光學(xué)曲線磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案研究

無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐安林

0 引 言

光學(xué)曲線磨床主要應(yīng)用于精密機(jī)械制造業(yè)、航空航天制造業(yè)等，屬于技術(shù)專業(yè)性很強(qiáng)、技術(shù)含量高的高端設(shè)備。但光學(xué)曲線磨床對數(shù)控系統(tǒng)有著諸多的特殊要求，所以采用數(shù)控系統(tǒng)較晚。發(fā)達(dá)國家對此類高性能、高精度的機(jī)床裝備采取限制出口的政策，因此加快研發(fā)專用光學(xué)曲線磨床的數(shù)控磨削系統(tǒng)就成為了發(fā)展磨削行業(yè)的技術(shù)難關(guān)。

本文將結(jié)合某科技有限公司的設(shè)備先改造再開發(fā)的計(jì)劃，利用開放式控制系統(tǒng)與自主開發(fā)相結(jié)合的思路，研究探討光學(xué)曲線磨床的專用數(shù)控系統(tǒng)。

1 光學(xué)曲線磨床的基本組成與工作原理

1．1 光學(xué)曲線磨床的基本組成與結(jié)構(gòu)

光學(xué)曲線磨床是由精密投影儀、多自由度磨頭及工作臺組成，主要適用于加工各種精密復(fù)雜的模具、樣板、成形刀具、滾輪等。

具有代表性的WAPT－P光學(xué)曲線磨床具有五軸，其中兩軸為插補(bǔ)控制軸，分別控制機(jī)床工作臺的縱、橫向進(jìn)給，另外兩軸控制磨頭滑座的縱、橫向進(jìn)給，最后是實(shí)現(xiàn)主軸的換刀功能的C軸。砂輪轉(zhuǎn)速、滑板往復(fù)速度控制均采用日本“松下”調(diào)頻控制系統(tǒng)，可作無級調(diào)速。該磨床具有直線、圓弧連續(xù)軌跡磨削，參數(shù)方程曲線連續(xù)軌跡磨削和投影檢測等功能。床身及投影箱為箱體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)既滿足了光路通道的封閉性，也保證了床身剛度的要求。該磨床工作臺的拖板導(dǎo)軌為閉式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，微動(dòng)進(jìn)給靈活精確。同時(shí)該設(shè)備還有一系列的光學(xué)元件，可以讓加工局域清晰放大20～50倍后在投影屏幕上顯示。

光學(xué)曲線磨機(jī)床應(yīng)具備以下結(jié)構(gòu)特征：砂輪架繞縱向水平軸回轉(zhuǎn)（Z）、砂輪架繞橫向水平軸回轉(zhuǎn)（Y）、砂輪架繞垂直軸回轉(zhuǎn)（X）、砂輪架滑座由手動(dòng)控制坐標(biāo)能進(jìn)行合成運(yùn)動(dòng)、砂輪架滑板可手動(dòng)調(diào)節(jié)、工作臺可升降、照明裝置、放大物鏡、吸塵裝置和外圓磨削裝置。除具備光學(xué)曲線磨床的結(jié)構(gòu)特征外，還應(yīng)具備下列要求：（1）各數(shù)控坐標(biāo)的移動(dòng)既能數(shù)控，又設(shè)有手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置；（2）根據(jù)需要（如修整砂輪等），有關(guān)坐標(biāo)應(yīng)能數(shù)控聯(lián)動(dòng)；（3）數(shù)控坐標(biāo)有回原點(diǎn)裝置；（4）根據(jù)需要可有坐標(biāo)位置檢測裝置；（5）擁有數(shù)字顯示裝置；（6）輸入代碼時(shí)應(yīng)用國際通用代碼。

1．2 光學(xué)曲線磨床的基本工作原理

光學(xué)曲線磨床在成型磨削前，根據(jù)被磨削工件的尺寸和精度，在描圖紙上按20、25、50的放大倍數(shù)用墨汁畫放大圖，線條粗細(xì)為0．1～0．2mm。磨削時(shí)，把放大圖裝在光屏上，利用磨床的光學(xué)投影放大系統(tǒng)把被加工零件和砂輪的陰影影像到光屏上。然后用手操作磨頭作縱向、橫向運(yùn)動(dòng)，使砂輪的切削刃沿著工件外形磨削，直至工件影像的輪廓與放大圖圖線全部重合，才算是完成了磨削過程。

當(dāng)工件尺寸超出此限時(shí)，要采用分段磨削，因此放大圖要按一定的基準(zhǔn)線分段繪制，成型磨削時(shí)再按基準(zhǔn)線相互銜接。光學(xué)曲線磨床磨削時(shí)使用薄片砂輪，根據(jù)磨削面的形狀不同，砂輪圓周端面可修正為單斜邊、雙斜邊、平直形和凸凹圓弧形，它以逐點(diǎn)磨削方式加工工件。

2 光學(xué)曲線磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

2．1 數(shù)控曲線磨床的機(jī)械本體研究

此次改造的數(shù)控曲線磨床的運(yùn)動(dòng)部件由工件臺面，砂輪臺面組成，砂輪臺面三軸：X軸、Z軸、C軸，工件臺面兩軸：U軸和W軸，同時(shí)該設(shè)備還有一系列的光學(xué)元件，可以讓加工局域清晰發(fā)大20～50倍后在投影屏幕上顯示。該設(shè)備的各軸運(yùn)動(dòng)如圖1所示。

圖1 各軸運(yùn)動(dòng)圖

圖中砂輪臺和工件臺在兩平行平面上，X軸，Y軸，C軸帶動(dòng)砂輪前后，左右，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，U軸，W軸帶動(dòng)工件前后，左右運(yùn)動(dòng)。加工時(shí)，通常X軸，Y軸，C軸，做插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)。U軸，W軸作手動(dòng)操作及對刀用。該數(shù)控曲線磨床可實(shí)現(xiàn)五軸三聯(lián)動(dòng)，圖中的X軸，Y軸，U軸，W軸均由伺服電機(jī)加滾珠絲桿組成。C軸采用伺服電機(jī)加渦輪蝸桿組成。該設(shè)備也可加工輪廓線如直線，圓弧，及樣條曲線，也可通過砂輪的自動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)加工柱狀表面。

2．2 光學(xué)曲線磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

目前的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有PC機(jī)＋數(shù)控專用模塊、PC機(jī)＋可編程運(yùn)動(dòng)控制器和純PC機(jī)3種結(jié)構(gòu)。本數(shù)控系統(tǒng)采用的是第二種方式，即由工控機(jī)（IPC）和運(yùn)動(dòng)控制器（PMAC）組成的開放式結(jié)構(gòu)體系。這種基于開放式可編程運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以通用微機(jī)為平臺，以PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)插件形式的可編程運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心，雙CPU并行通信，系統(tǒng)運(yùn)行速度快、控制精度高、開發(fā)周期短。

工控機(jī)采用研祥的PCl04／PⅢ800型嵌入式工控機(jī)（IPC），主板上配有104總線接口。運(yùn)動(dòng)控制卡采用美國Delta Tau公司的PMAC2／PC104（附ACC－8S接口控制卡）型控制卡，可以直接和104總線接口的工控機(jī)相連。PMAC的核心是 MOTOROLA的DSP56001／56002數(shù)字信號處理器，可同時(shí)控制1～8個(gè)軸，既可單獨(dú)執(zhí)行存儲于其內(nèi)部的程序，也可執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序，并進(jìn)行伺服環(huán)更新及以串口、總線兩種方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。PMAC還可自動(dòng)對任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行判別，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)處理。由于PMAC卡具有強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算能力來完成數(shù)控插補(bǔ)、PLC程序運(yùn)行等實(shí)時(shí)任務(wù)，簡化了實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性任務(wù)的開發(fā)工作，只需根據(jù)要求開發(fā)上位機(jī)界面、NC程序編輯、機(jī)床狀態(tài)量讀取等非實(shí)時(shí)任務(wù)。工控機(jī)和PMAC之間通過104總線通信，只需通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫就可實(shí)現(xiàn)兩者間的實(shí)時(shí)通信。

2．3 光學(xué)曲線磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案

光學(xué)曲線磨床將磨削與檢測集于一體，可以在線監(jiān)測磨削過程。該系列磨床將目前計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù)成果成功融于機(jī)床操作系統(tǒng)，可以兼容目前生產(chǎn)中通用的CAD／CAM軟件，將零件外形圖紙輪廓直接轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序，并通過仿真加工優(yōu)化加工路徑，提高了生產(chǎn)效率。

數(shù)控曲線磨床的軟件需要為用戶提供了操作與監(jiān)控的功能，其中主要包括：自動(dòng)編程，自動(dòng)加工，實(shí)時(shí)位置速度顯示，手動(dòng)干涉，狀態(tài)顯示，警報(bào)顯示等模塊。數(shù)控曲線磨床的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該應(yīng)用軟件是在WINDOWS2 000系統(tǒng)平臺下利用高級語言Visual Basic 6．0編寫的。軟件利用 WINDOWS操作系統(tǒng)的豐富軟件資源，以及面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，為用戶提供了設(shè)備的人機(jī)界面。數(shù)控代碼的解釋以及插補(bǔ)功能的實(shí)現(xiàn)，是由PMAC自動(dòng)完成的。程序執(zhí)行狀態(tài)，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信號是由WINDOWS平臺下的應(yīng)用程序以一定時(shí)間間隔查詢PMAC，PMAC將狀態(tài)信息反饋給工控機(jī)后，工控機(jī)進(jìn)行處理的。PCOMM32提供的API函數(shù)使得工控機(jī)可以方便地與PMAC建立通訊，相互傳遞數(shù)據(jù)。所有這些API函數(shù)被包含在名為PCOMM32．DLL的文件里。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

本文根據(jù)光學(xué)曲線磨床的結(jié)構(gòu)工作原理，對光學(xué)曲線磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)方案進(jìn)行了研究，并給出了設(shè)計(jì)思路。后續(xù)將會(huì)對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究，進(jìn)行光學(xué)曲線磨床控制系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)工作，研制出操作性好、移植性強(qiáng)的專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)。

［1］龍佑喜，朱春光，盛德軍．開放式數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］，兵工自動(dòng)化，2002，22（1）：29－31．

［2］王毅，余景池．計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面拋光的磨頭運(yùn)動(dòng)方式和參數(shù)的優(yōu)化研究［J］．光學(xué)技術(shù)2003，29（3）：258－265．

［3］陳志育，秦現(xiàn)生．基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］，機(jī)床與液壓，2007（9）：107－110．