滚珠丝杆数控磨削工艺支持软件开发*

杜永聪，沈南燕，李 静，何永义

(上海大学上海市机械自动化及机器人重点实验室，上海 200072)

0 引言

滚珠丝杆被广泛应用于各种工业设备和精密仪器，其加工精度直接影响设备和仪器的传动精度。磨削是精密滚珠丝杆加工的最后一道工序，是保证其加工精度的关键环节。单线砂轮磨削方法是滚珠丝杆加工常用方法，这种方法通过改变砂轮的倾斜角度、纵横向进给等参数，可以加工不同齿形、不同螺距、不同螺旋升角、不同长径比的螺纹，工艺范围广。它通过磨床头架带动滚珠丝杆工件旋转，磨床的砂轮架根据头架指令，在纵向和横向给予相应进给和补偿进行磨削。

单线砂轮磨削丝杆具有以下工艺特点：①磨削轨迹需是通过根据滚珠丝杆滚道螺旋升角、滚珠丝杆导程等重要参数计算求得;②进行砂轮数控修型时，需要定义砂轮轮廓形状，参数量较多、计算复杂;③滚珠丝杆的精密磨削中，需要不断的更新伸长量补偿数据，如果手动修改，效率比较低。

从国内外现状来看，瑞士莱斯豪尔公司RG系列螺纹磨床，能够加工螺纹、丝杆、螺母、蜗杆等产品。该机床采用自主研发的控制系统，功能非常完善。国内螺纹磨床的专业生产厂家汉江机床有限公司，上海机床厂等骨干企业开发的SK7432系列数控丝杆磨床和SK7520/H数控万能螺纹磨床代表国内螺纹磨床的生产水平，控制软件采用西门子的标准界面，自动化程度不高［4］。

因此为了简化磨床操作、提高自动化水平，进而提高生产效率，实现滚珠丝杆磨削工艺与装备的结合，有必要开发一套专用于滚珠丝杆磨削的工艺支持软件系统。

本文介绍了高精度滚珠丝杆磨削专用工艺支持软件系统的实现。首先对本工艺支持软件服务的磨床整机结构以及滚珠丝杆磨削运动模型进行分析;其次，对软件功能模块，包括工艺参数、工艺补偿、砂轮修整等进行了详细设计;最后将工艺支持软件集成到西门子840D开放式数控系统中，实现磨削工艺与装备的紧密结合。

1 滚珠丝杆磨床与磨削运动模型

本次设计的磨削工艺支持软件系统为数控滚珠丝杆磨床配套服务。如图1所示，该磨床采用的是单线砂轮磨削方法，主要的运动有工件主运动、进给运动、横向切入运动、砂轮修整运动。其中由主运动和进给运动构成螺旋运动，砂轮架做横向切入运动，保证螺纹中经的尺寸;砂轮修整运动确保滚道截形准确，滚道表面质量良好，提高磨削质量与磨削效率。在该丝杆磨床中，工件主轴回转、砂轮架横进给、砂轮修整、工作台往复运动、螺旋角调整、轴向和径向分度、螺距校正、间隙补偿、铲磨运动、多次自动磨削循环以及工件测量均能实现数字控制。

图1 数控滚珠丝杆磨床整机结构图

如2所示，砂轮轴向截形相当于一个螺纹齿槽，磨削时砂轮倾斜螺旋角a，砂轮以速度v完成回转运动，工件既转动又相对于砂轮作轴向运动，并保持每转一周相对移动一个导程T［3］。其中，螺纹螺旋角α与螺纹导程T、螺纹中径D之间存在如式(1)所示的关系式［4］。

图2 单线砂轮磨削原理图

对于单线螺纹T=s;对于多线螺纹T=z×s，其中螺距s为相邻两牙齿廓的轴向距离，z为螺纹线数。

2 磨削工艺支撑软件设计

2.1 滚珠丝杆磨削工艺支撑软件框架设计

为了满足滚珠丝杆磨削过程中的参数输入、砂轮修整、测量补偿与磨削监控等要求，滚珠丝杆磨削工艺软件的功能设计主要分为参数中心、补偿中心、定位中心、及监测中心四个模块，如图3所示。

图3 滚珠丝杆磨削工艺支撑软件组成图

数控滚珠丝杆磨削的实现，需要数控磨床各个组成部分之间的配合，磨床各个功能部件、测量系统、磨削工艺支持软件系统构成一个统一整体。数控滚珠丝杆磨削的完整工艺流程，如图4所示。

图4 丝杆磨削工艺流程图

2.2 各功能模块设计

参数中心主要用于建立滚珠丝杆加工相关的砂轮参数、工件参数、修整器参数的数据库，通过对滚珠丝杠螺纹沟槽几何参数分析确定砂轮轮廓，当达到一定磨损时能够通过确定修整参数，对砂轮进行修整控制。对于参数中心的数据，选用Access数据库软件进行管理，参数中心所有参数将会保存在screw.mdb的数据库文件中，数据均以工程文件名为索引，进行存储，以便于参数中心中各个部分的数据调用，参数中心数据关系如图5所示。例如选择ballscrew01工程，进入参数中心，那么工件参数、工艺参数和修整参数界面会读取由ballscrew01为索引的参数，显示在工艺软件界面上。

图5 参数中心数据表关系图

如图6、7显示了ballscrew01为索引的工件参数和工艺参数：工件参数中包括了要加工滚珠丝杆工件的基本参数和沟槽参数;工艺参数中包括毛坯余量、磨削进给量等工艺参数。修改参数，选择“保存”即可将修改过的参数更新到数据库文件中。参数配置完后，选择“下载参数”即可以将相关的参数通过DDE通讯与加工程序对应的R参数关联。

图6 滚珠丝杆加工工件参数配置界面

图7 滚珠丝杆加工工艺参数配置界面

补偿中心支持两种不同补偿方法：根据外部测量误差或根据误差预测模型计算所得误差进行径向直径误差的补偿和轴向螺距尺寸误差补偿［7］。

如图8所示，在长度补偿和径向补偿中，输入补偿点的位置与补偿值，经过R参数关联处理，与补偿工艺程序中对应的R参数关联，用以补偿螺距的累积误差和相邻误差以及因修整砂轮导致砂轮尺寸减少的径向尺寸误差。

图8 滚珠丝杆加工补偿中心界面

定位中心主要是通过对刀程序确定加工参数，为高精度滚珠丝杆的加工做好准备;监测中心则提供加工过程中各伺服轴、主轴位置、功率、加工余量等实时信息，用户可随时了解加工状态和进程。

3 磨削工艺支持软件集成

要在西门子840D数控系统上集成第三方工艺软件，必须使用西门子公司为第三方开发者提供的二次开发软件包——OEM软件开发包，创建自己的应用程序，调用数控系统底层函数，在西门子系统上显示自己的界面，嵌入控制函数［6］。

参照西门子840D HMI编程手册相关步骤［2］，将设计好的滚珠丝杆磨削工艺支持软件集成至西门子840D数控系统中。

由于滚珠丝杆磨削工艺支持软件多个功能模块需要对R参数进行访问，该软件系统使用DDE通讯技术，在840D HMI下通过OPC和Sinumerik-COM与NC/PLC通讯，如图9。

图9 应用程序与NC/PLC的通讯接口

在西门子840D系统上嵌入好的滚珠丝杆工艺支持软件通过R参数关联实现了工艺参数的自动下载，无需操作人员记忆大量工艺与补偿参数对应的R参数编号;数据库的使用便于操作人员加工不同型号丝杆工件，无需重新写入相关参数，该软件将自动载入这些参数。

4 总结

目前，国内数控滚珠丝杆磨削设备上鲜有配备磨削工艺支持软件的产品。本文系统介绍了滚珠丝杆磨削工艺支持软件的开发过程。通过该系统，机床操作人员可以方便的对不同型号的滚珠丝杆进行参数自动下载、载入和磨削自动控制，相较于之前，操作人员只能通过西门子数控系统的标准界面，手动修改加工程序和相应的R参数变量，该系统简化了操作过程，增强了数控滚珠丝杆磨床的人机交互性能。

［1］于拯，何永义，等.基于西门子840D数控系统的凸轮轴磨削软件开发［J］.组合机床与自动化加工技术，2011(3)：70－72.

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