磨床是金切行業(yè)的一個重要分支，機械零件加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工的地位越來越重要。由于磨床涉及到很多復(fù)雜的工藝要求，通用的機床數(shù)控系統(tǒng)難以實現(xiàn)磨床的復(fù)雜工藝。因此，磨床種類特別繁多，常見的磨床種類就包括外圓磨床、平面磨床、內(nèi)圓磨床、工具(刀具)磨床、無心磨床、非圓磨削機床、軋輥磨床、復(fù)合磨削加工單元、立式磨床等等。數(shù)控外圓磨床，又包括多軸數(shù)控、多軸聯(lián)動的數(shù)控外圓磨床。

　　磨床行業(yè)的發(fā)展趨勢是:磨削加工的高效化、直接驅(qū)動、在線測量與控制磨削過程、量儀在線監(jiān)控。

　　目前，國內(nèi)磨床的數(shù)控化率低，磨床數(shù)控系統(tǒng)大都依賴進(jìn)口。因此開發(fā)出適合的磨床數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)普通外圓磨床的數(shù)控化，對提高我國機床的現(xiàn)代化水平，具有非常重要的意義。

　　在此背景下，本文以華中世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)為二次開發(fā)平臺，開發(fā)了外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)加工工件輪廓形狀，用一系列直線和圓弧描述成型砂輪的外形輪廓，實現(xiàn)砂輪定型和砂輪修整;采用徑向量儀主動測量技術(shù)，實現(xiàn)外圓磨加工的主動在線測量;利用端面量儀，實現(xiàn)工件坐標(biāo)原點的自動精確定位;通過對磨削加工工件計數(shù)，實現(xiàn)砂輪自動修整，并對砂輪原點和工件坐標(biāo)原點進(jìn)行自動補償。從而，實現(xiàn)從砂輪定型、工件坐標(biāo)原點定位、磨削加工、砂輪修整、砂輪原點和工件坐標(biāo)原點自動補償?shù)娜詣蛹庸た刂七^程。在汽摩部件廠家的現(xiàn)場一定時期的使用和實際檢測表明，本系統(tǒng)自動化程度高、加工精度高、加工效率高，而且精度穩(wěn)定性好。如圖3所示，加工一個零件僅需35s，加工零件的外圓尺寸、外圓錐度、錐高、錐角、圓度的精度達(dá)到1μm，完全符合用戶需求。

　　開放式數(shù)控平臺簡介

　　華中世紀(jì)星開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　華中世紀(jì)星開放式數(shù)控系統(tǒng)是建立在總線基礎(chǔ)上的模塊化設(shè)計的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它采用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)解決了硬件公用及結(jié)構(gòu)可拓?fù)涞膯栴}，采用開放化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計解決了硬件的標(biāo)準(zhǔn)化問題。

　　世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1　華中數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)圖

　　將開關(guān)量接口電路，mcp、mdi鍵盤接口電路，進(jìn)給軸接口電路，主軸接口電路都集成在一塊“世紀(jì)星”主板上。其核心器件是actel 公司的fpga芯片，為滿足cnc裝置對開放性的要求，“世紀(jì)星”主板采用雙fpga設(shè)計。一個fpga芯片負(fù)責(zé)控制開關(guān)量接口電路，mcp、mdi鍵盤接口電路，主軸接口電路，伺服驅(qū)動裝置接口電路(接華中數(shù)控系統(tǒng)股份有限公司開發(fā)的hsv-16系列交流伺服驅(qū)動裝置);另一個fpga芯片負(fù)責(zé)控制脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進(jìn)電機驅(qū)動裝置接口電路，模擬量伺服驅(qū)動裝置接口電路。兩個fpga芯片通過pc104總線由研華工業(yè)pc機控制。

　　世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)以dos 操作系統(tǒng)為軟件支持環(huán)境，實現(xiàn)了一個開放式的數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺，提供了一個方便的二次開發(fā)環(huán)境，能夠供不同的數(shù)控系統(tǒng)靈活配置、使用，并提供了一種標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格的軟件界面。其軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示:

　　圖2　世紀(jì)星開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　圖2中的底層軟件為數(shù)控系統(tǒng)的軟件平臺，其中的rtm 為自行開發(fā)的實時多任務(wù)管理模塊(由于ms-dos 為單任務(wù)、非實時性操作系統(tǒng))，負(fù)責(zé)cnc 系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度和管理，ncbios為基本輸入、輸出系統(tǒng)，管理cnc 系統(tǒng)所有的外部控制對象，包括設(shè)備驅(qū)動程序的管理(對應(yīng)不同的硬件模塊，應(yīng)用不同的驅(qū)動程序，故更換模塊只需更換驅(qū)動程序，配置很靈活)、位置的控制、 PLC 的調(diào)度、實時插補計算和內(nèi)部監(jiān)控等。rtm 和ncbios 也可以統(tǒng)稱為世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)的ncbase，如圖2中的虛線框所示。過程層軟件(或稱上層軟件)相當(dāng)于前后臺型軟件結(jié)構(gòu)中的背景程序，通過ncbios 把它與底層軟件隔開，使得過程層軟件不依賴于硬件，為適應(yīng)不同的系統(tǒng)，只需改動過程層軟件即可。底層軟件也可分為系統(tǒng)內(nèi)核層即ncbase和內(nèi)核功能接口層，即解釋、插補、軸控制等。

　　過程層軟件(或稱上層軟件)負(fù)責(zé)零件程序的編輯、解釋，參數(shù)的設(shè)置，plc的狀態(tài)顯示，圖形仿真、mdi及故障顯示等任務(wù)的完成。通過ncbios把它與底層軟件隔開，使得過程層軟件不依賴于硬件。為適應(yīng)不同的系統(tǒng)，只需改動過程層軟件即可。

　　開放式平臺上專用系統(tǒng)的二次開發(fā)

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)普遍采用模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，通過各種形式向外提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口(api)，并允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配和集成，更改或擴展系統(tǒng)的功能迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，而且，組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應(yīng)商并相互兼容，這就使得在開放式數(shù)控平臺上的二次開發(fā)得以簡便快捷。

　　基于華中世紀(jì)星開放式數(shù)控平臺的專用設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)采用與通用數(shù)控系統(tǒng)相同的硬件體系結(jié)構(gòu)，由于采用的伺服單元、位置單元以及所需i/o點數(shù)的不同，在具體的實現(xiàn)上略有差異，這種差異通過分別在系統(tǒng)配置文件(ncbios.cfg)中設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動程序和在plc程序中根據(jù)具體要求進(jìn)行點位控制編程來克服。對于不同的應(yīng)用系統(tǒng)，可采用不同的位置接口單元。當(dāng)伺服單元為數(shù)字式交流伺服單元時，位置接口單元可采用標(biāo)準(zhǔn)rs232串口;當(dāng)采用模擬式交流伺服單元時，位置接口單元可用位置環(huán)板;當(dāng)用步進(jìn)電機作為驅(qū)動時，位置接口單元可采用多功能接口板。相應(yīng)的板卡都己經(jīng)模塊化，直接插入ipc對應(yīng)插槽內(nèi)即可實現(xiàn)不同的伺服系統(tǒng)功能。二次開發(fā)專用系統(tǒng)硬件擴展十分方便，硬件平臺體現(xiàn)了很好的開放性。

　　專用設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件是在華中數(shù)控世紀(jì)星開放式數(shù)控平臺上進(jìn)行的二次開發(fā)，主要解決以下幾個方面的問題:

　　被加工對象的描述，之所以要對通用的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，獲得特殊設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)，是因為絕大多數(shù)特殊設(shè)備其加工過程具有一定的特殊性和其內(nèi)在某種規(guī)律性，采用通用的數(shù)控加工描述語言對其進(jìn)行表達(dá)時，存在著表達(dá)復(fù)雜甚至難以表達(dá)等問題。近年來開發(fā)出的各種圖像數(shù)控編程系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)與各種計算機輔助設(shè)計如(cad)或三維實體造型系統(tǒng)(如pro/e、ug等)的接口，工藝卡式的數(shù)控編程系統(tǒng)等，都是為了擴充數(shù)控系統(tǒng)的加工描述能力，使通用的數(shù)控系統(tǒng)通過編程擴展可對各種特殊加工進(jìn)行方便、靈活、快捷的編程表達(dá);

　　對刀是生成正確加工代碼的前提，對刀問題是數(shù)控加工中的一個重要的問題，對刀點的誤差會造成加工出的工件不合格，甚至引起加工干涉等。在cimt07上國外廠商展出的各種數(shù)控機床中，不少機床采用精密測量裝置對刀及測量工件的尺寸，其自動化程序和對刀精度較高。在我國的機床中，為了降低機床的成本，一般采用機械式的對刀裝置，對刀精度較低。必須在控制軟件中允許對加工數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，以補償對刀誤差，同時還可以部分補償機床因熱變形和彈性變形等各種因素引起的誤差。

　　加工過程中的控制是專用設(shè)備控制軟件開發(fā)的重要方面，不同的設(shè)備有不同的使用要求，不同種類的工件有不同的工藝要求，在加工過程中有不同的控制要求，且精度較高的機床往往要求在加工的過程中引入各種測量信號對加工過程進(jìn)行實時控制。應(yīng)根據(jù)具體情況對加工控制進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計。專用設(shè)備的加工控制是通過調(diào)用華中數(shù)控世紀(jì)星開放式數(shù)控平臺的ncbios提供的接口函數(shù)對軸進(jìn)行運動控制，與針對不同設(shè)備設(shè)計的plc所實現(xiàn)的邏輯控制相配合實現(xiàn)的。

　　本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境主要包括，世紀(jì)星的軟件系統(tǒng)基于dos平臺，采用c，c++程序語言編寫，在borland c++3.1編譯器里編譯調(diào)試。

　　普通外圓磨床的基本結(jié)構(gòu)

　　圖3　磨床的坐標(biāo)系以及磨床的五個主要部件

　　如圖3所示，外圓磨床的5個主要部件包括:成型砂輪、工件、金剛筆、端面量儀測頭和徑向量儀測頭。

　　其中金剛筆固定在頭架上，因此，金剛筆和工件之間的相對位置是固定的。端面量儀固定在砂輪架上，因而，砂輪和端面量儀測頭之間的相對位置是固定的。以頭架(金剛筆、工件)為固定參照物，成型砂輪在機床坐標(biāo)系下沿x軸和z軸運動。機床坐標(biāo)系下的x軸和z軸的方向如圖3。

　　成型砂輪的圓周面輪廓與加工工件所要求的輪廓形狀精確一致，通過一次磨削加工循環(huán)，就可以完成對工件的加工。

　　金剛筆用來對新砂輪進(jìn)行定型修整，把新砂輪修整為所希望的形狀。此外，磨削加工中，成型砂輪不斷磨損而變鈍和失去形狀，需要用金剛筆對成型砂輪進(jìn)行輪廓修整，使之變得鋒利和恢復(fù)到所希望的形狀。顯然，對砂輪進(jìn)行定型或修整之后，必須調(diào)整工件坐標(biāo)原點和砂輪原點，以使修整后的砂輪仍然能加工出合格的零件。

　　工件安裝在頭架和尾架之間的頂尖上。一般來說，工件軸線即為工件坐標(biāo)系z軸。但是，由于工件頂尖孔的大小的影響，每次安裝一個待加工的工件，工件坐標(biāo)原點會沿z軸方向發(fā)生偏移。因此，每安裝一個工件都需要對工件坐標(biāo)原點的z坐標(biāo)值進(jìn)行重新設(shè)定。

　　端面量儀就是用來對工件坐標(biāo)原點的z坐標(biāo)值進(jìn)行重新設(shè)定的。如圖3所示，令端面量儀測頭伸出到超過成型砂輪圓周面的位置，移動砂輪架，令端面量儀測頭沿z方向逼近并輕觸工件的某個端面，即可對工件坐標(biāo)原點的z坐標(biāo)值進(jìn)行重新設(shè)定。

　　徑向量儀測頭用來對工件直徑進(jìn)行在線測量，以確保加工精度。

　　外圓磨床的運行動作主要包括三個部分:

　　磨削加工

　　即砂輪在按照程序指定的軌跡運動，并對工件進(jìn)行磨削加工。具體包括三種磨削加工類型;

　　切入磨:即砂輪對準(zhǔn)工件的加工部位，沿x軸負(fù)方向運動，對工件圓周面進(jìn)行磨削;

　　縱磨:第一步，砂輪運動到工件的加工部位的z軸起始位置;第二步，砂輪沿x軸負(fù)方向運行一個步長;第三步，沿z軸運動到工件加工部位的z軸終止位置;第四步，砂輪再沿z軸運動到工件加工部位的z軸起始位置，重復(fù)步驟2、3、4對工件圓周面進(jìn)行磨削，直到工件尺寸達(dá)到加工要求;

　　端面磨:即砂輪運動到工件的加工部位，沿z軸負(fù)方向運動，對工件端面進(jìn)行磨削。

　　砂輪定型

　　即金剛筆按照指定的軌跡運動，對一個新砂輪進(jìn)行修磨，使這個新砂輪具備所需要的特定形狀。對圖3而言，就用金剛筆對新砂輪進(jìn)行修磨，使新砂輪具有如圖3中的砂輪的形狀輪廓;

　　砂輪修整

　　即金剛筆按照成型砂輪的輪廓線，對成型砂輪的輪廓進(jìn)行修磨，使之精確地與所要求的形狀相符。

　　成型砂輪的定型與修整

　　數(shù)控磨床相對于非數(shù)控磨床的一個顯著的特點是，能根據(jù)計數(shù)器設(shè)定或操作指令自動修整砂輪，砂輪修整原點和工件原點會因砂輪修整而發(fā)生變化，系統(tǒng)應(yīng)自動修正修整原點和工件原點的值，維護(hù)砂輪數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。

　　砂輪修整包括定型修整和修整兩種類型:

　　定型修整用于初次修整砂輪，新砂輪必須定型修整后才能用于設(shè)置工件原點，即確定砂輪和工件之間的相對位置。砂輪定型修整后，砂輪與修整金剛石間的相對位置發(fā)生變化，應(yīng)將變化量補在砂輪的修整原點上;

　　修整是指在磨削加工的過程中，砂輪磨損后對砂輪重新修銳以恢復(fù)砂輪的切削能力。砂輪修整后，不僅修整原點改變，更重要的是砂輪與工件間的相對位置出發(fā)生變化，對工件原點造成影響，將變化量補償在工件原點上后，可以免除重新設(shè)置工件原點。

　　以圖3中的工件和砂輪為例，說明砂輪定型和砂輪修整過程中砂輪輪廓形狀的變化。把圖3中的工件單獨畫在圖4中，根據(jù)工件零件圖紙，可以標(biāo)定工件需要加工的輪廓由控制點p1、p2、p3、p4和p5所界定的線段(圓弧)組成。因此，應(yīng)該把成型砂輪的形狀設(shè)定為符合控制點p1～p5所界定的輪廓線的形狀。

圖4　加工工件輪廓形狀控制點

圖5　砂輪定型和修整中砂輪輪廓外形的變化

　　圖5是砂輪定型和砂輪修整中砂輪輪廓外形的變化。圖5(a)是一個新砂輪，圖5(b)是新砂輪定型后的成型砂輪，其中控制點a1～a5所界定的砂輪輪廓與工件零件圖紙上p1～p5點所界定的輪廓完全一致;圖5(c)是修整后的砂輪，其中控制點b1～b5所界定的砂輪輪廓與工件零件圖紙上 p1～p5點所界定的輪廓完全一致;圖5(d)則把圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)中的新砂輪輪廓、新砂輪定型后的成型砂輪輪廓和修整之后的成型砂輪輪廓畫在一起。其中，點虛線代表新砂輪輪廓，短劃虛線代表新砂輪定型后的成型砂輪輪廓，實線代表修整后的成型砂輪輪廓;圖5(e)是則把圖5(b)和圖 5(c)中的砂輪輪廓控制點畫在一起，以便更清楚地看到新砂輪經(jīng)過砂輪定型和砂輪修整等過程，外形輪廓所發(fā)生的變化。圖5(f)是金剛筆對砂輪進(jìn)行定型和修整時的坐標(biāo)系，即砂輪原點坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸。金剛筆修磨砂輪時，以砂輪為參照物，所以，坐標(biāo)軸的方向與圖3相反。為了與工件坐標(biāo)系區(qū)別，砂輪坐標(biāo)系坐標(biāo)軸用小寫字母x和z表示。

　　砂輪的修整與砂輪修整原點密切相關(guān)，砂輪的定形修整或修整前必須先設(shè)置修整原點。設(shè)置砂輪的修整原點是為了確定砂輪和修整金剛石之間的相對位置，即當(dāng)砂輪周邊(砂輪的x軸基準(zhǔn)面)與修整器接觸時的x軸絕對坐標(biāo)，當(dāng)砂輪左端面(有效端面，即z軸基準(zhǔn)端面)和修整器接觸時的 z軸絕對坐標(biāo)。簡而言之，砂輪的基準(zhǔn)點是砂輪的左下角點(如砂輪修整為圓角時，該點為虛點)，金剛石修整器的基準(zhǔn)點為右上角點，當(dāng)機床運動到兩基準(zhǔn)點相重合時，機床所在的位置即為砂輪修整原點。

　　在外圓磨床數(shù)控磨削系統(tǒng)中，砂輪的修整可以由程序和計數(shù)器共同進(jìn)行控制，系統(tǒng)根據(jù)計數(shù)器的原理，設(shè)置了內(nèi)嵌式的軟件計數(shù)器，具有普通計數(shù)器的功能如計數(shù)初值設(shè)置、計數(shù)值清零、設(shè)置值和計數(shù)值的顯示等，計數(shù)器是減法計數(shù)器，即每加工一個工件計數(shù)器自動減 1，由程序指令控制是否在計數(shù)值為零時自動修整砂輪。除計數(shù)器控制的砂輪修整外，也可由操作人員根據(jù)需要進(jìn)行砂輪修整。

　　在所開發(fā)數(shù)控磨削系統(tǒng)中，根據(jù)砂輪修整的特點和要求實現(xiàn)上述各功能，還通過精確的兩軸聯(lián)動控制功能，實現(xiàn)了對砂輪圓角的修整，不需要傳統(tǒng)磨床修整圓角時所需的復(fù)雜機械裝置，提高了圓角修整的精度。

　　量儀在線測量與磨削加工

圖6　徑向量儀在線測量示意圖

　　如圖6所示，一對有彈性的徑向量儀測頭構(gòu)成一個卡口，卡在工件待測部位的直徑位置上，隨著砂輪不斷逼近磨削工件，工件直徑逐漸變小，徑向量儀測頭形成的卡口不斷變小，依次觸發(fā)徑向量儀信號p21、p22、p23、p24?？梢詫较蛄績x進(jìn)行設(shè)置，來確定工件直徑大小與徑向量儀信號p21～p24 的關(guān)系。

　　在使用徑向量儀的情況下，砂輪對工件進(jìn)行切入磨的控制過程如下:

　　端面量儀測頭伸出，輕觸工件端面，調(diào)整工件原點z坐標(biāo)zo;

　　在工件坐標(biāo)系下，砂輪對準(zhǔn)磨削加工部位;

　　砂輪快速逼近到工件;

　　徑向量儀測頭伸出;

　　砂輪以較快速度逼近工件，對工件進(jìn)行粗磨，直到觸發(fā)徑向量儀信號p21;

　　砂輪以較慢速度逼近工件，對工件進(jìn)行半精磨，直到觸發(fā)徑向量儀信號p22;

　　砂輪以極慢速度逼近工件，對工件進(jìn)行精磨，直到觸發(fā)徑向量儀信號p23;

　　砂輪停留在當(dāng)前位置，對工件進(jìn)行光磨，直到觸發(fā)徑向量儀信號p24;

　　徑向量儀測頭縮回，工件加工計數(shù)器減1，砂輪退出。

　　端面磨不需要徑向量儀控制，端面磨可以用端面量儀在線控制磨削過程;縱磨可以用徑向量儀控制磨削過程，具體過程與切入磨相似，這里不再遨述。

　　此外，用戶還可以根據(jù)工件加工工藝的需要，將切入磨、端面磨和縱磨結(jié)合起來，在切入磨的過程中加入輕微的靠端面的動作，以滿足一些特定的工藝要求。

　　結(jié)語

　　以華中世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)為開發(fā)平臺，探討了基于開放式數(shù)控平臺的專用機床數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)方法，在華中世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)平臺上成功開發(fā)出了外圓磨床磨削加工數(shù)控系統(tǒng)。

　　外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)所控制的對象主要包括5個部件:成型砂輪、金剛筆、工件、端面量儀測頭和徑向量儀測頭。

　　外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)主要包括:砂輪形狀參數(shù)、磨削加工參數(shù)、工件坐標(biāo)原點、砂輪原點、砂輪左端面與端面量儀測頭之間沿z方向的距離。

　　本外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)加工零件計數(shù)，自動實現(xiàn)砂輪修整，并自動調(diào)整工件坐標(biāo)原點、砂輪原點、砂輪左端面與端面量儀測頭之間沿z方向的距離。因此，操作人員在實際應(yīng)用中，只需重復(fù)三個簡單動作:安裝工件、按循環(huán)加工按鈕、取下工件，即可高效率、高精度地快速加工工件。在汽摩部件廠家的現(xiàn)場一定時期的使用和實際檢測表明，本系統(tǒng)自動化程度高、加工精度高、加工效率高，而且精度穩(wěn)定性好。如圖3所示，加工一個零件僅需35s，加工零件的外圓尺寸、外圓錐度、錐高、錐角、圓度的精度達(dá)到1μm，完全符合用戶需求。