数控工具磨床的数控系统改造

摘要　提出了采用华中2000型工具磨床专用数控系统对进口或国产旧数控工具磨床进行数控系统改造的技术路线和技术方案，并对该数控系统功能结构进行了剖析，最后给出了一个具体改造实例。
　　关键词　工具磨床　数控系统　数控编程　数控化改造

1　前言
　　数控工具磨床，特别是多轴数控、多轴联动的数控工具磨床是高效、高质量磨削制造精密、复杂形状刀具的高、精、尖关键设备，也是各类数控机床中结构较复杂、自动化程度高、精度和可靠性要求高的机电一体化高技术产品，其研究开发具有相当的技术难度。采用数控工具磨床对刀具进行磨削加工必须依靠刀具磨削加工技术和编程技术，而各种复杂形状刀具的磨削加工技术和编程软件，目前在国外也属于专利技术或保密技术。正因为如此，目前世界上也只有少数厂商能够生产高性能的数控工具磨床。
　　为了提高我国的刀具制造工艺水平和质量，国内一些刀具生产厂家和应用厂家从国外引进了数控工具磨床，这些数控机床经过相当长时间的使用后，其主机性能基本完好，仍可使用，而其数控系统则已经远远落后于现代数控系统技术，属于已淘汰产品。国内也有一些厂家研制开发了数控工具磨床，但由于采用的是主机自行制造、数控系统靠引进，这种数控工具磨床产品不但成本很高，而且由于通用的CNC系统没有集成刀具磨削加工技术和编程软件，难以实现刀具（特别是复杂刀具）的磨削加工。因此，对这些国产的数控工具磨床的数控系统也必须进行改造。
　　上述数控系统改造通常采用国外数控工具磨床生产厂家最新的专用数控系统。这种改造方案虽有技术成熟，风险小，可靠性有保证的优点，也有价格昂贵，工艺编程针对性差等多方面缺陷。华中2000型工具磨床专用数控系统，是在国家“八五”重点攻关项目“数控万能工具磨床产品开发”科研成果的基础上，成功开发的用于各种回转刀具磨削加工的集成化CNC系统。采用该系统，则可以很好地解决以上问题，费用还低。

2　改造后数控系统的功能和结构
2.1　系统基本功能
　　采用华中2000型工具磨床数控系统对工具磨床进行改造后，该系统具有如下三种基本功能。
　　通用数控系统功能　系统保留了原通用数控系统的基本功能，如最多16轴数控9轴联动的轴控制功能，程序校验功能，MDI功能，直线、圆弧、螺旋线插补功能，M、S、T功能，故障诊断显示功能，内嵌式PLC功能等。
　　自动数控编程功能　该系统的最大特点就是在标准通用数控系统的基础上，集成了刀具磨削加工编程软件，直接在CNC系统上以图形菜单方式输入被磨刀具的结构尺寸与加工工艺，即可自动编程和加工，实现了编程加工一体化。
　　刀具测量和自动对刀功能　在本系统将刀具测量功能集成在数控系统中。在刀具数控磨削加工中，自动对刀解决了手工对刀繁琐、精度差的问题。
2.2　系统硬件结构
　　经过改造后的数控系统的硬件结构如图1所示，主要由计算机数控单元、伺服驱动单元（包括电机）和测量单元三个部分组成。

图1 系统硬件结构

　　数控单元包括工业PC机、位置控制模块、输入输出模块，是组成数控系统的最基本单元。其中工业PC机可根据需要配置CPU、内存、显示卡、显示器、硬盘或电子盘、软驱等；位置控制模块有多个位置检测接口，采集光电编码器的脉冲信号，作为机床各个坐标的位置反馈，并通过多路D/A输出信号控制速度单元，既可与武汉华中数控公司生产的全数字交流伺服单元及电机配套，也可与德国西门子公司、德国AMK公司、日本三洋公司、松下公司的驱动单元配套。输入输出模块是CNC系统内嵌PLC的硬件输入输出接口，输入输出电压为24V，最大电流为100mA，用于操作面板的按钮信号输入、机床的开关检测输入等，基本输入/输出点数为48/48点，也可根据需要扩展为256/196点。
　　伺服单元及电机是系统可靠运行的最重要保证。交流伺服单元采用光电编码器实现位置检测反馈，2500个脉冲/r。系统最小分辨率为0.001mm/0.001°。
　　测量单元是系统实现刀具测量和自动对刀功能的必需硬件组成。包括信号处理模块和测量元件。前者主要指A/D转换和数据滤波，后者为刀具测量和对刀传感器（测头），可根据需要选择接触式或非接触式测头。
2.3　系统软件结构
2.3.1　总体结构
　　华中Ⅰ型通用数控系统基于DOS开发，采用分层模块化结构。系统软件分为四层：第一层为操作系统 层，包括文件管理，进程管理，实时任务调度，参数数据库的物理管理层。系统管理软件是在DOS的基础上扩充，增加了实时任务调度，CRT驱动程序，参数库接口软件。任务控制的入口是INT62，软中断，具有转调度、创建、挂起、撤消、阻塞、唤醒、延迟和获取任务状态的控制原语。第二层为机床输入输出层，包括位置环控制软件，MST代码输出，调挂管理及开关量输入输出。位置控制软件通过内部通讯区接收控制及位置指令，并将位置控制指令传递给伺服单元。第三层为插补控制层，为ISO代码插补，包括插补、刀补和程序编译。第四层为用户操作层。各层具体内容如图2所示，这种层次模块化结构便于改进和移植。刀具数控磨削自动编程软件和刀具测量与自动对刀软件就是集成在用户操作层中。

图2 系统软件结构

2.3.2　刀具数控磨削自动编程软件［2］
　　刀具数控磨削自动编程软件的结构如图3所示。软件主要由以下几部分组成：
　　（1）工艺数据库　编程软件收集了所要编程加工刀具的有关工艺数据，采用合适的数据结构进行组织和管理，形成工艺数据库。这些工艺数据包括数控系统信息、机床结构信息、刀具几何参数、砂轮外形参数、加工工序信息以及加工工艺参数。工艺数据库是整个编程软件的支撑。数控系统信息是描述所采用的数控系统的数控代码格式的信息，是后置处理中格式转换所必需的信息；机床结构信息用来描述数控工具磨床结构模型和结构参数，包括机床机构模型代码、机床运动链各坐标系之间的初始位置关系和机床各运动轴方向［2］；刀具几何参数指被加工刀具的结构参数和切削参数，以刀具结构要素为基本对象进行描述；砂轮外形参数是用来描述磨削用砂轮的形状和尺寸的参数；加工工序信息用来描述所编程加工刀具的加工工艺，系统以刀具结构要素为基本单元将各种刀具的磨削加工工艺进行分类、组织和管理，形成加工工序库；加工工艺参数主要指刀具各加工工序中的进给速度、主切削速度、进给量、加工余量、冷却液开关等信息。

图3　刀具数控磨削自动编程软件结构

　　（2）参数化输入模块　参数化输入模块是编程软件实现人机信息交互的接口。该模块通过输入加工信息，从工艺数据库中调出相关的工艺参数，然后根据具体加工对象、加工条件和加工要求，对工艺信息进行必要的修改，生成供后续刀位计算与刀位验证模块和后置处理模块使用的数据文件。具体有：数控系统设置，机床设置，刀具设置，工序设置，砂轮设置，工艺设置。
　　（3）编程程序库和刀位计算与刀位验证模块　编程程序库是编程软件所有编程刀具的刀位计算程序、刀位验证程序的程序包。刀位计算与刀位验证模块的功能就是从加工工艺文件中顺序读出刀具每个加工工序的加工要素信息、砂轮切削表面信息和工艺信息，根据这些信息从编程程序库中调用相应的刀位计算程序和刀位验证，生成刀位数据文件和CC点数据文件。刀位计算与刀位验证是自动编程的关键，编程程序库是整个编程软件的核心。
　　（4）后置处理　后置处理就是将刀位计算后生成的刀位文件转换成数控工具磨床能够执行的数控代码的过程。包括机床运动求解、非线性加工误差校核与处理、进给速度的校核与修正和文件格式转换等。
2.3.3　刀具测量与自动对刀软件
　　该软件包括刀具测量和自动对刀两个相对独立的软件模块，两者基于共同的硬件结构。其中对刀软件的功能就是确定编程坐标系和机床坐标系之间的相对位置关系，只要硬件可靠，软件实现起来较为简单。
　　对于刀具的重磨加工，由于有关刀具形状和切削参数的理论数据并不已知，数控编程和加工的唯一依据是刀具实物模型。刀具测量系统的功能就是通过对刀具实物模型进行采样，将刀具实物模型的几何模拟量转换成自动编程软件能够接收的几何数字量，以实现刀具编程和加工。刀具测量软件主要由测头运动控制模块、数据采集模块和数据处理模块组成，其中测头运动控制模块是整个软件的关键，对于不同的刀具种类及加工要求、不同的测头类型，具有不同的运动控制策略（限于篇幅，本文不再展开）。

3　数控系统改造实例
　　如图4所示为国内某飞机制造厂从德国引进的WALTER公司生产的Helitronic 30 NC数控工具磨床，该磨床具有5个机床运动轴（X、Y、Z、A、B），可实现3轴（X、Z、A）数控两轴（X、A）联动，其余两轴（Y、B）为手动轴。该工具磨床实际上为手动/自动两用机床，手动操作方式下可完成内、外圆磨削简单功能；自动加工方式下，系统固化有三个自动加工程序，分别为：①外圆磨程序；②直齿圆柱刀具分度磨削程序；③螺旋齿圆柱刀具（分度）磨削程序。
　　改造之前，该工具磨床主要存在以下缺陷和问题：①机床操作和控制完全通过面板上的按钮进行，相当繁琐、复杂；②不能实现三轴联动；③只能按照固有的三个程序进行自动加工，不能另外编程加工；④数控系统老化，不能稳定运行。所以，必须对该磨床进行改造。
　　按照前述机床改造技术路线和技术方案，对该工具磨床进行了数控系统改造。主要改造内容包括：
　　（1）硬件改造　用华中2000型数控单元替换原来的控制系统硬件；用日本松下交流伺服单元和电机替换原来X、Z、A轴步进电机和驱动单元；增装刀具测量和对刀装置；保留原有机床的主轴单元和液压系统。
　　（2）软件改造　用华中2000型工具磨床专用数控系统替换原来的控制系统。

图4　所改造的数控工具磨床

　　工具磨床经过数控系统改造后，功能和技术特点为：机床可实现三轴（X、Z、A）联动；可进行各种铣刀的后刀面磨削加工；直接在CNC上以图形菜单方式输入被磨刀具的参数和加工工艺即可进行加工或修磨，实现了编程加工一体化；具有刀具几何形状测量功能，保证各种铣刀后刀面的重磨加工；可在线对砂轮参数、刀具参数、磨削工艺和磨削用量等进行方便的修改，可充分发挥操作者的丰富经验，刀具试磨和修磨过程非常方便；机床运动由计算机控制，实现了真正意义上的程序控制，使操作简单、可靠。
　　机床经过数控系统改造后，进行了系统运行考核和加工实验，成功地实现了对圆柱/圆锥立铣刀、球头铣刀等刀具的后刀面修磨。

作者简介：何耀雄，武汉华中理工大学，华中数控系统有限公司，邮编：430074
作者单位：武汉华中理工大学

参考文献
1　胡　河.浅论立铣刀刃磨机床的现状及发展前景.磨床与磨削，1993（2）
2　何耀雄.刀具数控磨削加工理论与编程技术的研究.博士学位论文.武汉：华中理工大学，1999.