光學曲線磨床專用數控系統的設計方案研究

2012-09-03 08:39:38無錫職業技術學院徐安林

湖北農機化 2012年6期

無錫職業技術學院徐安林

0 引言

光學曲線磨床主要應用于精密機械制造業、航空航天制造業等，屬于技術專業性很強、技術含量高的高端設備。但光學曲線磨床對數控系統有著諸多的特殊要求，所以采用數控系統較晚。發達國家對此類高性能、高精度的機床裝備采取限制出口的政策，因此加快研發專用光學曲線磨床的數控磨削系統就成為了發展磨削行業的技術難關。

本文將結合某科技有限公司的設備先改造再開發的計劃，利用開放式控制系統與自主開發相結合的思路，研究探討光學曲線磨床的專用數控系統。

1 光學曲線磨床的基本組成與工作原理

1．1 光學曲線磨床的基本組成與結構

光學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雜的模具、樣板、成形刀具、滾輪等。

具有代表性的WAPT－P光學曲線磨床具有五軸，其中兩軸為插補控制軸，分別控制機床工作臺的縱、橫向進給，另外兩軸控制磨頭滑座的縱、橫向進給，最后是實現主軸的換刀功能的C軸。砂輪轉速、滑板往復速度控制均采用日本“松下”調頻控制系統，可作無級調速。該磨床具有直線、圓弧連續軌跡磨削，參數方程曲線連續軌跡磨削和投影檢測等功能。床身及投影箱為箱體結構，其內部結構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軌為閉式直線滾動導軌，低速運動平穩可靠，微動進給靈活精確。同時該設備還有一系列的光學元件，可以讓加工局域清晰放大20～50倍后在投影屏幕上顯示。

光學曲線磨機床應具備以下結構特征：砂輪架繞縱向水平軸回轉（Z）、砂輪架繞橫向水平軸回轉（Y）、砂輪架繞垂直軸回轉（X）、砂輪架滑座由手動控制坐標能進行合成運動、砂輪架滑板可手動調節、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。除具備光學曲線磨床的結構特征外，還應具備下列要求：（1）各數控坐標的移動既能數控，又設有手動調節裝置；（2）根據需要（如修整砂輪等），有關坐標應能數控聯動；（3）數控坐標有回原點裝置；（4）根據需要可有坐標位置檢測裝置；（5）擁有數字顯示裝置；（6）輸入代碼時應用國際通用代碼。

1．2 光學曲線磨床的基本工作原理

光學曲線磨床在成型磨削前，根據被磨削工件的尺寸和精度，在描圖紙上按20、25、50的放大倍數用墨汁畫放大圖，線條粗細為0．1～0．2mm。磨削時，把放大圖裝在光屏上，利用磨床的光學投影放大系統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、橫向運動，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。

當工件尺寸超出此限時，要采用分段磨削，因此放大圖要按一定的基準線分段繪制，成型磨削時再按基準線相互銜接。光學曲線磨床磨削時使用薄片砂輪，根據磨削面的形狀不同，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，它以逐點磨削方式加工工件。

2 光學曲線磨床專用數控系統的總體方案設計

2．1 數控曲線磨床的機械本體研究

此次改造的數控曲線磨床的運動部件由工件臺面，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，同時該設備還有一系列的光學元件，可以讓加工局域清晰發大20～50倍后在投影屏幕上顯示。該設備的各軸運動如圖1所示。

圖1 各軸運動圖

圖中砂輪臺和工件臺在兩平行平面上，X軸，Y軸，C軸帶動砂輪前后，左右，旋轉運動，U軸，W軸帶動工件前后，左右運動。加工時，通常X軸，Y軸，C軸，做插補聯動。U軸，W軸作手動操作及對刀用。該數控曲線磨床可實現五軸三聯動，圖中的X軸，Y軸，U軸，W軸均由伺服電機加滾珠絲桿組成。C軸采用伺服電機加渦輪蝸桿組成。該設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上下運動加工柱狀表面。

2．2 光學曲線磨床專用數控系統的硬件設計方案

目前的開放式數控系統主要有PC機＋數控專用模塊、PC機＋可編程運動控制器和純PC機3種結構。本數控系統采用的是第二種方式，即由工控機（IPC）和運動控制器（PMAC）組成的開放式結構體系。這種基于開放式可編程運動控制器的系統結構以通用微機為平臺，以PC機標準插件形式的可編程運動控制器為控制核心，雙CPU并行通信，系統運行速度快、控制精度高、開發周期短。

工控機采用研祥的PCl04／PⅢ800型嵌入式工控機（IPC），主板上配有104總線接口。運動控制卡采用美國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總線接口的工控機相連。PMAC的核心是 MOTOROLA的DSP56001／56002數字信號處理器，可同時控制1～8個軸，既可單獨執行存儲于其內部的程序，也可執行運動程序和PLC程序，并進行伺服環更新及以串口、總線兩種方式與上位機進行通信。PMAC還可自動對任務優先級進行判別，從而進行實時多任務處理。由于PMAC卡具有強大的數字運算能力來完成數控插補、PLC程序運行等實時任務，簡化了實現數控系統實時性任務的開發工作，只需根據要求開發上位機界面、NC程序編輯、機床狀態量讀取等非實時任務。工控機和PMAC之間通過104總線通信，只需通過調用動態鏈接庫就可實現兩者間的實時通信。

2．3 光學曲線磨床專用數控系統的軟件設計方案

光學曲線磨床將磨削與檢測集于一體，可以在線監測磨削過程。該系列磨床將目前計算機軟件開發技術成果成功融于機床操作系統，可以兼容目前生產中通用的CAD／CAM軟件，將零件外形圖紙輪廓直接轉換為數控程序，并通過仿真加工優化加工路徑，提高了生產效率。

數控曲線磨床的軟件需要為用戶提供了操作與監控的功能，其中主要包括：自動編程，自動加工，實時位置速度顯示，手動干涉，狀態顯示，警報顯示等模塊。數控曲線磨床的軟件結構如圖2所示。該應用軟件是在WINDOWS2 000系統平臺下利用高級語言Visual Basic 6．0編寫的。軟件利用 WINDOWS操作系統的豐富軟件資源，以及面向對象的編程方法，為用戶提供了設備的人機界面。數控代碼的解釋以及插補功能的實現，是由PMAC自動完成的。程序執行狀態，電機運行狀態等信號是由WINDOWS平臺下的應用程序以一定時間間隔查詢PMAC，PMAC將狀態信息反饋給工控機后，工控機進行處理的。PCOMM32提供的API函數使得工控機可以方便地與PMAC建立通訊，相互傳遞數據。所有這些API函數被包含在名為PCOMM32．DLL的文件里。