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數(shù)控磨齒機(jī)
數(shù)控系統(tǒng)
摘要：隨著數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)竟?fàn)幍娜遮吋ち遥絹?lái)越多的機(jī)床制造商向其產(chǎn)業(yè)鏈上游的數(shù)控系統(tǒng)制造商提出:數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有更大的開(kāi)放性，即在具備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控功能的同時(shí)，提供從軟件環(huán)境、通訊協(xié)議、外部接口直至系統(tǒng)內(nèi)核的更加開(kāi)放的，有利十機(jī)床制造商進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的硬件、軟件配置。
隨著數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)竟?fàn)幍娜遮吋ち遥絹?lái)越多的機(jī)床制造商向其產(chǎn)業(yè)鏈上游的數(shù)控系統(tǒng)制造商提出:數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有更大的開(kāi)放性，即在具備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控功能的同時(shí)，提供從軟件環(huán)境、通訊協(xié)議、外部接口直至系統(tǒng)內(nèi)核的更加開(kāi)放的，有利十機(jī)床制造商進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的硬件、軟件配置。這一趨勢(shì)的形成源自3個(gè)方面的因素:首先，機(jī)床用戶的少?gòu)V泛性決定了僅具備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控功能的機(jī)床無(wú)法滿足所有用戶的要求，總會(huì)有用戶在設(shè)備采購(gòu)時(shí)提出這樣那樣的特殊要求;其次，機(jī)床制造商亦迫切希望能夠更加方便地將其特有的核心控制技術(shù)集成到令業(yè)的品牌數(shù)控系統(tǒng)中;第3，對(duì)十一部分具有特殊加工機(jī)理的機(jī)床設(shè)備而言，主要面向車銑類加工機(jī)床開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法滿足其所有的關(guān)鍵控制功能。以磨齒機(jī)、滾齒機(jī)為代表的齒輪加工機(jī)床就是一個(gè)典型的例子。
數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性一般可以用應(yīng)用模塊的可移植性、可擴(kuò)展性、互操作性、可縮放性等指標(biāo)來(lái)評(píng)估川。需要指出的是，數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性程度必須要考慮到對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的嚴(yán)格要求，因此片面追求數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放性的深度和少?gòu)V度而忽視其基礎(chǔ)軟硬件配置質(zhì)量的作法是不科學(xué)的，也是不現(xiàn)實(shí)的。應(yīng)該以是否能夠滿足相關(guān)機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求來(lái)作為衡量其選用的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放性是否合理。譬如西門子數(shù)控系統(tǒng)，其開(kāi)放性就主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:
(1)人機(jī)界面開(kāi)放:標(biāo)準(zhǔn)的軟件硬件平臺(tái)，比如PC硬件，WINDOWS操作系統(tǒng)，人機(jī)界面開(kāi)發(fā)工具，網(wǎng)絡(luò)功能及信息系統(tǒng);
(2)控制邏輯開(kāi)放:可編程的機(jī)床邏輯控制，離散系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制;
(3)數(shù)控內(nèi)核開(kāi)放:提供幾何坐標(biāo)系與數(shù)控軸直接的接口，機(jī)床制造)一可集成其令用的控制軟件。
下面筆者將以西門子840 D為例，就其如何解決新型磨齒機(jī)的幾大關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行可行性技術(shù)分析，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路或解決方案。
1 電子齒輪箱功能
電子齒輪箱功能是數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)一項(xiàng)必備的關(guān)鍵控制技術(shù)。由十蝸桿砂輪磨齒機(jī)特殊的加工機(jī)理，在磨削循環(huán)中，各參與聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軸之間并非簡(jiǎn)單的插補(bǔ)關(guān)系。其工件主軸C軸是按照3個(gè)主動(dòng)軸(即砂輪主軸B軸、切向運(yùn)動(dòng)軸Z軸、軸向運(yùn)動(dòng)軸Y軸)之間通過(guò)一個(gè)復(fù)雜公式定義的關(guān)系來(lái)隨動(dòng)的。在未實(shí)現(xiàn)數(shù)控化之前，蝸桿砂輪磨齒機(jī)的主從運(yùn)動(dòng)軸之間的關(guān)系是通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如YE7232磨齒機(jī)等。現(xiàn)在，其相關(guān)的控制技術(shù)包括數(shù)學(xué)模型等均已相當(dāng)成熟。就西門子系統(tǒng)而言，其高端產(chǎn)品840 D系統(tǒng)NCU572. 3版本以上機(jī)型均具備電子齒輪箱的選項(xiàng)功能，最多可實(shí)現(xiàn)5個(gè)主伺服軸之間定義的相對(duì)關(guān)系來(lái)聯(lián)動(dòng)另一個(gè)從伺服軸。國(guó)內(nèi)幾個(gè)滾齒機(jī)生產(chǎn))一家，如重機(jī)、南二等均采用了西門子840 D，在其數(shù)控滾齒機(jī)上成功地實(shí)現(xiàn)了電子齒輪箱功能。因此在數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)實(shí)現(xiàn)該功能應(yīng)無(wú)大的技術(shù)障礙。
2 直線電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)技術(shù)
直線電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)能夠大大簡(jiǎn)化機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高工作臺(tái)的速度和加速度以及低速條件下的扭矩輸出。因此這兩種電動(dòng)機(jī)正式推出僅不到十年時(shí)間，就為廣大機(jī)床制造商接受和采用。不僅在高速加工中心領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外諸多磨齒機(jī)制造商均開(kāi)始或已經(jīng)在其磨齒機(jī)產(chǎn)品中采用這兩種電動(dòng)機(jī)。如桑普的5375G采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)X軸和Z軸，其工件主軸亦采用力矩電動(dòng)機(jī);以霍夫勒的Rapid900成型磨為代表的諸多國(guó)外成型磨產(chǎn)品也大多采用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)。西門子公司正在中國(guó)市場(chǎng)推出其1FN1/1FN3兩種系列的直線電動(dòng)機(jī)和1FW6系列的力矩電動(dòng)機(jī)，其中1FN1直線電動(dòng)機(jī)和1FW6力矩電動(dòng)機(jī)完全可以在國(guó)產(chǎn)的大平面砂輪磨齒機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)中采用。1FN1直線電動(dòng)機(jī)可以用十展成運(yùn)動(dòng)的Z軸;1FW6力矩電動(dòng)機(jī)可以用十頭架主軸的C軸。在國(guó)產(chǎn)的成型砂輪磨齒機(jī)上亦完全可以采用力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的控制技術(shù)。
3 專用的人機(jī)對(duì)話界面設(shè)計(jì)
一般數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)界面均是為車、銑床或加工中心類機(jī)床設(shè)計(jì)的，無(wú)論是發(fā)那科、西門子均是如此。所以對(duì)十磨齒機(jī)這類有著特殊工藝流程的機(jī)床來(lái)說(shuō)，需設(shè)計(jì)適十齒輪磨削加工操作的令用人機(jī)對(duì)話界面。況日_這部分設(shè)計(jì)是最容易彰顯企業(yè)文化個(gè)性和形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不易被仿制和侵權(quán)的。西門子數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面具有極強(qiáng)的開(kāi)放性，采用令業(yè)級(jí)的工業(yè)PC機(jī)如PCU50 , PCU70為硬件平臺(tái)，Window XP為軟件平臺(tái)，提供OEM, EasyMask, EasyTrans, Hotwin等多種開(kāi)發(fā)工具。其中OEM軟件是功能最強(qiáng)大的人機(jī)界面編輯工具，它可以使用Visual Basic和Visual C++高級(jí)編程語(yǔ)言進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。不但可以編輯工況動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)NC和PLC之間的數(shù)據(jù)交換，更具有極強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能和兼容性，可以無(wú)縫嵌入諸如成型砂輪截形計(jì)算軟件和隨機(jī)測(cè)量系統(tǒng)軟件等。而EasyMask是一種簡(jiǎn)單的用戶畫(huà)面生成工具，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)編輯器直接在屏幕上進(jìn)行編輯;EasyTrans則可通過(guò)接口信號(hào)激活數(shù)據(jù)的傳遞、存儲(chǔ)和加載;HotWin可通過(guò)NC或PLC信號(hào)激活用戶的自定義畫(huà)I}j}z7。總而言之，基十西門子PCU50以上版本的硬件，配合其令門的編輯軟件，完全可以隨心所欲的實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。
4 隨機(jī)測(cè)量系統(tǒng)
在數(shù)控磨齒機(jī)(尤其是大規(guī)格磨齒機(jī))上配備隨機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念已在業(yè)界形成共識(shí)。例如，秦川發(fā)展公司最新開(kāi)發(fā)的YK73125成型砂輪磨齒機(jī)就配備了令門的隨機(jī)齒輪測(cè)量系統(tǒng)，這樣既可避免重復(fù)裝夾誤差，又可極大提高工作效率。西門子數(shù)控系統(tǒng)在其NCU控制模塊上配備有令門的測(cè)頭信號(hào)接口，日_其接口標(biāo)準(zhǔn)與雷尼紹、馬波斯等著名的量?jī)x生產(chǎn)商的產(chǎn)品完全兼容。其CPU強(qiáng)大的運(yùn)算能力足以保證測(cè)量數(shù)據(jù)處理的快速和精確。加之其人機(jī)界面良好的開(kāi)放性設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如YI}73125隨機(jī)測(cè)量系統(tǒng)軟件的嵌入或鏈接。而且其HMI模塊本身就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC機(jī)，配置的各種標(biāo)準(zhǔn)接口可以與打印機(jī)、軟驅(qū)等外設(shè)連接，從而輕松實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的打印、存儲(chǔ)等任務(wù)。
5 自適應(yīng)磨削技術(shù)
隨著現(xiàn)代機(jī)床制造業(yè)逐漸步入“數(shù)字化制造”時(shí)代，自適應(yīng)加工的控制技術(shù)將越來(lái)越受到人們的重視。從格里森針對(duì)圓錐齒輪制造技術(shù)開(kāi)發(fā)的格里森令家制造系統(tǒng)(GEMS)軟件介紹中不難發(fā)現(xiàn)，其中的很多技術(shù)都是建立在自適應(yīng)控制理念基礎(chǔ)上的。同樣在國(guó)內(nèi)，無(wú)論是成型砂輪磨齒機(jī)，還是蝸桿砂輪磨齒機(jī)都存在諸如對(duì)床身熱變形產(chǎn)生的加工誤差應(yīng)在砂輪的修整時(shí)子以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)鹊南嚓P(guān)技術(shù)要求，這就是自適應(yīng)磨削技術(shù)的一種。當(dāng)然，諸如恒線速磨削，恒力矩磨削等也都屬十自適應(yīng)磨削的范疇。西門子系統(tǒng)為自適應(yīng)磨削控制提供了很多選項(xiàng)功能，譬如“內(nèi)部變量求值”(也叫讀取驅(qū)動(dòng)變量)功能，可以方便地從NC程序中直接讀取驅(qū)動(dòng)的相關(guān)變量，如電動(dòng)機(jī)溫度、電流、電壓、扭矩等值，并以此作為自適應(yīng)控制的控制變量來(lái)加以處理。這就為實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自適應(yīng)磨削控制功能提供了技術(shù)支撐。
6 停電回退功能
在數(shù)控磨齒機(jī)或數(shù)控滾齒機(jī)的加工過(guò)程中，由十電力系統(tǒng)故障引起的停電，往往會(huì)對(duì)砂輪、刀具或工件造成致命的損害。因?yàn)檎９ぷ鲿r(shí)機(jī)床和各聯(lián)動(dòng)軸靠數(shù)控系統(tǒng)保持嚴(yán)格的同步關(guān)系。當(dāng)突然停電時(shí)，由十各運(yùn)動(dòng)軸的慣量不同，它們?cè)谕Ｖ惯^(guò)程中同步關(guān)系會(huì)被打亂，從而引起撞刀。如果損壞的是磨齒工序中的大規(guī)格精密重載齒輪，一次的損失可能就以to萬(wàn)m計(jì)。因此西門子系統(tǒng)為之提供了一套完整的解決方案。通過(guò)一個(gè)不間斷24 V直流電源和一組電解電容分別為HMI/PLC和驅(qū)動(dòng)的600 V直流母線提供斷電后的短時(shí)間電源動(dòng)力，在這段很短的時(shí)間內(nèi)，NC會(huì)調(diào)用預(yù)先設(shè)置的停電回退循環(huán)程序，使砂輪或刀具退回至安全區(qū)域。上述停電回退循環(huán)程序是開(kāi)放的，完全可以由機(jī)床制造)一的設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)。此功能已在很多齒輪加工機(jī)床制造)一的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中得到驗(yàn)證。
7 結(jié)語(yǔ)
在數(shù)控系統(tǒng)具備必要的開(kāi)放性功能的前提下，通過(guò)機(jī)床設(shè)計(jì)人員成功的二次開(kāi)發(fā)，完全可能在諸如蝸桿砂輪磨齒機(jī)、成型砂輪磨齒機(jī)以及大平面砂輪磨齒機(jī)等多種機(jī)型上實(shí)現(xiàn)其關(guān)鍵的特殊控制功能。可以預(yù)見(jiàn)，以西門子840D為代表的具有開(kāi)放性特點(diǎn)的數(shù)控系統(tǒng)必將在齒輪加工機(jī)床領(lǐng)域得到更為少?gòu)V闊的應(yīng)用。
