基于开放式数控平台的外圆磨床数控系统开发

　　磨床是金切行业的一个重要分支，机械零件加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工的地位越来越重要。由于磨床涉及到很多复杂的工艺要求，通用的机床数控系统难以实现磨床的复杂工艺。因此，磨床种类特别繁多，常见的磨床种类就包括外圆磨床、平面磨床、内圆磨床、工具(刀具)磨床、无心磨床、非圆磨削机床、轧辊磨床、复合磨削加工单元、立式磨床等等。数控外圆磨床，又包括多轴数控、多轴联动的数控外圆磨床。

　　磨床行业的发展趋势是:磨削加工的高效化、直接驱动、在线测量与控制磨削过程、量仪在线监控。

　　目前，国内磨床的数控化率低，磨床数控系统大都依赖进口。因此开发出适合的磨床数控系统，实现普通外圆磨床的数控化，对提高我国机床的现代化水平，具有非常重要的意义。

　　在此背景下，本文以华中世纪星数控系统为二次开发平台，开发了外圆磨床数控系统。本系统根据加工工件轮廓形状，用一系列直线和圆弧描述成型砂轮的外形轮廓，实现砂轮定型和砂轮修整;采用径向量仪主动测量技术，实现外圆磨加工的主动在线测量;利用端面量仪，实现工件坐标原点的自动精确定位;通过对磨削加工工件计数，实现砂轮自动修整，并对砂轮原点和工件坐标原点进行自动补偿。从而，实现从砂轮定型、工件坐标原点定位、磨削加工、砂轮修整、砂轮原点和工件坐标原点自动补偿的全自动加工控制过程。在汽摩部件厂家的现场一定时期的使用和实际检测表明，本系统自动化程度高、加工精度高、加工效率高，而且精度稳定性好。如图3所示，加工一个零件仅需35s，加工零件的外圆尺寸、外圆锥度、锥高、锥角、圆度的精度达到1μm，完全符合用户需求。

　　开放式数控平台简介

　　华中世纪星开放式数控系统的体系结构

　　华中世纪星开放式数控系统是建立在总线基础上的模块化设计的拓扑结构，它采用标准总线技术解决了硬件公用及结构可拓扑的问题，采用开放化、模块化、标准化的结构设计解决了硬件的标准化问题。

　　世纪星数控系统的硬件结构如图1所示。

　　图1　华中数控系统硬件体系结构图

　　将开关量接口电路，mcp、mdi键盘接口电路，进给轴接口电路，主轴接口电路都集成在一块“世纪星”主板上。其核心器件是actel 公司的fpga芯片，为满足cnc装置对开放性的要求，“世纪星”主板采用双fpga设计。一个fpga芯片负责控制开关量接口电路，mcp、mdi键盘接口电路，主轴接口电路，伺服驱动装置接口电路(接华中数控系统股份有限公司开发的hsv-16系列交流伺服驱动装置);另一个fpga芯片负责控制脉冲量伺服驱动装置或步进电机驱动装置接口电路，模拟量伺服驱动装置接口电路。两个fpga芯片通过pc104总线由研华工业pc机控制。

　　世纪星数控系统以dos 操作系统为软件支持环境，实现了一个开放式的数控系统软件平台，提供了一个方便的二次开发环境，能够供不同的数控系统灵活配置、使用，并提供了一种标准风格的软件界面。其软件结构如图2所示:

　　图2　世纪星开放式数控系统软件结构

　　图2中的底层软件为数控系统的软件平台，其中的rtm 为自行开发的实时多任务管理模块(由于ms-dos 为单任务、非实时性操作系统)，负责cnc 系统的任务调度和管理，ncbios为基本输入、输出系统，管理cnc 系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序的管理(对应不同的硬件模块，应用不同的驱动程序，故更换模块只需更换驱动程序，配置很灵活)、位置的控制、 PLC 的调度、实时插补计算和内部监控等。rtm 和ncbios 也可以统称为世纪星数控系统的ncbase，如图2中的虚线框所示。过程层软件(或称上层软件)相当于前后台型软件结构中的背景程序，通过ncbios 把它与底层软件隔开，使得过程层软件不依赖于硬件，为适应不同的系统，只需改动过程层软件即可。底层软件也可分为系统内核层即ncbase和内核功能接口层，即解释、插补、轴控制等。

　　过程层软件(或称上层软件)负责零件程序的编辑、解释，参数的设置，plc的状态显示，图形仿真、mdi及故障显示等任务的完成。通过ncbios把它与底层软件隔开，使得过程层软件不依赖于硬件。为适应不同的系统，只需改动过程层软件即可。

　　开放式平台上专用系统的二次开发

　　开放式数控系统普遍采用模块化、层次化的结构，通过各种形式向外提供统一的应用程序接口(api)，并允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能迅速适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商并相互兼容，这就使得在开放式数控平台上的二次开发得以简便快捷。

　　基于华中世纪星开放式数控平台的专用设备数控系统采用与通用数控系统相同的硬件体系结构，由于采用的伺服单元、位置单元以及所需i/o点数的不同，在具体的实现上略有差异，这种差异通过分别在系统配置文件(ncbios.cfg)中设置相应的驱动程序和在plc程序中根据具体要求进行点位控制编程来克服。对于不同的应用系统，可采用不同的位置接口单元。当伺服单元为数字式交流伺服单元时，位置接口单元可采用标准rs232串口;当采用模拟式交流伺服单元时，位置接口单元可用位置环板;当用步进电机作为驱动时，位置接口单元可采用多功能接口板。相应的板卡都己经模块化，直接插入ipc对应插槽内即可实现不同的伺服系统功能。二次开发专用系统硬件扩展十分方便，硬件平台体现了很好的开放性。

　　专用设备数控系统的控制软件是在华中数控世纪星开放式数控平台上进行的二次开发，主要解决以下几个方面的问题:

　　被加工对象的描述，之所以要对通用的数控系统进行二次开发，获得特殊设备的数控系统，是因为绝大多数特殊设备其加工过程具有一定的特殊性和其内在某种规律性，采用通用的数控加工描述语言对其进行表达时，存在着表达复杂甚至难以表达等问题。近年来开发出的各种图像数控编程系统、数控系统与各种计算机辅助设计如(cad)或三维实体造型系统(如pro/e、ug等)的接口，工艺卡式的数控编程系统等，都是为了扩充数控系统的加工描述能力，使通用的数控系统通过编程扩展可对各种特殊加工进行方便、灵活、快捷的编程表达;

　　对刀是生成正确加工代码的前提，对刀问题是数控加工中的一个重要的问题，对刀点的误差会造成加工出的工件不合格，甚至引起加工干涉等。在cimt07上国外厂商展出的各种数控机床中，不少机床采用精密测量装置对刀及测量工件的尺寸，其自动化程序和对刀精度较高。在我国的机床中，为了降低机床的成本，一般采用机械式的对刀装置，对刀精度较低。必须在控制软件中允许对加工数据进行修改，以补偿对刀误差，同时还可以部分补偿机床因热变形和弹性变形等各种因素引起的误差。

　　加工过程中的控制是专用设备控制软件开发的重要方面，不同的设备有不同的使用要求，不同种类的工件有不同的工艺要求，在加工过程中有不同的控制要求，且精度较高的机床往往要求在加工的过程中引入各种测量信号对加工过程进行实时控制。应根据具体情况对加工控制进行合理的规划和设计。专用设备的加工控制是通过调用华中数控世纪星开放式数控平台的ncbios提供的接口函数对轴进行运动控制，与针对不同设备设计的plc所实现的逻辑控制相配合实现的。

　　本系统的开发环境主要包括，世纪星的软件系统基于dos平台，采用c，c++程序语言编写，在borland c++3.1编译器里编译调试。

　　普通外圆磨床的基本结构

　　图3　磨床的坐标系以及磨床的五个主要部件

　　如图3所示，外圆磨床的5个主要部件包括:成型砂轮、工件、金刚笔、端面量仪测头和径向量仪测头。

　　其中金刚笔固定在头架上，因此，金刚笔和工件之间的相对位置是固定的。端面量仪固定在砂轮架上，因而，砂轮和端面量仪测头之间的相对位置是固定的。以头架(金刚笔、工件)为固定参照物，成型砂轮在机床坐标系下沿x轴和z轴运动。机床坐标系下的x轴和z轴的方向如图3。

　　成型砂轮的圆周面轮廓与加工工件所要求的轮廓形状精确一致，通过一次磨削加工循环，就可以完成对工件的加工。

　　金刚笔用来对新砂轮进行定型修整，把新砂轮修整为所希望的形状。此外，磨削加工中，成型砂轮不断磨损而变钝和失去形状，需要用金刚笔对成型砂轮进行轮廓修整，使之变得锋利和恢复到所希望的形状。显然，对砂轮进行定型或修整之后，必须调整工件坐标原点和砂轮原点，以使修整后的砂轮仍然能加工出合格的零件。

　　工件安装在头架和尾架之间的顶尖上。一般来说，工件轴线即为工件坐标系z轴。但是，由于工件顶尖孔的大小的影响，每次安装一个待加工的工件，工件坐标原点会沿z轴方向发生偏移。因此，每安装一个工件都需要对工件坐标原点的z坐标值进行重新设定。

　　端面量仪就是用来对工件坐标原点的z坐标值进行重新设定的。如图3所示，令端面量仪测头伸出到超过成型砂轮圆周面的位置，移动砂轮架，令端面量仪测头沿z方向逼近并轻触工件的某个端面，即可对工件坐标原点的z坐标值进行重新设定。

　　径向量仪测头用来对工件直径进行在线测量，以确保加工精度。

　　外圆磨床的运行动作主要包括三个部分:

　　磨削加工

　　即砂轮在按照程序指定的轨迹运动，并对工件进行磨削加工。具体包括三种磨削加工类型;

　　切入磨:即砂轮对准工件的加工部位，沿x轴负方向运动，对工件圆周面进行磨削;

　　纵磨:第一步，砂轮运动到工件的加工部位的z轴起始位置;第二步，砂轮沿x轴负方向运行一个步长;第三步，沿z轴运动到工件加工部位的z轴终止位置;第四步，砂轮再沿z轴运动到工件加工部位的z轴起始位置，重复步骤2、3、4对工件圆周面进行磨削，直到工件尺寸达到加工要求;

　　端面磨:即砂轮运动到工件的加工部位，沿z轴负方向运动，对工件端面进行磨削。

　　砂轮定型

　　即金刚笔按照指定的轨迹运动，对一个新砂轮进行修磨，使这个新砂轮具备所需要的特定形状。对图3而言，就用金刚笔对新砂轮进行修磨，使新砂轮具有如图3中的砂轮的形状轮廓;

　　砂轮修整

　　即金刚笔按照成型砂轮的轮廓线，对成型砂轮的轮廓进行修磨，使之精确地与所要求的形状相符。

　　成型砂轮的定型与修整

　　数控磨床相对于非数控磨床的一个显著的特点是，能根据计数器设定或操作指令自动修整砂轮，砂轮修整原点和工件原点会因砂轮修整而发生变化，系统应自动修正修整原点和工件原点的值，维护砂轮数据和加工数据的统一性。

　　砂轮修整包括定型修整和修整两种类型:

　　定型修整用于初次修整砂轮，新砂轮必须定型修整后才能用于设置工件原点，即确定砂轮和工件之间的相对位置。砂轮定型修整后，砂轮与修整金刚石间的相对位置发生变化，应将变化量补在砂轮的修整原点上;

　　修整是指在磨削加工的过程中，砂轮磨损后对砂轮重新修锐以恢复砂轮的切削能力。砂轮修整后，不仅修整原点改变，更重要的是砂轮与工件间的相对位置出发生变化，对工件原点造成影响，将变化量补偿在工件原点上后，可以免除重新设置工件原点。

　　以图3中的工件和砂轮为例，说明砂轮定型和砂轮修整过程中砂轮轮廓形状的变化。把图3中的工件单独画在图4中，根据工件零件图纸，可以标定工件需要加工的轮廓由控制点p1、p2、p3、p4和p5所界定的线段(圆弧)组成。因此，应该把成型砂轮的形状设定为符合控制点p1～p5所界定的轮廓线的形状。

图4　加工工件轮廓形状控制点

图5　砂轮定型和修整中砂轮轮廓外形的变化

　　图5是砂轮定型和砂轮修整中砂轮轮廓外形的变化。图5(a)是一个新砂轮，图5(b)是新砂轮定型后的成型砂轮，其中控制点a1～a5所界定的砂轮轮廓与工件零件图纸上p1～p5点所界定的轮廓完全一致;图5(c)是修整后的砂轮，其中控制点b1～b5所界定的砂轮轮廓与工件零件图纸上 p1～p5点所界定的轮廓完全一致;图5(d)则把图5(a)、图5(b)和图5(c)中的新砂轮轮廓、新砂轮定型后的成型砂轮轮廓和修整之后的成型砂轮轮廓画在一起。其中，点虚线代表新砂轮轮廓，短划虚线代表新砂轮定型后的成型砂轮轮廓，实线代表修整后的成型砂轮轮廓;图5(e)是则把图5(b)和图 5(c)中的砂轮轮廓控制点画在一起，以便更清楚地看到新砂轮经过砂轮定型和砂轮修整等过程，外形轮廓所发生的变化。图5(f)是金刚笔对砂轮进行定型和修整时的坐标系，即砂轮原点坐标系的坐标轴。金刚笔修磨砂轮时，以砂轮为参照物，所以，坐标轴的方向与图3相反。为了与工件坐标系区别，砂轮坐标系坐标轴用小写字母x和z表示。

　　砂轮的修整与砂轮修整原点密切相关，砂轮的定形修整或修整前必须先设置修整原点。设置砂轮的修整原点是为了确定砂轮和修整金刚石之间的相对位置，即当砂轮周边(砂轮的x轴基准面)与修整器接触时的x轴绝对坐标，当砂轮左端面(有效端面，即z轴基准端面)和修整器接触时的 z轴绝对坐标。简而言之，砂轮的基准点是砂轮的左下角点(如砂轮修整为圆角时，该点为虚点)，金刚石修整器的基准点为右上角点，当机床运动到两基准点相重合时，机床所在的位置即为砂轮修整原点。

　　在外圆磨床数控磨削系统中，砂轮的修整可以由程序和计数器共同进行控制，系统根据计数器的原理，设置了内嵌式的软件计数器，具有普通计数器的功能如计数初值设置、计数值清零、设置值和计数值的显示等，计数器是减法计数器，即每加工一个工件计数器自动减 1，由程序指令控制是否在计数值为零时自动修整砂轮。除计数器控制的砂轮修整外，也可由操作人员根据需要进行砂轮修整。

　　在所开发数控磨削系统中，根据砂轮修整的特点和要求实现上述各功能，还通过精确的两轴联动控制功能，实现了对砂轮圆角的修整，不需要传统磨床修整圆角时所需的复杂机械装置，提高了圆角修整的精度。

　　量仪在线测量与磨削加工

图6　径向量仪在线测量示意图

　　如图6所示，一对有弹性的径向量仪测头构成一个卡口，卡在工件待测部位的直径位置上，随着砂轮不断逼近磨削工件，工件直径逐渐变小，径向量仪测头形成的卡口不断变小，依次触发径向量仪信号p21、p22、p23、p24。可以对径向量仪进行设置，来确定工件直径大小与径向量仪信号p21～p24 的关系。

　　在使用径向量仪的情况下，砂轮对工件进行切入磨的控制过程如下:

　　端面量仪测头伸出，轻触工件端面，调整工件原点z坐标zo;

　　在工件坐标系下，砂轮对准磨削加工部位;

　　砂轮快速逼近到工件;

　　径向量仪测头伸出;

　　砂轮以较快速度逼近工件，对工件进行粗磨，直到触发径向量仪信号p21;

　　砂轮以较慢速度逼近工件，对工件进行半精磨，直到触发径向量仪信号p22;

　　砂轮以极慢速度逼近工件，对工件进行精磨，直到触发径向量仪信号p23;

　　砂轮停留在当前位置，对工件进行光磨，直到触发径向量仪信号p24;

　　径向量仪测头缩回，工件加工计数器减1，砂轮退出。

　　端面磨不需要径向量仪控制，端面磨可以用端面量仪在线控制磨削过程;纵磨可以用径向量仪控制磨削过程，具体过程与切入磨相似，这里不再遨述。

　　此外，用户还可以根据工件加工工艺的需要，将切入磨、端面磨和纵磨结合起来，在切入磨的过程中加入轻微的靠端面的动作，以满足一些特定的工艺要求。

　　结语

　　以华中世纪星数控系统为开发平台，探讨了基于开放式数控平台的专用机床数控系统的开发方法，在华中世纪星数控系统平台上成功开发出了外圆磨床磨削加工数控系统。

　　外圆磨床数控系统所控制的对象主要包括5个部件:成型砂轮、金刚笔、工件、端面量仪测头和径向量仪测头。

　　外圆磨床数控系统的参数主要包括:砂轮形状参数、磨削加工参数、工件坐标原点、砂轮原点、砂轮左端面与端面量仪测头之间沿z方向的距离。

　　本外圆磨床数控系统在实际应用中，可以根据加工零件计数，自动实现砂轮修整，并自动调整工件坐标原点、砂轮原点、砂轮左端面与端面量仪测头之间沿z方向的距离。因此，操作人员在实际应用中，只需重复三个简单动作:安装工件、按循环加工按钮、取下工件，即可高效率、高精度地快速加工工件。在汽摩部件厂家的现场一定时期的使用和实际检测表明，本系统自动化程度高、加工精度高、加工效率高，而且精度稳定性好。如图3所示，加工一个零件仅需35s，加工零件的外圆尺寸、外圆锥度、锥高、锥角、圆度的精度达到1μm，完全符合用户需求。