基于華中8 型數(shù)控系統(tǒng)的段差磨削軟件開發(fā)

湯明俊， 李健， 程鋮， 柴佳鑌， 許競博

（武漢華中數(shù)控有限公司， 湖北武漢 430068）

0 前言

段差磨削技術廣泛用于絲錐磨削加工中， 其加工精度要求高， 導致加工過程中進給速度慢、 效率低。段差磨削技術主要用于在一個加工周期同時實現(xiàn)粗精磨2 個加工工序， 從而大幅度提升加工效率， 解決絲錐磨削效率低的問題。 因此， 段差磨削直接影響加工效率和后續(xù)的加工質量， 提高段差磨削設備的數(shù)控化程度是段差磨削技術發(fā)展的現(xiàn)實需求， 也是提高加工效率與保證加工質量的重要方式。

數(shù)控技術逐漸從專用封閉式開環(huán)控制模式向通用開放式控制模式發(fā)展， 硬軟件系統(tǒng)及控制方式也日趨智能化［1］。 王云平、 陳淵［2］開發(fā)了磨削數(shù)控系統(tǒng)， 采用PMAC 運動控制卡的方式， 其系統(tǒng)穩(wěn)定性較低且開發(fā)過程比較復雜。 閆利文、 俞濤［3］采用VB6.0 與西門子OEM 動態(tài)鏈接庫共同開發(fā)數(shù)控軟件， VB6.0進行界面開發(fā)存在過程復雜、 局限性大且平臺兼容性差的缺點。 丁國龍等［4］基于西門子840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)，采用Qt 圖形框架與C＋＋編程語言實現(xiàn)軋輥磨削軟件開發(fā)。 劉升愿等［5］基于840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了偏心磨削軟件。 ZHENG 等［6］采用SINUMERIK SNAP7 模塊 設 計 了 遠 程 控 制 監(jiān) 控 系 統(tǒng)。 張 露 等 人［7］采 用SINUMERIK 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)構建了凸輪軸磨削工藝數(shù)據(jù)庫。 周顯峰等［8］基于840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)龍門五軸數(shù)控機床幾何誤差補償軟件的開發(fā)。 常有明等［9］利用FANUC PICTURE 軟件開發(fā)出了操作簡單、 快捷的數(shù) 控 機 床 人 機 界 面。 封 光 磊 等［10］采 用FANUC PICTURE軟件開發(fā)了伺服電動機控制三軸位置的技術。 丁國龍等［11］基于華中HNC?848 型數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了蝸輪加工軟件， 完成了蝸輪滾切加工宏程序的編制， 提供一套蝸輪加工實例。

目前， 國外針對數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的研究較多，國內的研究應用較少。 在段差磨削領域中， 瑞典AN?CA （安卡） 公司開發(fā)的段差磨削數(shù)控軟件份額占有率高、 價格昂貴； 國內缺少類似的段差磨削數(shù)控二次開發(fā)應用實例。 因此本文作者針對小線段程序生成方法進行研究， 將此方法應用于段差磨削加工軟件中，并進行加工測試， 證明此方法的可行性。

1 小線段程序生成方法

段差磨削軟件功能的核心在于生成小線段NC 代碼， 識別當前加工工件的線條模式， 實時在軟件內部進行數(shù)據(jù)分析與離散， 從而生成加工程序。

1.1 加工工藝分析

如圖1 所示， 由于粗磨砂輪與精磨砂輪之間存在固有的機械位置間隔， 所以此段差磨削存在3 個加工階段： （1） 僅粗磨階段： 粗磨砂輪首先進入加工位置， 對工件進行大余量加工。 （2） 粗精磨混合磨削階段： 當粗磨進入到固有物理間隔時， 精磨砂輪開始進行相同軌跡的精密加工， 但是在位置坐標上存在間隔。 （3） 僅精磨階段： 粗磨加工完成并遠離工件，此時精磨砂輪單獨進行精密磨削加工， 該階段完成后， 整個磨削加工隨之結束， 工件一次成型， 大大提高加工效率。

圖1 加工表面線段組成Fig.1 The processing surface line segment composition

圖2 小線段劃分Fig.2 Sub－segment division

1.2 線條模式識別

模式識別將加工工件抽象為直線、 斜線、 圓弧等線條的組合體， 如圖1 所示， 每個線條模式采用不同的數(shù)據(jù)處理進行計算， 對直線、 圓弧等磨削指令進行識別。

通過設定的位置參數(shù)確定各個階段的有效區(qū)間， 如表1 所示， 以便于進行后續(xù)的小線段劃分NC 生成功能。

表1 加工進程屬性Tab.1 Transformation process property

為了滿足該識別， 需要構建APP 層的人機交互界面， 以便于操作員選擇當前加工工件的工藝， 利于軟件識別加工指令。

1.3 小線段代碼生成

識別當前加工工件所有的線段模式及其加工次序， 在z方向上進行微米級的離散化處理， 該參數(shù)可以根據(jù)當前的加工精度進行自適應調整， 從而達到加工精度。

在磨削加工過程中， 粗磨NC 與精磨NC 命令行執(zhí)行存在時域上的位置間隔， 如圖3 所示。 將粗磨工藝NC 代碼與精磨工藝NC 代碼進行合并。

圖3 粗磨NC 與精磨NC 代碼同步Fig.3 The coarse ground NC and the fine ground NC code are synchronized

綜上可知， 實際磨削加工分為3 個階段： 首先，進入到僅粗磨階段， 該階段為正常加工， 指令域只包含粗磨； 其次， 進入粗精磨混合加工階段時， 分析當前粗磨階段的指令域， 在合適的加工行添加精磨的加工代碼， 同時進行粗磨精磨混合插補加工； 粗精磨混合加工階段結束后， 對當前精磨階段的指令域進行判斷， 添加后續(xù)的加工NC 程序， 僅進行精磨加工。

2 段差磨削軟件開發(fā)

2.1 系統(tǒng)架構

如圖4 所示， 華中808D 二次開發(fā)架構自上而下分為HMI （人機交互層）、 API （接口層）、 NCU （系統(tǒng)內核層） 3 個層級。

圖4 華中8 型軟件架構Fig.4 Software architecture based on HNC?8

人機交互層即顯示界面， 它是操作人員控制機床的最前端； 接口層為界面訪問NC 內部數(shù)據(jù)提供途徑； 系統(tǒng)內核層NCU 處理總線讀取的機床和伺服等底層數(shù)據(jù)。 各個層級之間分工明確且互不干擾， 通過共享內存的方式進行數(shù)據(jù)傳遞。

段差磨削加工軟件界面功能主要集中在人機交互層， 而小線段的生成功能在接口層實現(xiàn)。 為了實現(xiàn)可視化交互功能， 采用Qt Creator 的C＋＋類庫開發(fā)軟件，利用Qt 跨平臺的特性提高系統(tǒng)間的兼容性。 在Win?dows 平臺下進行調試， 在Linux 環(huán)境下運行， 縮短開發(fā)周期短的同時具有良好的嵌入性。 其二次開發(fā)流程如圖5 所示。

圖5 HNC?8 數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)流程Fig.5 Secondary development process of HNC?8 numerical control system

2.2 段差磨削軟件數(shù)據(jù)處理

由段差磨削加工工藝流程和華中8 型數(shù)控系統(tǒng)模塊化二次開發(fā)的技術特點可知， 數(shù)據(jù)的來源主要包括系統(tǒng)參數(shù)、 工件參數(shù)以及加工參數(shù)。 段差磨削數(shù)據(jù)處理流程如圖6 所示。

圖6 加工軟件操作流程Fig.6 Operation process of processing software

進入段差加工軟件界面后， 系統(tǒng)會自動載入上次保存的SIZDATA.dat 數(shù)據(jù)文件， 根據(jù)載入的狀態(tài)分為2 種情況：

（1） 數(shù)據(jù)文件載入失敗時， 系統(tǒng)默認生成新的參數(shù)文件， 并載入默認參數(shù)值； 重新輸入?yún)?shù)后， 保存至新生成的數(shù)據(jù)文件中， 以便于下次重啟時自動載入。

（2） 數(shù)據(jù)文件載入成功時， 界面會顯示上一次加工或上一工件的加工參數(shù)， 有利于簡化后續(xù)操作人員的加工步驟； 同時也會實時更新保存當前修改的參數(shù)。

2.3 段差磨削軟件功能模塊

根據(jù)段差磨削加工的要求， 以工件加工設置為主線， 按照3 個主要加工界面進行模塊的劃分， 包含以下3 個模塊： 加工信息監(jiān)控模塊、 砂輪參數(shù)設定模塊、 數(shù)據(jù)表格與程序生成模塊， 針對每個模塊的功能進行獨立的設計與研發(fā)。 段差磨削軟件的主要功能模塊如圖7 所示。

圖7 段差磨削軟件功能模塊Fig.7 Segment difference grinding software function module

2.4 段差磨削界面開發(fā)

段差磨削界面包括了加工界面、 砂輪設定、 探針探測、 機械手、 絲錐表格5 個主要功能界面。

如圖8 所示， 加工界面分為4 個顯示區(qū)域， 包括工件加工坐標系、 機械臂工作坐標系、 當前氣缸狀態(tài)、 當前模式狀態(tài)。 該界面用于監(jiān)控當前加工時機床整體狀態(tài)， 方便操作員實時觀察加工狀態(tài)。

圖8 加工狀態(tài)監(jiān)控界面Fig.8 Processing status monitoring interface

如圖9 所示， 砂輪設定界面分為2 個功能區(qū)， 其中砂輪參數(shù)設定包含了工件轉速、 磨削方式、 粗砂輪轉速、 精砂輪轉速、 默認快進給和安全距離； 研磨參數(shù)設定包含了料盤行列相關參數(shù)、 探針功能開關和機械手功能開關。

圖9 砂輪設定界面Fig.9 Grinding wheel setting interface

數(shù)據(jù)表格界面用于輸入當前加工工件的尺寸數(shù)據(jù)（如圖10 所示）， 包括G 模態(tài)、 直徑、 長度、 角度、 半徑和速度等參數(shù)， 顯示區(qū)域會根據(jù)輸入的尺寸參數(shù)生成預覽工件， 可以更加直觀地反映工件加工細節(jié)。 在輸入完成以后， 點擊“轉出NC” 就完成程序的轉化，并且根據(jù)加工需求可以隱藏其中的加工段落， 同步反饋到NC 代碼當中， 靈活地應對工件需求的修改。

2.5 小線段NC 程序生成

小線段NC 生成是段差磨削加工軟件的主要功能模塊， 圖11 所示為G 代碼生成功能流程。 此模塊通過設定加工工件的各項尺寸參數(shù)和線段模式， 輸出NC 程序， 從而進行段差磨削加工離散化編程。

軟件從數(shù)據(jù)表格加載G 模態(tài)、 直徑、 長度、 角度、 半徑和速度等參數(shù)， 從宏變量數(shù)據(jù)區(qū)得到轉速、安全距離、 工件旋向、 磨削方式和砂輪選擇等數(shù)據(jù)，應用于小線段NC 程序中。 加工過程中， 將會傳遞實時的數(shù)據(jù)到NC 程序內， 實現(xiàn)加工數(shù)據(jù)的多樣性， 提高加工程序的復用性。

如表2 所示， 小線段NC 代碼中主要使用宏變量參數(shù)。

表2 宏變量參數(shù)Tab.2 Macro variable parameter

3 加工驗證

3.1 加工驗證設備

數(shù)控萬能段差磨床如圖12 所示， 采用華中808D 全觸摸屏操作系統(tǒng)。 現(xiàn)場實際加工零件如圖13 所示。

圖12 段差磨削加工機床Fig.12 Segment difference grinding machine

圖13 現(xiàn)場試加工工件Fig.13 On－site trial machining of workpieces

3.2 加工結果分析

分別加載普通NC 程序和小線段NC 程序， 加工同一型號工件各10 件， 設置影像檢測儀檔位x400 進行檢測。

在斜線段加工區(qū)域， 由圖14 可以看出， 存在波浪狀加工紋路， 無法滿足工件的需求； 如圖15 所示，采用小線段NC 加工的線段平滑， 符合加工實際需求。

圖14 斜線加工Fig.14 Oblique machining

圖15 小線段斜線加工Fig.15 Small segment diagonal machining

如圖16 所示， 在圓弧加工區(qū)域內， 圓弧過渡的交接處存在圖中方框范圍內的突出缺陷； 如圖17所示， 小線段加工的圓弧過渡自然， 達到加工要求。

圖16 圓弧加工Fig.16 Arc machining

圖17 小線段圓弧加工Fig.17 Circular arc machining of small line segments

通過以上分析可知， 該段差磨削加工軟件配合小線段NC 代碼成功進行了絲錐磨削加工， 表明小線段NC 代碼加工的工件避免了常規(guī)加工缺陷， 生產(chǎn)出了合格的絲錐工件， 該段差磨削軟件可應用于現(xiàn)場大批量加工。

4 結論

（1） 在分析段差磨削加工工藝的基礎上， 建立了小線段程序生成模式。 基于華中HNC?808D 型數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了段差磨削加工軟件， 實現(xiàn)了段差磨削加工宏程序的生成， 完成了現(xiàn)場加工驗證。

（2） 段差磨削軟件實現(xiàn)了段差磨削工藝的應用，采用小線段的NC 加工程序， 現(xiàn)場加工的工件精度達到實際要求， 并且提高了加工效率， 驗證了該軟件用于絲錐段差磨削加工的可行性。 在段差磨削領域，提供了一套國產(chǎn)系統(tǒng)應用實例， 對于打破技術壟斷具有積極意義。