MLT高速高精外圓磨床及基于ARM的磨床數(shù)控系統(tǒng)研究*

林守金

（中山邁雷特數(shù)控技術(shù)有限公司，廣東中山 528437）

0 引言

磨床的主要類型有外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、無心磨床等，而外圓磨床使用最廣泛[1]。磨削加工作為大部分產(chǎn)品成形前的最后一道工序，直接影響產(chǎn)品的加工精度和表面質(zhì)量。磨削技術(shù)的高速發(fā)展推動了磨削加工應用范圍的日益擴大。與傳統(tǒng)的磨床相比，數(shù)控磨床加工精度高，可實現(xiàn)在線精度補償和優(yōu)化控制，能夠加工任意連續(xù)變化的回轉(zhuǎn)曲面，柔性化能力和自動化程度較高，適合于多品種、中小批量生產(chǎn)等。其控制系統(tǒng)是決定磨床加工精度與適用范圍的關(guān)鍵因素[2-5]。

目前，磨床行業(yè)發(fā)展趨勢是磨削加工的高效化、直接驅(qū)動、磨削過程的在線測量與控制、量儀在線監(jiān)控等[6-7]。國外磨床廠家都自行開發(fā)專用磨床數(shù)控系統(tǒng)，如OMAT公司的自適應編碼調(diào)制（ACM）監(jiān)控系統(tǒng)，智能熱控制系統(tǒng)（ITC）、智能操作者支持系統(tǒng)（OSS）和無線通知系統(tǒng)（RNS），以及Mazak公司的主動震動控制系統(tǒng)（AVC）、智能熱屏障系統(tǒng)（ITS）和馬扎克語音提示系統(tǒng)（MVA）[8]。

我國改革開放后，經(jīng)過多年的自主研發(fā)和經(jīng)驗積累，在數(shù)控磨床領(lǐng)域取得了一系列成果，關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方面有了較大提升。但在高速、高精和智能化控制方面，與世界先進水平差距明顯，主要原因為國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（硬件平臺、軟件平臺）、高速高精控制算法、伺服驅(qū)動的綜合差距所導致。此外，相關(guān)功能部件，傳感器技術(shù)等也是制約我國高端磨床的關(guān)鍵因素。

針對數(shù)控磨床高精度化、高智能化、集成化/模塊化、高可靠性的發(fā)展趨勢[9-10]，本文設計了基于ARM的高速高精MLT外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)，并探討了異質(zhì)多傳感器分布網(wǎng)絡與數(shù)控磨床一體化系統(tǒng)集成和穩(wěn)定性等問題，多源信息傳輸機制及控制原理以及復雜環(huán)境下高效可靠的決策機制與優(yōu)化，構(gòu)筑高精度數(shù)控磨床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與開發(fā)高精度磨床數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了磨床的磨輪對被加工工件磨削表面的實時智能控制和高精度定位；采用多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳感器對加工過程中砂輪磨損、工件加工表面粗糙度、對刀狀態(tài)、工件找正、工件尺寸是否磨削到位等情況進行實時監(jiān)控；配合砂輪修整機構(gòu)可以實現(xiàn)蝸桿、螺紋、曲軸等任意連續(xù)變化的曲面的加工。

1 MLT外圓磨床結(jié)構(gòu)設計

MLT高速高精外圓磨床基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機床本體、工作臺、磨頭、頭架、尾架、砂輪修整裝置、MLT數(shù)控系統(tǒng)和高分頻率光柵等多傳感器監(jiān)測系統(tǒng)等組成?；贏RM的MLT高速高精外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)可控制X軸（磨輪進給）、Z軸（往復運動）和C軸（工件旋轉(zhuǎn)）實現(xiàn)三軸聯(lián)動，滿足加工要求。

圖1 外圓磨床傳動系統(tǒng)

1.1 砂輪修整裝置

傳統(tǒng)外圓磨床存在以下不足：（1）只能磨削軸類或盤類零件，無法加工螺紋或連續(xù)變化的曲面；（2）砂輪修整需手動操作或用固定的砂輪修整器修整，修整后的形狀需使用專制塊規(guī)進行比對，效率低、質(zhì)量難以控制。

為滿足對不同形狀工件的外圓磨削加工，需選用如圖2所示的砂輪，其外形的修整通常是通過電加工或激光實現(xiàn)，但該方法所需設備操作困難、能耗較高。本文設計了一種砂輪修整裝置，如圖3所示。修整砂輪時，“凵”形修整架前部裝有2把修整刀，且與修整架的中心線傾斜一定的角度，砂輪置于修整架的中心，可用修整刀對砂輪的左右端面進行修整。此外，不同的砂輪外形還可通過X、Z和C三軸聯(lián)動插補實現(xiàn)。選擇不同形狀的砂輪，可實現(xiàn)蝸桿、螺紋、曲軸等任意連續(xù)變化的曲面的加工。

圖2 砂輪常用形狀

圖3 砂輪修整裝置

1.2 多傳感器監(jiān)測

為保證在大批量生產(chǎn)過程中機床運行可靠和穩(wěn)定，需對可能發(fā)生故障進行預判，因而設計了多傳感器監(jiān)測模塊。

圖1中標示了傳感器安放位置，其中①為三軸加速度傳感器，用于監(jiān)測砂輪高速旋轉(zhuǎn)及其磨削工件時產(chǎn)生的機床振動；②為聲發(fā)射（AE）傳感器，監(jiān)控磨粒磨損造成切削刃鈍化，磨削能力下降；③為在線測徑儀，可實時采集工件尺寸，進行精度判斷與補償；④為溫度傳感器，監(jiān)測主軸及工件的溫升，適時進行熱誤差補償或采取其他措施；⑤為功率傳感器；⑥為高分辨率光柵。

將多傳感器監(jiān)測結(jié)果進行處理得到的信號特征值作為砂輪狀態(tài)識別的判據(jù)，該技術(shù)可根據(jù)加工狀態(tài)的變化綜合考慮各種影響因素，自動調(diào)節(jié)到磨床最優(yōu)加工狀態(tài)，對整機工作狀態(tài)進行實時在線檢測，以實現(xiàn)MLT外圓磨床的高速、高精與智能控制，確保磨床運行穩(wěn)定、可靠。客戶可根據(jù)需求進行監(jiān)測模塊的選購。圖4～5所示為MLT外圓磨床三維結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品圖。

圖4 MLT外圓磨床三維結(jié)構(gòu)

圖5 MLT外圓磨床產(chǎn)品

2 基于ARM的外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)設計

ARM處理器具有體積小、低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點，是嵌入式應用的首選核心芯片?；贏RM技術(shù)的微處理器已廣泛應用于工業(yè)控制產(chǎn)品市場[11]。下面介紹MLT高速高精外圓磨床的數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件的組成與設計。

2.1 MLT磨床數(shù)控系統(tǒng)硬件的構(gòu)成

MLT磨床數(shù)控系統(tǒng)選用ATMEL公司工業(yè)級的ATMEL9200的ARM芯片，ACTEL公司出品的非易失性的FPGA芯片，外部SDRAM、FLASH、LCD、KEY、USB、D/A轉(zhuǎn)換芯片（用于多傳感器接入）以及A/D轉(zhuǎn)化芯片等。硬件組成如圖6所示。系統(tǒng)中的主單片機，型號為ATMEL Microcontroller系列單片機中的AT91SAM9261，本嵌入式軟件用于以該單片機為核心板的控制裝置，系統(tǒng)的時鐘頻率為12 MHz，與從控制板之間通過總線方式進行通信，同時，本系統(tǒng)中還集成了控制輸入輸出的控制單片機FPGA芯片，可以管理多個控制單片機，構(gòu)成為多機、多芯片控制系統(tǒng)。此外，還可控制8軸通道，實現(xiàn)多軸控制。

圖6 MLT外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)硬件組成

在PC機支持下，任何可產(chǎn)生文本文件的編輯軟件都可完成本軟件書寫，C語言和AT91SAM9261系列的指令系統(tǒng)語句構(gòu)成的匯編語言。

軟件開發(fā)需在微型計算機的支持下進行，還需要可對ATMEL Microcontroller系列芯片能寫入程序的編程器，微型計算機將本軟件經(jīng)過編譯軟件MDK-ARM Standard Version V4.22.15.0轉(zhuǎn)化成的二進制文件，下載到編程器再寫入AT91SAM9261芯片。

2.2 MLT磨床數(shù)控系統(tǒng)軟件設計

設計的數(shù)控系統(tǒng)軟件框架如圖7所示，該軟件嵌入到硬件系統(tǒng)中的主單片機，使嵌入系統(tǒng)中的主單片機可向從控制單片機發(fā)送控制命令及移動數(shù)據(jù)，并提供磨削工件的快速移動及精確定位磨床的人機交互及程控式功能，實現(xiàn)對外圓磨床及萬能磨床的運動控制。并通過總線向所控制的驅(qū)動器發(fā)出位置和速度指令，控制伺服電機帶動機床進行磨削運行及磨削輔助功能等，具有控制精度高、響應速度快、便于操作、使用簡單等特點。

圖7 MLT系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

上位機軟件是基于Windows操作系統(tǒng)，使用VC++6.0開發(fā)的。Delta Tau公司為PMAC上位軟件開發(fā)提供了軟件開發(fā)包PcommSevero，PcommSeve:是一個包含50多種函數(shù)功能的軟件包。上位機與PMAC的通訊和數(shù)據(jù)交換都可以通過PcommSeve:中的函數(shù)來實現(xiàn)。

主界面采用模塊化設計思想，主要包括狀態(tài)監(jiān)測模塊、初始化模塊、程序模塊、運動控制模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、輔助及其他模塊。圖8～10分別為控制主程序流程圖、控制軸子程序流程圖和多級終端服務子程序流程圖。

MLT-W218系列外圓磨系統(tǒng)配置了10.2寸液晶顯示屏，顯示界面與控制面板如圖11所示。

系統(tǒng)方式切換采用6擋波段開關(guān)，依次為：自動方式（AUTO）、錄入方式（MDI）、編輯方式（EDIT）、手動方式（JO G）、回零方式（HOME）、手輪/單步方式（MPG）；快速倍率切換是4波段倍率開關(guān)切換，依次是：F0、F25、F50、F100；以及編輯按鍵區(qū)和位置、程序、刀補、設置、參數(shù)、診斷等。

圖8 控制主程序流程

圖9 控制軸子程序流程

圖10 多級終端服務子程序流程

圖11 顯示與控制面板

當系統(tǒng)檢測到異常時會彈出報警提示信息或直接給予文字提示，同時伴有鳴叫聲。此時，可進入診斷界面查找出報警原因并及時處理。圖12所示為故障報警系統(tǒng)界面。

圖12 故障報警系統(tǒng)界面

3 多傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 多傳感器分布系統(tǒng)

傳感器分布網(wǎng)絡與數(shù)控磨床一體化系統(tǒng)集成是高精度磨床數(shù)控系統(tǒng)研究開發(fā)的一個最重要的目標，其中核心問題是不同環(huán)境下異質(zhì)多傳感器的協(xié)同機制、異質(zhì)多傳感器的分布架構(gòu)[12-14]。合理的一體化系統(tǒng)集成設計則是實現(xiàn)異質(zhì)多傳感器分布網(wǎng)絡可靠穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，如圖13所示。

圖13 異質(zhì)多傳感器分布網(wǎng)絡及監(jiān)控

研究了聲發(fā)射、加速度、位移和能量傳感器等異質(zhì)傳感器共同組成的傳感網(wǎng)絡多種環(huán)境應用的多精度傳感器網(wǎng)絡普適性組合技術(shù)，異質(zhì)傳感器的布局優(yōu)化，異質(zhì)傳感器網(wǎng)絡無阻塞、無干擾群控制，及其與數(shù)控機床一體化集成化關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)[15]，提出并研制了具有可靠穩(wěn)定工作狀態(tài)的傳感網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計，用于MLT磨床數(shù)控系統(tǒng)。圖14所示為實時在線測量系統(tǒng)。

圖14 在線測量系統(tǒng)

3.2 多源信息機制

研究了高精度數(shù)控磨床多源信息的拾取與放大機理，多源信息傳輸機制中的負載效應及環(huán)境噪聲對其傳輸?shù)挠绊?，多源信息的傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)優(yōu)化與低損耗化，多源信息的高效、靈活融合方法等[16]，如圖15所示。根據(jù)基礎(chǔ)研究成果，實施磨床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，完成了高精度磨床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。

圖15 多源信息傳輸與融合機制及原理

3.3 高效可靠的決策機制

高精數(shù)控磨床在服役過程中需要傳感、反饋、處理實時工作現(xiàn)場的關(guān)鍵參數(shù)，以精確、智能地控制磨輪的工作狀態(tài)。因此，數(shù)控磨床在復雜環(huán)境下高效可靠的決策機制對于高精度數(shù)控磨床的精確度、智能性與可靠性至關(guān)重要，優(yōu)化系統(tǒng)在復雜環(huán)境下高效可靠的決策機制是決定數(shù)控磨床的先進功能能否發(fā)揮的關(guān)鍵。本文研究了復雜環(huán)境下的多源信息的交叉?zhèn)鞲袆討B(tài)行為、實時反饋與高速處理行為、機電一體綜合作用下磨輪的穩(wěn)定性和變化規(guī)律，為提高磨輪的定位決策與控制的精確度、準確度和可靠性提供有效途徑與對策。根據(jù)基礎(chǔ)研究成果，實施磨輪的決策算法設計和新功能開拓，相關(guān)方法已用于高精度磨床數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計。

4 結(jié)束語

（1）本文設計的MLT高速高精外圓磨床主要由機床本體、砂輪修整裝置、MLT數(shù)控系統(tǒng)和多傳感器監(jiān)測系統(tǒng)等組成。數(shù)控系統(tǒng)可控制實現(xiàn)X軸、Z軸和C軸三軸聯(lián)動，滿足軸類、凸緣等零件的加工。

（2）配合本文設計專用砂輪修整裝置可實現(xiàn)砂輪多種形狀的修整，提升了砂輪修整的效率，增加了修整精度，與三軸聯(lián)動數(shù)控插補配合，可實現(xiàn)蝸桿、螺紋、曲軸等任意連續(xù)變化的復雜曲面的精磨加工，增加了磨床整機的適用性。

（3）MLT數(shù)控系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，增加了進給穩(wěn)定性，最小控制分辨率已經(jīng)可達0.000 1 mm；分度軸可達0.000 1°，可以真正意義上實現(xiàn)0.1μm級控制，提升數(shù)控機床的控制精度。批量加工直徑為φ30 mm×800 mm工件，加工圓度小于2μm，加工圓柱度小于2μm，表面粗糙度為Ra0.6，較普通外圓磨床加工精度明顯提高。

（4）設計的多傳感器監(jiān)測模塊可預判系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，確保在大批量生產(chǎn)過程中機床運行穩(wěn)定和可靠。

（5）MLT高速高精外圓磨床、MLT外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)以外圓磨床改造和單獨數(shù)控系統(tǒng)配套形式推向市場，獲得用戶的一致好評。