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數控工具磨床的數控系統改造
日期: 2009-01-06
 
1 前言 
  數控工具磨床,特別是多軸數控、多軸聯動的數控工具磨床是高效、高品質磨削製造精密、複雜形狀刀具的高、精、尖關鍵設備,也是各類數控機床中結構較複雜、自動化程度高、精度和可靠性要求高的機電一體化高技術產品,其研究開發具有相當的技術難度。採用數控工具磨床對刀具進行磨削加工必須依靠刀具磨削加工技術和編程技術,而各種複雜形狀刀具的磨削加工技術和編程軟體,目前在國外也屬於專利技術或保密技術。正因為如此,目前世界上也只有少數廠商能夠生產高性能的數控工具磨床。 
 
      數控系統改造通常採用數控工具磨床生產廠家最新的專用數控系統。這種改造方案雖有技術成熟,風險小,可靠性有保證的優點,也有價格昂貴,工藝編程針對性差等多方面缺陷。華中2000型工具磨床專用數控系統,是在國家“八五”重點攻關專案“數控萬能工具磨床產品開發”科研成果的基礎上,成功開發的用於各種回轉刀具磨削加工的集成化CNC系統。採用該系統,則可以很好地解決以上問題,費用還低。 
 
2 改造後數控系統的功能和結構 
 
2.1       系統基本功能 
    採用華中2000型工具磨床數控系統對工具磨床進行改造後,該系統具有如下三種基本功能。通用數控系統功能 系統保留了原通用數控系統的基本功能,如最多16軸數控9軸聯動的軸控制功能,程式校驗功能,MDI功能,直線、圓弧、螺旋線插補功能,M、S、T功能,故障診斷顯示功能,內嵌式PLC功能等。 
 
     自動數控編程功能 該系統的最大特點就是在標準通用數控系統的基礎上,集成了刀具磨削加工編程軟體,直接在CNC系統上以圖形功能表方式輸入被磨刀具的結構尺寸與加工工藝,即可自動編程和加工,實現了編程加工一體化。
 
     刀具測量和自動對刀功能 在本系統將刀具測量功能集成在數控系統中。在刀具數控磨削加工中,自動對刀解決了手工對刀繁瑣、精度差的問題。 
 
  2.2 系統硬體結構 
 
      經過改造後的數控系統的硬體結構主要由電腦數控單元、伺服驅動單元(包括電機)和測量單元三個部分組成。 
 
     數控單元包括工業PC機、位置控制模組、輸入輸出模組,是組成數控系統的最基本單元。其中工業PC機可根據需要配置CPU、記憶體、顯示卡、顯示器、硬碟或電子盤、軟盤機等;位置控制模組有多個位置檢測介面,採集光電編碼器的脈衝信號,作為機床各個座標的位置回饋,並通過多路D/A輸出信號控制速度單元,既可與武漢華中數控公司生產的全數位交流伺服單元及電機配套,也可與德國西門子公司、德國AMK公司、日本三洋公司、松下公司的驅動單元配套。輸入輸出模組是CNC系統內嵌PLC的硬體輸入輸出介面,輸入輸出電壓為24V,最大電流為100mA,用於操作面板的按鈕信號輸入、機床的開關檢測輸入等,基本輸入/輸出點數為48/48點,也可根據需要擴展為256/196點。
 
      伺服單元及電機是系統可靠運行的最重要保證。交流伺服單元採用光電編碼器實現位置檢測回饋,2500個脈衝/r。系統最小解析度為0.001mm/0.001°。
 
      測量單元是系統實現刀具測量和自動對刀功能的必需硬體組成。包括信號處理模組和測量元件。前者主要指A/D轉換和資料濾波,後者為刀具測量和對刀感測器(測頭),可根據需要選擇接觸式或非接觸式測頭。
 
  2.3 系統軟體結構 
  2.3.1 總體結構 
  華中Ⅰ型通用數控系統基於DOS開發,採用分層模組化結構。系統軟體分為四層:第一層為作業系統 層,包括檔管理,進程管理,即時任務調度,參數資料庫的物理管理層。系統管理軟體是在DOS的基礎上擴充,增加了即時任務調度,CRT驅動程式,參數庫介面軟體。任務控制的入口是INT62,軟中斷,具有轉調度、創建、掛起、撤銷、阻塞、喚醒、延遲和獲取任務狀態的控制原語。第二層為機床輸入輸出層,包括位置環控制軟體,MST代碼輸出,調掛管理及開關量輸入輸出。位置控制軟體通過內部通訊區接收控制及位置指令,並將位置控制指令傳遞給伺服單元。第三層為插補控制層,為ISO代碼插補,包括插補、刀補和程式編譯。第四層為用戶操作層。各層具體內容如圖2所示,這種層次模組化結構便於改進和移植。刀具數控磨削自動編程軟體和刀具測量與自動對刀軟體就是集成在用戶操作層中。 
  
2.3.2 刀具數控磨削自動編程軟體〔2〕 
    刀具數控磨削自動編程軟體主要由以下幾部分組成:
 
(1)工藝資料庫 編程軟體收集了所要編程加工刀具的有關工藝資料,採用合適的資料結構進行組織和管理,形成工藝資料庫。這些工藝資料包括數控系統資訊、機床結構資訊、刀具幾何參數、砂輪外形參數、加工工序資訊以及加工工藝參數。工藝資料庫是整個編程軟體的支撐。數控系統資訊是描述所採用的數控系統的數控代碼格式的資訊,是後置處理中格式轉換所必需的資訊;機床結構資訊用來描述數控工具磨床結構模型和結構參數,包括機床機構模型代碼、機床運動鏈各坐標系之間的初始位置關係和機床各運動軸方向〔2〕;刀具幾何參數指被加工刀具的結構參數和切削參數,以刀具結構要素為基本物件進行描述;砂輪外形參數是用來描述磨削用砂輪的形狀和尺寸的參數;加工工序資訊用來描述所編程加工刀具的加工工藝,系統以刀具結構要素為基本單元將各種刀具的磨削加工工藝進行分類、組織和管理,形成加工工序庫;加工工藝參數主要指刀具各加工工序中的進給速度、主切削速度、進給量、加工餘量、冷卻液開關等資訊。 
 
(2)參數化輸入模組 參數化輸入模組是編程軟體實現人機資訊交互的介面。該模組通過輸入加工資訊,從工藝資料庫中調出相關的工藝參數,然後根據具體加工物件、加工條件和加工要求,對工藝資訊進行必要的修改,生成供後續刀位計算與刀位元驗證模組和後置處理模組使用的資料檔案。具體有:數控系統設置,機床設置,刀具設置,工序設置,砂輪設置,工藝設置。 
 
(3)編程程式庫和刀位元計算與刀位元驗證模組 編程程式庫是編程軟體所有編程刀具的刀位元計算程式、刀位元驗證程式的套裝程式。刀位元計算與刀位元驗證模組的功能就是從加工工藝檔中順序讀出刀具每個加工工序的加工要素資訊、砂輪切削表面資訊和工藝資訊,根據這些資訊從編程程式庫中調用相應的刀位元計算程式和刀位元驗證,生成刀位資料檔案和CC點資料檔案。刀位計算與刀位驗證是自動編程的關鍵,編程程式庫是整個編程軟體的核心。
(4)後置處理 後置處理就是將刀位計算後生成的刀位檔轉換成數控工具磨床能夠執行的數控代碼的過程。包括機床運動求解、非線性加工誤差校核與處理、進給速度的校核與修正和檔格式轉換等。 
 
  2.3.3 刀具測量與自動對刀軟體 
      該軟體包括刀具測量和自動對刀兩個相對獨立的軟體模組,兩者基於共同的硬體結構。其中對刀軟體的功能就是確定編程坐標系和機床坐標系之間的相對位置關係,只要硬體可靠,軟體實現起來較為簡單。
 
  對於刀具的重磨加工,由於有關刀具形狀和切削參數的理論資料並不已知,數控編程和加工的唯一依據是刀具實物模型。刀具測量系統的功能就是通過對刀具實物模型進行採樣,將刀具實物模型的幾何類比量轉換成自動編程軟體能夠接收的幾何數位量,以實現刀具編程和加工。刀具測量軟體主要由測頭運動控制模組、資料獲取模組和資料處理模組組成,其中測頭運動控制模組是整個軟體的關鍵,對於不同的刀具種類及加工要求、不同的測頭類型,具有不同的運動控制策略(限於篇幅,本文不再展開)。 
  
      工具磨床經過數控系統改造後,功能和技術特點為:機床可實現三軸(X、Z、A)聯動;可進行各種銑刀的後刀面磨削加工;直接在CNC上以圖形功能表方式輸入被磨刀具的參數和加工工藝即可進行加工或修磨,實現了編程加工一體化;具有刀具幾何形狀測量功能,保證各種銑刀後刀面的重磨加工;可線上對砂輪參數、刀具參數、磨削工藝和磨削用量等進行方便的修改,可充分發揮操作者的豐富經驗,刀具試磨和修磨過程非常方便;機床運動由電腦控制,實現了真正意義上的程式控制,使操作簡單、可靠。 
 
  機床經過數控系統改造後,進行了系統運行考核和加工實驗,成功地實現了對圓柱/圓錐立銑刀、球頭銑刀等刀具的後刀面修磨。
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