（机械设计及理论专业论文）sinumerik840d在轧辊磨床曲线加工中的应用.pdf

硕士学位论文 摘要 在当今激烈的市场竞争中，企业为了提高自身的竞争能力，都在以节约成本 为原则努力提高设备的自动化水平，以提高生产效率，数控机床正是在这种条件 下发展起来的一种用数控装置控制的高效自动化机床，但国内的数控技术起步较 晚，引进国外的数控设备又需要大量资金，因此在有限的资金条件下利用现有的 成熟的数控系统针对一些专用机床进行二次开发，或是对旧的设备进行数控化改 造就成为一些企业首选的节约成本、提高效率有效途径。本课题对 s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统的结构和性能进行了深入地研究，利用其提供的o e m 二次开发软件实现了m 8 4 1 2 5 轧辊磨床的各种非圆曲线的自动化加工。主要工作 如下： ( 1 ) 数控加工中插补节点计算方法的研究。节点坐标的计算是编写数控加 工程序关键，本课题给出了等参数增量法和等弦长法两种计算节点坐 标并编写数控加工程序的方法。 ( 2 ) 非圆曲线的参数化编程方法的研究。参数化编程把手工编程和自动编程 相结合，具有高级语言编程的特点，可实现子程序的调用、程序的循环 和跳转。本文利用s i n u m e r i k 8 4 0 d 对外开放的r 参数编写了轧辊曲线 的参数化加工程序，实现了该轧辊磨床对中凸( 凹) 等特殊轧辊曲线的 加工，避免了重复编程，大大提高了加工效率。 ( 3 )在v i s u a lb a s i c 环境下，开发了轧辊磨床曲线加工的界面，利用8 4 0 d 系统的n c d d e 服务器提供的变量服务、域服务、程序调用服务等功能 实现了h m i 和n c 之间数据的传递以及系统内部的通讯，并建立了h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 的网络连接。 关键词：轧辊磨床；s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统；非圆曲线；o e m ；参数化编程； 动态链接库 s i n u 虹r i k 8 4 0 d 在轧辊菪床曲线加工中的应用 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h em a r k e tc o m p e t l t l o nl sv e r yf u r l o u sl no r d e rt oe n h a n c et h ea b l l i t y o fc o m p e t i t i o ne v e r yc o r p o r a t i o ni st r y i n gt oi m p r o v et h ea u t o m a t i z a t i o nl e v e lo ft h e i r e q u i p m e n t s ， s ot h a tt h e p r o d u c t i o ne f 行c i e n c y c a nb e i m p r o v e df o l l o w i n gt h a t n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ei sak i n do fa u t o m a t e dm a c h i n ew h i c hh a sb e e nd e v e l o p e d u n d e rt h i se n v i r o n m e n ta n dw a so p e r a t e db yn u m e r i c a lc o n t r o ld e v i c e i tw a sk n o w n t h a td o m e s t i ct e c h n o l o g yo fn u m e r i c a lc o n t r o ls t a r t e dl a t e r ，a n di n t r o d u c i n gf b r e i g n n u m e “c a lc o n t r o ld e v i c en e e dl o t so fm o n e y ，s oi th a sb e c o m eap r e f e r r e da n d e f f 色c t i v ea p p r o a c ht or e d e v e l o pf b rs o m es p e c i a lm a c h i n eu s i n ge x i s t i n ga n dr i p en c s y s t e mo rt or e b u i l do l de q u i p m e m su n d e rt h e c o n d i t i o no fl i m i t e df u n dt h i ss u b i e c t h a sr e s e a r c h e di n d e p t ht h ec o n f i g u r a t i o na n dc a p a b i l i t yo ft h es i n u m e r i k 8 4 0 d ， a n dr e a l i z e da u t o m a t i cm a c h i n i n go fv a r i o u sn o n c i r c u l a rc u r v ei nm 8 4 1 2 5r 0 1 1 g r i n d e rw i t ht h er e d e v e l o p m e n ts o r w a r e0 e mp r o v i d e db ys i n u m e r i k 8 4 0 d t h e m a i nr e s e a f c ho f t i l i sp 印e ri sa sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) t h ec a l c u l a t i o nm e t h o dr e s e a r c ho f 砷e r p o j a t i o nn o d ei nn cm a c h i n i n gt h e c a l c l l l a t i o no fn o d e sc o o r d i n a t ei sk e yt ow r i t en cp r 0 可a m e i nt h i ss u b j e c t ，w eh a v eg i v e n t w om e t l o d sf o rc a j c u l “n gn o d e sc o o r d j n a t ea n dw r i t i n gn cp r o g r a m e ：e q u a jp a r a m e t e r i n c r c m e n tm e t h o da n de q u a lc h o r dm e t i o d ； ( 2 ) p a r a i n e t r i cp r o 笋a r 叫l i n gm e t h o dr e s e a r c ho fn o n c h c u l a rc u r v ep a r a m e t r i c p r o g r a 哪i n gi s t t l ec o m b i n a t i o no fm a n u a lp r o 铲锄m i n ga n da u t o m a t i cp r o g r a m m i i l gi t h a st h ec l l a r a c t e r i s t i co fa d v a n c e d1 a n g u a g ea n dc a l lr e a l i z es u b r o u t i n ec a l l ，p r o 乒a m e1 0 0 p a n dj u m p i n gi nt h i ss u b j e c t ，w eh a v ew r 毗e np a r a m e t r i cp m g r a r n eo fr o l l e rc u r v eu s i n gr p a r a m e t e ro fs i n u m e r i k 8 4 0 d ，a n dr e a l i z e dt h em a c h i n i n go fs p e c i a lr o l l e rc u n r e i t h a ss h o w nt h a tt h i sm e t h o dc a l la v o i dr e p e a t i n gp r o g r a m m i n g ，i m p r o v et h e m a c h i n i g e m c i e n c yc o n s u m e d l y ； ( 3 ) w eh a v ed e v e l o p e dm a c h i n i n gi n t e r f a c eo fr o l l e rc u r v eu n d e rv i s u a lb a s i c e n v i r o n m e n b e s i d e sw eh a er e a j i z e dt h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nh m ia n dn ca n d s y s t e mi n n e rc o m m u n i c a t i o nw i t ht h ev a r i a b l es e r v i c e ，d o m a i ns e r v i c ea n dp is e r v i c e o f f e r e db yn c d d es e r v e ro ft h e8 4 0 d ，m o r e o v e r ，w eh a v eb u i l tt h eh m in e t w o r k c o n n e c t i o n s k e yw o r d s ：r o l lg r i n d e cs i n u m e r i k 8 4 0 ds y s t e m ；n o n c i r c u l a rc u r v e ； o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ；p a r a m e t r i cp r o 即a m m i n g ； d y n a m i cd a t ae x c h a n g e i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：貔詹驾 日期羼乒月尼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：旒务亏 导师签名： 日期：衫年彭月胆日 日期：驴石年够月f 乙曰 硕士学位论文 第一章绪论弗一早三百下匕 随着科学技术和社会生产的迅速发展，机械产品日趋精密、复杂，而且改型 频繁。这不仅给机床设备提出精度与效率的要求，也提出了通用性与灵活性的要 求，数控机床就是在这种条件下发展起来的一种用数控装置控制的高效自动化机 床。数腔机床的出现使工业生产设备产生了本质的变革，数控技术的应用不仅减 轻了工人的劳动强度，还大大提高了产品质量和精度，如今数控机床已被广泛应 用于机械运动控制的各个领域。数控机床的技术水平高低、技术构成状况和拥有 量的多少已成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志；另一方面，在激烈的 市场竞争中，企业为了提高生产效率和降低成本，也在不断引进新的生产技术和 生产设备，但是引进国外大型的数控设备需要大量资金，因此在有限的资金条件 下，学习、消化国外先进技术，利用现有的成熟的数控系统对一些专用机床进行 二次开发或者对旧的设备进行数控化改造就成为一些企业首选的节约成本、提高 效率的有效途径。 1 1 本文的研究背景及意义 目前，数控机床编程方法是用人工( 或计算机) 将零件的工艺过程、工艺参 数、刀具位移量与方向以及辅助动作( 换刀、冷却、夹紧等) 按运动顺序和数控 机床的指令代码及程序格式编成加工程序。由于现有的数控系统一般只有直线和 圆弧两种插补功能，因此只能对某些仅由直线和圆弧组成的零件轮廓进行加工编 程。但在机械加工中，常有由复杂曲线或曲面所构成的非圆曲线零件，如正弦瞌 线、圆锥曲线、抛物线、样条曲线等。随着工业产品性能要求的不断提高，非圆 曲线零件的作用就日益重要，非圆曲线的加工质量往往成为生产制造的关键，而 数控机床不能直接进行非圆曲线的插补。因此，采用计算机辅助非圆曲线进行数 控编程，不仅极大地提高生产率更重要的是可以扩大数控机床的应用范围。 根据本课题的要求，我们对目前国内外比较流行的数控系统进行了深入调查 和研究，经过仔细对比和筛选，我们决定选用西门子公司生产的s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统。它不仅具有功能强、系统配置容量大且灵活、开放性好的特点， 而且它提供了对标准型数控系统进行二次开发的专用开发软件o e m ，这些特点正迎 合了本课题的功能需求。 尽管西门子数控系统给用户提供了开放式的数控平台，但是如何应用系统提 供的工具针对我们自己的专用机床进行二次开发，开发出适合我们自己的数控系 统，是一项摆在我们面前亟待解决的问题。就本课题而言，虽然8 4 0 d 提供了丰 富的人机界面和控制功能，但这些都是针对通用数控机床而设计的，缺少轧辊磨 床需要的一些特殊功能( 如轧辊的测量及数据处理、特殊曲线的插补、工艺参数 s i n u m e r l k 8 4 0 d 在轧辊磨床曲线加工中的应用 的实时调整等) 。针对这些问题本课题充分利用西门子提供的开发工具，开发了 自己的用户界面并且根据厂家要求实现了各种曲线的自动加工，进一步发挥了西 门子数控系统的性能，提高了现有设备的生产效率。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 数控轧辊磨床的现状及发展趋势 轧辊磨床是工业生产中一种不可缺少的重要的生产设备，适用于磨削轧机上 的工作辊和支撑辊，造纸机上的轧辊和烘缸，橡胶、塑料、印染业中的各种压辊， 可磨削圆柱形和中凸( 凹) 辊身，亦可进行锥度磨削以及其它任意曲线的磨削。轧 辊磨床具有外圆磨床的特点，但这类磨床的结构和传动原理比一般的外圆磨床复 杂，除了要求砂轮和工件作回转运动外，还要求二者在作纵向相对运动的同时， 作一定的径向相对运动，为了形成这样的复合运动，机床具有一个复杂的传动机 构，导致磨床的结构也很复杂【1 l 【，在机械结构上轧辊磨床与外圆磨床相比，其 显著的特点是它有一个中高机构，轧辊上的轮廓曲线是通过轧辊磨床的中高机构 来实现的。 轧辊磨床的结构形式有工作台移动式和砂轮架移动式两种。若被磨工件的直 径小6 3 0 m m 时，一般采用工作台移动式结构布局；若被磨工件直径大于6 3 0 m m 时，则采用砂轮架移动式结构布局1 3 j 近年来，由于冶金、造纸、橡胶、塑料，以及印染业的迅速发展，对轧辊磨 削技术的要求亦日趋提高，研制开发高精度的轧辊磨床就成为一项亟待解决的课 题。m 8 4 1 2 5 轧辊磨床就是星火责任有限公司在“市场细分”原则指导下，通过 广泛调研，并在深入研究了国内外著名公司各类产品参数、结构、性能、吸取他 们先进技术和成功经验的基础上，自行研制的全系列高精度轧辊磨床产品之一。 轧辊磨床的发展，尤其是数控轧辊磨床的发展，是与微电子、摩擦学等技术 的发展分不开的，从五十年代第一台普通轧辊磨床的问世，到九十年代全自动轧 辊磨床的出现，仅仅用了五十几年的时间，而且还在不断的发展完善。 精密化是发展高科技的需要，也是提高轧辊磨削性能、质量和可靠性的需要， 亦是轧辊磨床参与市场竞争取得成败的关键。目前轧辊磨削直径已达2 4 0 0 m m ， 最大重量达15 0 t ，轧辊几何精度达u m 级【4 】。为了适应用户需求的变化，国外轧 辊磨床制造厂在7 0 年代末和8 0 年代初，相继对各自的产品进行了系列更新，改 进机床结构性能、增添自动测量装置、开发高性能的自动磨削控制装置等。随着 c n c 技术的普及和应用，为了适应轧辊磨削精密化、高效化和自动化的发展趋势， 开发了c n c 轧辊磨床，它们具有下面的特点1 3 】： ( 1 ) 产品系列化和设计模块化 当代国外轧辊磨床制造厂大都具备完备的系列化产品，机床采用模块化设计 和计算机辅助设计，使轧辊磨床制造技术达到密集化水平。 硕士学位论文 ( 2 ) 磨削精度和加工效率要求高 轧辊磨床不断发展的最终目的是提高磨削精度和加工效率。当代国外轧辊磨 床的磨削圆度一般可达o 0 0 2 o 0 0 5 m m ，圆柱度( 每米) o0 0 2 o0 0 3 m m ，中 高精度o0 0 2 o 0 0 3 m m ( 半径上的中高量为o1 m m ) ，表面粗糙度r ao 0 2 5 o 2 5 m m 。轧辊的廓形除能磨削正弦曲线外，还可磨削任意曲线，如抛物线、c v c 曲线、用户自定义的特殊曲线等。轧辊磨削的砂轮线速度一般为4 0 5 0 m ，s ，最 高可达6 0 m s ，据日本东芝机械公司资料介绍，高速磨削与普通速度磨削相比， 磨削比提高了2 3 倍，而磨削率并没有降低。 ( 3 ) 测量与磨削的自动化 轧辊磨削自动化的关键之一是解决工件的自动测量。东芝机械公司开发的圆 板式直径测量仪，脉冲编码仪与圆板装在同一轴上，圆板与轧辊接触，通过计算 脉冲数测知工件大小。由于圆板在磨削过程中与轧辊连续接触而产生磨损，故设 有补偿装置，按一定比例增加脉冲数以补偿圆板直径磨损量，该直径测量仪的测 量误差为o 0 0 2 m m 。 ( 4 ) c n c 技术与自动磨削循环 当代国外轧辊磨床已普遍引进c n c 技术，赋予机床m d i 编程、c i 盯显 示、自动测量、智能故障诊断以及其它先进功能，操作者可通过人机对话的方式 实现自动磨削循环。 我国数控轧辊磨床的研制与开发起步较晚，国内现有的轧辊磨床，大部分都 是从国外引进的，经过几十年的使用，设备普遍老化严重，已经不能满足目前产 品的生产需求，因此，国内企业界、科研院所、机床制造业的有识之士们，从8 0 年代末就开始对轧辊磨床技术改造进行可行性研究和大胆的实践，并且取得了显 著的成就。目前国内有些轧辊磨床厂也己逐渐具备了开发生产数控轧辊磨床的能 力。 1 2 2 开放式系统的现状及发展趋势 开放式数控系统是各发达国家在2 0 世纪9 0 年代开始争先发展的新型控制器， 是计算机软、硬件技术、信息技术、控制技术融入数控技术的产物。i e e e 标准给 开放式数控系统下了这样的定义：能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操 作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式的数控系统1 5 l 。 现在实际用于工业现场的数控系统主要有以下三种类型，分别代表了数控技 术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封 闭体系结构向开放体系结构发展，而且正体现出从硬数控向软数控方向发展的趋 势“。 ( 1 ) “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统，如f a n u c l8 i 、1 6 i 系统、 s i n u m e r i k8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。它是在传统的专 用数控中简单嵌入p c 技术，整个系统可以共享一些计算机的软硬件资源，而计 3 s 跗u m e r i k 8 4 0 d 在轧辊磨床曲线加工中的应用 算机只参加辅助编程、分析、监控、生产指挥和编排工艺等工作。由于其n c 部 分仍处于瓶颈结构，用户无法进入数控系统的核心，所以属于初步开放的数控系 统，这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。 ( 2 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统，它由开放体系结构运动控制卡 和p c 机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动 控制和p l c 控制能力，它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数 库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统，因而这种开放结构 运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域，如美国d e l t at a u 公司用 p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机 的m e l d a s m a g i c 6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0c n c 等。 ( 3 ) s o f t 型开放式数控系统，这是一种最新开放体系结构的数控系统。它 提供给用户最大的选择和灵活性，其c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅 是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各 种品牌的声卡和相应的驱动程序一样，用户可以在w i n d 0 w sn t 平台上，利用 开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前 几种数控系统相比，s 0 f t 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最具 有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋 势，其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的 p a 8 0 0 0n t 等。 目前，国际上与开放式数控研究相关的项目比较多，但是最具影响力的仍是 美国的o m a c 计划、欧洲的o s a c a 计划以及日本的o s e c 计划，我国目前国内 已有的开放式数控系统有四种：华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。国 内的开放控制系统各有优点，且经过近几年的攻关，有了较大的提高，但从数控 系统的发展趋势看，它们与国外的相比仍有一定的差距，仍有许多需要完善之处。 开放式数控系统是数控系统发展的必然趋势，其发展趋势体现在以下几个方 面【6 】： ( 1 ) 界面友好：采用w i n d o w s 系列操作系统作为其软件操作平台，具有易 操作、界面友好的特点； ( 2 ) 兼容性好：软、硬件平台结构包容性大，具有更强的适应性及软件资 源丰富性； ( 3 ) 标准化、通用化和模块化：通过选择不同的标准化模块可组成各种数 控机床的控制系统能方便地移植计算机行业或自动化领域的成果，也便于现有的 数控系统进一步扩展及升级； ( 4 ) 高速、高可靠性：主轴最高转速可达6 0 0 0 0 r m i n ，进给速度达到6 0 m m i n ， 系统平均无故障时间( m i b f ) 达到3 0 0 0 0 h 以上： ( 5 ) c n c 的智能化：引进自适应控制技术，系统可自动调整有关参数，以 达到系统运行的最优化： 硕士学位论文 ( 6 ) 网络化：具有强大的通讯联网功能，保证数控系统与标准网络( 包括 互联网) 无缝连接，实现软硬件资源共享。 随着计算技术、信息技术、网络技术的迅速发展，开放式数控系统的优越性 已被越来越多的系统制造商、设备制造商和用户所认识和欢迎。它满足了目前技 术、市场、生产组织等多方面快速变化对数控系统的柔性和通用性提出的要求， 为将来车间自动化向更高层次的集成提供了广阔的前景，极大地提高了制造业的 国际市场竞争能力。因此，我们要把握好契机，开发出能与国际数控技术相媲美 的开放式数控系统，提高我国民族数控产业在国际市场上的竞争能力1 7 j 。 1 2 ，3 数控编程的现状及发展趋势 随着数控机床在生产实际中的广泛应用，数控编程已经成为数控加工中的关 键问题之一，而程序质量的好坏在很大程度上决定了零件的加工质量和数控机床 的使用效率。由于数控编程在数控加工中的重要性，数控编程技术随着整个数控 技术的发展而发展，到目前数控编程技术较早期有了飞跃性的提高，许多原来需 由人工处理的问题，如今均可由数控系统或数控编程软件来完成，从而简化编程 并减少程序出错。数控程序的编制方法主要可划分为如下几种： ( 1 ) 手工编程 由人工完成编程各阶段的工作，这对于几何形状简单、加工程序短、数据处 理简单而不易出错的零件显得经济实用。因此，目前国内大部分的数控机床编程 处于这一层次。 图11 手工编程流程图 随着新型数控系统的不断推出，数控系统编程的功能日趋丰富完善，手工编 程所能处理的工作已今非昔比。许多数控系统具有参数计算、程序跳转，子程序 调用等功能，用以实现非圆曲线的数控加工，当然这必须由人工建立数学模型； 另外，一些固定循环及轮廓编程等在系统界面上实现了简单的图形对话编程，大 大简化了手工编程工作【8 i 。 可以说，当前有许多新的数控系统在编程方面已有了长足的进步，编程界面 也相当友好，但毕竟其工作主要由人工去完成，因此，当零件复杂、数据处理等 工作量大时，手工编程就显得耗时且不可靠。据统计，手工编程时零件编程时间 与机床实际加工时间之比平均约为3 0 ：1 ，而机床停机原因中约3 0 是由程序造成 的。 ( 2 ) 自动编程 s l n u m e r i k 8 4 0 d 在轧辊磨床曲线加 ：中的应用 自动编程是借助于电子计算机进行辅助编程，通常包括语言编程方法( 如a p t 语言编程系统) 和图形数据编程方法。整个编程过程除制定工艺方案一般仍需由 人工参与外，其余各项工作均依靠计算机及编程软件或编程机等工具自动完成， 编程效率、可靠性高，适合于复杂零件的编程。 图12 自动编程流程图 语言自动编程。用自动编程语言( 数控语言) 将加工零件的几何信息、工艺 信息等编写成源程序输入到计算机，计算机在自动编程系统软件支持下，进行翻 译、数值计算、后置处理等而自动生成加工程序。典型的自动编程语言有：a p t ， e x a p t ，f a p t 等。 a p t 语言编程，是用一种接近于英语的语言符号，对工件、刀具的几何形状 及刀具相对于工件的运动进行描述，通过计算机的a p t 编程系统编译，产生数 控加工程序。自动编程的出现使得一些计算烦琐、手工编程困难的程序能够实现。 但由于其编程直观性差，过程较复杂，在图像数据编程产生后，此种方法现已不 太使用。 图像数据编程又称图形交互式自动编程，是通过某些c a d c a m 软件以作 图的方法做出三维造型，以此为依托，输入刀具的几何形状，定义刀具相对于工 作的运动方式，生成走刀轨迹，动态仿真显示加工过程。所有这些都是采用屏幕 菜单和命令驱动方式在图形交互方式下得到。说得简单些，就好比通过计算机的 一系列“对话”，告诉计算机必要的信息，让其生成加工程序，而且所有过程都 可在计算机显示屏上直观、形象的表示出来，使得编程人员可在上机床加工前预 先判断可能会发生的问题，因此它已成为当前程序编制的主要方法，在人工智能 成功应用于编程领域前，它将在相当长的时问内占据主导地位【7 l 。 图形编程软件一般还具有数据库功能，可对常用工件材料、刀具等建立工艺 参数数据库，这样在制定工作计划时就可根据工件材料和选择的刀具及加工性质 自动生成切削工艺参数值，工作计划的制定显得轻松简便。典型的图形编程软件 确p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 、c a x a 等。 近年来，数控机床的功能日趋完善，许多企业都采用数控机床。由于编程软 件及相应计算机的购置，需要大量资金，而且其技术含量和技术难度也较大，在 一定程度上影响了其普及使用，这就要求编程人员对零件进行分析，选择合理的 编程方法( 自动编程或手工编程) ，充分利用现有的编程软件及没备，以便制定出 最佳的加工程序来保证达到设计要求，并能缩短零件的生产周期，有效的提高生 硕士学位论文 产率。 目前，我们编写加工程序是根据现有的编程软件来进行的。首先，它是由编 程人员在人工完成工艺分析和数据计算后，在计算机上输入加工程序；然后，在 微机上进行程序的调试、模拟、检验和修改；最后将完善的加工程序由微机通过 网络或其它方式输入到数控机床，避免了由人工将程序输入机床这一中间环节。 因此，这是一种介于手工编程和自动编程之间的方法，既有人工完成的工艺分析 和数据计算，又有自动编程所具有的自动模拟加工显示和程序自动传输，但它不 具备自动编程的意义，但为实际上的手工编程起到方便、快捷、准确的作用【l 。 1 3 本文的主要研究内容及组织结构 本文主要是利用西门子8 4 0 d 提供的0 e m 二次开发软件对m 8 4 1 2 5 轧辊磨床 进行二次开发，研究了非圆曲线的参数化编程方法，实现了该轧辊磨床对中凸 ( 凹) 等特殊轧辊曲线的自动加工，实现了系统内部的通讯及联网应用。 本文的组织结构如下：第l 章是绪论，介绍了本文研究的背景及义；介绍了 数控轧辊磨床、开放式数控系统、数控编程的现状和发展趋势，并对本文的主要 研究内容和组织结构作了简单介绍；第2 章介绍了西门子8 4 0 d 数控系统的功能、 特点及硬件和软件结构；第3 章研究了非圆轧辊曲线的插补方式及编程方法；第 4 章研究了参数化编程的概念、原理，并介绍了西门子8 4 0 d 用户宏指令编程的 原理及基本方法；第5 章研究了西门子8 4 0 d 如何与v i s u a lb a s i c 建立d d e 链接 以及内部通讯的实现方法。 7 s i n u m e r i k 8 4 0 d 在轧辊磨床曲线加： 中的应明 第二章西门子8 4 0 d 数控系统简介 数控系统是数控加工的核心，因此必须根据机床自身的特点和要求选择适合 的数控系统。本课题选用的西门子公司生产的s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统是一款 功能强、系统配置容量大且灵活、开放性好的数控系统，它便于开发轧辊磨床所 要求的所有操作界面及控制功能。 s i n u m e r i k 8 4 0 d 是西门子公司2 0 世纪9 0 年代推出的高性能数控系统。它 保持西门子前两代系统s i n u m e r i k8 8 0 和8 4 0 c 的三c p u 结构：人机通信c p u ( m m c c p u ) 、数字控制c p u ( n c c p u ) 和可编程逻辑控制器c p u ( p l c c p u ) ， 三部分在功能上既相互分工，又互为支持。 s i n u m e r i k8 4 0 d 建立在综合的系统平台上，通过系统设定功能而适用于几 乎所有的控制系统。s i n u m e r i k8 4 0 d 与s i m o d r i v e6 11 d 数字驱动系统和 s i m a t i cs 7 可编程控制器一起构成了一个全数字控制系统，用于各种复杂零件 的加工任务 。标准的控制系统具有大量的特殊功能，如钻削、铣削、车削、磨 削和手动加工技术。该系统也适用于其它特种技术，如剪切、冲压和激光加工等。 同时，该系统是一个开放式数控系统，机床制造商可以在系统中集成其特有的专 业知u ，因而以数控为中心，用户可以根据不同的应用需求构成不同的系统。该 系统还有很高的兼容性，无论是在p l c ，h m i ( 人机界面) ，还是n c k ( 数控中 央单元) 中。 2 1 西门子8 4 0 d 系统的功能 s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统的功能可分为以下四部分： 人机界面h m i 可编程控制器p l c 数控内核n c k 驱动控制s i m o d r i v e 驱动 人机交换界面负责n c 数据的输入和显示，它由0 p ( o p e r a t i o np a n e l ) 单元、 m m c ( m a nm a c h i n ec o m m u n i c a t i o n ) 、m c p ( m a c h i n ec o n t r o lp a n e l ) 三部分。m m c 实际上就是一台计算机，有自己独立的c p u ，还可以带硬盘，带软驱；o p 单元 正是这台计算机的显示器。我们最常用的m m c 有两种：m m c c l0 0 2 和m m c l 0 3 ， 其中m m c l o o2 的c p u 为4 8 6 ，不能带硬盘：而m m c l 0 3 的c p u 为奔腾，可以 带硬盘，般用户为s i n u m e r i k 8 1 0 d 配m m c l o o 2 ，而为s i n u m e r i k 8 4 0 d 配 m m c l 0 3 。 s i n u m e r i k 8 4 0 d 配置的驱动一般都采用s i m o d r i v e 6 1 1 d ，它包括电源模 块和驱动模块( 功率模块) 两部分。除此之外，它还实现了以上各组成部分和外 硕士学位论文 部元件的通讯，各部分的功能如图2l 所示。 图2 1 西门子功能框图 2 2 西门子8 4 0 d 系统的组成 2 2 ，1 硬件结构 西门子8 4 0 d 数控系统的结构框图如图22 所示，其硬件结构的主要功能部 件有： ( 1 ) 数字控制单元n c u n c u ( n u m e r i c a lc o n t r o lu n i t ) 是s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统的控制中 心和信息处理中心，数控系统的直线插补、圆弧插补等轨迹运算和控制以及 p l c 系统的算术运算和逻辑运算都是由n c u 完成的。在s i n u m e r i k8 4 0 d 中，n c - c p u 和p l c c p u 采用硬件体化结构，合成在n c u 中。 ( 2 ) 人机通信中央处理单元m m c c p u m m c c p u 的主要作用是完成机床与外界及与p l c c p u 、n c c p u 之间 的通信，内带硬盘，用以存储系统程序、参数等。 ( 3 ) 操作员面板o p 0 3 1 操作员面板o p 的作用是：显示数据及图形，提供人机显示界面；编辑、 修改程序及参数；实现软功能操作。在s i n u m e r i k8 4 0 d 中有o p 0 3 l 、o p 0 3 2 、 0 p 0 3 2 s 、o p 0 3 0 以及p h g 等5 种操作员面板，其中o p 0 3 l 是常使用的操作 员面板。 ( 4 ) 机床操作面板m c p m c p 是专门为数控机床而配置的，它也是o p i ( 操作面板接口) 上的一 个节点，根据应用场合不同，其布局也不同，目前，有车床版m c p 和铣床 一9 s l n u m e r i k 8 4 0 d 在轧辊磨床曲线加工中的应用 版m c p 两种。对8 1 0 d 和8 4 0 d ，m c p 的m p i 地址分别为1 4 和6 ，用m c p 后面的s 3 开关设定。 对于s i n u m e r i k 8 4 0 d 应用了m p i ( m u l t i p l ep o i n ti n t e r f a c e ) 总线技术， 传输速率为l8 7 5 k 秒，o p 单元为这个总线构成的网络中的一个节点。为提 高人机交互的效率，又有0 p i ( o p e r a t o rp a n e l i n t e r f a c e ) 总线，它的传输速 率为1 5 m 秒。 m c p 的主要作用是完成数控机床的各类硬功能键的操作，主要有以下6 个硬功能键操作： 操作模式键区 可选择的操作模式有j o g 、m d a 、t e a c hi n 和a u t o 等4 种操作模式。 轴选择键区 实现轴的选择，完成轴的点动进给、回参考点和增量进给。 白定义键区 图22 西门子8 4 0 d 数控系统的结构框图 硕士学位论文 供用户使用，通过p l c 的数据块实现与系统的联系，完成机床生产厂所 要求的特殊功能。 主轴操作区 主轴倍率开关，实现主轴转速0 15 0 倍率修调。主轴起停按钮实现主 轴驱动系统的起停，一般控制主轴驱动系统的脉冲使能和驱动使能。 进给轴操作区 进给轴倍率开关，实现主轴转速o 2 0 0 倍率修调。进给轴起停按钮实 现进给轴驱动系统的起停，一般控制进给轴驱动系统的脉冲使能和驱动使 能。 急停按钮 实现机床的紧急停车，切断进给轴和主轴的脉冲使能和驱动使能。 ( 5 ) i ，r f 主电源模块 主电源模块主要功能是实现整流和电压提升功能。 ( 6 ) 驱动系统 它包括主轴驱动系统和进给驱动系统两部分。 下图是西门子8 4 0 d 数控系统的硬件结构框图： 图238 4 0 d 数控系统的硬件结构框图 2 ，2 2 软件结构 西门子s i n u m e r i k 8 4 0 d 的系统软件结构很大程度取决于硬件组成，西门子 8 4 0 d 继承了框架式数控系统的传统，采用多c p u 一体化框架。s i n u m e r i k8 4 0 d 软件系统包括4 大类软件：m m c 软件系统、n c 软件系统、p l c 软件系统和通信及 s i n u m e r i k 8 4 0 d 在轧辊磨床曲线加工中的应用 驰动接口软件。 2 2 21m m c 软件系统 人机通讯模块m m c l 0 3 是8 4 0 d 数控系统的重要组成部分，在m m c l 0 2 1 0 3 以上系统均带有5 g b 或1 0 g b 的硬盘，内装有基本输入、输出系统( b i o s ) 、 d r d 0 s 内核操作系统、w i n d o w s 9 5 操作系统、以及串口、并口、鼠标和键盘接 口等驱动程序，支撑s i n u m e r i k 与外界m m c c p u 、p l c c p u 、n c - c p u 之间 的相互通信及任务协调。 2 2 2 2n c 软件系统 n c 软件系统包括下列内容： ( 1 ) n c k 数控内核初始引导软件，该软件固化在e p r o m 中。 ( 2 ) n c k 数控内核数字控制软件系统 它包括机床数据和标准的循环子系统，是西门子公司为提高系统的使用效能 而开发的一些常用的车削、铣削、钻削和镗削功能等软件。用户必须理解每个循 环程序的参数含义才能进行调用。 ( 3 ) s i n u m e r i k6 1 1 d 驱动数据 它是指s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统所配套使用的s i m o d r i v e6 11 d 数字式 驱动系统的相关参数。 ( 4 ) p c m c i a 卡软件系统 在n c u 上设置有一个p c m c i a 插槽，用于安装p c m c i a 个人计算机存储卡， 卡内预装有n c k 驱动软件和通信软件等。 22 23p l c 软件系统 p l c 软件系统包括p l c 系统支持软件和p l c 程序。 ( 1 ) p l c 系统支持软件 它支持s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统内装的c p u 3 15 2 d p 型可编程逻辑控制 器的f 常工作，该程序固化在n c u 内。 ( 2 ) p l c 程序 它包含基本p l c 程序和用户p l c 程序两部分。 2 2 2 4 通信及驱动接口软件 它主要用于协调p l c c p u 、n c c p u 和m m c c p u 三者之间的通信。 2 3 西门子8 4 0 d 系统的特点 根据设备的加工要求及使用特点选用s i n u m e r i k 8 4 0 d 作为控制系统无疑是 一种最佳选择，因为它具有以下的特点1 2 】： ( 1 ) 参数化编程：运用用户变量、系统变量、算术三角函数、比较或逻辑运算、 硕士学位论文 程序跳转、程序调用、宏调用等功能，给机床的使用带来了极大的自由度。 ( 2 ) 操作系统视窗化：利用w i n d o w s 技术改变人机界面使操作界面适合于不同的 控制任务，窗口式的设计使操作者可以对过程进行全面监控。 ( 3 ) 轴控规模大：最多可以配3 1 个轴，其中可配l o 个主轴。可以实现x 、y 、z 、 a 、b 五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。 ( 4 ) 模块化设计：s i n u m e r i k8 4 0 d 的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的 功能模块，使系统连接更加简单。 ( 5 ) 软件内容丰富功能强大：s i n u m e r i k8 4 0 d 可以实现加工( m a c h i n e ) 、参数 设置( p a r a m e t e r ) 、服务( s e r v i c e s ) 、诊断( d i a g n o s i s ) 及安装启动( s t a r t u p ) 等几大软件功能。 ( 6 ) 具有远程诊断功能：如现场用p c 适配器、m o d e m 卡( 调制解调器) ，通过 电话线实现s i n u m e r i k 8 4 0 d 与异域p c 机通信，完成修改p l c 程序和监控机床状 态等远程诊断功能。 2 4 西门子8 4 0 d 数控系统的接口 西门子8 4 0 d 数控系统的硬件接口图如下图所示 穑 h 、p ，j。 8 9 l u s l s 2 o s 3 o s a 队d 狐 x 1 0 1 操作面板接口( o p i ) x 1 0 2p r o f i b u s 接口 x l l 2 预留接口 x 1 1 1s i m a t i c 接口 x 1 2 2p c 接口 x 1 2 1i ，0 接口 错误和状态显示 复位 玎v i i 按钮 n c k 启动开关 p l c 启动开关 x 1 3 0 a s i m o d r i v e 6 1 ld 接口 x 1 3 0 b 数