面向軋輥磨削的數控系統研究

張鵬翔，王冬，敖梓銘，李瀚洋，李學崑,3

(1.華辰精密裝備(昆山)股份有限公司，江蘇昆山 215337；2.清華大學機械工程系，北京 100084；3.摩擦學國家重點實驗室，北京 100084)

0 前言

軋輥磨削是一種典型的外圓磨削加工。完整的軋輥磨削過程由多個功能組成，包括成型磨削、軋輥測量、砂輪修整等。為了實現軋輥磨削并達到所需的加工精度和加工效率，數控系統需根據實際要求控制軋輥磨床運動以實現軋輥磨削所需的各項功能。因此，數控系統需要包含這些功能，并能實現功能之間的順序和跳轉執行，從而減少由于人工干預可能導致的加工精度或加工效率降低[1-2]。

目前第三方數控系統主要是針對車削、銑削和平面磨削等加工過程開發而成，一般不具備軋輥磨削所需的相關功能。這些數控系統應用于軋輥磨削加工時，需要進行二次開發才能實現與軋輥磨削相關的功能[3-4]。典型的開發案例為在西門子840D數控系統基礎上采用表格曲線插補和R參數讀寫等方式實現軋輥磨削的各項功能要求[5-7]。由于第三方數控系統具有封閉性，在其基礎上所進行的二次開發只能在該系統所提供的功能基礎上進行，具有較大的局限性。例如：無法直接實現特殊輥型(高次方曲線等)的插補算法，只能以微小直線段等方式擬合；無法實現與軋輥磨削相關的實時控制功能，如磨削力的實時柔順控制等。因此，在第三方數控系統基礎上研發的軋輥磨床數控系統在很大程度上限制了磨削效率和磨削精度的提升。

本文作者旨在研發一種針對軋輥磨床和軋輥磨削特點的專用數控系統。該系統以模塊化的方式實現軋輥磨削的各項功能，以參數化的形式定義功能的相關接口。機床操作人員通過調用不同磨削功能模塊，輸入相關磨削參數，并根據需求確認各功能模塊的執行順序，即可實現軋輥磨削的各項功能。

1 軋輥磨削功能研究

軋輥磨床一般具有X軸、Z軸、S軸和W軸，其中X軸和Z軸間的聯動形成磨削軌跡，S軸為砂輪旋轉軸，W軸為軋輥旋轉軸。此外，部分型號的機床還具有U軸、B軸和用于軋輥測量的測量部件。

軋輥磨削的主要功能為成型磨削、砂輪修整和軋輥測量三大種類。成型磨削主要為按照工藝將軋輥磨成指定的形狀、尺寸和精度。軋輥的形狀主要有直線段、圓弧段、正弦函數曲線段、高次方曲線段以及由多個不同類型曲線段銜接而成的組合曲線段等。砂輪修整主要為根據磨削要求將砂輪修整成指定的形狀，如圓弧、倒斜角和圓角等。軋輥測量主要為測量軋輥的形狀、圓度和安裝誤差，可以用于獲取軋輥磨削前的初始狀態，評估磨削過程中及磨削完成后的磨削質量。

因此，完整的軋輥磨削過程一般由多個磨削功能組成。操作人員根據磨削工藝要求進行選擇，按執行的先后順序進行排列，由此形成軋輥磨削工序。典型的磨削工序為：磨前測量、砂輪修整、成型磨削、磨削過程中的輥型測量和圓度測量、成型磨削、磨后輥型測量和圓度測量，其中磨前測量包括輥型測量、圓度測量、安裝誤差測量3個功能。數控系統以磨削工序作為輸入，根據實際磨床的軸配置特點，控制軸的運動實現每個磨削功能。數控系統在成型磨削過程中，需控制X軸和Z軸的聯動形成磨削軌跡，控制S軸和W軸的轉速；在砂輪修整中，需控制X軸和Z軸的聯動形成砂輪所需的修整形狀，同時控制S軸的轉速；在軋輥測量中，需控制Z軸的運動、W軸的轉速、測量設備的動作和讀取測量結果。此外，在實際磨削過程中，操作人員可以根據實際情況要求數控系統實現工序之間的跳轉、某個工序提前結束或全部工序的停止。

2 數控系統架構研究

2.1 數控系統硬件架構

由前面兩節的研究內容可知，為了滿足軋輥磨削的特殊要求，針對所研究的數控系統，需從硬件和軟件兩部分展開研究。數控系統主要根據磨削工序及其包含的信息、人機交互界面和操作面板等產生的控制指令數據，通過控制電機的運動實現對軋輥的磨削。

數控系統的硬件部分采用開放式架構，主要組成部分為：主控制單元、伺服驅動器、驅動電機、端子模塊和其他輔助部件[8-10]。該硬件架構如圖1所示。

圖1 數控系統硬件架構示意

在圖1中，主控制單元采用工控機，為數控系統的核心部件。該控制單元負責處理軋輥磨削功能，由內部的運動控制算法產生軸位置、速度指令和其他控制指令，通過EtherCAT總線傳輸至電機驅動器和端子模塊并接收返回的狀態數據，從而實現磨削功能。端子模塊主要用于接收開關量、脈沖量和模擬量等信號，同時生成控制相關設備所需的開關量、脈沖量和模擬量等信號。

2.2 數控系統功能架構

數控系統是典型的實時控制系統，需周期性地產生控制指令，并由EtherCAT總線在每個控制周期與驅動器和端子模塊進行數據交互。此外，數控系統為多任務控制系統，除數控系統本身的控制任務外，還有其所依托的操作系統自身的任務。為了確保數控系統能可靠地運行以及相關控制任務能按照控制周期準確執行，此處將數控系統的任務劃分為非實時任務、弱實時任務和強實時任務3個層次[11]。因此，數控系統的任務架構如圖2所示。

圖2 數控系統任務架構示意

在圖2中，非實時層主要包含HMI任務和上位處理任務。HMI任務用于顯示機床的相關信息和進行人機交互操作。上位處理任務主要是對外部輸入數據進行處理，如形成軋輥磨削數據等，寫入共享內存從而傳遞給數控系統的弱實時任務，并讀取共享內存獲取機床相關數據再傳遞給HMI任務。

相比數控系統的強實時任務，弱實時任務的控制周期更長。弱實時層任務包含數控系統主處理任務和設置任務。主處理任務的作用是維持數控系統的正常運轉，對共享內存進行數據讀寫，并決定在設置、磨削、回參和手動4種狀態中相互切換。設置任務主要用于配置系統的參數以及對驅動器或端子模塊進行參數讀寫設置。

強實時層包含磨削控制任務、回參控制任務和手動控制任務。回參控制任務用于實現軸的回參考點功能，一般用于X軸、Z軸、U軸、B軸和W軸。手動控制任務主要用于通過手持單元或HMI界面來控制軸的運動以及對機床其他設備進行控制，如冷卻水開關和測量設備的操作等。磨削控制任務是此數控系統的核心部分，所有磨削功能全部在該任務中實現，等同于其他機床自動狀態下的任務。

數控系統所有任務的控制結果最終都轉變成軸和端子模塊上對應設備的控制指令。這些數據作為EtherCAT數據幀的一部分發送至驅動器和端子模塊，從而達到控制目的。此外，驅動器和端子模塊的狀態數據也通過EtherCAT數據幀返回，最終返回至HMI界面，顯示機床和加工狀態。

3 磨削功能實現研究

3.1 成型磨削實現

成型磨削功能用于控制機床對軋輥按照指定的輥型和磨削參數進行磨削，為文中數控系統的核心功能，決定了軋輥的磨削精度和效率。根據機床的結構特點和軋輥磨削要求，成型磨削功能執行流程如圖3所示。

圖3 成型磨削流程

輥型數據用于描述軋輥所需磨削的形狀，主要包含軋輥磨削長度和輥型特征參數。磨削工藝數據主要包含進給速度、S軸和W軸轉速、磨削次數、端部進給量和換向延時等。趨近數據主要用于定義砂輪以何種方式與軋輥相接觸從而實現磨削，主要包含趨近類型和趨近位置等數據。

趨近測量為控制測量設備靠近軋輥執行測量動作，再根據測量結果和已知的砂輪直徑計算出砂輪與軋輥相接觸時X軸對應的位置。

趨近控制按趨近類型控制X軸的運動使得砂輪與軋輥相接觸。趨近類型有3種：位置趨近、電流趨近、手動趨近。位置趨近為X軸移動至趨近測量結果的位置。電流趨近為X軸的移動位置使得砂輪電機轉矩電流達到指定值。手動趨近為操作人員通過手持單元控制X軸的移動。

磨削控制為插補算法根據輥型參數和磨削工藝參數控制X、Z軸的聯動，使得砂輪按要求對軋輥進行磨削。此數控系統除了常規的直線段和圓弧段插補算法外，還針對性地開發正弦曲線段、高次方曲線段的插補算法，避免以微小直線段擬合產生的軌跡誤差。此外，插補算法可以同時疊加其他實時控制算法，如磨削力的柔順控制算法、進給速度動態控制算法、安裝誤差補償算法和各種輥型補償算法等[12-13]。在磨削過程中，操作人員可以通過手持單元控制X軸的運動，該運動量將疊加在插補算法輸出結果上。大部分磨削工藝參數可隨時更新并在磨削換向時生效，部分參數更新立即生效。

砂輪直徑測量用于更新磨削后砂輪的直徑，動作與趨近測量相同，根據測量結果和磨削控制結束前的X軸位置計算出當前砂輪直徑。

3.2 砂輪修整實現

砂輪修整是為了保持砂輪在磨削過程中與軋輥間接觸的一致性。砂輪修整功能執行流程如圖4所示。

圖4 砂輪修整流程

在圖4中，修整數據包含兩部分：砂輪數據用于定義砂輪寬度和修整特征；修整工藝數據包含修整次數、修整速度和砂輪轉速等。

砂輪修整點定位控制主要用于確定砂輪修整器(金剛筆或金剛滾輪等)與砂輪之間的位置關系。由于砂輪修整器一般安裝在機床尾架處，而尾架在機床上的位置與所磨削的軋輥長度有關，數控系統通過控制Z軸的運動和檢測開關量信號確定Z方向的修整位置。由于不同砂輪所對應的直徑不相同，數控系統通過手持單元控制X軸移動確定X方向的修整位置。對于同一砂輪再次修整，數控系統控制X軸移動至上一次修整結束的X位置。

砂輪修整功能控制為通過砂輪修整插補算法控制X、Z軸的聯動實現修整目的。該插補算法主要適用于：直線段、圓弧段和兩者形成的組合曲線段。修整工藝參數可隨時更新并在修整換向時生效。

3.3 軋輥測量實現

軋輥測量主要有輥型、圓度和安裝誤差3種類型[14-15]。軋輥測量功能執行流程如圖5所示。

圖5 軋輥測量流程

如圖5所示，測量數據主要包含測量類型、測量起始點和結束點(輥型測量和安裝誤差測量用)、測量時Z軸的速度、測量點個數和對應位置(圓度測量用)、測量次數和軋輥轉速等數據。數控系統根據具體的測量類型，選擇執行圓度測量、輥型測量或安裝誤差測量3個控制子任務中的1個。

軋輥圓度測量控制為數控系統控制測量設備對每個測量點進行直徑測量并根據軋輥轉速和測量次數對該點進行重復測量。圓度結果為根據所在測量點上軋輥不同角度所對應的直徑變化量得到。

輥型測量控制為數控系統控制Z軸的運動，由測量起始點至結束點按測量次數進行往復運動。在該運動過程中，測量設備同時對軋輥進行直徑測量，以測量起始點處的軋輥直徑值為基準值，不同點的直徑測量值組成輥型測量結果。

軋輥安裝誤差測量與輥型測量類似，不同之處在于測量設備在安裝誤差測量過程中需要3個測量頭同時工作，而圓度測量和輥型測量只需要2個測量頭同時工作。安裝誤差測量所增加的測量頭用于消除輥型變化，從而得到真實的安裝誤差。此外，安裝誤差一般在磨前進行，所得到的結果用于在成型磨削過程中進行安裝誤差補償。

數控系統按插補頻率對軋輥測量結果進行采樣，并將測量結果存放在由共享內存組成的環形緩沖區。上位處理程序讀取軋輥測量結果后，按測量起始點到結束點進行排序處理，并在HMI界面上顯示結果。

4 實驗驗證

為驗證此數控系統的可行性，基于該數控系統進行軋輥磨削控制實驗。主控制單元采用工控機，其中處理器采用X86架構的Core i7-3770 CPU，操作系統為Windows 7 64位系統。數控系統開發環境為德國3S公司的CodeSys控制系統編程軟件，且數控系統運行在該編程軟件提供的實時運行系統上。數控系統的弱實時任務執行周期為4 ms，強實時任務(插補任務插補周期和EtherCAT總線通信周期)執行周期為0.25 ms。根據上述研究，此數控系統采用符合IEC 61131-3標準的編程語言(結構化文本和梯形邏輯圖)實現所有弱實時任務和強實時任務，主要采用C#語言實現非實時任務。

在此數控系統中，X、Z、S和W軸的驅動器采用支持EtherCAT通信協議的型號，測量設備所用到的電機由于只需要轉速控制和限位檢測，相應電機的驅動器為模擬量控制。測量設備的長度計輸出TTL信號，傳輸至端子模塊中的脈沖量計數器，并由此計算出測量結果。驅動器和端子模塊具體如圖6所示。

圖6 數控系統的電氣部件(局部)

用于磨削測試的軋輥磨床型號為MK8445，如圖7所示，為工件移動式，最大加工直徑為450 mm，其Z軸行程為4 200 mm，X軸行程為370 mm，砂輪最大轉速為1 200 r/min，軋輥最大轉速為140 r/min。

圖7 磨削測試實驗用的MK8445軋輥磨床

在圖7中，用于磨削測試的軋輥所需的磨削長度為531 mm，目標輥型為正弦曲線，凹度為0.02 mm，半角為60°。磨削工序為砂輪修整、成型磨削、輥型測量和圓度測量。其中，該軋輥的成型磨削過程如圖8所示。

圖8 軋輥實際成型磨削過程

如圖8所示：在成型磨削過程中，操作人員可修改磨削參數并在磨削換向時生效，也可提前結束成型磨削工序或整個磨削工程，還可通過手持單元手動控制X軸的運動，通過操作界面可臨時更改磨削方向。

在軋輥磨削功能執行之前，數控系統需執行砂輪修整過程。實際修整過程如圖9所示，其中砂輪修整器為金剛筆，安裝在尾架靠近砂輪的側面。所采用的砂輪寬度為60 mm，修整類型為修圓弧，且圓弧高度為0.03 mm。

圖9 砂輪實際修整過程

在軋輥磨削功能完成后，數控系統一般執行輥型測量和圓度測量兩個軋輥測量功能，用于評估軋輥磨削指令，該過程如圖10所示。數控系統通過實時記錄軋輥Z方向位置、兩個長度計的讀數和軋輥當前角度得到測量結果。

圖10 軋輥實際測量過程

軋輥的Z方向測量起始點為18 mm，測量結束點為488 mm，測量速度為1 200 mm/min，測量次數為2次，測量結果如圖11所示。軋輥磨削后的輥型誤差最大值為2.23 μm，為兩次測量結果的平均值。

圖11 輥型測量結果

軋輥圓度測量點為Z方向18 mm處，軋輥轉速為30 r/min，圓度測量結果如圖12所示。軋輥在該點處的圓度為1.04 μm，為3次測量結果的平均值。

圖12 圓度測量結果

在測試過程中，數控系統運行穩定，各項功能正常，完全滿足軋輥磨削需求，同時磨削精度和效率也達到了工藝要求。

5 結論

針對軋輥磨削需求研發一種應用于軋輥磨床的開放式數控系統。通過對軋輥磨削所需具體功能開展分析，提出了數控系統軟硬件架構和各磨削功能的具體實現方式。實際磨削結果表明，所研發的數控系統能夠滿足軋輥磨削的各種功能需求。