数控曲面刨床关键技术的研究与应用*

申宾德，高金铭

(1.武威职业学院机械工程系，甘肃武威 733000;2.天津大学机械工程学院，天津 300072)

0 引言

刨床自问世以来在机械加工方面一直发挥着重要的作用。传统的刨床如图1所示，一般是用来加工平面的，或者用成型刀具来加工沟槽或成型表面，在这方面刨床加工有它不可比拟的优势。但随着加工对象的不同和加工工艺的需求，很多地方需要曲面加工，而其他的机床又有一定的缺陷之处时，显然传统刨床已不能满足加工曲面工艺的需求，这就要求我们对传统的刨床进行适应性的改造而使其满足要求，这是大家感兴趣的事情，也是老企业技术改造、充分利用再制造技术的一个方向［1］。

图1 传统刨床外观图

利用再制造技术对传统刨床进行改造，其实现办法是:刀具沿Z方向切削时，可以使刀具沿Y方向升降，实现两个方向的联动功能，这样刀具就可以在YOZ平面内作曲线运动。再经过工件沿X方向的移动，就可以加工出任意想要的曲面。

1 数控曲面刨床的工作原理

数控曲面刨床是利用滑枕在导轨上往复运动的过程中，用伺服电机带动安装在刀架上端的丝杠螺母，使刀具沿丝杠上下运动，同时在滑枕上安装同步带和编码器，来检测刀具在刨削过程中的具体位置，然后将这种信息实时反馈到一个控制器中，这样有滑枕的位置来决定丝杠的运动，以此来实现两个轴的联动，从而加工出曲面来，如图2所示。另外还需要一个手摇脉冲发生器，用来手动控制伺服电机的转动，完成工作原点的设定，手动方式的微调，加工过程中的插入等动作。以此构成曲面刨床的数控系统，总体设计方案如图3所示。

图2 数控曲面刨床加工原理图

2 数控系统硬件配置

曲面刨床数控系统的硬件包括运动控制器、伺服电机驱动器、伺服电机、HMI(触摸屏)、编码器、手摇脉冲发生器和直流电源，开发过程中还要用到电脑和U盘。

以多轴运动控制器为核心的数控系统继承了“PC+运动控制卡”的结构，并加以改进［2］。曲面刨床数控系统的硬件模块组成如图4所示。

图3 曲面刨床数控系统设计方案

图4 曲面刨床数控系统硬件模块组成

2.1 多轴运动控制器

多轴运动控制器主要用来完成数据的处理，发出指令控制伺服驱动器按照要求运行。这就要求多轴运动控制器具有精度高、速度快、稳定性好、可扩展性好等特点［4］。经过阅读文献和实际考察，最终选用英国Trio MC403多轴运动控制器。

2.2 编码器

编码器用来采集一个轴的数据，将该轴采集到的数据反馈到运动控制器中，经过运动控制器的处理发出指令，控制伺服驱动器进行相应的动作，完成两个轴的联动，完成相应曲面加工的要求。具体选择型号为OVW2－25－2MD。

2.3 伺服驱动装置

伺服驱动装置是用来控制电机的运转，从而带动刀具的上下移动。运动控制器根据反馈的信息发出指令到伺服驱动器，伺服控制器控制伺服电机完成相应的动作，是曲面刨床运动最重要的运动部件。选择伺服系统首先要考虑其功率和转矩，在本曲面刨床中，功率要求为1 500 W，转矩在6～10 N·m之间。经过性能和价格的对比，最终选择MOTEC全数字交流同步伺服系统，包含SED伺服驱动器和SEM伺服电机。

2.4 触摸屏

触摸屏主要用来输入数据和显示参数，完成人机交互，是数控系统操作的重要部分，也是整个数控系统唯一直接和使用者交互的部分。触摸屏的选择首先要考虑其功能，功能是否可以满足本曲面刨床数控系统的需要，编程是否简单，抗干扰性，可靠性，是否有以太网通讯接口或者是USB接口等等。其次还要考虑屏幕尺寸、色彩等具体参数。经过对比选择，最终选择型号为:PanelMaster PT104－1BF－T1S。

2.5 手摇脉冲发生器

手摇脉冲发生器主要用来工作原点的设定，手动方式的步进微调，加工中的中断插入等动作。选择时要考率控制的轴数和倍率，其中的波段开关用于轴和倍率的选择。本曲面刨床数控系统中只需控制一个轴，经过对比，选择宁海大禾电子有限公司的阳帆HP系列，最终选择型号为:YANGFAN HPG－201－A。

以上完成了曲面刨床数控系统的主要硬件部分的选型，初步构建起整体的框架，接下来说明硬件部分如何连接，图5表示曲面刨床数控系统的硬件配置方案。

图5 数控系统硬件配置图

3 数控系统的编程与调试

3.1 运动控制模块的设计

曲面刨床数控系统的核心是具有开放性功能的Trio MC403运动控制器。其自身的编程应用软件是基于Windows平台的Motion Prefect，它使用的语言是Trio Basic，是一种基于Basic的语言，该编程语言可以根据设备运动的控制需要来对设备的运动，以及外围设备的触发事件的逻辑状态进行控制。Trio Basic编程语言采用专用的运动控制命令，由这些命令来定义设备的运动过程以及读写系统的参数和运动的状态，其命令就是该运动名称的英文单词。用户可以直接在PC上进行软件的开发，主要利用Trio MC403完成运动控制模块的构建。运动控制模块主要完成手动、主轴转动和倍率调整等功能。

3.2 人机交互模块的设计

曲面刨床数控系统的另外一个模块就是人机交互模块，它主要是通过触摸屏来完成与运动控制器的通讯，实现输入与反馈功能。触摸屏设计软件PM Designer触控大师是由台湾屏通科技股份有限公司，为新型高功能系列人机接口开发的操作软件。这套软件除了具有市面上常用人机界面编辑软件的大部份功能外，还增加了很多特有的新功能，方便设计者使用，软件开启主界面如图6所示。完成软件设计后，即可进行编译，编译完成后即可输出触摸屏程序，完成界面的设计，如图7所示。

图6 PM Designer启动界面

图7 曲面刨床数控系统主界面

根据实际的需要，界面设计必须具备控制和监测功能，在主界面上设置“控制按钮”和“监测按钮”，开始界面完成后，分别设计“控制界面”和“监测界面”，利用软件的画面操作按钮，完成每个画面之间的切换如图8和9所示。

图8 曲面刨床数控系统控制界面

图9 曲面刨床数控系统监视界面

控制界面主要完成曲面的输入和加工的控制，监视界面主要反映伺服电机当前的位置和速度。在控制界面中可以输入曲线的数据，以圆弧为例，可以输入圆弧的半径和长度，还能控制加工的开始和停止。在手动对刀时，要使原来的状态与编码器之间的联动停止，还需设置一个手动开、手动关的功能。还有界面切换功能，设置完这些参数和运动后可以切换到主界面。在监视界面可以直观的看到当前伺服电机的运行速度和所在位置。

为保护触摸屏显示器，延长其有效使用寿命。最后设置一个屏幕保护画面，在一段时间没有动作之后就会自动进入屏幕保护画面，有效的实现对显示器的保护作用，如图10所示。设计完成后即可编译，编译通过后即可生成PRP包，利用U盘更新到触摸屏中。

图10 曲面刨床数控系统屏幕保护界面

4 结语

根据机械制造工艺的实际需求，开发出的数控曲面刨床以多轴运动控制器为核心，以Windows平台为基础进行软件的设计。将程序存储到控制器与触摸屏中，通过触摸屏进行人机交互，建立了一个基于开放式的可扩充的数控系统。本系统可应用于刨床中，完成曲面零件的刨削加工，为数控曲面刨削加工提供了一套切实可行的方案。笔者认为在今后的研究中还可以从以下三方面考虑。

(1)开发出更多联动轴的刨床数控系统，使其加工更为复杂的曲面。

(2)该数控系统还可以加以改进，使其应用于拉床、插床等往复式运动的机床当中。

(3)改变往复式加工方式，使其空行程也参与切削，提高机床加工效率，适应机械装备母机工业现代化发展的需要。

［1］ 张 宏，李富平.基于PC+运动控制卡的开放式数控系统的研究［J］.机械设计与制造，2008(6):171－172.

［2］ 陈志育，秦现生，任松涛.基于PC+NC结构的数控系统的研究与开发［J］.组合机床与自动化加工技术，2007(4):56－61.

［3］ 张学成.基于PMAC运动控制器的开放式数控系统研究［D］.长沙:国防科学技术大学，2002.

［4］ 向 平，黄 健，吴 萍.数控运动控制器浅析［J］.机床与液压，2005(7):61－63.