【論文摘要】　提出了采用華中2000型工具磨床專用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)舊數(shù)控工具磨床進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)改造的技術(shù)路線和技術(shù)方案，并對(duì)該數(shù)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析，最后給出了一個(gè)具體改造實(shí)例。 【關(guān)鍵詞】　工具磨床　數(shù)控系統(tǒng)　數(shù)控編程　數(shù)控化改造 1　前言 　　 數(shù)控工具磨床，特別是多軸數(shù)控、多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控工具磨床是高效、高質(zhì)量磨削制造精密、復(fù)雜形狀刀具的高、精、尖關(guān)鍵設(shè)備，也是各類數(shù)控機(jī)床中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、自動(dòng)化程度高、精度和可靠性要求高的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品，其研究開發(fā)具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。采用數(shù)控工具磨床對(duì)刀具進(jìn)行磨削加工必須依靠刀具磨削加工技術(shù)和編程技術(shù)，而各種復(fù)雜形狀刀具的磨削加工技術(shù)和編程軟件，目前在國(guó)外也屬于專利技術(shù)或保密技術(shù)。正因?yàn)槿绱?，目前世界上也只有少?shù)廠商能夠生產(chǎn)高性能的數(shù)控工具磨床。 　　 為了提高我國(guó)的刀具制造工藝水平和質(zhì)量，國(guó)內(nèi)一些刀具生產(chǎn)廠家和應(yīng)用廠家從國(guó)外引進(jìn)了數(shù)控工具磨床，這些數(shù)控機(jī)床經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的使用后，其主機(jī)性能基本完好，仍可使用，而其數(shù)控系統(tǒng)則已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，屬于已淘汰產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)也有一些廠家研制開發(fā)了數(shù)控工具磨床，但由于采用的是主機(jī)自行制造、數(shù)控系統(tǒng)靠引進(jìn)，這種數(shù)控工具磨床產(chǎn)品不但成本很高，而且由于通用的CNC系統(tǒng)沒(méi)有集成刀具磨削加工技術(shù)和編程軟件，難以實(shí)現(xiàn)刀具（特別是復(fù)雜刀具）的磨削加工。因此，對(duì)這些國(guó)產(chǎn)的數(shù)控工具磨床的數(shù)控系統(tǒng)也必須進(jìn)行改造。 　　 上述數(shù)控系統(tǒng)改造通常采用國(guó)外數(shù)控工具磨床生產(chǎn)廠家最新的專用數(shù)控系統(tǒng)。這種改造方案雖有技術(shù)成熟，風(fēng)險(xiǎn)小，可靠性有保證的優(yōu)點(diǎn)，也有價(jià)格昂貴，工藝編程針對(duì)性差等多方面缺陷。華中2000型工具磨床專用數(shù)控系統(tǒng)，是在國(guó)家“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“數(shù)控萬(wàn)能工具磨床產(chǎn)品開發(fā)”科研成果的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)的用于各種回轉(zhuǎn)刀具磨削加工的集成化CNC系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)，則可以很好地解決以上問(wèn)題，費(fèi)用還低。 2　改造后數(shù)控系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu) 2.1　系統(tǒng)基本功能 　　 采用華中2000型工具磨床數(shù)控系統(tǒng)對(duì)工具磨床進(jìn)行改造后，該系統(tǒng)具有如下三種基本功能。 　　 通用數(shù)控系統(tǒng)功能　系統(tǒng)保留了原通用數(shù)控系統(tǒng)的基本功能，如最多16軸數(shù)控9軸聯(lián)動(dòng)的軸控制功能，程序校驗(yàn)功能，MDI功能，直線、圓弧、螺旋線插補(bǔ)功能，M、S、T功能，故障診斷顯示功能，內(nèi)嵌式PLC功能等。 　　 自動(dòng)數(shù)控編程功能　該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是在標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成了刀具磨削加工編程軟件，直接在CNC系統(tǒng)上以圖形菜單方式輸入被磨刀具的結(jié)構(gòu)尺寸與加工工藝，即可自動(dòng)編程和加工，實(shí)現(xiàn)了編程加工一體化。 　　 刀具測(cè)量和自動(dòng)對(duì)刀功能　在本系統(tǒng)將刀具測(cè)量功能集成在數(shù)控系統(tǒng)中。在刀具數(shù)控磨削加工中，自動(dòng)對(duì)刀解決了手工對(duì)刀繁瑣、精度差的問(wèn)題。 2.2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　 經(jīng)過(guò)改造后的數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由計(jì)算機(jī)數(shù)控單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元（包括電機(jī)）和測(cè)量單元三個(gè)部分組成。 數(shù)控單元包括工業(yè)PC機(jī)、位置控制模塊、輸入輸出模塊，是組成數(shù)控系統(tǒng)的最基本單元。其中工業(yè)PC機(jī)可根據(jù)需要配置CPU、內(nèi)存、顯示卡、顯示器、硬盤或電子盤、軟驅(qū)等；位置控制模塊有多個(gè)位置檢測(cè)接口，采集光電編碼器的脈沖信號(hào)，作為機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的位置反饋，并通過(guò)多路D/A輸出信號(hào)控制速度單元，既可與武漢華中數(shù)控公司生產(chǎn)的全數(shù)字交流伺服單元及電機(jī)配套，也可與德國(guó)西門子公司、德國(guó)AMK公司、日本三洋公司、松下公司的驅(qū)動(dòng)單元配套。輸入輸出模塊是CNC系統(tǒng)內(nèi)嵌PLC的硬件輸入輸出接口，輸入輸出電壓為24V，最大電流為100mA，用于操作面板的按鈕信號(hào)輸入、機(jī)床的開關(guān)檢測(cè)輸入等，基本輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為48/48點(diǎn)，也可根據(jù)需要擴(kuò)展為256/196點(diǎn)。 　　 伺服單元及電機(jī)是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的最重要保證。交流伺服單元采用光電編碼器實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)反饋，2500個(gè)脈沖/r。系統(tǒng)最小分辨率為0.001mm/0.001°。 　　 測(cè)量單元是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刀具測(cè)量和自動(dòng)對(duì)刀功能的必需硬件組成。包括信號(hào)處理模塊和測(cè)量元件。前者主要指A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)濾波，后者為刀具測(cè)量和對(duì)刀傳感器（測(cè)頭），可根據(jù)需要選擇接觸式或非接觸式測(cè)頭。 2.3　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 2.3.1　總體結(jié)構(gòu) 　　 華中Ⅰ型通用數(shù)控系統(tǒng)基于DOS開發(fā)，采用分層模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件分為四層：第一層為操作系統(tǒng) 層，包括文件管理，進(jìn)程管理，實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的物理管理層。系統(tǒng)管理軟件是在DOS的基礎(chǔ)上擴(kuò)充，增加了實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，CRT驅(qū)動(dòng)程序，參數(shù)庫(kù)接口軟件。任務(wù)控制的入口是INT62，軟中斷，具有轉(zhuǎn)調(diào)度、創(chuàng)建、掛起、撤消、阻塞、喚醒、延遲和獲取任務(wù)狀態(tài)的控制原語(yǔ)。第二層為機(jī)床輸入輸出層，包括位置環(huán)控制軟件，MST代碼輸出，調(diào)掛管理及開關(guān)量輸入輸出。位置控制軟件通過(guò)內(nèi)部通訊區(qū)接收控制及位置指令，并將位置控制指令傳遞給伺服單元。第三層為插補(bǔ)控制層，為ISO代碼插補(bǔ)，包括插補(bǔ)、刀補(bǔ)和程序編譯。第四層為用戶操作層。各層具體內(nèi)容如圖2所示，這種層次模塊化結(jié)構(gòu)便于改進(jìn)和移植。刀具數(shù)控磨削自動(dòng)編程軟件和刀具測(cè)量與自動(dòng)對(duì)刀軟件就是集成在用戶操作層中。 2.3.2　刀具數(shù)控磨削自動(dòng)編程軟件［2］ 　　 刀具數(shù)控磨削自動(dòng)編程軟件的結(jié)構(gòu)如圖3所示。軟件主要由以下幾部分組成： 　　 （1）工藝數(shù)據(jù)庫(kù)　編程軟件收集了所要編程加工刀具的有關(guān)工藝數(shù)據(jù)，采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織和管理，形成工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。這些工藝數(shù)據(jù)包括數(shù)控系統(tǒng)信息、機(jī)床結(jié)構(gòu)信息、刀具幾何參數(shù)、砂輪外形參數(shù)、加工工序信息以及加工工藝參數(shù)。工藝數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)編程軟件的支撐。數(shù)控系統(tǒng)信息是描述所采用的數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控代碼格式的信息，是后置處理中格式轉(zhuǎn)換所必需的信息；機(jī)床結(jié)構(gòu)信息用來(lái)描述數(shù)控工具磨床結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括機(jī)床機(jī)構(gòu)模型代碼、機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈各坐標(biāo)系之間的初始位置關(guān)系和機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸方向［2］；刀具幾何參數(shù)指被加工刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)和切削參數(shù)，以刀具結(jié)構(gòu)要素為基本對(duì)象進(jìn)行描述；砂輪外形參數(shù)是用來(lái)描述磨削用砂輪的形狀和尺寸的參數(shù)；加工工序信息用來(lái)描述所編程加工刀具的加工工藝，系統(tǒng)以刀具結(jié)構(gòu)要素為基本單元將各種刀具的磨削加工工藝進(jìn)行分類、組織和管理，形成加工工序庫(kù)；加工工藝參數(shù)主要指刀具各加工工序中的進(jìn)給速度、主切削速度、進(jìn)給量、加工余量、冷卻液開關(guān)等信息。 （2）參數(shù)化輸入模塊　參數(shù)化輸入模塊是編程軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互的接口。該模塊通過(guò)輸入加工信息，從工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相關(guān)的工藝參數(shù)，然后根據(jù)具體加工對(duì)象、加工條件和加工要求，對(duì)工藝信息進(jìn)行必要的修改，生成供后續(xù)刀位計(jì)算與刀位驗(yàn)證模塊和后置處理模塊使用的數(shù)據(jù)文件。具體有：數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置，機(jī)床設(shè)置，刀具設(shè)置，工序設(shè)置，砂輪設(shè)置，工藝設(shè)置。 　　 （3）編程程序庫(kù)和刀位計(jì)算與刀位驗(yàn)證模塊　編程程序庫(kù)是編程軟件所有編程刀具的刀位計(jì)算程序、刀位驗(yàn)證程序的程序包。刀位計(jì)算與刀位驗(yàn)證模塊的功能就是從加工工藝文件中順序讀出刀具每個(gè)加工工序的加工要素信息、砂輪切削表面信息和工藝信息，根據(jù)這些信息從編程程序庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的刀位計(jì)算程序和刀位驗(yàn)證，生成刀位數(shù)據(jù)文件和CC點(diǎn)數(shù)據(jù)文件。刀位計(jì)算與刀位驗(yàn)證是自動(dòng)編程的關(guān)鍵，編程程序庫(kù)是整個(gè)編程軟件的核心。 　　 （4）后置處理　后置處理就是將刀位計(jì)算后生成的刀位文件轉(zhuǎn)換成數(shù)控工具磨床能夠執(zhí)行的數(shù)控代碼的過(guò)程。包括機(jī)床運(yùn)動(dòng)求解、非線性加工誤差校核與處理、進(jìn)給速度的校核與修正和文件格式轉(zhuǎn)換等。 2.3.3　刀具測(cè)量與自動(dòng)對(duì)刀軟件 　　 該軟件包括刀具測(cè)量和自動(dòng)對(duì)刀兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的軟件模塊，兩者基于共同的硬件結(jié)構(gòu)。其中對(duì)刀軟件的功能就是確定編程坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置關(guān)系，只要硬件可靠，軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單。 　　 對(duì)于刀具的重磨加工，由于有關(guān)刀具形狀和切削參數(shù)的理論數(shù)據(jù)并不已知，數(shù)控編程和加工的唯一依據(jù)是刀具實(shí)物模型。刀具測(cè)量系統(tǒng)的功能就是通過(guò)對(duì)刀具實(shí)物模型進(jìn)行采樣，將刀具實(shí)物模型的幾何模擬量轉(zhuǎn)換成自動(dòng)編程軟件能夠接收的幾何數(shù)字量，以實(shí)現(xiàn)刀具編程和加工。刀具測(cè)量軟件主要由測(cè)頭運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，其中測(cè)頭運(yùn)動(dòng)控制模塊是整個(gè)軟件的關(guān)鍵，對(duì)于不同的刀具種類及加工要求、不同的測(cè)頭類型，具有不同的運(yùn)動(dòng)控制策略（限于篇幅，本文不再展開）。 3　數(shù)控系統(tǒng)改造實(shí)例 　　 如圖4所示為國(guó)內(nèi)某飛機(jī)制造廠從德國(guó)引進(jìn)的WALTER公司生產(chǎn)的Helitronic 30 NC數(shù)控工具磨床，該磨床具有5個(gè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸（X、Y、Z、A、B），可實(shí)現(xiàn)3軸（X、Z、A）數(shù)控兩軸（X、A）聯(lián)動(dòng)，其余兩軸（Y、B）為手動(dòng)軸。該工具磨床實(shí)際上為手動(dòng)/自動(dòng)兩用機(jī)床，手動(dòng)操作方式下可完成內(nèi)、外圓磨削簡(jiǎn)單功能；自動(dòng)加工方式下，系統(tǒng)固化有三個(gè)自動(dòng)加工程序，分別為：①外圓磨程序；②直齒圓柱刀具分度磨削程序；③螺旋齒圓柱刀具（分度）磨削程序。 　　 改造之前，該工具磨床主要存在以下缺陷和問(wèn)題：①機(jī)床操作和控制完全通過(guò)面板上的按鈕進(jìn)行，相當(dāng)繁瑣、復(fù)雜；②不能實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)；③只能按照固有的三個(gè)程序進(jìn)行自動(dòng)加工，不能另外編程加工；④數(shù)控系統(tǒng)老化，不能穩(wěn)定運(yùn)行。所以，必須對(duì)該磨床進(jìn)行改造。 　　 按照前述機(jī)床改造技術(shù)路線和技術(shù)方案，對(duì)該工具磨床進(jìn)行了數(shù)控系統(tǒng)改造。主要改造內(nèi)容包括： 　　 （1）硬件改造　用華中2000型數(shù)控單元替換原來(lái)的控制系統(tǒng)硬件；用日本松下交流伺服單元和電機(jī)替換原來(lái)X、Z、A軸步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)單元；增裝刀具測(cè)量和對(duì)刀裝置；保留原有機(jī)床的主軸單元和液壓系統(tǒng)。 　　 （2）軟件改造　用華中2000型工具磨床專用數(shù)控系統(tǒng)替換原來(lái)的控制系統(tǒng)。 工具磨床經(jīng)過(guò)數(shù)控系統(tǒng)改造后，功能和技術(shù)特點(diǎn)為：機(jī)床可實(shí)現(xiàn)三軸（X、Z、A）聯(lián)動(dòng)；可進(jìn)行各種銑刀的后刀面磨削加工；直接在CNC上以圖形菜單方式輸入被磨刀具的參數(shù)和加工工藝即可進(jìn)行加工或修磨，實(shí)現(xiàn)了編程加工一體化；具有刀具幾何形狀測(cè)量功能，保證各種銑刀后刀面的重磨加工；可在線對(duì)砂輪參數(shù)、刀具參數(shù)、磨削工藝和磨削用量等進(jìn)行方便的修改，可充分發(fā)揮操作者的豐富經(jīng)驗(yàn)，刀具試磨和修磨過(guò)程非常方便；機(jī)床運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的程序控制，使操作簡(jiǎn)單、可靠。 　　 機(jī)床經(jīng)過(guò)數(shù)控系統(tǒng)改造后，進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行考核和加工實(shí)驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓柱/圓錐立銑刀、球頭銑刀等刀具的后刀面修磨。