導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉德剛，吳興群，蔣 威

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉德剛，吳興群，蔣 威

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

大型龍門式數(shù)控機(jī)床所用的縱向?qū)к壷圃旃に噺?fù)雜，其加工是機(jī)床生產(chǎn)中的瓶頸環(huán)節(jié)。導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床可一次性銑削導(dǎo)軌的四個工作面，也可以同時磨削導(dǎo)軌的三個工作面，提高加工效率。針對此專用機(jī)床，設(shè)計并開發(fā)了數(shù)控系統(tǒng)。依據(jù)專用機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合實際加工經(jīng)驗，設(shè)計出了銑削與磨削的自動加工工藝。銑削粗加工可以一次銑完所有加工面，磨削精加工需要多次走刀與進(jìn)刀后才可以完成加工。數(shù)控系統(tǒng)采用上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)同的架構(gòu)，上下位機(jī)之間通過串口，按照通訊協(xié)議進(jìn)行信息傳遞。下位機(jī)實現(xiàn)了12個單軸的控制，并測控多個IO口，軟件中實現(xiàn)了監(jiān)控功能與通訊模塊。上位機(jī)軟件利用面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)，開發(fā)出圖形化人機(jī)界面，通過下位機(jī)實現(xiàn)對機(jī)床的控制。系統(tǒng)在某切割機(jī)廠成功應(yīng)用，結(jié)果表明導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床的加工效率及易用性比常規(guī)方式有較大提高。

導(dǎo)軌銑磨；專用機(jī)床；數(shù)控系統(tǒng)

0 引言

導(dǎo)軌對運動部件進(jìn)行導(dǎo)向和支撐，在機(jī)床、工業(yè)流水線、電梯等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1-3]。大型的龍門式數(shù)控機(jī)床所用的縱向?qū)к壗孛娉叽绱?、長度較長，精度要求高，制造工藝復(fù)雜?？v向?qū)к壋Ｒ姷慕孛嫘问綖閳D1所示的T型。

T型導(dǎo)軌的加工工藝包括上表面和左右兩側(cè)面的銑磨加工，以及內(nèi)側(cè)面安裝齒條的槽的銑削加工。需要對四個面進(jìn)行銑削再對三個面進(jìn)行磨削，這幾個面都不在一個平面上，需要先銑上表面，再銑兩個側(cè)面和齒條槽內(nèi)側(cè)面，然后再對導(dǎo)軌的上表面、左側(cè)面、右側(cè)面三個面進(jìn)行磨削。

圖1 T型導(dǎo)軌截面示意圖

利用通用機(jī)床進(jìn)行T型導(dǎo)軌加工，需要多臺機(jī)床與多名工人才能完成全部工藝。加工中會使用到立銑頭、臥銑頭、立磨頭和臥磨頭，需要進(jìn)行工件的多次裝夾，并存在工件的運輸?shù)葥p耗，加工完一條導(dǎo)軌需要較長時間。多次裝夾會導(dǎo)致基準(zhǔn)誤差。由于工藝復(fù)雜，對工人的操作水平要求很高。

由于上述原因，T型導(dǎo)軌的加工成為了機(jī)床生產(chǎn)中的瓶頸工序。為了提高導(dǎo)軌加工效率，某大型數(shù)控切割機(jī)廠針對T型導(dǎo)軌的特點，合作研制出了導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床。

導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床包含有一個立銑刀、兩個臥銑刀、一個臥磨刀以及兩個立磨刀，用于銑削導(dǎo)軌上表面、左右兩側(cè)面和內(nèi)側(cè)齒條槽，磨削導(dǎo)軌上表面和左右兩側(cè)面。導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床能同時銑削導(dǎo)軌三個表面和齒輪條槽，也可以同時磨削導(dǎo)軌三個表面。

配合此專用機(jī)床，設(shè)計開發(fā)出了數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了導(dǎo)軌自動銑磨工藝，提高了導(dǎo)軌加工效率。

1 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

機(jī)床的銑刀和磨刀都可以進(jìn)行升降以及平移，由11個電機(jī)驅(qū)動，另外還有轉(zhuǎn)動的IO控制以及工作平臺的控制等。數(shù)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)多個單電機(jī)的加減速控制、移動方向與距離的控制、多個IO口的控制等，但并不需要進(jìn)行平面插補(bǔ)控制。

根據(jù)上述特點，普通的運動控制卡以及PLC都不適合對機(jī)床進(jìn)行控制，選擇基于單片機(jī)開發(fā)控制系統(tǒng)，作為下位機(jī)。

機(jī)床尺寸龐大，交互系統(tǒng)基于工控機(jī)開發(fā)，具有圖形用戶界面，支持鼠標(biāo)與鍵盤，作為上位機(jī)。

上位機(jī)和下位機(jī)之間通過串口連接，設(shè)計通訊協(xié)議，實現(xiàn)上下位機(jī)之間的信息傳遞。

1.2 下位機(jī)軟硬件設(shè)計

硬件電路控制系統(tǒng)主要包括電源管理、限位開關(guān)信號輸入、串口通訊、電機(jī)控制和外部存儲器。STC12C5A60單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)通過I/O口控制三個銑刀和三個磨刀的轉(zhuǎn)動和移動，接收限位開關(guān)信號輸入，并控制平臺的移動。如表1所示。

表1 系統(tǒng)IO清單

硬件電路中IO口眾多，其中伺服電機(jī)的控制是關(guān)鍵部分。伺服電機(jī)控制加工軸的進(jìn)給運動。一般伺服電機(jī)有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式[4]。本系統(tǒng)中，伺服電機(jī)帶動相應(yīng)刀具移動到特定的位置，選擇位置控制方式，通過輸入脈沖的方向來確定轉(zhuǎn)動的方向，通過脈沖的個數(shù)確定移動的距離。

下位機(jī)的軟件主要包含兩個子系統(tǒng)。一是實現(xiàn)基本的IO功能，獲取傳感器信號，控制輸出口輸出，實現(xiàn)對伺服電機(jī)的控制。二是實現(xiàn)通訊協(xié)議邏輯，解析上位機(jī)通過串口發(fā)送過來的命令，根據(jù)命令執(zhí)行控制功能，反饋結(jié)果給上位機(jī)。

1.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件通過人機(jī)界面獲取用戶的輸入，通過串口與下位機(jī)通訊，利用下位機(jī)控制機(jī)床實現(xiàn)相關(guān)功能，實時獲取下位機(jī)上傳的信息，在界面上顯示，并進(jìn)行相應(yīng)處理。

上位機(jī)軟件功能包括參數(shù)設(shè)置、手動加工、單獨銑、單獨磨、自動銑磨等幾個子系統(tǒng)。參數(shù)設(shè)置中對進(jìn)退刀量等幾十個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置后可以備份與恢復(fù)。手動加工主要通過每個軸的單軸運動和每個磨刀的單獨走刀過程來實現(xiàn)對導(dǎo)軌的手動加工，適合機(jī)床的調(diào)試和在加工完成不滿足要求時的補(bǔ)充加工。單獨銑可完成銑削加工。單獨磨可完成磨削加工。自動銑磨可以一次性完成銑磨加工。

上位機(jī)軟件采用面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)[5]，利用模塊化方式，將系統(tǒng)設(shè)計為多個開發(fā)模塊，圖2為系統(tǒng)的UML組件圖。界面開發(fā)利用MFC類庫[6]。串口通訊基于MSComm組件[7]開發(fā)。

圖2 系統(tǒng)組件圖

銑磨工藝組件是上位機(jī)軟件的核心部分，實現(xiàn)自動銑削與自動磨削的加工邏輯，通過下位機(jī)控制設(shè)備完成加工。

銑削通過三把銑刀完成。立銑刀是一個雙層銑刀，上層銑刀用來銑導(dǎo)軌的上表面，下層銑刀用來銑齒條槽。左右臥銑刀分別用來銑削導(dǎo)軌的左右側(cè)面。三個銑刀都是一刀銑完整個平面，并且只銑削一次。銑削加工程序流程如圖3所示。

圖3 銑削程序基本流程

磨削通過三把磨刀完成。臥磨刀用來磨削導(dǎo)軌上表面，左右立磨刀用來磨削導(dǎo)軌左右兩側(cè)面。磨刀每一次的進(jìn)刀量比較小，需要多次進(jìn)刀，才能完成磨削加工。磨削加工程序流程如圖4所示。

圖4 磨削程序基本流程

由于砂輪在磨削過程中存在損耗[8-9]，系統(tǒng)內(nèi)置補(bǔ)償算法，由用戶調(diào)節(jié)補(bǔ)償系數(shù)，每一次走刀，系統(tǒng)自動進(jìn)行微小進(jìn)刀，補(bǔ)償磨損量。

1.4 通訊協(xié)議設(shè)計

上位機(jī)與下位機(jī)之間必須定義嚴(yán)格的無二義性的通訊協(xié)議[10]，才能協(xié)同工作。

面向機(jī)床銑刀，定義出系統(tǒng)中主要的刀具名稱，分別為上銑刀、左銑刀、右銑刀、臥磨刀、左立磨刀、右立磨刀，平臺朝前移動為前進(jìn)，朝后移動為后退。

每條命令，第一個字節(jié)為命令字，命令字大于A0。如果帶有參數(shù)，則附加兩個BCD碼字節(jié)。

移動數(shù)據(jù)以mm為單位，進(jìn)刀量和補(bǔ)償量以μm為單位，均為絕對坐標(biāo)。起始點為絕對坐標(biāo)零點。

協(xié)議中設(shè)計了62個命令字，通過這些命令，上位機(jī)可以通過下位機(jī)實現(xiàn)各種控制功能，并可以從下位機(jī)獲得反饋信息以及限位開關(guān)狀態(tài)信息等。

2 應(yīng)用驗證和比較

為了提高運行效率，下位機(jī)軟件利用匯編語言開發(fā)。上位機(jī)軟件利用Visual Studio 2010開發(fā)平臺，使用C++語言開發(fā)。上位機(jī)軟件實現(xiàn)了七個圖形用戶界面來完成系統(tǒng)功能。圖5為自動銑磨功能的界面截圖。開始加工后，界面中實時顯示加工狀態(tài)與參數(shù)，用戶可進(jìn)行“暫?！被蛘摺袄^續(xù)”等人工控制。

圖5 自動銑磨界面

導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)已在某數(shù)控切割機(jī)廠投入實際運行，實現(xiàn)了導(dǎo)軌的批量加工。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，使用簡單，穩(wěn)定性與正確性得到了驗證。

表2是導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床與常規(guī)加工方式完成一根導(dǎo)軌加工的主要參數(shù)指標(biāo)對比分析結(jié)果。加工的導(dǎo)軌長度為3米，磨削中走刀三次，進(jìn)刀三次。

表2 主要指標(biāo)對比分析

使用導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床，利用專用夾具，快速裝夾導(dǎo)軌后，利用數(shù)控系統(tǒng)，一名工人就能夠完成導(dǎo)軌的加工。加工時間大大縮短，加工精度達(dá)到要求，解決了常規(guī)加工方式下的導(dǎo)軌加工瓶頸問題。

3 結(jié)束語

導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)針對機(jī)床特點與銑磨工藝需求，采用上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)同的架構(gòu)設(shè)計模式，開發(fā)出了圖形化的人機(jī)界面。系統(tǒng)提高了T型導(dǎo)軌加工效率，解決了傳統(tǒng)方式下導(dǎo)軌的加工瓶頸問題。系統(tǒng)實現(xiàn)的自動磨削加工流程不同于傳統(tǒng)加工方式，具有創(chuàng)新性。目前系統(tǒng)功能已經(jīng)在數(shù)控切割機(jī)的導(dǎo)軌加工中得到了驗證。將系統(tǒng)加工參數(shù)設(shè)計為用戶配置方式，系統(tǒng)可推廣到其他相近領(lǐng)域的導(dǎo)軌加工中。專用數(shù)控機(jī)床方式也為其他難加工零部件的生產(chǎn)提供了一種參考解決方案。在后續(xù)研究中，可以在機(jī)床中增加位置檢測裝置，將下位機(jī)運動控制系統(tǒng)升級為閉環(huán)控制，提高加工精度。

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(編輯 趙蓉)

The Design and Implementation of CNC System for Guide Rail Milling and Grinding Special Machine Tool

LIU De-gang，WU Xing-qun，JIANG Wei

(Faculty of Mechanical & Electronic Information, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

The longitudinal guide rail for large Longmen CNC machine tool manufacturing processes are complex, its processing is the bottleneck in the production of machine tools. Guide rail milling and grinding special Machine can mill four working surfaces one time and can grind three working surfaces one time too, that improves processing efficiency. Designed and implemented the CNC system for the special machine tools. Based on the mechanical structure of special machine tool, combined with practical experience in processing, designed the automatic processing of milling and grinding. Milling can mill all surfaces one time, grinding requires multiple steps to finish process. CNC system uses the host-guest architecture, they use serial ports to connect, and observe communication protocol. Guest machine implements the 12 single axis controls, and controls multiple IO ports, realized in software of monitoring and communication module. Host Software uses Object oriented design technology, developed the graphical man-machine interface, through the guest machine to realize the control of machine tool. System has been used in a cutting machine factory, results show efficiency and easy to use are greatly improved.

guide rail milling and grinding; special purpose machine tool; numerical control system

1001-2265(2014)06-0090-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.025

2013-11-26

劉德剛(1974—)，男，山東高唐人，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)副教授，博士，研究方向為軟件工程、CAM，(E-mail)liudg2002@126.com。

TH164;TG65

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