摘要 ：
本文主要介绍了 LMC058 运动控制器与 LXM23A 伺服系统在数控三轴钻铣床的成功案例，主要采用了CANMotion 运动控制总线实现对伺服系统的控制，并可以执行由CAD-CAM 软件生成的 Gcode 文件，从而实现了 CNC 的功能。
本文重点介绍了工艺原理、结构特点、工艺流程、控制方案等。
关键字：LMC058、CANMotion、CANopen、Modbus TCP、LXM23A、ATV312、上位机
前言：近年来，随着我国大规模的基建投资和工业化进程的快速推进，铝型材作为建筑领域和机械工业领域里重要的应用材料，其整个行业的产量和消费量迅猛增长，我国也一跃成为世界最大的铝型材生产基地和消费市场。
本文中的应用客户系专业从事铝型材门窗加工设备的研发、制造和销售的中国顶级品牌企业，在国内率先研发出数控三轴钻铣床等高精尖设备，填补了行业空白。
一、工艺简介
1、设备外观
数控三轴钻铣床 LZX-CNC-3500 主要用于幕墙五金配件、铝合金、塑钢门窗五金配件、工业铝材、轨道交通、有色金属材料安装孔、排水槽及锁孔等各种孔槽的加工，一次装夹，可完成多个孔槽的钻铣工作，可通过 CAD-CAM 软件对加工图形进行转换，从而生成Gcode 文件，由伺服系统完成孔槽的加工;本设备具有倍率调整、紧急停止、暂停、单步执行、双坐标(机械坐标与工件坐标)、可执行 Mcode 等功能;具有操作简单、性能可靠、技术先进、易于维修保养、铣削速度高、加工精度高、重复定位精度高、生产效率高等优点。
2、结构特点
该设备由定位机构、水平横移轴(X 轴)、水平垂直轴(Y 轴)、钻铣轴(Z 轴)、气动系统、电气控制系统组成，其中水平横移轴、水平垂直轴、钻铣轴采用 LXM23A 系列伺服系统控制，提高了定位精度与工作效率;同时，钻铣头部分由 ATV312 变频器驱动高速电主轴完成启动与停止工作。
3、工作原理
主要工序为原点回归，水平横移轴、水平垂直轴、钻铣轴的手动操作，Gcode 文件的执行，且在运行过程中可以调整倍率从而实现三轴的速度变换等，传动系统采用伺服系统与进口齿轮齿条、丝杠进行控制，使定位精度可精确至 0.01MM，重复定位精度至 0.01MM，通过上位机对加工工艺参数进行设置与监控。
为确保设备安全性，每个轴的机械限位信号(常闭信号)与原点信号直接接入伺服系统，在遇到机械限位信号或原点信号时，使伺服系统可以快速反应;同时，钻铣轴的电机抱闸由伺服系统的 DO 输出控制，完美实现对伺服电机抱闸的控制。
4、工艺流程
Ⅰ、点击“手动画面”可进入手动操作，如定位板升降、喷雾冷却、型材压紧等动作，也可完成对每个轴的点动移动等动作，且可通过倍率旋钮实现速度变换;
Ⅱ、点击“同时回原点”按钮，首先钻铣轴执行回原点功能，原点回归完成后，再执行水平两轴的回原点功能，从而避免水平轴回原点时对钻铣轴的碰撞;原点回归采用查找到原点信号再反转找电机 Z 相的方式，提高原点回归的定位精度，同时，也可重复执行原点回归功能;
Ⅲ、点击“加载NC程序”按钮，选择需要加工的Gcode文件并打开，无论选择文件的名字是什么，加载至LMC058中即修改为“”;
Ⅳ、点击“解码启动”按钮，LMC058即执行对“”文件的解码工作，同时解码状
态栏中会显示“正在解码中…”信息，当解码完成后，解码状态栏中会显示“解码完成”;实际测试9000步的Gcode文件解码时间约为90-100S;
V、点击“循环启动”按钮，则系统立即执行Gcode文件，在运行过程中可以通过调整倍率旋钮实现速度变换，当倍率为0时，系统停止运行，不为0时，系统继续执行;发生紧急情况下可按下“紧急停止”按钮，则系统立即停止，当恢复“紧急停止”按钮时，按下“循环启动”可继续停止前的工作直至Gcode文件被完全执行完成;
VI、支持Mcode，在执行至Mcode时，可通过SMC_Interpolator的wM变量监控到执行Mcode的当前值，从而根据此数值进行逻辑部分的控制，当完成该步Mcode时，触发bAcknM输入则继续执行Gcode文件;
VII、在Gcode文件执行过程中，可以获取当前Gcode的执行行号，从而获取Gcode文件的执行情况。
5、设备性能指标
电 源： 三相四线，380VAC，50Hz
电 主 轴： 4.5 KW，转速：18000 r/min
变 频 器： 4 KW，380VAC，最高输出频率：600 Hz
伺服电机： 1 x 1 KW，2×0.75 KW，转速：3000 r/min
工作压力： 0.5～0.8 Mpa
供 气 量： 60 L/min
进刀速度： 0～30 m/min
移动速度： 水平横移轴：0～50 m/min，水平垂直轴：0～30 m/min
定位精度： 0.01 mm
重复定位精度： 0.01 mm
二、控制系统的技术要求与控制方案
1、技术要求
运动控制器：DI：26 点，24VDC;DO：16 点，Tr，24VDC，0.5A;内置 CANMotion 运动控制总线，CANopen 现场总线，Modbus TCP 工业以太网接口;支持 Gcode 文件的执行变频器：380VAC，4 KW，内置 CANopen 现场总线接口
伺服系统：一台 1.0 KW 的 LXM23A 控制水平横移轴，一台 0.75 KW 的 LXM23A 控制水平垂直轴，一台 0.75 KW 的 LXM23A 控制钻铣轴(带抱闸)
2、控制方案
采用施耐德电气整体解决方案，并以LMC058运动控制器为核心
I、LMC058与LXM23A伺服系统之间采用CANMotion运动控制总线，从而实现三轴的点动、原点回归、相对与绝对定位控制、Gcode文件执行等功能，可实时获取当前位置、当前速度、工作状态等信息;
II、LMC058与ATV312系列变频器之间采用CANopen现场总线控制，主要控制电主轴的启动与停止，读取变频器的当前速度，工作状态等信息;
III、倍率调整电位器接入在ATV312的模拟量输入端，由LMC058的CANopen现场总线来读取模拟量输入端的电压变化，从而实现倍率调整，充分利用了变频器的模拟量输入端，节约了LMC058的模拟量输入模块的成本;LMC058 与上位机之间采用工业以太网 Modbus TCP 协议实现数据采集与控制，上位机采用 VB 开发的界面，具有数据的监控与设置，NC 文件的修改、保存与导入等功能，Gcode文件通过 FTP 的方式下载至 LMC058 中，且无论选择哪一个 Gcode 文件，下载至 LMC058中默认是“”文件，在程序中只需要对“”文件进行读取与解码即可;
IV、所有控制部分全部采用 CANMotion 运动控制总线与 CANopen 现场总线，具有安装操作方便、节约配线时间、减少了因硬件接线过多造成的潜在隐患点、抗干扰能力强、可扩展性等优势。
系统架构如下：
3、控制难点分析
Ⅰ、Gcode文件执行;自LMC058发布以来，与LXM23A的CANMotion运动控制总线的通讯未有Gcode文件执行的成功案例，CNC中可以执行的Gcode是否可在LMC058中应用未有详细的资料可供参考，根据现场测试与摸索，现列出LMC058可以支持的Gcode与标准的书写方式，如下：
N：行号或序列号
G00：快速定位
G01：直线插补定位
G02：CW(顺时针)圆弧/螺旋插补定位
G03：CCW(逆时针)圆弧/螺旋插补定位
G04：暂停延时
G17：XY 平面选择
G18：ZX 平面选择
G19：YZ 平面选择
G17/G18/G19：决定圆弧/螺旋插补的平面选择，对于直线插补无任何影响
G90：绝对坐标定位
G91：相对坐标定位
E：加速度与减速度
F：速度
I/J/K：在 G02/G03 指令中，定义圆弧/螺旋插补的参数，常用于圆弧的加工
R：在 G02/G03 指令中，定义圆弧/螺旋插补的参数，常用于整圆的加工，定义圆的半径
X/Y/Z：轴的设定位置，如 X-100.5 Y210.2 Z-300.0
M码：用户自定义M码的作用
标准的 G 代码格式
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 代码不能在同一行内，比如：N1 G90 G01 X1000 Y-100 F100
如上所示，如果已经声明了加速度与减速度，则在以下的G代码中未声明加速度与减速度的，默认为上面设置的加速度与减速度
Ⅱ、重复定位精度;LXM23A伺服系统的原点回归方式选择为7或11，描述为：以第一速度查找原点信号，当遇到原点信号时，电机反转，以第二速度离开原点信号的下降沿后，查找到电机的Z相信号后停止，但由于LXM23A的原点回归在找到Z相信号后，会有一个减速过程，从而产生了一个小的位置偏差，但无法保证不同回原点速度下的位置偏差相同;解决方案：在原点回归完成后立即执行一次MC_MoveAbsolute绝对定位使其找到真正的电机Z相信号，此时，坐标系的位置全部为0
Ⅲ、伺服系统每次原点回归的位置不一致?原点回归模式为遇到原点信号之后反转找到伺服系统的 Z 相后停止，在原点信号非常接近伺服系统 Z 相信号的情况下，如果原点信号响应时间快，则会发生反转时立刻就会抓到伺服 Z 相的现象，而原点信号响应时间慢时，则会发生反转时伺服 Z 相到达而原点信号还未到达的现象，造成原点回归停止在伺服第二次 Z相信号位置;
解决方案：轻微移动原点信号，使其在触发时大约在伺服相对 Z 相点的半圈位置。
4、NC 文件的加载
根据客户需要，使用VB开发了使用FTP方式传输NC文件的工具软件，此软件可以集成在上位机系统中，或者二次开发均可;软件启动后，会在D:\根目录下创建一个“NCFiles”文件夹;传送单个文件时，传输至LMC058的NC文件名字指定为“”;传送多个文件时，会将D:\NCFiles文件夹下的所有*.txt传输至LMC058，但不会更改文件的名字，需要使用某一个文件时，需要在LMC058的程序功能块中设置文件名字。
5、如何验证Gcode文件生成的图形
在实际应用中，用户常常使用不同的软件进行Gcode文件的生成，因此，这里有一个问题，就是其中Gcode的小数点保留位数的问题，举例来讲，我们使用一个第三方的软件生成Gcode文件下载至LMC058后，发现应该是一个整圆的动作，但是执行的效果却是不符的，通过第三方的NC路径查看软件验证此图形是正确的，经过自己分析Gcode文件后，发现在G02指令中的I参数正确的数值应该为10.6235，但是在第三方软件生成时，变为了I10.623，因此LMC058无法正确的识别这个Gcode，从而产生了不同的执行结果;为了避免此类情况的发生，有两种方式可以实现对Gcode的验证：
I、新建一个LMC058的工程，添加“CNC”，将Gcode复制至编辑框内，则自动生成所描述的图形，如下：
如果Gcode文件在这种方式下，不能生成正确的图形，则需要检查Gcode文件的正确性
II、使用权威的第三方NC View软件进行图形查看，进一步验证
三、应用总结
本系统采用了施耐德电气整体解决方案，具有以下几大优势：
● 采用CANMotion与CANopen总线控制方式，消除了常规控制方式所带来的种种不安全潜在因素，不需要改变任何硬件接线的多模式自由切换方式使控制更加灵活，数据信息的实时反馈确保系统稳定运行，通过总线控制方式，有效降低了生产成本，减少了配线工作量，为未来设备的扩展与更新提供了便利条件;
●提高了设备运行的稳定性;
●提高了设备生产效率。采用施耐德电气方案后，生产速度可达50 m/min。生产速度提高10%，设备运行稳定性相比以前提高10%;
● 人性化的编程界面，多种语言混合编程模式，操作简单，使用方便。
四、设计开发工具
（转载）
