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        摘　要：設計了一種基于機器控制器（MP2310）的數控銑床教學平臺，并給出了具體的實現方法，同時為數控教學設備開發提供了一種新方法。通過使用此平臺，不但可以進行傳統的數控加工實訓操作，還可以比較全面了解數控機床的電氣控制原理和運動程序編寫。
 
       關鍵詞：機器控制器 ; 教學平臺 ; 實驗 ; 系統開發
 
       0　引言
 
　　  目前，各高校開設的課程多數與實際應用聯系緊密，結合課程的理論知識開設相應的實驗操作課程，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，實驗室的設備購買時間長，與實際生產應用存在技術滯后。而頻繁的購買實驗設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備多為模塊化生產，難以與課程結合，同時學生不能深入了解設備工作原理，而且其價格高昂。因此設計與課程內容相符，以及與實際生產緊密聯系的實驗設備，將極大的調動學生學習的積極性，培養學生的實際動手能力，實現“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，以課程內容與市場技術發展方向為導向，更好的擴展學生的思維，培養具有一定競爭能力的高素質人才 [1]。鑒于此加工平臺的靈活創新，學生可以根據自己想法和創新自主設計加工方案。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用，培養有著較強動手能力的新世紀人才，成為解決大學生就業問題，推動國家經濟發展水平的有效助劑。
 
　　我校數控加工技能實訓課程中使用的數控機床設備多由國內外著名數控生產廠家生產，如德國 SIEMENS 公司 SINUMERIK 系列，日本 FANOC，大連數控及廣州數控等。就目前使用的數控機床加工設備中，存在以下幾個問題 [2]：
 
　　（1）數控系統比較復雜，操作人員需要具有一定的機械加工知識，并且經過長時間的專業培訓；
　　（2）數控系統的源代碼及模塊接口等開放程度不高，難以對系統進行二次開發；
　　（3）數控系統價格昂貴；
 
　　 針對以上問題，結合深圳大學本科實訓實踐的教學要求，設計出一臺適用于機電類和非機電類學生使用的數控加工平臺。
 
      １　、硬件平臺設計
 
　　 有別于國外著名大型數控生產廠家研制數控系統，本自制三軸數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控加工系統。系統工作原理如下圖 1 所示。
 
　　加工平臺控制系統采用半閉環進給伺服系統，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。設計的平臺系統不包括機械傳動環節，因而平臺具有比較穩定的控制性能，雖然其系統的穩定性能不如由步進電機控制的開環系統，但其穩定性要比全閉環系統優異。

                            圖 1　數控系統硬件結構組成框圖
 
 
 
     此外，半閉環系統的位置環內各組成環節的誤差可以通過相關的算法可得到一定程度的補償。設計的銑床平臺半閉環數控系統結構簡單、調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動器發送相關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循環、跳轉、條件分支、并列執行、選擇執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信息傳遞。
 
     2　、數控銑床教學平臺

                                    圖 2　系統的操作示意圖
 
  
     如圖 2 所示，對機電類專業實訓學生，通過設計的數控銑床教學平臺，不但可以進行傳統的數控加工實訓操作，還可比較全面了解數控機床的電氣控制原理。由于此數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，在體現課程實驗（訓）效果的同時，還能明了的發現問題，提出相應的改進方法，獲得更多的創新。對非機電類專業實訓學生，由于實訓課時及專業基礎知識的限制，著重向學生講解如何操作設備加工零件，包括裝夾工件，分中對刀，操作面板功能和調出零件加工等知識。相比傳統數控加工中心，本自制三軸數控加工平臺體積小，操作簡單，初學者容易上手。
 
     3、　教學平臺設計與實現
 
　　數控加工平臺機械主體部分主要依托工程訓練中心現有的廢舊故障設備——簡易數控銑床。由于需要更換伺服系統，其各軸的伺服電機連接機械零部件需要根據伺服電機規格型號進行設計安裝。伺服電機連接零件的正確設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生的加工誤差。教學平臺的研究技術路線如圖 3 所示。

    
                      圖 3　設計技術路線
   
    一條運動指令，都能從加工零件的刀路上顯示出來，在體現課程實驗（訓）效果的同時，還能明了的發現問題，提出相應的改進方法，獲得更多的創新。對非機電類專業實訓學生，由于實訓課時及專業基礎知識的限制，著重向學生講解如何操作設備加工零件，包括裝夾工件，分中對刀，操作面板功能和調出零件加工等知識。相比傳統數控加工中心，本自制三軸數控加工平臺體積小，操作簡單，初學者容易上手。
 
     3　、教學平臺設計與實現
 
　　數控加工平臺機械主體部分主要依托工程訓練中心現有的廢舊故障設備——簡易數控銑床。由于需要更換伺服系統，其各軸的伺服電機連接機械零部件需要根據伺服電機規格型號進行設計安裝。伺服電機連接零件的正確設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生的加工誤差。教學平臺的研究技術路線如圖 3 所示。
 
　　人機界面作為系統的開關量、參數輸入及信息顯示的主要設備，需要設計組態機床 X、Y、Z 軸伺服電機的實時位置顯示及執行信息。組態各部分按鈕開關包括模式選擇、各軸恒速恒量運行開關、程式自動運行、手動運行、機床輔助開關和調速旋鈕等等。存儲各種常見零件加工信息，刀具信息等方便調用。
  
    數控銑床的電氣系統布線需要根據設備的功能需要統籌設計，包括保護電路設計、故障報警電路設計、伺服故障顯示、冷卻系統、照明等。主電路及控制電路的線徑設計根據實際設備功率計算，并按有關電氣標準執行。反復啟動交流高頻強電與信號線分槽走線，以免干擾。設計安裝漏電保護器、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。編寫梯形圖程序對X、Y、Z 及主軸進行點動運行（JOG）、步進運行（STEP），實現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、IF ELSE IEND、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　、結束語
 
　　結合深圳大學工程訓練中心科研及實訓教學要求，開發了一套基于安川 MP2310 技術的數控系統。該系統具有如下優點：
 
　　（1）通過調用人機界面上的零件圖形，設置加工參數，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。解決了那些沒有經過嚴格的數控專業培訓，沒具備 Pro/E、UG、Mastercam 等圖形處理能力的人員使用數控設備進行加工的瓶頸問題。
 
　　（2）在人機界面上設置點動（JOG）及步進（STEP）按鍵，實現對各軸的快速移動及分中對刀操作控制。相比傳統數控機床使用手輪移動軸對刀，這種設計方法節約了設備的成本。
 
　　（3）源代碼完全開放，梯形圖以及運動語言編程簡單易懂，便于對設備進行二次開發。同時機器控制器能同時執行多任務并列運行程序，同時控制多軸（16 根）移動，為后期學生進行課題（畢業）設計提供一個題材豐富的平臺。