数控工具磨床的数控系统改造_技术方案_工控网_工业360
数控工具磨床的数控系统改造
核心提示：
【论文摘要】　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、驱动单元（包括电机）和测量单元三个部分组成。
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。
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。
（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。
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。
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机床数控改造方案及其实施
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改造的可行性分析通过以后，就可以针对某台或某几台机床的现况确定改造方案，一般包括：一、具体步骤机械修理与电气改造相结合一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。先易后难、先局部后全局确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏和差错。在每个子系统工作中，应先做技术性较低的、工作量较大的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使人的注意力能集中到关键地方。根据使用条件选择系统针对某台或某几台机床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可行的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。落实参与改造人员和责任改造是一个系统工程，人员配备十分重要。除了人员的素质条件外，根据项目的大小，合理地确定人数与分工是关键。人员太少不利于开展工作，人员太多也容易引起混乱。根据各个划分开的子系统，确定人员职责，有主有次，便于组织与协调。如果项目采用对外合作形式，更需在目标明确的前提下，界定分工，确定技术协调人。改造范围与周期的确定有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。停机改造的周期，根据各企业的实际情况确定，考虑因素有生产紧张程度、人员技术水平、准备工作充分程度、新系统大小与复杂程度，甚至还包括天气情况等。切忌好大喜功，急于求成，匆忙上阵，但也要合理安排，防止拖拖拉拉。二、改造的技术准备改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包括： 机械部分准备为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。新系统电气资料消化新系统有许多新功能、新要求、新技术，因此改造前应熟悉技术资料，包括系统原理说明、线路图、PLC梯形图及文本、安装调试说明、使用手册、编程手册等。要有充裕的时间来对上述资料进行翻译(进口系统)、消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。新旧系统接口的转换设计根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。操作、编程人员的技术培训机床电气系统改造后，必然对操作、编程人员带来新的要求。因此提前对操作人员和编程人员进行新系统知识培训十分重要，否则将影响改造后的机床迅速投入生产。培训内容一般应包括新的操作面板配置、功能、指示含义；新系统的功能范围、使用方法及与旧系统的差别；维护保养要求；编程标准与自动化编程等等。重点是弄懂、弄通操作说明书和编程说明书。调试步骤与验收标准的确定新的电气系统改造完以后，怎样进行调试以及确定合理的验收标准，也是技术准备工作的重要一环。调试工作涉及机械、液压、电气、控制、传感等，因此必须由项目负责人进行，其它人员配合。调试步骤可从简到繁，从小到大，从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。标准一旦确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。三、改造的实施准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分为：原机床的全面保养机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。保留的电气部分最佳化调整若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。原系统拆除原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。切忌大手大脚，乱扔乱放。合理安排新系统位置及布线根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。 调试调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。四、验收及后期工作验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行。改造的后期工作也很重要，它有利于项目技术水平的提高和使设备尽早投产。验收及后期工作包括：机床机械性能验收经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项机械性能应达到要求，几何精度应在规定的范围内。电气控制功能和控制精度验收电气控制的各项功能必须达到动作正常，灵敏可*。控制精度应用系统本身的功能(如步进尺寸等)与标准计量器具(如激光干涉仪、坐标测量仪等)对照检查，达到精度范围之内。同时还应与改造前机床的各项功能和精度作出对比，获得量化的指标差。 试件切削验收可以参照国内外有关数控机床切削试件标准，在有资格的操作工、编程人员配合下进行试切削。试件切削可验收机床刚度、切削力、噪声、运动轨迹、关联动作等，一般不宜采用产品零件作试件使用。图纸、资料验收机床改造完后，应及时将图纸(包括原理图、配置图、接线图、梯形图等)、资料(包括各类说明书)、改造档案(包括改造前、后的各种记录)汇总、整理、移交入档。保持资料的完整、有效、连续，这对该设备的今后稳定运行是十分重要的。总结、提高每次改造结束后应及时总结，既有利于提高技术人员的业务水平，也有利于整个企业的技术进步。
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