摘　要：设计了一种基于机器控制器（MP2310）的数控铣床教学平台，并给出了具体的实现方法，同时为数控教学设备开发提供了一种新方法。通过使用此平台，不但可以进行传统的数控加工实训操作，还可以比较全面了解数控机床的电气控制原理和运动程序编写。
 
       关键词：机器控制器 ; 教学平台 ; 实验 ; 系统开发
 
       0　引言
 
　　  目前，各高校开设的课程多数与实际应用联系紧密，结合课程的理论知识开设相应的实验操作课程，有益于学生牢固掌握课程理论知识，提高学生的独立思考能力和实践操作能力。但实际情况却不容乐观，实验室的设备购买时间长，与实际生产应用存在技术滞后。而频繁的购买实验设备无疑将增加学校的教学成本。
 
      此外，目前市场上实验教学设备多为模块化生产，难以与课程结合，同时学生不能深入了解设备工作原理，而且其价格高昂。因此设计与课程内容相符，以及与实际生产紧密联系的实验设备，将极大的调动学生学习的积极性，培养学生的实际动手能力，实现“自主学习、合作互动”的课堂教学模式。机床平台的搭建，能以本校学生的实际情况为契合点，以课程内容与市场技术发展方向为导向，更好的扩展学生的思维，培养具有一定竞争能力的高素质人才 [1]。鉴于此加工平台的灵活创新，学生可以根据自己想法和创新自主设计加工方案。此外，在实验指导人员的指导下学生可以加深对数控加工平台中各个模块的理解，能更好的帮助学生对理论课程中相应知识点的理解和掌握。着实推动当代本科生对所学知识的实际应用，培养有着较强动手能力的新世纪人才，成为解决大学生就业问题，推动国家经济发展水平的有效助剂。
 
　　我校数控加工技能实训课程中使用的数控机床设备多由国内外著名数控生产厂家生产，如德国 SIEMENS 公司 SINUMERIK 系列，日本 FANOC，大连数控及广州数控等。就目前使用的数控机床加工设备中，存在以下几个问题 [2]：
 
　　（1）数控系统比较复杂，操作人员需要具有一定的机械加工知识，并且经过长时间的专业培训；
　　（2）数控系统的源代码及模块接口等开放程度不高，难以对系统进行二次开发；
　　（3）数控系统价格昂贵；
 
　　 针对以上问题，结合深圳大学本科实训实践的教学要求，设计出一台适用于机电类和非机电类学生使用的数控加工平台。
 
      １　、硬件平台设计
 
　　 有别于国外著名大型数控生产厂家研制数控系统，本自制三轴数控加工平台是基于人机界面（HMI）和 MP2310 机器控制器，寻求搭建一个价格低廉、操作简单、能满足加工常见机械零件的数控加工系统。系统工作原理如下图 1 所示。
 
　　加工平台控制系统采用半闭环进给伺服系统，机床的 X、Y、Z轴和主轴的位置检测点通过伺服电机编码器进行。通过检测伺服电机旋转角度来间接检测铣床平台的移动量，而不是通过安装光栅尺等传感器来直接检测铣床平台的实际位置。设计的平台系统不包括机械传动环节，因而平台具有比较稳定的控制性能，虽然其系统的稳定性能不如由步进电机控制的开环系统，但其稳定性要比全闭环系统优异。

                            图 1　数控系统硬件结构组成框图
 
 
 
     此外，半闭环系统的位置环内各组成环节的误差可以通过相关的算法可得到一定程度的补偿。设计的铣床平台半闭环数控系统结构简单、调试方便和精度相对较高，满足工程训练中心的实训教学和科研加工要求。
 
　 　本项目研究的铣床教学平台的核心器件为 MP2310 机器控制器，机器控制器通过对伺服驱动器发送相关指令控制各运动轴伺服电机精准运行。机器控制器具有位置控制功能：定位，外部定位、原点复归、多轴插补、恒速进给和恒量进给等。同时，机器控制器能通过其专用的运动语言实现循环、跳转、条件分支、并列执行、选择执行和分支等控制命令编程 [3]。此外，机器控制器具有强大的 PLC梯形图编程功能。利用其 I/O 模块能处理操作面板、机床限位、报警和电磁阀等信号。另外，机器控制器与人机界面能进行有关信息传递。
 
     2　、数控铣床教学平台

                                    图 2　系统的操作示意图
 
  
     如图 2 所示，对机电类专业实训学生，通过设计的数控铣床教学平台，不但可以进行传统的数控加工实训操作，还可比较全面了解数控机床的电气控制原理。由于此数控加工平台所用的机器控制器源代码完全开放，学生可以在老师的指导下进行 PLC 梯形图和运动语言编程。另外，通过运动走刀，还可以加工出各种零件。由于学生每编写一条运动指令，都能从加工零件的刀路上显示出来，在体现课程实验（训）效果的同时，还能明了的发现问题，提出相应的改进方法，获得更多的创新。对非机电类专业实训学生，由于实训课时及专业基础知识的限制，着重向学生讲解如何操作设备加工零件，包括装夹工件，分中对刀，操作面板功能和调出零件加工等知识。相比传统数控加工中心，本自制三轴数控加工平台体积小，操作简单，初学者容易上手。
 
     3、　教学平台设计与实现
 
　　数控加工平台机械主体部分主要依托工程训练中心现有的废旧故障设备——简易数控铣床。由于需要更换伺服系统，其各轴的伺服电机连接机械零部件需要根据伺服电机规格型号进行设计安装。伺服电机连接零件的正确设计及合理安装能有效延长电机的使用寿命，同时还能减少因机床电机机械性振动而产生的加工误差。教学平台的研究技术路线如图 3 所示。

    
                      图 3　设计技术路线
   
    一条运动指令，都能从加工零件的刀路上显示出来，在体现课程实验（训）效果的同时，还能明了的发现问题，提出相应的改进方法，获得更多的创新。对非机电类专业实训学生，由于实训课时及专业基础知识的限制，着重向学生讲解如何操作设备加工零件，包括装夹工件，分中对刀，操作面板功能和调出零件加工等知识。相比传统数控加工中心，本自制三轴数控加工平台体积小，操作简单，初学者容易上手。
 
     3　、教学平台设计与实现
 
　　数控加工平台机械主体部分主要依托工程训练中心现有的废旧故障设备——简易数控铣床。由于需要更换伺服系统，其各轴的伺服电机连接机械零部件需要根据伺服电机规格型号进行设计安装。伺服电机连接零件的正确设计及合理安装能有效延长电机的使用寿命，同时还能减少因机床电机机械性振动而产生的加工误差。教学平台的研究技术路线如图 3 所示。
 
　　人机界面作为系统的开关量、参数输入及信息显示的主要设备，需要设计组态机床 X、Y、Z 轴伺服电机的实时位置显示及执行信息。组态各部分按钮开关包括模式选择、各轴恒速恒量运行开关、程式自动运行、手动运行、机床辅助开关和调速旋钮等等。存储各种常见零件加工信息，刀具信息等方便调用。
  
    数控铣床的电气系统布线需要根据设备的功能需要统筹设计，包括保护电路设计、故障报警电路设计、伺服故障显示、冷却系统、照明等。主电路及控制电路的线径设计根据实际设备功率计算，并按有关电气标准执行。反复启动交流高频强电与信号线分槽走线，以免干扰。设计安装漏电保护器、热保护器、保险丝等动作电器。
 
    梯形图编程。梯形图程序根据输入信号进行顺控（顺序操作），对输出信号和运动程序进行启动、暂停和停止操作。编写梯形图程序对X、Y、Z 及主轴进行点动运行（JOG）、步进运行（STEP），实现分中对刀是各轴的快速移动或者步进运行。
 
　　运动语言编程。利用轴移动命令（如 MOV、MVS、MCW、ZNR 等）、轴控制命 令（MSEE、TIM、END、RET、IF ELSE IEND、WHILEWEND 等）、基本控制命令（如 ABS、INC、POS、PLN、MVM、PLD 等）及运算与顺序控制命令（+、—、*、/、SIN、COS、TAN 等）等机器控制器编程语言，定量加工出各种常见的平面、曲面、螺纹等。
 
     4　、结束语
 
　　结合深圳大学工程训练中心科研及实训教学要求，开发了一套基于安川 MP2310 技术的数控系统。该系统具有如下优点：
 
　　（1）通过调用人机界面上的零件图形，设置加工参数，即可对待加工毛坯件进行分中对刀操作，自动加工出目标零件。解决了那些没有经过严格的数控专业培训，没具备 Pro/E、UG、Mastercam 等图形处理能力的人员使用数控设备进行加工的瓶颈问题。
 
　　（2）在人机界面上设置点动（JOG）及步进（STEP）按键，实现对各轴的快速移动及分中对刀操作控制。相比传统数控机床使用手轮移动轴对刀，这种设计方法节约了设备的成本。
 
　　（3）源代码完全开放，梯形图以及运动语言编程简单易懂，便于对设备进行二次开发。同时机器控制器能同时执行多任务并列运行程序，同时控制多轴（16 根）移动，为后期学生进行课题（毕业）设计提供一个题材丰富的平台。