數(shù)控曲面刨床關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用*

申賓德，高金銘

(1.武威職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，甘肅武威 733000;2.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

刨床自問世以來在機(jī)械加工方面一直發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的刨床如圖1所示，一般是用來加工平面的，或者用成型刀具來加工溝槽或成型表面，在這方面刨床加工有它不可比擬的優(yōu)勢。但隨著加工對象的不同和加工工藝的需求，很多地方需要曲面加工，而其他的機(jī)床又有一定的缺陷之處時(shí)，顯然傳統(tǒng)刨床已不能滿足加工曲面工藝的需求，這就要求我們對傳統(tǒng)的刨床進(jìn)行適應(yīng)性的改造而使其滿足要求，這是大家感興趣的事情，也是老企業(yè)技術(shù)改造、充分利用再制造技術(shù)的一個(gè)方向［1］。

圖1 傳統(tǒng)刨床外觀圖

利用再制造技術(shù)對傳統(tǒng)刨床進(jìn)行改造，其實(shí)現(xiàn)辦法是:刀具沿Z方向切削時(shí)，可以使刀具沿Y方向升降，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的聯(lián)動(dòng)功能，這樣刀具就可以在YOZ平面內(nèi)作曲線運(yùn)動(dòng)。再經(jīng)過工件沿X方向的移動(dòng)，就可以加工出任意想要的曲面。

1 數(shù)控曲面刨床的工作原理

數(shù)控曲面刨床是利用滑枕在導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，用伺服電機(jī)帶動(dòng)安裝在刀架上端的絲杠螺母，使刀具沿絲杠上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在滑枕上安裝同步帶和編碼器，來檢測刀具在刨削過程中的具體位置，然后將這種信息實(shí)時(shí)反饋到一個(gè)控制器中，這樣有滑枕的位置來決定絲杠的運(yùn)動(dòng)，以此來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸的聯(lián)動(dòng)，從而加工出曲面來，如圖2所示。另外還需要一個(gè)手搖脈沖發(fā)生器，用來手動(dòng)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成工作原點(diǎn)的設(shè)定，手動(dòng)方式的微調(diào)，加工過程中的插入等動(dòng)作。以此構(gòu)成曲面刨床的數(shù)控系統(tǒng)，總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖2 數(shù)控曲面刨床加工原理圖

2 數(shù)控系統(tǒng)硬件配置

曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)的硬件包括運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、HMI(觸摸屏)、編碼器、手搖脈沖發(fā)生器和直流電源，開發(fā)過程中還要用到電腦和U盤。

以多軸運(yùn)動(dòng)控制器為核心的數(shù)控系統(tǒng)繼承了“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的結(jié)構(gòu)，并加以改進(jìn)［2］。曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)的硬件模塊組成如圖4所示。

圖3 曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖4 曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)硬件模塊組成

2.1 多軸運(yùn)動(dòng)控制器

多軸運(yùn)動(dòng)控制器主要用來完成數(shù)據(jù)的處理，發(fā)出指令控制伺服驅(qū)動(dòng)器按照要求運(yùn)行。這就要求多軸運(yùn)動(dòng)控制器具有精度高、速度快、穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)［4］。經(jīng)過閱讀文獻(xiàn)和實(shí)際考察，最終選用英國Trio MC403多軸運(yùn)動(dòng)控制器。

2.2 編碼器

編碼器用來采集一個(gè)軸的數(shù)據(jù)，將該軸采集到的數(shù)據(jù)反饋到運(yùn)動(dòng)控制器中，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)控制器的處理發(fā)出指令，控制伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，完成兩個(gè)軸的聯(lián)動(dòng)，完成相應(yīng)曲面加工的要求。具體選擇型號(hào)為OVW2－25－2MD。

2.3 伺服驅(qū)動(dòng)裝置

伺服驅(qū)動(dòng)裝置是用來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)刀具的上下移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)反饋的信息發(fā)出指令到伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服控制器控制伺服電機(jī)完成相應(yīng)的動(dòng)作，是曲面刨床運(yùn)動(dòng)最重要的運(yùn)動(dòng)部件。選擇伺服系統(tǒng)首先要考慮其功率和轉(zhuǎn)矩，在本曲面刨床中，功率要求為1 500 W，轉(zhuǎn)矩在6～10 N·m之間。經(jīng)過性能和價(jià)格的對比，最終選擇MOTEC全數(shù)字交流同步伺服系統(tǒng)，包含SED伺服驅(qū)動(dòng)器和SEM伺服電機(jī)。

2.4 觸摸屏

觸摸屏主要用來輸入數(shù)據(jù)和顯示參數(shù)，完成人機(jī)交互，是數(shù)控系統(tǒng)操作的重要部分，也是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)唯一直接和使用者交互的部分。觸摸屏的選擇首先要考慮其功能，功能是否可以滿足本曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)的需要，編程是否簡單，抗干擾性，可靠性，是否有以太網(wǎng)通訊接口或者是USB接口等等。其次還要考慮屏幕尺寸、色彩等具體參數(shù)。經(jīng)過對比選擇，最終選擇型號(hào)為:PanelMaster PT104－1BF－T1S。

2.5 手搖脈沖發(fā)生器

手搖脈沖發(fā)生器主要用來工作原點(diǎn)的設(shè)定，手動(dòng)方式的步進(jìn)微調(diào)，加工中的中斷插入等動(dòng)作。選擇時(shí)要考率控制的軸數(shù)和倍率，其中的波段開關(guān)用于軸和倍率的選擇。本曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)中只需控制一個(gè)軸，經(jīng)過對比，選擇寧海大禾電子有限公司的陽帆HP系列，最終選擇型號(hào)為:YANGFAN HPG－201－A。

以上完成了曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)的主要硬件部分的選型，初步構(gòu)建起整體的框架，接下來說明硬件部分如何連接，圖5表示曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)的硬件配置方案。

圖5 數(shù)控系統(tǒng)硬件配置圖

3 數(shù)控系統(tǒng)的編程與調(diào)試

3.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)

曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)的核心是具有開放性功能的Trio MC403運(yùn)動(dòng)控制器。其自身的編程應(yīng)用軟件是基于Windows平臺(tái)的Motion Prefect，它使用的語言是Trio Basic，是一種基于Basic的語言，該編程語言可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的控制需要來對設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，以及外圍設(shè)備的觸發(fā)事件的邏輯狀態(tài)進(jìn)行控制。Trio Basic編程語言采用專用的運(yùn)動(dòng)控制命令，由這些命令來定義設(shè)備的運(yùn)動(dòng)過程以及讀寫系統(tǒng)的參數(shù)和運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，其命令就是該運(yùn)動(dòng)名稱的英文單詞。用戶可以直接在PC上進(jìn)行軟件的開發(fā)，主要利用Trio MC403完成運(yùn)動(dòng)控制模塊的構(gòu)建。運(yùn)動(dòng)控制模塊主要完成手動(dòng)、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和倍率調(diào)整等功能。

3.2 人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)

曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)的另外一個(gè)模塊就是人機(jī)交互模塊，它主要是通過觸摸屏來完成與運(yùn)動(dòng)控制器的通訊，實(shí)現(xiàn)輸入與反饋功能。觸摸屏設(shè)計(jì)軟件PM Designer觸控大師是由臺(tái)灣屏通科技股份有限公司，為新型高功能系列人機(jī)接口開發(fā)的操作軟件。這套軟件除了具有市面上常用人機(jī)界面編輯軟件的大部份功能外，還增加了很多特有的新功能，方便設(shè)計(jì)者使用，軟件開啟主界面如圖6所示。完成軟件設(shè)計(jì)后，即可進(jìn)行編譯，編譯完成后即可輸出觸摸屏程序，完成界面的設(shè)計(jì)，如圖7所示。

圖6 PM Designer啟動(dòng)界面

圖7 曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)主界面

根據(jù)實(shí)際的需要，界面設(shè)計(jì)必須具備控制和監(jiān)測功能，在主界面上設(shè)置“控制按鈕”和“監(jiān)測按鈕”，開始界面完成后，分別設(shè)計(jì)“控制界面”和“監(jiān)測界面”，利用軟件的畫面操作按鈕，完成每個(gè)畫面之間的切換如圖8和9所示。

圖8 曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)控制界面

圖9 曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)視界面

控制界面主要完成曲面的輸入和加工的控制，監(jiān)視界面主要反映伺服電機(jī)當(dāng)前的位置和速度。在控制界面中可以輸入曲線的數(shù)據(jù)，以圓弧為例，可以輸入圓弧的半徑和長度，還能控制加工的開始和停止。在手動(dòng)對刀時(shí)，要使原來的狀態(tài)與編碼器之間的聯(lián)動(dòng)停止，還需設(shè)置一個(gè)手動(dòng)開、手動(dòng)關(guān)的功能。還有界面切換功能，設(shè)置完這些參數(shù)和運(yùn)動(dòng)后可以切換到主界面。在監(jiān)視界面可以直觀的看到當(dāng)前伺服電機(jī)的運(yùn)行速度和所在位置。

為保護(hù)觸摸屏顯示器，延長其有效使用壽命。最后設(shè)置一個(gè)屏幕保護(hù)畫面，在一段時(shí)間沒有動(dòng)作之后就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入屏幕保護(hù)畫面，有效的實(shí)現(xiàn)對顯示器的保護(hù)作用，如圖10所示。設(shè)計(jì)完成后即可編譯，編譯通過后即可生成PRP包，利用U盤更新到觸摸屏中。

圖10 曲面刨床數(shù)控系統(tǒng)屏幕保護(hù)界面

4 結(jié)語

根據(jù)機(jī)械制造工藝的實(shí)際需求，開發(fā)出的數(shù)控曲面刨床以多軸運(yùn)動(dòng)控制器為核心，以Windows平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。將程序存儲(chǔ)到控制器與觸摸屏中，通過觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，建立了一個(gè)基于開放式的可擴(kuò)充的數(shù)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)可應(yīng)用于刨床中，完成曲面零件的刨削加工，為數(shù)控曲面刨削加工提供了一套切實(shí)可行的方案。筆者認(rèn)為在今后的研究中還可以從以下三方面考慮。

(1)開發(fā)出更多聯(lián)動(dòng)軸的刨床數(shù)控系統(tǒng)，使其加工更為復(fù)雜的曲面。

(2)該數(shù)控系統(tǒng)還可以加以改進(jìn)，使其應(yīng)用于拉床、插床等往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的機(jī)床當(dāng)中。

(3)改變往復(fù)式加工方式，使其空行程也參與切削，提高機(jī)床加工效率，適應(yīng)機(jī)械裝備母機(jī)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的需要。

［1］ 張 宏，李富平.基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(6):171－172.

［2］ 陳志育，秦現(xiàn)生，任松濤.基于PC+NC結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007(4):56－61.

［3］ 張學(xué)成.基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2002.

［4］ 向 平，黃 健，吳 萍.數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制器淺析［J］.機(jī)床與液壓，2005(7):61－63.