（电气工程专业论文）全数控凸轮轴磨床磨削软件研究与设计.pdf

a b s t r a c t t h ec n c s y s t e mw i t ho p e nc h a r a c t e rh a sb e e nt h em a i ns t r e a ma n da b s o l u t et r e n d i nr e c e n ty e a r sa n di tp r o v i d ew i t hs o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do np o w e r f u ls o f t w a r ea n d h a r d w a r er e s o u r c e s ，a l lt h e s eh a v em a d et h eg e n e r a lc n cw i t hm o r ew i d er a n g eo f a p p l i c a t i o nw h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rf l e x i b i l i t yo fm o d e r nm a n u f a c t u r i n g a n dm a c h i n i n g i ti sw i d e l yu s e di ns p a c e f l i g h t ，a u t o m o t i v e sa n dp r e s i o ni n s t r u m e n te t c t h er e s e a r c hf o ro p e nc n ci so fp r a c t i c a lm e a n i n g t h i st h e s i sp r e s e n t st h er e s e a r c h a n dd e s i g no ft h es o f t w a r es y s t e mo ft h eo p e nc n cb a s e dc a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n e t r a d i t i o n a lc n cs y s t e mi su n a b l et og e n e r a t et h em a n u f a c t u r i n gp r o g r a mb y i t s e l f , a n di m p l e m e n t ss i m p l ei n t e r p o l a t i o na l g o r i s mw h i c hi so b v i o u s l yf a rb e l o wt h e r e q u i r e m e n to ft h em a c h i n et o o lu s e r sf o rf l e x i b i l i t ya n dp r e c i s i o n t h es e c o n dt i m e d e v e l o p m e n to fs i e m e n s8 4 0 do e ms o f t w a r ei sd o n ea n dt h eh m if o rc n cc a m s h a f t g r i n d i n gi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h et h e o r yo fi n t e r p o l a t i o nt o g e t h e rw i t ht h eg e o m e t r y c h a r a c t e ro fc a m s h a f t ，t h i st h e s i sd e d u c e st h ec a m s h a f ti n t e r p o l a t i o na l g r i s ma n d a n a l y s e st h ee r r o r ，w h i l ea tt h es a m et i m es o m er e s e a r c ho ft h ec o n s t a n tl i n e a rs p e e d g r i n d i n gf o rc a m s h a f ti sd o n et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g hp r e c i s i o na n dh i g h e f f i c i e n c y t h eg e o m e t r ya n dp h y s i c a ls i m u l a t i o no fc a m s h a f tg r i n d i n gi s p r e s e n t e dt o i m p r o v et h ep r o g r a mf o rh i g hp r e c i s i o n t h er e a l t i m em o n i t o r i n gi sr e a l i z e db yp l c a n d t w od i f f e r e n tm e t h o d so fm e a s u r i n gr e p o r ta r ep r o v i d e dt op r o v et h ev a l i d i t yo ft h e g r i n d i n gs o f t w a r ea n ds i m u l a t i o no ft h i st h e s i s k e yw o r d s ：o p e nc n c ；c a m s h a f tg r i n d i n g ；h m i ；i n t e r p o l a t i o n ；r e a l t i m em o n i t o r i n g 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文足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：锨钇 同期：。f 年f 月印日 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。本人授权湖南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 1 、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“4 ”) 作者签名：联乌位 导师繇毒分蚕 日期： 日期：日日 7 今， 瑚朋 年年 第1 章绪论 本文的整个研究工作是紧密围绕本人参与的东风康明斯的全数控凸轮轴磨床 项目的设计、开发工作而展开的。该机床采用目前世界上较为先进的开放式的 s i e m e n s8 4 0 d 作为数控系统，与s i n u m e r i k6 1 1 数字驱动系统和s i m a t l cs 7 可编程控制器一起，构成全数字运动控制系统。本文回顾了开放式数控系统产生 和发展的历史，并对其未来的发展趋势作了展望。介绍了s i e m e n s8 4 0 d 全数字 运动控制系统，基于s i e m e n s8 4 0 d 开放数控系统基础上，对系统进行二次开发， 开发出了符合柔性制造需要的智能磨削软件系统以及凸轮轴磨削实时监控系统 等。这些对于机床制造商、机床用户乃至系统开发厂家而言无疑都有重要意义。 1 1 开放式数控系统的发展历程 1 9 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机。1 9 5 2 年，计算机技术应用到 了机床上，在麻省理工学院( m i t ) 诞生了第一台数控机床。从此，数控机床的发展 日新月异，到今天已经历经了两个阶段和六代： 1 9 5 2 1 9 7 0 年为数控( n c ) 阶段，这一阶段划分为三代，即第一代电子管( 1 9 5 2 年) ；第二代晶体管( 1 9 5 9 年) ；第三代小规模集成电路( 1 9 6 5 年) 。 自1 9 7 0 年起，小型计算机用于数控，数控技术进入计算机数控( c n c ) 阶段， 这是第四代数控；1 9 7 4 年进入第五代数控，其特征为微处理器用于数控；2 0 世纪 9 0 年代开始后基于p c 的数控( p c n c ) 开始得到迅速发展。 经过上述半个世纪的发展，数控机床已经形成了高、中、低档俱全，涵盖各 种功能的不同产品系列。传统的数控系统一直沿着闭式结构向前发展，对用户来 说，这种闭式数控系统只是一个被定义了输入和输出的黑匣子，其内部细节是不 可知的。这种数控系统最大缺点就是在原来基础上很难或几乎不可能再加入新的 控制策略方案和扩展新功能。随着计算机在制造过程中的广泛应用，改善制造过 程性能的需求越来越强烈，这种封闭式结构的局限性也越来越明显。制造厂家逐 渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把 特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形 交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过 这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这一市场发展的客观趋势 促成了一个新的概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统。为 适应不断发展的现代技术需求，未来的c n c 控制器必须能够被用户重新配置、修 改、扩充和改装，并允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与控制系统，而 全数控凸轮轴磨床磨削软件研究与设计 不必重新设计硬件和软件嘲。 1 。2 开放式数控系统的概念 开放式数控系统研究的主要目的是解决变化繁杂的需求与控制系统专一固定 的框架之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统工具平台，极大地增强数 控系统的柔性和适应性。一方面可以使得主机厂能够摆脱对单一数控系统供应商 的依赖，更加自由地将自己或第三方的面向用户的解决方案与系统集成，另一方 面又可使控制系统的厂商专注于提高系统本身的性能，大大减少各类维护的费用和 缩短交货期。实际上，当今一些先进的数控系统生产厂家已经看到了这一点，越来 越多的数控系统在某种程度上也提供了一定的柔性，我们称为有限度地开放。如：局 部开放控制系统的非实时部分，允许对它进行一定的修改；在严格规定的前提下， 允许在控制系统的实时部分增加特定的功能。 开放的概念首先是由美国提出的。1 9 9 4 年底，g m 、f o r d 和c h r y s l e r 首次提 出了o m a c ( o p e n 、m o d u l a r a r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r s ) 即开放式、模块化体系结构控 制器的概念。一个公认的定义称开放化就是容许把流行的硬件和软件集成为控制 器的基础结构，它支持一个“事实上的标准环境”。o m a c 的基本目的是规定控制 器制造商所生产的产品符合开放化、模块化体系控制器的要求，并使用户受惠。 使用本结构可使制造者减少最初投资、缩短开发时间、得到最大的机器可使用时 间，减少维护费用、容易把使用者的专业技术集成在系统上；可插入和运行各种 硬件和软件、可有效地重新构架控制器以适应新过程，并且能结合进新技术。 与此同时，在欧洲也提出了自动化控制系统的开放式体系结构( o s a c a ) 的 概念。1 9 8 7 年1 1 月，在德国机床制造厂联合会( v d w ) 的支持下由司徒加特大学的 制造控制技术研究所o s w ) 开始了对“未来控制技术”的研究。提出了对未来控制方 案的要求，也就是对开放式控制系统体系结构的要求：模块化结构、连续性、公 用的标准化接口、生产时间和费用的优化，满足工业应用环境下的质量标准，操 作界面简易，类型大小可变且装配灵活，开放固化的控制接口( 硬件和软件) ，提供 项目规划和设计的辅助工具、服务、维护、诊断、修改和培训，优秀的性能价格 比5 川。 i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 总结了对开放式系统的定义是：一个开 放式系统应能使各种应用系统有效地运行于不同供应商提供的平台上，具有与其 他应用系统相互操作及用户交换的特点。可概括为： ( 1 ) 开放性。建立开放结构控制器平台，使控制系统具有硬件无关性，用户可 根据需求选用通用p c 机，利用p c 机上w i n d o w s 环境形成良好的人机界面。 ( 2 ) 移植性。用户可随意增加或减少控制功能，配置不同的伺服轴数和p l c 点 数，并能配置不同开发商生产的标准软件或自己开发的软件。 2 ( 3 ) 扩展性。通过开放结构控制器平台，可任意添加应用模块。 ( 4 ) 网络化。开放式数控系统与机床各驱动部分之间有多种国际标准数字通信 接口( 同轴电缆或光缆) 和通信协议，用于高速通信和网络互连。 1 3 开放性数控系统的硬件结构 2 0 世纪9 0 年代后期，数控系统的体系结构觚封闭转向开放，从而使得数控系统 能够充分利用计算机的软件和硬件资源，根据控制对象的不同要求，灵活地变更软 硬件组成，适应不同用户的需求。开放式体系结构成为数控系统发展的趋势。开放 式数控系统的主要目的是解决复杂变化的市场需求与控制系统专一的固定模式之 间的矛盾。使数控系统易变、紧凑、价廉，并具有很强的适应性和二次开发性。随着 计算机技术、信息技术、网络技术的迅速发展，目前开放式数控系统基本有3 种结 构形式。 ( 1 ) c n c + p c 主板 采用传统数控专用模板( 包括内置式p l c 单元、带有光电隔离的开关量i o 单 元、多功能模板) 嵌入通用p c 机构成数控系统。系统可以共享计算机的一部分软 件、硬 牛资源，计算机的作用在于进行辅助编程、监控、编排工艺等工作。与传 统的c n c 系统相比，具有硬件资源的通用性以及软件的再生性。尽管这类系统已 经具备了开放式的某些特点，并可适应不同用户需求而灵活配置，但由于数控系统 的开放性仅限于p c 部分。而专用的数控部分仍处于封闭结构。且其运行在d o s 操作系统下，使得p c 机的潜力未能充分发挥，系统的功能和柔性也受到了限制。 ( 2 ) 通用p c + 开放式运动控制器 系统是完全采用以p c 为硬件平台的数控系统。其主要部件是计算机和运动控制 器。机床的运动控制和逻辑控制功能由独立的运动控制器完成。具有开放性的运 动控制器是该系统的核心部分，它是由p c 硬件插件构成的。运动控制器以美国 d e l t at a u 公司的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i p l e a x i sc o n t r o l l e r ) 多轴运动控制器最 具代表性，控制器本身具有c p u ，同时开放通信端口和结构的大部分地址空间， 实现通用的d l l 同p c 相结合。该运动控制器成功地采用了m o t o r o l a 的d s p5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 数字信号处理芯片加上专用的用户门阵列芯片与p c 机的柔性相结合，使得 p m a c n c 可同时控制4 8 轴，其控制速度、分辨率等性能远远优于一般的控制器。 目前开发的t u r b op m a c ，p m a c 2 ，m a c r o ( 光缆控制环路) ，u m a c 等采用 最新技术的控制器，可以实现最多1 2 8 轴的运动控制。p m a c 具有开放性的特点， 给用户提供更大的柔性。硬件结构的开放性表现在： 1 p m a c 适应多种硬件操作平台，可以在i b m 及兼容机上运行，在w i n 9 5 9 8 2 0 0 0 n t 及l u n i x 下运行及开发；允许同一控制软件在p c ，s t d ，v m e ，总线上运 行；因此提供了多平台的支持特性。 全蝥鹜曾篓塑童童塞型鍪丝些垒皇塞兰 2 可适用于各种电动机，包括普通的交流电动机，直流电动机，交、直流伺 服电动机，直线电机，步进电机及液压马达等。能连接模拟和数字的伺服驱动器。 3 可以与不同的检测元件连接，如测速发电机、光栅、旋转变压器、激光干涉 仪、光电编码器等。 4 p m a c 的大部分地址向用户开放，包括电机、坐标系的所有信息及各种保 护信息等。 软件结构的开放性表现在： 1 面功能。支持各种高级语言，p m a c 提供1 6 位、3 2 位的d l l 及a c t i v e x 控件，用户可以采用c + + ，v b ，v c ，d e l p h i 在w i n 9 5 9 8 2 0 0 0 n t 下开发人机界 面接口。 2 p l c 功能的开放。内置式软件化p l c ，可将i 0 扩展到1 0 2 4 点，可编制 6 4 个异步p l c 程序。 3 机床语言的开放。p m a c 支持用户调用现成的直线、圆弧、样条、p v t 三次曲线等插补模式，同时支持标准的r s 2 7 4 代码，用户还可以自定义g ，m ，t ， d ，s 代码，实现特定功能。 图1 1p c + 开放式运动控制器硬件配置图 ( 3 ) 完全p c 的全软件形式的数控系统 完全采用p c 的全软件形式的数控系统，目前正处于研究阶段还未形成产品。 全软件数控以应用软件的形式实现运动控制。欧盟的o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 计划在第二期工程提出的“分层 的系统平台+ 结构化的功能单元a 0 ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) ”的体系结构如图1 2 所示。 4 系统平台包括系统软件和系统硬件( 处理器、i o 板等) 。开放式系统的体系结构的 发展潮流是完全采用p c 的全软件形式的数控系统，用户可以借助一些通用工具和 平台随心所欲地搭建自己的数控系统，进行二次丌发，实现特殊的需求和功能”“。 结构化 功能攀元 1 分层的 系统平台 图1 2o s a c a 的体系结构 1 4 开放性数控系统的软件结构 系统采用前、后台型软件结构，即由前台程序和后台程序所组成。前台程序 指实时中断程序，包括实现插补、伺服驱动、机床相关逻辑、故障检测与诊断等 所有实时任务。图1 3 为后台服务程序。后台程序是指循环运行程序，主要功能 是实现各种功能的切换、数据处理、动态显示运行状态等。系统实现的关键技术 包括实时多任务处理，人机界面设计技术等，以便能充分发挥数控系统的软、硬 件资源。在c n c 控制器上运行，操作者可以观察、检测刀具运行情况和加工过程， 还可以对加工过程进行必要的修正，实现真正的c a d c a m c n c 集成，并趋向于 智能化控制。 图1 3 后台服务程序 1 5 对于全数控凸轮轴磨床进行二次开发的意义 凸轮或凸轮轴是高速精密传动机构的核心部件，是柴油机、汽油机等机械产品 中大量使用的关键零件。其加工质量尤其是型线的加工质量直接影响设备的使用 耋茎篓盆兰蛰耋奎譬型竺型! ! 垒：丝生 性能。因此，凸轮型线的加工精度要求很高。由于它的特征曲线都是复杂的曲线， 其加工比较困难，国内众多机械制造企业普遍采用靠模仿型磨削加工，人工修研 的传统方法来完成凸轮型线的磨削加工1 。这种方法加工凸轮存在着以下主要问 题： ( 1 ) 砂轮或靠模磨损后，产生升程误差： ( 2 1 工件恒速旋转，凸轮廓线上各点切削速度不一致，造成磨削烧伤、振痕等 缺陷，影响表面质量； ( 3 ) 靠模的制造过程十分复杂，生产准备周期长，柔性差，不能适应快速、规 模化的生产需求。 二汽东风康明斯公司根据其行业发展及自身特点，针对其全数控凸轮轴磨床 提出了一些亟待解决的问题及相应的技术要求，主要有： ( 1 ) 对于以往的数控机床而言( 靠模除外) ，工件加工数据的建立以及针对加 工零件的数学模型产生加工工件子程序是十分烦琐费时的，通常要在数控系统外 接( 如笔记本电脑) ，并安装专用工件数学模型计算软件进行计算然后输入数控系 统( 如图1 4 1 ，从经济角度及效率上远不能满足现代高速数控加工的需要，因此 需要全新的凸轮加工程序算法，可以在数控系统上完成原始理论数据的输入，加 工算法的计算，加工程序的产生。 ( 2 ) 通用的标准数控系统本身不具有图形交互功能，无法进行磨削图形仿真及 对系统监控能力差，从而使操作者无法直观的对磨削情况有一定的了解。针对这 一情况，需要根据磨削的几何和物理特性建立磨削的数学模型，通过软件开发完 成磨削的算法仿真，以及图形监控。 ( 3 ) 由于操作者或者程序调试人员在进行机床加工及程序调试时由于误操作及 程序本身的缺陷有可能造成设备或者人员的损伤，因此需要完善的加工安全和监 控系统，以保护设备和人员的安全。 虽然标准数控系统功能强大，但是在应用于凸轮轴系统时，依然有许多局限 处，完成凸轮轴用户提出的技术要求是由很大局限性的，综合加工的效率、加工 的柔性、加工的附加功能等多个角度考虑，对标准系统进行二次开发都是有实际 意义的“1 。 6 硕士学位论义 图1 4 传统c n c 系统框图 1 6 本文研究的主要内容 本文对西门子8 0 4 d 开放系统包括软件，硬件系统的功能及其原理实现作了深 入研究并基于此系统以及二汽东风康明斯对数控机床的技术要求对西门子o e m 软件h m ip r op a c k a g e6 3 功能进行了开发并以此为平台结合v c + + ，v b 以及 p l cs 7 3 0 0 ，对系统进行了二次开发，本文对发动机用凸轮的几何结构进行了剖 析，并在此基础上对数控磨削中至关重要的两个方面即，磨削插补算法和恒切除 率磨削进行了研究，完成了磨削数学模型的建立从而可以通过平台软件完成自动 产生加工程序，磨削系统仿真是本文的重点之一，在完成对加工代码的全面分析 和编程规则解读后，介绍了几何仿真的实现原理和实现方法。本文详细的推导了 凸轮轴磨削的物理模型，并在一系列理论以及经验算法的基础上进行了物理仿真。 本文还详细介绍了在已经开发的系统软件平台的基础上，完成对西门子8 4 0 d 数控 系统在自动和手动两种状态下的磨削监控的软件开发，本文介绍了利用西门子专 用软件，并且通过对开放的系统开放的控制功能，通过p l cs 7 3 0 0 进行程序开发， 实现机床操作的安全控制策略。本文在最后对所开发的磨削软件及算法的有效性 进行了验证，提供了权威的检测报告。 本文的创新点在于将数据图形交互通过g e m 软件为接1 2 1 引入数控系统进行 磨削过程图形仿真，并取得了非常不错的结果，同时基于西门子二次开发软件的 工件磨削的在线实时监控的实现也成为本文的创新所在，这是对传统的数控系统 所欠缺的图形交互的重要补充和数控系统二次开发的主流趋势之一。 三鍪堡坌丝塾塞窒墼型坚竺翟：耋鎏基 第2 章西门子8 4 0 d 运动控制系统的基本功能原理 2 1 引言 近年来，随着机床用户对加_ 要求的逐渐提高，对于机床本身也有了更多的 要求，如稳定性、精确性、柔性等，而这些无疑都是由机床的机械以及硬件配置 和软件构成决定的。因此对于本文研究的数控系统的基本原理以及硬件和软件系 统的深入分析就显得十分必要和有意义。同时作为开放式系统而言，其进行二次 丌发的o e m ( 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 ) 软件在整个系统的软件系统中起 着至关重要的作用。 2 2s l n u m e r l k8 4 0 d 数控系统性能 2 2 1s l n u m e r i k8 4 0 d 的主要技术特性 s 1 n u m e r i k8 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。在物理结构上，n c c p u 和p l cc p u 合为一体，合成在n c u ( n u m e r i c a lc o n t r o lu n i t ) 中，但在逻辑功能 上相互独立。s i n u m e r i k8 4 0 d 主要技术特性如表2 1 所示。 表2 1s i n u m e r i k8 4 0 d 主要技术特性 功能特性功能描述功能类型功能描述 控制特性基于s i m o d r l v e6 1 1内置p l c s 7 3 0 0c p u 3 1 5 - 2 d p 驱动特性 s i m o d r i v e6 1 l d 处理周期 0 3 m s 通道数 l o p l c 内存容量 9 6 k b 2 8 8 k b 存储器容缓存2 5 m b ( 可扩2 5 m b ) +最大d i d o 2 0 4 8 2 0 4 8 量硬盘1 0 g b 最大进给 3 1 3 1 补偿种类反向间隙+ 螺距误差+ 测鼍系 轴数主轴统误差+ 温度误差 插补方式 ( 1 ) 直线插补4 轴联动 机床i t 控制方案w i n d d e + s i n c o m + a & d 数 ( 2 ) 螺旋插补 据管理 操作方式 j o g + m d a + t e a c hi n 操作显示系统o p 0 1 0 或o p 0 1 5 + m c p 刀具管理 6 0 0 通信方式 r s 2 3 2 + m p i + p r o f i b u s 在表2 1 中要说明的几点是： 倾 j 学位论文 1 s i m o d r i v e6 1 1 d 是s i e m e n s 公司推出的数字式交流伺服系统。 2 j o g ：点动操作模式，该操作模式。 m d a ：半自动操作模式，输入少量程序段并能自动运行。 t e a c hi n ：示教操作模式，该方式可使坐标手动移动的轨迹转化为加工程序。 a u t o m a t i c ：自动操作模式，零件编好后自动运行，完成加工任务。 r e p o s ：回机床参考点模式，为机床建立一个绝对坐标系。 2 3s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统的硬件原理 s i n u m e r i c8 4 0 d 是由数控及驱动单元( c c u 或n c u ) ，m m c 和p l c 模块 三部分组成的。而这三个主要部分的构成原理以及其相互关系对于本文将要进行 的研究工作，无疑是十分重要的，因此分别进行说明。 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 l 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、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 采用硬件一体化结构，合成在n c u 中。 9 令数拧凸轮轴磨床磨削软件研究与墁计 圈2 1s i n u m e r l k8 4 0 d 数控系统硬件结构原理图 2 4s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统软件结构 2 4 1s ln u m e r i k8 4 0 d 系统软件 s i n u m e r i k8 4 0 d 软件系统包括3 大类软件：m m c 软件系统、n c 软件系统、 p l c 软件系统和通信及驱动接口软件( 如图2 2 所示) 。 1 0 图2 2 西门子8 4 0 d 数控系统软件系统圈 2 4 20 e m 软件功能 本文采用的是用于8 4 0 d 系统的o e m 专用软件m m c l 0 3 ，o e m 开发软件一般由 机床制造厂，机床改造商使用。根据用户需求设计各种机床界面，其主要功能如下： 1 n c u 中各种变量的访问，如刀偏、零偏、轴坐标值等； 2 r 参数的访问； 3 p l c 中各种变量的访问，如i o 口、标志区m 、数据块d b 等： 4 n c u 中文件读取； 5 m m c l 0 3 中文件读取； 6 利用v b ，v c + + 设计应用界面，如显示数据：图形：输入数据：管理文件 及对外部的控制等。 由以上各种功能作为基础，可以完全改变机床制造商和使用商对机床的原始 数据的获取和利用程度。用户可以通过人机界面作为媒介把系统参数，磨削参数， 运行实时参数等和控制参数结合完成对整个磨削过程更好的控制“”“。 全数控“轮轴磨床磨削软件研究与敬计 2 5 本章小结 本章对西门予8 4 0 d 数控系统的比较显著的性能指标作了简要的介绍，同时介 绍了其主要的硬件构成的主要功能部件，包括数控单元、人机通讯单元、p l c 等 这些硬件单元使其具有强大的处理以及运算、监控、驱动等能力。而8 4 0 d 数控系 统的软件构成则包括：m m c 软件系统、n c 软件系统、p l c 软件系统等。分别支 持数控系统上位机运行，伺服电机系统驱动以及p l c 控制器的控制，这三者互相 支持、缺一不可构成了全数控系统的必要体系。 第3 章基于西门子8 4 0 d 数控系统的凸轮轴磨削软件设计 3 1 引言 标准数控系统尽管软件、硬件的功能都f + 分强大，但在具体的应用场合比如 磨床，铣床等，就会有诸多值得改进和提高的地方。枷i 准数控系统注重于磨削过 程本身，从而对于磨削这个复杂工程的其他方面，诸如加工程序的产生、加工数 据的修改、磨削参数的设置、磨削实时监控，磨削算法仿真等硅得比较欠缺。 对于以往的数控机床而言，工件加工数据的建立阻及针对加工零件的数学模 型产生加工工件子程序是十分烦琐费时的，通常要在数控系统外接( 如笔记本电 脑) ，并安装专用工件数学模型计算软什进行计算然后输入数控系统从经济角度 及效率卜- 远不能满足现代高速数控加工的需要，为从根本上解决此问题，在开放 的西门子8 4 0 d 系统基础上应用h m i g e m 软什进行了二次开发建立磨削系统的人 机界面，从根本上解决高速全数控机床的工件数据输入，数学模型处理过程。使 加工快速转型成为可能。并在此基础上针对全数控机床加工实际需要进行了功能 扩展，对系统更有效的控制。使系统的功能更为强大。 本文将在本章及后续章节中介绍针对于此开发的功能。作为本论文研究的重 点之一，即凸轮轴磨削的数学模型以及在此基础上的适用于全数控磨床的加工程 序的建立对于从传统磨削到全数控磨削的转变是十分具有现实意义的，完成此项 工作需要多学科知识的融合，具体讲需要以下几方面的工作： 1 磨削系统人机界面的软件平台的开发 2 凸轮轴几何机构的数学模型的分析 3 凸轮轴磨削插补算法的研究 4 凸轮轴磨床的磨削模型的建立 5 凸轮轴磨削加工曲线表算法软件的开发 本章将围绕上述步骤展开，论述论文的研究工作。 3 2 人机界面的设计方法 作为实现开发者意图的载体，友好的、模块化的人机界面是大量数据交换和 运算处理的平台。基于前节对于二次开发g e m 软件的介绍，本文人机界面开发的 主体软件采用的是m m c l 0 3g e m 的最新版本即h m ip r op a c k a g e6 3 ，结合 v b 以及v c + + 等通用软件可完成各种开发要求。对于人们熟悉的标准操作界面是 显然不具备任何其他扩展功能的，那么首先从建立基本的操作按键到界面分别说 明。原则上讲，开发分为两个部分即，s o f t k e y ( 软键) 的设置和用户界面o e m f r m 明。原则上讲，开发分为两个部分即，s o f t k e y ( 软键) 的设置和用户界面o e m f r m 的设计。完成这两个部分后，用户可以通过操作面板上的按键操作，进入自己开 发的界面进行数据，文件读取以及参数修改等。 3 3 人机界面的软件平台的开发 3 3 1 人机界面在磨削软件设计中的作用 在完成对人机界面的设置以及配置文件的编程以后，可以以此为基础做各种 用途的软件设计，对于磨削算法软件的开发设计，是要以人机界面作为接口，完 成以下数据类型的处理”“， 1 凸轮轴基本型号数据 2 凸轮轴的尺寸补偿数据 3 凸轮轴位置数据和相位角 4 凸轮升程数据 以上数据对于完成凸轮的磨削算法都是必要的参数，同时部分参数是作为磨 削时，在数控加工代码中需要实时调用的参数，开发的人机界面( 如图3 1 ) 提供 了查询、编辑这些参数的平台，这完全改变了以往数控机床要靠查找r 参数进行 修改的方式，是非常直理便捷的。 一般丽言，加工凸轮的机床用户提供的是标准凸轮的升程曲线表，这是一个 二维的数据可以理解为极坐标形式。描述的是在圆周上的角度以及在这个角度时 凸轮的升程值1 。而机床加工需要的是三维的运动，从加工角度讲，提供两个相互 关联的二维曲线即，工件圆周转动的角度和对应的点砂轮转动速度也就是即，磨 削速度，也就是加工曲线表。二者的对应关系十分复杂，根据凸轮自身的几何结 构、磨床的机械运动的特点和磨削特性并结合数控系统自身的性能确定。 3 3 2 凸轮工件磨削加工数据库的建立 为满足柔性制造的需要，一台全数控凸轮轴磨床可以存储多种不同类型的工 件加工数据和相关磨削参数，通常包括加工主程序( m p f 格式文件) ，加工子程 序( s p f 格式文件) 。其中加工主程序反映的是凸轮所有桃子的信息诸如凸轮进气、 排气凸轮加工位置量、凸轮的尺寸补偿和各个桃子的相位角等，如下图3 1 所示。 而加工子程序则是单个桃子的加工盐线表，也就是前文描述的二维曲线。很显然 根据不同的凸轮数目，在加工过程中主程序会多次调用子程序。主程序的编写较 为简单，通常可根据理论数据以及现场调节来编写程序和进行修改。 利用如下界面，输入关键参数后，系统可自动存储并在实际加工中进行调用。 升程值就是在凸轮侧视的圆周结构中，相对于基匠而言的高度差。 1 4 图3 1 凸轮轴磨削数据库人机界面 3 4 凸轮轴磨削数学模型研究 对于凸轮的加工曲线的数学模型的建立，应该首先对于凸轮自身的几何结构 进行分析，并在此基础上结合磨削特性，从而完成对其运动规律的数学建模。 3 4 1 凸轮的几何结构分析 一般情况下，对于发动机用凸轮形状如图3 2 ，凸轮轴一般包括主轴颈、偏心 轮、进气凸轮、排气凸轮等几部分。仅对进、排气凸轮做详细分析，首先从凸轮 的设计思想出发，凸轮曲线型面是根据工作要求凸轮机构的加速度、速度变化等 因素而设计的。一个凸轮型面一般由多段曲线段组成，因而曲线数学模型多是高 阶复杂方程。由图3 2 可以看出其构成有l 、基圆2 、过度段3 、腹圆部分4 、顶 圆部分5 、切线段等几部分组成。当然并非所有凸轮都包括这些部分，如有的两 侧都是切线，没有腹圆部分；有的没有切线段等。 全数控凸轮轴磨床磨削软件m 究设计 图3 2 凸轮结构图 3 4 2 凸轮轴磨削的工艺特点 凸轮磨削是特殊的非圆磨削，磨削时除了基圆部分与外圆磨削加工状况相同， 其它部分的磨削条件均不断发生变化。工件各点转速对加工精度影响极大，工件 恒角速度旋转时，往往出现两侧磨削不充分而使顶圆磨削过量的现象，导致误差 很大。首先因为若凸轮零件是随头架一起以恒定的角速度旋转，由于凸轮曲线形 状的特殊性，凸轮轮廓面各磨削点线速度、磨削力等都不一样，相差可达几倍甚 至几十倍。磨削点移动速度不同，则单位时间金属切削率不同，其径向磨削力和 磨削功率也发生变化。磨削力的变化波动会引起冲击和振动，严重影响磨削质量， 并可能导致波纹、烧伤和形状误差等。其次，被磨削点的瞬时速度，砂轮与工件 的接触弧长以及磨削点相对于凸轮中一t l , 的极坐标位置均随凸轮曲线的形状变化， 使得磨削力、砂轮工件系统的弹性变形、磨削热量等也不断发生变化。 鉴于目前数控系统运算、处理速度的发展，以及高精度伺服电机，编码器等 的出现，可以使数控系统快速的完成复杂的算法并通过执行部件进行。可以设法 找出在两坐标连动下各磨削点移动速度变化规律，使凸轮做恒线速度磨削，以消 除以上弊端。通常有以下集中工艺措施会被采用； 1 磨削加工过程中的数据处理均采用三次样条函数拟合 三次样条函数能够保持各型值点处一、二阶导数连续，各型值点问平滑连接， 从而使凸轮升程曲线连续平滑变化，磨削过程中的速度、加速度平滑过渡。 2 采用变速恒磨除率控制 使工件在不同的磨削点处，工件转速不同，磨削点处凸轮轮廓的线速度基本 保持不变，以保证在磨削凸轮一周的过程中，金属磨除率基本保持不变，磨削力 1 6 变化不大，减少凸轮轮廓的表i ：f l 纹波和烧伤。 3 采用软件补偿技术 加工前，按约定输入凸轮轴数据( 凸轮轴尺寸、凸轮个数、升程表数据等) 、凸 轮加工数据( 磨削余量、磨削进给量等) 、砂轮数据( 砂轮修整量、砂轮修整时问间 隔等1 、机床系统参数等数据，计算出凸轮的实际轮廓坐标、磨削加工联动坐标，接 着进行恒磨除率处理，经过二次样条函数插於，插补出的脉冲个数与脉冲频率输 入伺服系统的位控板，并驱动伺服电机运动，实现x c 2 轴联动。 机床采用x c 二轴联动形式产生凸轮轮廓曲线，由凸轮实际轮廓的极坐标值、 砂轮半径、砂轮修整量、磨削进给量等参数确定x c 联动坐标的数学通用模型。 这对于全数控机床来说意味着两个亟待解决的问题： 1 x 轴的加工曲线参数方程以及算法 凸轮轮廓的产生是由x 轴的纵向进给配合c 轴的圆周方向转动而形成的，而 由图3 2 知凸轮的轮廓曲线。对于东风康明斯采用的欧二型凸轮丽言，其基圆部分 为标准圆弧、过渡段为渐开线而腹圆及顶圆部分视不同型号凸轮而不同有的可视 为正弦曲线、摆线等，针对不同部分的曲线，依据凸轮原始数据，进行不同形式 的插补。 2 c 轴的加工转速曲线 在c 轴以恒转速进行磨削时，由于凸轮轮廓升程的不断变化，凸轮轮廓各点 的线速度也不断变化，引起磨削的不均匀，磨削过程中金属磨除率随着凸轮轮廓 面曲线变化而变化，从而弓 起烧伤、凸轮表面波纹。磨削凸轮一周内的变化规律： 按“基圆一升程一桃尖一顶圆一回程一基圆”的顺序金属磨除率变化。凸轮宽度和磨 削深度均可认为是一固定不变量，故凸轮磨削点处的瞬时线速度决定磨除率。只 要控制c 轴转速，使磨削点处的瞬时线速度为一恒定值，则可实现恒磨除率磨削。 3 5 插补原理 在数控机床实际加工中，被加工工件的轮廓形状千差万别，严格说来，为了 满足几何尺寸精度的要求。刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成， 对于简单的曲线数控系统可以比较容易实现。但对于较复杂的形状，若直接生成 会使算法变得很复杂，计算机的工作量也相应地大大增加。因此，实际应用中， 常采用- - + 段直线或圆弧去进行拟合就可满足精度要求( 也有需要抛物线和高次 曲线拟合的情况) ，这种拟合方法就是“插补”，实质上插补就是数据密化的过程。 插补的任务是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点 的坐标值，每个中间点计算所需时间直接影响系统的控制速度。而插补中间点坐 2 通常在磨床中对x 轴定义为砂轮进给轴、c 轴为工件转动轴、z 轴为工件横向移动轴。 1 7 乍数控，轮轴磨床磨削软件硝究1 蛙计 标值的计算精度又影响剑数控系统的控制精度，因此，插补算法是整个数控系统 榨制的核心。 插补算法经过几十年的发展，不断成熟，种类很多。一般说来，从产牛的数 学模型来分，主要有直线插补、二次曲线插补等：从插补计算输出的数值形式来 分，主要有脉冲增量插补( 也称为基准脉冲插补) 和数据采样插补。脉冲增量插补和 数据采样插补都有个自的特点，但数据采样插李卜因其特性，更加适用于全数摔的 机床。本文将介绍数据采样插补及其应用的主要形式。 3 5 。1 数据采样插补原理 数据采样插补是根据用户程序的进给速度，将给定轮廓曲线分割为每一插补 周期的进给段，即轮廓步长。每一个插补周期执行一次插补运算，计算出下一个 插补点坐标，从而计算出下一个周期各个坐标的进给量，进而得出下一插补点的 指令位置。与基准脉冲插补法不同的是，计算出来的不是进给脉冲而是用二进制 表示的进给量，也就是在f 一插补周期中，轮廓曲线上的进给段在各坐标轴上的 分矢量大小，计算机定时对坐标的实际位置进行采样，采样数据与指令位置进行 比较，得出位置误差，再根据位置误差对伺服系统进行控制，达到消除误差使实 际位置跟随指令位置的目的。数据采样法的插补周期可以等于采样周期也可以是 采样周期的整数倍；对于直线插补，动点在一个周期内运动的直线段与给定直线 重合，对于圆弧插补，动点在一个插补周期运动的直线段以弦线逼近圆弧。数据 采样插补主要有：时间分割法、扩展d d a 法、双d d a 法等等。但是目前在数控 机床的实际应用中，时间分割法以其的高精度，高实时性等优势被广泛采用。 3 ，5 2 时间分割插补的工作原理 时间分割法插补是典型的数据采样插补，它的工作方式是：先根据加工指令 中的迸给速度f ，计算出一个插补周期的轮廓步长l ，即用插补周期为时间单位， 将加工过程分割成许多个单位时间内的进给过程，以插补周期为时间单位，则单 位时间内的移动的路程就等于速度，因此轮廓步长l 与轮廓速度f 相等。插补计 算的主要任务是计算出下一个插补点的坐标从而计算出轮廓速度f 在各个坐标轴 的分量，进而可以得到下一个插补周期内各个坐标轴方向的进绘量，在进给过程 中，对实际位置进行采样，与插补计算的坐标值进行比较，得出位置误差，位置 误差将在下一个采样周期内修正，采样周期可以等于插补周期也可以小于插补周 期。 1 8 352 1 时间分割直线插补 时间分割法的直线( 如图3 3