張由婷

摘要：在成形磨削過程中，成形砂輪的表面精度對(duì)零件精度的影響不可忽視。為了提高砂輪修形機(jī)的加工精度，采用ACS運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)數(shù)控砂輪修形軟件。介紹了成形磨削的基本知識(shí)，數(shù)控砂輪修形軟件的主要結(jié)構(gòu)及組成模塊，并進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，該軟件能穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：成形磨削；ACS控制器；數(shù)控系統(tǒng)；砂輪修形

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16723198（2015）04017203

1引言

隨著生產(chǎn)制造業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)零件的尺寸精度、形狀精度、互換性等方面的要求越來越高。由于超高速磨削、高精度磨削等先進(jìn)制造工藝的興起，使得零件往往可以不經(jīng)車削、銑削等工序而直接由磨削工序完成，但是，這些加工方法仍然不能夠一次加工達(dá)到所需要的尺寸，一般需要幾次磨削或幾次磨削工序才能完成。所以，近年來機(jī)器零件成形磨削得到很大的發(fā)展，而且目前大多采用成形磨削法。成形磨削時(shí)，砂輪被修整成與零件輪廓相吻合的形狀，加工時(shí)砂輪與零件廓形全面接觸，從而磨出零件整個(gè)廓形，在一次磨削過程中即可達(dá)到最終的尺寸要求和精度要求。成形磨削具有生產(chǎn)效率高、成本低、零件精度穩(wěn)定、零件互換性好、工藝簡(jiǎn)單、磨削功率大等突出優(yōu)點(diǎn)，因此一直倍受人們的關(guān)注。在成形磨削時(shí)，砂輪的成形精度將直接影響零件的精度，因此，要求砂輪的成形精度要高且形狀精度保持性要好。由于近年來數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展很快，加工設(shè)備的數(shù)控化、自動(dòng)化逐漸成為趨勢(shì)，因此文中的數(shù)控砂輪修形機(jī)將成形砂輪磨削修形與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，采用雙驅(qū)同步控制策略，使修形后的成形砂輪能夠達(dá)到較高的形狀精度。

目前國(guó)內(nèi)的砂輪修形軟件多用于加工較為簡(jiǎn)單的直線母線砂輪、圓弧母線砂輪，或單一地加工用于某種特殊零件如齒輪的成形砂輪，而本文中的砂輪修形軟件不僅能夠?qū)?jiǎn)單母線砂輪進(jìn)行修形，而且能夠?qū)Χ喾N用于磨削特殊零件的成形砂輪進(jìn)行修形，如用于磨削齒輪、棘輪、導(dǎo)軌的成形砂輪。用戶只需要提供零件的尺寸參數(shù)，程序可在后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算出砂輪截面參數(shù)，生成NC程序，通過通訊設(shè)備傳到控制器中，直接進(jìn)行加工。

2軟件總體結(jié)構(gòu)

機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。系統(tǒng)硬件部分包括一個(gè)主站控制器和三個(gè)從站控制器以及伺服電機(jī)、各類傳感器等，從站控制器分別控制驅(qū)動(dòng)兩個(gè)X軸，兩個(gè)Y軸及主軸的電機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)生成NC程序并向控制器發(fā)送指令，控制器接收指令，控制電機(jī)動(dòng)作，完成指令運(yùn)動(dòng)。

數(shù)控成形砂輪修形軟件將采用開放式的數(shù)控系統(tǒng)，即上位機(jī)采用普通PC機(jī)，在開放式的平臺(tái)借助ACS運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)軟件。PC機(jī)與ACS控制器之間通過實(shí)時(shí)、可靠的通訊來協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)，共同完成加工任務(wù)。

ACS控制器是基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)多軸直線運(yùn)動(dòng)控制的控制器，達(dá)到了現(xiàn)代機(jī)器所要求的多軸高性能，是可擴(kuò)展的、分布式的運(yùn)動(dòng)控制中心。ACS控制器可監(jiān)控所有的軸，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置執(zhí)行實(shí)時(shí)控制，具有強(qiáng)大的遠(yuǎn)程訪問和診斷、快速地錯(cuò)誤恢復(fù)功能。同時(shí)，ACS控制器擁有自主開發(fā)的編程語(yǔ)言ACSPL+，豐富的應(yīng)用軟件和開發(fā)、建立、調(diào)整和診斷工具，為開發(fā)人員進(jìn)行軟件開發(fā)調(diào)試提供了有利條件。

數(shù)控成形砂輪修形軟件采用VC++6.0進(jìn)行軟件開發(fā)。軟件的主要模塊包括參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊、基于零件特征加工模塊、NC代碼編輯模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊以及加工控制模塊。用戶通過人機(jī)界面輸入毛坯參數(shù)、砂輪的基本參數(shù)和工藝參數(shù)，軟件可自動(dòng)生成刀具的加工路徑，通過優(yōu)化參數(shù)匹配和仿真修形軌跡從而得到NC程序，并可直接進(jìn)行加工。軟件的基本流程圖如圖1所示。

圖1數(shù)控砂輪修形軟件流程圖3數(shù)控軟件與ACS控制器的通訊建立

軟件通過調(diào)用ACS控制器自帶的ACSCL.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)或ACSCL_x86.LIB靜態(tài)鏈接庫(kù)，來完成PC機(jī)和ACS控制器之間的數(shù)據(jù)交換，鏈接庫(kù)中包含了與ACS設(shè)備相關(guān)的變量?jī)?nèi)存地址定義以及函數(shù)定義。首先，在主程序目錄中加入ACS.h函數(shù)定義頭文件；其次，通過工程—>設(shè)置—>連接—>對(duì)象/庫(kù)模塊添加動(dòng)態(tài)或靜態(tài)鏈接庫(kù)，完成程序鏈接；最后編寫連接設(shè)備的程序，其主要設(shè)備連接程序如下（省略變量定義）：

當(dāng)軟件系統(tǒng)通過Ethernet總線方式連接上主站控制器之后，還需要對(duì)其接入的其他硬件設(shè)備進(jìn)行地址分配，并寫入主站控制器，使其了解系統(tǒng)中所接入的各種硬件設(shè)備，才能利用主站控制器對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行控制。

4軟件模塊功能

數(shù)控砂輪修形軟件主要功能為根據(jù)砂輪參數(shù)對(duì)成形砂輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)或根據(jù)零件參數(shù)反求出成形砂輪輪廓，優(yōu)化刀具的加工路徑，自動(dòng)生成NC程序，向機(jī)床發(fā)出指令，控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，對(duì)毛坯進(jìn)行加工，得到所需的成形砂輪。同時(shí)，也可以自行輸入已經(jīng)人工編寫好NC程序或者調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的程序進(jìn)行加工。因此，數(shù)控砂輪修形軟件包括參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊、基于零件特征加工模塊、NC代碼編輯模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊以及加工控制模塊。

4.1參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊

該模塊的主要功能是根據(jù)提供的砂輪參數(shù)對(duì)成形砂輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并自動(dòng)生成NC程序。在該模塊中，用戶輸入毛坯參數(shù)，砂輪尺寸參數(shù)、加工工藝參數(shù)，軟件能夠自動(dòng)生成所需的NC程序，同時(shí)可顯示刀具的加工路徑以及砂輪模型模擬圖，可根據(jù)顯示的刀具路徑及砂輪模型模擬圖確認(rèn)NC程序是否無誤，確認(rèn)后即可進(jìn)行加工生產(chǎn)。加工完成后，可以將此次生成的NC程序保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中以便下次調(diào)用。

4.2基于零件特征加工模塊

該模塊的主要功能是根據(jù)提供的零件參數(shù)反求出成形砂輪的輪廓參數(shù)，并自動(dòng)生成NC程序。由于在生產(chǎn)中，我們首先得到的是零件的參數(shù)而不是成形砂輪的參數(shù)，對(duì)于一些特殊零件如齒輪棘輪等，砂輪的設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜。在該模塊中，用戶只需輸入零件的尺寸參數(shù)、毛坯參數(shù)及加工工藝參數(shù)，軟件能夠自動(dòng)在后臺(tái)計(jì)算出砂輪的截面參數(shù)，并生成NC程序，同時(shí)可顯示刀具的加工路徑及砂輪模型模擬圖。軟件從零件直接加工出成形砂輪，省去了中間設(shè)計(jì)成形砂輪的步驟，可以大大地縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

4.3NC代碼編輯模塊

該模塊的主要功能是對(duì)用戶人工編寫的NC程序進(jìn)行編輯修改及運(yùn)行。用戶可以直接輸入已手工編好的NC程序，或直接導(dǎo)入已有的NC程序文件，對(duì)NC程序進(jìn)行編輯修改，并對(duì)程序進(jìn)行試運(yùn)行。此時(shí)軟件中會(huì)顯示刀具加工路徑，通過觀察刀具加工路徑可以判斷我們手工輸入的NC程序是否正確，程序檢驗(yàn)無誤后可進(jìn)行實(shí)際加工。加工完成后，用戶可以將程序保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中以便下次調(diào)用。

4.4數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

該模塊的主要功能是保存參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊中生成的NC程序和NC代碼編輯模塊中用戶自己手工輸入的NC程序。在該模塊中，所有程序統(tǒng)一編號(hào)，用戶通過查詢編號(hào)來查看程序。用戶可以直接調(diào)用NC程序進(jìn)行加工，也可以對(duì)已有的程序進(jìn)行管理、添加、編輯、刪除。

4.5加工控制模塊

該模塊的主要功能是建立軟件和ACS控制卡的通訊，使得機(jī)床能夠隨著用戶在人機(jī)界面上的操作完成機(jī)床回零，各個(gè)軸的進(jìn)給，進(jìn)給速度調(diào)節(jié)，急停等功能。

5實(shí)驗(yàn)?zāi)M

由于該軟件涉及的模塊功能較多，無法在本文中一一呈現(xiàn)。因此本文選取了其中的基于零件特征加工模塊下的圓弧母線加工模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在該模塊中，我們需要輸入零件的各種參數(shù)以及加工參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，我們選取的零件的參數(shù)分別為：圓弧半徑R=30mm，零件厚度B=30mm，砂輪斷面直徑D=100mm，切削余量為2mm，主軸轉(zhuǎn)速為800r/min，背吃刀量為0.2mm，進(jìn)給量為0.1mm/r。另外，需要注意的是關(guān)于零件端面直徑以及零件外形的選擇，在本實(shí)驗(yàn)中，我們選擇左右端面直徑相同，零件外形為外凸。輸入所需零件參數(shù)后，點(diǎn)擊“確定輸入”按鈕，表示參數(shù)輸入步驟完成，接下來可以選擇其他功能按鈕進(jìn)行其他操作。點(diǎn)擊“磨削該零件砂輪的NC代碼”按鈕，軟件即在交互界面上顯示加工砂輪的NC程序。軟件界面如圖2所示。

圖2基于零件特征加工模塊界面通過實(shí)驗(yàn)可以看出，該軟件能夠正常運(yùn)行，基本實(shí)現(xiàn)所需的功能。只需要輸入砂輪或零件的相關(guān)參數(shù)，即可生成NC程序，為生產(chǎn)提供了方便。

6總結(jié)

本文提出的數(shù)控砂輪修形系統(tǒng)軟件采用具有高性能的ACS控制器來實(shí)現(xiàn)高精度成形砂輪修形，軟件具有良好的人機(jī)交互界面，操作簡(jiǎn)單明了，用戶只需要輸入簡(jiǎn)單的參數(shù)即可生成NC程序進(jìn)行加工，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

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