工具磨床数控系统改造（一）

打工岁月

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机电一体化高技术产品，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。
( x/ V, z0 \' [' i4 `' a8 z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。
5 b- a" f4 W9 s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。
/ }7 q8 `% t: j4 O2 改造后数控系统的功能和结构
◆系统基本功能
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PLC功能等。
# _. l  i6 f' M( {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。
  o( o9 i  J$ ^! ?* c, b! O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。
: T( H8 l0 R  r5 q- A0 _( O◆系统硬件结构
* ]0 R6 o6 c, j2 T0 N3 W& l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、伺服驱动单元(包括电机)和测量单元三个部分组成。

) U2 z- Q/ N+ \" l' p" Z8 D　　图1 系统硬件结构
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°。
, W; E9 y5 {  G3 C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。
0 X+ W  V# i0 b- C! t- v◆系统软件结构
·总体结构
7 x3 O3 r8 q7 e0 @0 b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。

图2 系统软件结构
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图3 刀具数控磨削自动编程软件结构
文章关键词： 工具磨床数控系统改造