磨床的設(shè)計過程中，采用西門子828D數(shù)控系統(tǒng)，磨削圖5所示的絲桿外圓過程中［12］，就采用了模塊化理念來進行設(shè)計。

圖5 絲杠螺母

在常用的質(zhì)檢環(huán)節(jié)，采用以下加工程序進行加工檢驗：

其中，部分共有的數(shù)據(jù)例如X軸起點、終點數(shù)據(jù)、磨削長度、導(dǎo)程、主軸轉(zhuǎn)速、砂輪線速度、每次進刀的進刀量等，可以單獨提取出來用R參數(shù)表示。用R參數(shù)，把實際的加工控制流程固定為一個獨立的標準化模塊，以后編程只要是磨削外圓都只需要調(diào)用這個模塊，根據(jù)不同的具體要求，將數(shù)據(jù)填入到這些R參數(shù)即可。這些可以簡化編程，提高程序編制的效率，程序如下：

3 模塊化設(shè)計理念的應(yīng)用

根據(jù)上述模塊化理念的分析，重點體現(xiàn)在PLC控制設(shè)計和編程加工中體現(xiàn)出較大的應(yīng)用價值。在開發(fā)的數(shù)控內(nèi)螺紋磨床SMK600中，在設(shè)計階段應(yīng)用了模塊化設(shè)計理念，極大地降低了設(shè)計難度，提高了設(shè)計效率，取得了良好的應(yīng)用效果。

SMK600數(shù)控內(nèi)螺紋磨床是一臺融合車、磨功能的復(fù)合型機床，配套FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)，適用于各類絲桿螺母的外圓、端面以及內(nèi)螺紋等加工。以鑄鐵底座和大理石床身為基礎(chǔ)，配備頭架主軸，內(nèi)，外圓砂輪主軸，以及金剛滾輪修正主軸，有X、Z及W軸自動補償修正功能，各軸均配備高精度光柵尺。針對此型號的專用機床，為了滿足其個性化的加工功能，通常的設(shè)計方法會根據(jù)其個性化的功能需求進行有針對性地機械、電氣以及附件部件的設(shè)計，這種設(shè)計方法工作量大，周期長，往往要進行多次設(shè)計，不斷修正才能滿足使用要求。因此，在這種專用機床的設(shè)計過程中，借鑒模塊化設(shè)計理念，盡可能地借用成熟的模塊化設(shè)計成果，可大幅度提高效率，減少工作量，在SMK600的設(shè)計過程中，重點突出PLC控制和試切加工程序的模塊化設(shè)計過程。

3.1 SMK600的PLC模塊化設(shè)計

在機床設(shè)計過程中，首先要根據(jù)機床的功能需求，以及配套的數(shù)控系統(tǒng)可以具備的應(yīng)用功能來擬定設(shè)計方案，開展電氣設(shè)計工作并實際制作機床配電盤。主要設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 SMK600主要設(shè)計流程

本文以其中的機床各軸限位設(shè)計為例，電氣設(shè)計原理如圖7所示。

圖7 SMK600主要設(shè)計流程

機床的X、Z及W坐標軸的限位開關(guān)所對應(yīng)的IO點分別是X3.3、X3.4和X3.5。接線的時候分別接到數(shù)控系統(tǒng)IO模塊CB105的對應(yīng)端口上，在PLC程序設(shè)計時，應(yīng)用模塊化設(shè)計理念，調(diào)用模塊化的限位控制程序，即可快速實現(xiàn)限位控制功能。在主程序中，將X3.3、X3.4和X3.5分別對應(yīng)模塊化程序的接口變量K3.3、K3.4以及K3.5，然后調(diào)用限位子程序，即可完成限位PLC控制功能設(shè)計，提高設(shè)計效率，降低設(shè)計難度。如圖8～9所示。

圖8 主程序地址映射

圖9 模塊化處理程序

3.2 SMK600的試切程序模塊化設(shè)計

機床電氣功能調(diào)試完畢后，需要進行出廠前的檢驗流程處理，其中最重要的環(huán)節(jié)即是進行加工驗證，檢驗加工的工件是否滿足機床的加工需求，其中重要的一個環(huán)節(jié)即是加工程序的編制，在編程加工程序的過程中，應(yīng)用模塊化設(shè)計思路，可以提高編程的速度，以及提高程序的可讀性。在SMK600的檢驗過程中，程序編制采用以下模塊化設(shè)計方法，即調(diào)用模塊化校驗程序，實際驗證時，只需要在對應(yīng)界面修改對應(yīng)宏變量的數(shù)據(jù)即可。模塊化校驗程序如下：

其中＃513、＃514等分別是模塊化程序的接口變量，對于不同的機床，不同的切削參數(shù)可以在界面設(shè)置不同的數(shù)據(jù)，滿足多樣化的加工需求。應(yīng)用此方法，不用另外單獨編制加工程序，只需調(diào)整宏變量的值即可，能夠簡化編程，提高效率。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文從數(shù)控機床設(shè)計過程中的兩個重要環(huán)節(jié)——數(shù)控系統(tǒng)PLC控制以及加工程序的模塊化設(shè)計進行了分析說明，在實際的設(shè)計過程中，這種理念得到了充分的驗證，在SMK600系列螺紋磨床、HF300系列車銑復(fù)合多聯(lián)一體機等數(shù)控機床設(shè)計過程中得到了很好的應(yīng)用，極大地簡化了設(shè)計，提高了設(shè)計效率，取到了良好的效果。這種模塊化的設(shè)計理念同樣也可以應(yīng)用在其他生產(chǎn)、采購等環(huán)節(jié)，提高工作效率，具有較大的使用價值，值得推廣。