数控系统在数控磨齿机中应用

　　随着数控机床市场竟争的日趋激烈，越来越多的机床制造商向其产业链上游的数控系统制造商提出:数控系统应具有更大的开放性，即在具备标准数控功能的同时，提供从软件环境、通讯协议、外部接口直至系统内核的更加开放的，有利十机床制造商进行二次开发的硬件、软件配置。这一趋势的形成源自3个方面的因素:首先，机床用户的少广泛性决定了仅具备标准数控功能的机床无法满足所有用户的要求，总会有用户在设备采购时提出这样那样的特殊要求;其次，机床制造商亦迫切希望能够更加方便地将其特有的核心控制技术集成到令业的品牌数控系统中;第3，对十一部分具有特殊加工机理的机床设备而言，主要面向车铣类加工机床开发的标准数控系统无法满足其所有的关键控制功能。以磨齿机、滚齿机为代表的齿轮加工机床就是一个典型的例子。

　　数控系统的开放性一般可以用应用模块的可移植性、可扩展性、互操作性、可缩放性等指标来评估川。需要指出的是，数控系统的开放性程度必须要考虑到对实时性和可靠性的严格要求，因此片面追求数控系统开放性的深度和少广度而忽视其基础软硬件配置质量的作法是不科学的，也是不现实的。应该以是否能够满足相关机床控制系统的设计要求来作为衡量其选用的数控系统开放性是否合理。譬如西门子数控系统，其开放性就主要体现在以下3个方面:

　　(1)人机界面开放:标准的软件硬件平台，比如PC硬件，WINDOWS操作系统，人机界面开发工具，网络功能及信息系统;

　　(2)控制逻辑开放:可编程的机床逻辑控制，离散系统，远程控制;

　　(3)数控内核开放:提供几何坐标系与数控轴直接的接口，机床制造)一可集成其令用的控制软件。

　　下面笔者将以西门子840 D为例，就其如何解决新型磨齿机的几大关键控制技术进行可行性技术分析，并提出相应的设计思路或解决方案。

1 电子齿轮箱功能

　　电子齿轮箱功能是数控蜗杆砂轮磨齿机一项必备的关键控制技术。由十蜗杆砂轮磨齿机特殊的加工机理，在磨削循环中，各参与联动的运动轴之间并非简单的插补关系。其工件主轴C轴是按照3个主动轴(即砂轮主轴B轴、切向运动轴Z轴、轴向运动轴Y轴)之间通过一个复杂公式定义的关系来随动的。在未实现数控化之前，蜗杆砂轮磨齿机的主从运动轴之间的关系是通过复杂的机械结构来实现的，如YE7232磨齿机等。现在，其相关的控制技术包括数学模型等均已相当成熟。就西门子系统而言，其高端产品840 D系统NCU572. 3版本以上机型均具备电子齿轮箱的选项功能，最多可实现5个主伺服轴之间定义的相对关系来联动另一个从伺服轴。国内几个滚齿机生产)一家，如重机、南二等均采用了西门子840 D，在其数控滚齿机上成功地实现了电子齿轮箱功能。因此在数控蜗杆砂轮磨齿机实现该功能应无大的技术障碍。

2 直线电动机和力矩电动机技术

　　直线电动机和力矩电动机能够大大简化机床的机械传动结构，提高工作台的速度和加速度以及低速条件下的扭矩输出。因此这两种电动机正式推出仅不到十年时间，就为广大机床制造商接受和采用。不仅在高速加工中心领域，国内外诸多磨齿机制造商均开始或已经在其磨齿机产品中采用这两种电动机。如桑普的5375G采用直线电动机直接驱动X轴和Z轴，其工件主轴亦采用力矩电动机;以霍夫勒的Rapid900成型磨为代表的诸多国外成型磨产品也大多采用力矩电动机直接驱动工作台。西门子公司正在中国市场推出其1FN1/1FN3两种系列的直线电动机和1FW6系列的力矩电动机，其中1FN1直线电动机和1FW6力矩电动机完全可以在国产的大平面砂轮磨齿机的设计改进中采用。1FN1直线电动机可以用十展成运动的Z轴;1FW6力矩电动机可以用十头架主轴的C轴。在国产的成型砂轮磨齿机上亦完全可以采用力矩电动机驱动工作台的控制技术。

3 专用的人机对话界面设计

　　一般数控系统的标准机界面均是为车、铣床或加工中心类机床设计的，无论是发那科、西门子均是如此。所以对十磨齿机这类有着特殊工艺流程的机床来说，需设计适十齿轮磨削加工操作的令用人机对话界面。况日_这部分设计是最容易彰显企业文化个性和形成自主知识产权，不易被仿制和侵权的。西门子数控系统的人机界面具有极强的开放性，采用令业级的工业PC机如PCU50 , PCU70为硬件平台，Window XP为软件平台，提供OEM, EasyMask, EasyTrans, Hotwin等多种开发工具。其中OEM软件是功能最强大的人机界面编辑工具，它可以使用Visual Basic和Visual C++高级编程语言进行界面设计。不但可以编辑工况动画，实现NC和PLC之间的数据交换，更具有极强的网络功能和兼容性，可以无缝嵌入诸如成型砂轮截形计算软件和随机测量系统软件等。而EasyMask是一种简单的用户画面生成工具，可通过标准编辑器直接在屏幕上进行编辑;EasyTrans则可通过接口信号激活数据的传递、存储和加载;HotWin可通过NC或PLC信号激活用户的自定义画I}j}z7。总而言之，基十西门子PCU50以上版本的硬件，配合其令门的编辑软件，完全可以随心所欲的实现个性化的人机界面设计。
 

4 随机测量系统

　　在数控磨齿机(尤其是大规格磨齿机)上配备随机测量系统的设计观念已在业界形成共识。例如，秦川发展公司最新开发的YK73125成型砂轮磨齿机就配备了令门的随机齿轮测量系统，这样既可避免重复装夹误差，又可极大提高工作效率。西门子数控系统在其NCU控制模块上配备有令门的测头信号接口，日_其接口标准与雷尼绍、马波斯等著名的量仪生产商的产品完全兼容。其CPU强大的运算能力足以保证测量数据处理的快速和精确。加之其人机界面良好的开放性设计，可以实现对诸如YI}73125随机测量系统软件的嵌入或链接。而且其HMI模块本身就是一个标准的工业PC机，配置的各种标准接口可以与打印机、软驱等外设连接，从而轻松实现测量数据的打印、存储等任务。

5 自适应磨削技术

　　随着现代机床制造业逐渐步入“数字化制造”时代，自适应加工的控制技术将越来越受到人们的重视。从格里森针对圆锥齿轮制造技术开发的格里森令家制造系统(GEMS)软件介绍中不难发现，其中的很多技术都是建立在自适应控制理念基础上的。同样在国内，无论是成型砂轮磨齿机，还是蜗杆砂轮磨齿机都存在诸如对床身热变形产生的加工误差应在砂轮的修整时子以自动补偿等的相关技术要求，这就是自适应磨削技术的一种。当然，诸如恒线速磨削，恒力矩磨削等也都属十自适应磨削的范畴。西门子系统为自适应磨削控制提供了很多选项功能，譬如“内部变量求值”(也叫读取驱动变量)功能，可以方便地从NC程序中直接读取驱动的相关变量，如电动机温度、电流、电压、扭矩等值，并以此作为自适应控制的控制变量来加以处理。这就为实现相应的自适应磨削控制功能提供了技术支撑。

6 停电回退功能

　　在数控磨齿机或数控滚齿机的加工过程中，由十电力系统故障引起的停电，往往会对砂轮、刀具或工件造成致命的损害。因为正常工作时机床和各联动轴靠数控系统保持严格的同步关系。当突然停电时，由十各运动轴的惯量不同，它们在停止过程中同步关系会被打乱，从而引起撞刀。如果损坏的是磨齿工序中的大规格精密重载齿轮，一次的损失可能就以to万m计。因此西门子系统为之提供了一套完整的解决方案。通过一个不间断24 V直流电源和一组电解电容分别为HMI/PLC和驱动的600 V直流母线提供断电后的短时间电源动力，在这段很短的时间内，NC会调用预先设置的停电回退循环程序，使砂轮或刀具退回至安全区域。上述停电回退循环程序是开放的，完全可以由机床制造)一的设计人员根据需要自行设计。此功能已在很多齿轮加工机床制造)一的产品设计实践中得到验证。

7 结语

　　在数控系统具备必要的开放性功能的前提下，通过机床设计人员成功的二次开发，完全可能在诸如蜗杆砂轮磨齿机、成型砂轮磨齿机以及大平面砂轮磨齿机等多种机型上实现其关键的特殊控制功能。可以预见，以西门子840D为代表的具有开放性特点的数控系统必将在齿轮加工机床领域得到更为少广阔的应用。