數控系統(tǒng)在數控磨齒機中應用

　　隨著數控機床市場竟爭的日趨激烈，越來越多的機床制造商向其產業(yè)鏈上游的數控系統(tǒng)制造商提出:數控系統(tǒng)應具有更大的開放性，即在具備標準數控功能的同時，提供從軟件環(huán)境、通訊協(xié)議、外部接口直至系統(tǒng)內核的更加開放的，有利十機床制造商進行二次開發(fā)的硬件、軟件配置。這一趨勢的形成源自3個方面的因素:首先，機床用戶的少廣泛性決定了僅具備標準數控功能的機床無法滿足所有用戶的要求，總會有用戶在設備采購時提出這樣那樣的特殊要求;其次，機床制造商亦迫切希望能夠更加方便地將其特有的核心控制技術集成到令業(yè)的品牌數控系統(tǒng)中;第3，對十一部分具有特殊加工機理的機床設備而言，主要面向車銑類加工機床開發(fā)的標準數控系統(tǒng)無法滿足其所有的關鍵控制功能。以磨齒機、滾齒機為代表的齒輪加工機床就是一個典型的例子。

　　數控系統(tǒng)的開放性一般可以用應用模塊的可移植性、可擴展性、互操作性、可縮放性等指標來評估川。需要指出的是，數控系統(tǒng)的開放性程度必須要考慮到對實時性和可靠性的嚴格要求，因此片面追求數控系統(tǒng)開放性的深度和少廣度而忽視其基礎軟硬件配置質量的作法是不科學的，也是不現(xiàn)實的。應該以是否能夠滿足相關機床控制系統(tǒng)的設計要求來作為衡量其選用的數控系統(tǒng)開放性是否合理。譬如西門子數控系統(tǒng)，其開放性就主要體現(xiàn)在以下3個方面:

　　(1)人機界面開放:標準的軟件硬件平臺，比如PC硬件，WINDOWS操作系統(tǒng)，人機界面開發(fā)工具，網絡功能及信息系統(tǒng);

　　(2)控制邏輯開放:可編程的機床邏輯控制，離散系統(tǒng)，遠程控制;

　　(3)數控內核開放:提供幾何坐標系與數控軸直接的接口，機床制造)一可集成其令用的控制軟件。

　　下面筆者將以西門子840 D為例，就其如何解決新型磨齒機的幾大關鍵控制技術進行可行性技術分析，并提出相應的設計思路或解決方案。

1 電子齒輪箱功能

　　電子齒輪箱功能是數控蝸桿砂輪磨齒機一項必備的關鍵控制技術。由十蝸桿砂輪磨齒機特殊的加工機理，在磨削循環(huán)中，各參與聯(lián)動的運動軸之間并非簡單的插補關系。其工件主軸C軸是按照3個主動軸(即砂輪主軸B軸、切向運動軸Z軸、軸向運動軸Y軸)之間通過一個復雜公式定義的關系來隨動的。在未實現(xiàn)數控化之前，蝸桿砂輪磨齒機的主從運動軸之間的關系是通過復雜的機械結構來實現(xiàn)的，如YE7232磨齒機等。現(xiàn)在，其相關的控制技術包括數學模型等均已相當成熟。就西門子系統(tǒng)而言，其高端產品840 D系統(tǒng)NCU572. 3版本以上機型均具備電子齒輪箱的選項功能，最多可實現(xiàn)5個主伺服軸之間定義的相對關系來聯(lián)動另一個從伺服軸。國內幾個滾齒機生產)一家，如重機、南二等均采用了西門子840 D，在其數控滾齒機上成功地實現(xiàn)了電子齒輪箱功能。因此在數控蝸桿砂輪磨齒機實現(xiàn)該功能應無大的技術障礙。

2 直線電動機和力矩電動機技術

　　直線電動機和力矩電動機能夠大大簡化機床的機械傳動結構，提高工作臺的速度和加速度以及低速條件下的扭矩輸出。因此這兩種電動機正式推出僅不到十年時間，就為廣大機床制造商接受和采用。不僅在高速加工中心領域，國內外諸多磨齒機制造商均開始或已經在其磨齒機產品中采用這兩種電動機。如桑普的5375G采用直線電動機直接驅動X軸和Z軸，其工件主軸亦采用力矩電動機;以霍夫勒的Rapid900成型磨為代表的諸多國外成型磨產品也大多采用力矩電動機直接驅動工作臺。西門子公司正在中國市場推出其1FN1/1FN3兩種系列的直線電動機和1FW6系列的力矩電動機，其中1FN1直線電動機和1FW6力矩電動機完全可以在國產的大平面砂輪磨齒機的設計改進中采用。1FN1直線電動機可以用十展成運動的Z軸;1FW6力矩電動機可以用十頭架主軸的C軸。在國產的成型砂輪磨齒機上亦完全可以采用力矩電動機驅動工作臺的控制技術。

3 專用的人機對話界面設計

　　一般數控系統(tǒng)的標準機界面均是為車、銑床或加工中心類機床設計的，無論是發(fā)那科、西門子均是如此。所以對十磨齒機這類有著特殊工藝流程的機床來說，需設計適十齒輪磨削加工操作的令用人機對話界面。況日_這部分設計是最容易彰顯企業(yè)文化個性和形成自主知識產權，不易被仿制和侵權的。西門子數控系統(tǒng)的人機界面具有極強的開放性，采用令業(yè)級的工業(yè)PC機如PCU50 , PCU70為硬件平臺，Window XP為軟件平臺，提供OEM, EasyMask, EasyTrans, Hotwin等多種開發(fā)工具。其中OEM軟件是功能最強大的人機界面編輯工具，它可以使用Visual Basic和Visual C++高級編程語言進行界面設計。不但可以編輯工況動畫，實現(xiàn)NC和PLC之間的數據交換，更具有極強的網絡功能和兼容性，可以無縫嵌入諸如成型砂輪截形計算軟件和隨機測量系統(tǒng)軟件等。而EasyMask是一種簡單的用戶畫面生成工具，可通過標準編輯器直接在屏幕上進行編輯;EasyTrans則可通過接口信號激活數據的傳遞、存儲和加載;HotWin可通過NC或PLC信號激活用戶的自定義畫I}j}z7?？偠灾?，基十西門子PCU50以上版本的硬件，配合其令門的編輯軟件，完全可以隨心所欲的實現(xiàn)個性化的人機界面設計。

4 隨機測量系統(tǒng)

　　在數控磨齒機(尤其是大規(guī)格磨齒機)上配備隨機測量系統(tǒng)的設計觀念已在業(yè)界形成共識。例如，秦川發(fā)展公司最新開發(fā)的YK73125成型砂輪磨齒機就配備了令門的隨機齒輪測量系統(tǒng)，這樣既可避免重復裝夾誤差，又可極大提高工作效率。西門子數控系統(tǒng)在其NCU控制模塊上配備有令門的測頭信號接口，日_其接口標準與雷尼紹、馬波斯等著名的量儀生產商的產品完全兼容。其CPU強大的運算能力足以保證測量數據處理的快速和精確。加之其人機界面良好的開放性設計，可以實現(xiàn)對諸如YI}73125隨機測量系統(tǒng)軟件的嵌入或鏈接。而且其HMI模塊本身就是一個標準的工業(yè)PC機，配置的各種標準接口可以與打印機、軟驅等外設連接，從而輕松實現(xiàn)測量數據的打印、存儲等任務。

5 自適應磨削技術

　　隨著現(xiàn)代機床制造業(yè)逐漸步入“數字化制造”時代，自適應加工的控制技術將越來越受到人們的重視。從格里森針對圓錐齒輪制造技術開發(fā)的格里森令家制造系統(tǒng)(GEMS)軟件介紹中不難發(fā)現(xiàn)，其中的很多技術都是建立在自適應控制理念基礎上的。同樣在國內，無論是成型砂輪磨齒機，還是蝸桿砂輪磨齒機都存在諸如對床身熱變形產生的加工誤差應在砂輪的修整時子以自動補償等的相關技術要求，這就是自適應磨削技術的一種。當然，諸如恒線速磨削，恒力矩磨削等也都屬十自適應磨削的范疇。西門子系統(tǒng)為自適應磨削控制提供了很多選項功能，譬如“內部變量求值”(也叫讀取驅動變量)功能，可以方便地從NC程序中直接讀取驅動的相關變量，如電動機溫度、電流、電壓、扭矩等值，并以此作為自適應控制的控制變量來加以處理。這就為實現(xiàn)相應的自適應磨削控制功能提供了技術支撐。

6 停電回退功能

　　在數控磨齒機或數控滾齒機的加工過程中，由十電力系統(tǒng)故障引起的停電，往往會對砂輪、刀具或工件造成致命的損害。因為正常工作時機床和各聯(lián)動軸靠數控系統(tǒng)保持嚴格的同步關系。當突然停電時，由十各運動軸的慣量不同，它們在停止過程中同步關系會被打亂，從而引起撞刀。如果損壞的是磨齒工序中的大規(guī)格精密重載齒輪，一次的損失可能就以to萬m計。因此西門子系統(tǒng)為之提供了一套完整的解決方案。通過一個不間斷24 V直流電源和一組電解電容分別為HMI/PLC和驅動的600 V直流母線提供斷電后的短時間電源動力，在這段很短的時間內，NC會調用預先設置的停電回退循環(huán)程序，使砂輪或刀具退回至安全區(qū)域。上述停電回退循環(huán)程序是開放的，完全可以由機床制造)一的設計人員根據需要自行設計。此功能已在很多齒輪加工機床制造)一的產品設計實踐中得到驗證。

7 結語

　　在數控系統(tǒng)具備必要的開放性功能的前提下，通過機床設計人員成功的二次開發(fā)，完全可能在諸如蝸桿砂輪磨齒機、成型砂輪磨齒機以及大平面砂輪磨齒機等多種機型上實現(xiàn)其關鍵的特殊控制功能?？梢灶A見，以西門子840D為代表的具有開放性特點的數控系統(tǒng)必將在齒輪加工機床領域得到更為少廣闊的應用。