可转位刀片周边磨床数控系统清华大学徐滔滔，赵广木，徐海峥，尹文生，郭伟庆【提要】本文介绍 了一种可转位刀片周边磨削加工的数控系统。该系统以工业ＰＣ机控制，采用直角坐标加工编程， 极坐标插补控制，配有加工余量自动测量系统，能高精度、高速度、高效率地完成可转位刀片周边 自动磨削。关键词数控系统，
可转位刀片，周边磨床目前，国内除了能生产少数几种型号的靠模可 转位刀片周边磨床外，还能生产数控可转位刀片周边磨床。因而研制可转位刀片周边磨床专用数控 系统，对提高我国切削加工水平具有重要意义。系统硬件可转位刀片周边磨床数控系统的硬件结构 如图１所示。根据工业控制用计算机的发展现状和可转位刀片周边磨削对数控的要求，选用ＡＴ总 线结构的工业ＰＣ机作系统的主控计算机，以８０９８单片机实现位置控制，构成主从式多ＣＰＵ 控制系统。各子系统以总线共享的方式与主计算机进行联络和数据交换，充分发挥主计算机的高速 数据处理能力，并协调各子系统并行工作。图１系统结构机床的结构如图２所示，共有Ａ、Ｂ、Ｘ 、Ｚ１、Ｚ２五个坐标轴。Ｚ１轴位于绕Ｂ轴回转的回转工作台上，轴心通过Ｂ轴中心；Ａ轴位于 Ｚ１轴工作台，和Ｚ１轴垂直；Ｚ２轴位于Ｘ轴工作台，和Ｘ轴垂直。机床各轴运动如箭头所示。 磨削直线边时，定位控制Ａ轴，使该边平行于砂轮磨削面，定位控制Ｂ轴，产生后角，定位控制Ｚ １轴，使余量位于Ａ－Ａ线的砂轮一侧，分步进给Ｚ２轴，直到砂轮磨削面到达Ａ－Ａ线，同时摆 动Ｘ轴，就可完成磨削加工。磨削孤形边时，使砂轮磨削面位于Ａ－Ａ线，控制Ａ、Ｂ、Ｚ１三轴 联动，就可完成磨削加工。根据刀片周边磨削的直线边多次进给去除、孤形边一次联动去除的独特 磨削加工特点，以及毛坯余量自动测量的要求，用步进驱动取代了砂轮摇架的液压驱动，即Ｘ轴。 由于Ｘ轴的运动速度和位移量均可通过程序进行控制，因而通过程序即可达到最佳磨削和自动砂轮 修整。毛坯余量自动测量系统是实现周边自动高效率磨削的关键技术之一。根据刀片周边磨削工艺 特点自行设计了接触式机械测量装置，其结构如图３所示。图２钒床结构示意图图３测量传感器机 构测杆、精密测杆位移放大机构、微动开关、及内置于ＰＭＣ板的Ｉ／（）接点组成传感机构，在 Ｘ轴精定位功能的支持下，配合测量过程处理软件，构成低成本高精度毛坯余量自动测量系统。其 测量过程是定位Ｘ轴，使测头对准具有余量的毛坯刀片直线边，快进Ｚ２轴到预定位置，然后以测 量速度进给Ｚ２轴，毛坯刀片的直线边接触测头并进而相对Ｚ２轴工作台向后推动测杆，带动位移 放大机构闭合微动开关的常开接点，由测量过程处理软件实时读取接点闭合时的Ｚ２轴坐标值，便 可计算出毛坯刀片直线边的余量。该余量自动测量系统经实际运行，效果很好。系统控制软件１． 极坐标插补原理图４极坐标插补轨迹示意图刀片加工时以图２所示的Ａ轴中心为夹具中心，以刀片 的内切圆圆心为定位点。因此，对刀片的用圆弧逼近的弧形边以Ａ、Ｂ、Ｚ１三轴联动加工时，在 以Ａ轴转角平面展开和Ｚ１轴构成的坐标系上的插补运算是余弦插补（图４所示）。直接以Ａ轴转 角和Ｚ１轴构成的坐标系内用余弦算法描述可转位刀片的周边不仅不直观，而且算法和ＩＳＯＧ代 码刀片加工程序编程复杂。因而在ＸＯＹ直角坐标系对刀片周边进行数学描述和ＩＳＯＧ代码刀片 加工程序编程，然后由计算机自动进行处理，转换为适合以Ｚ１正方向为极轴、Ａ轴转角为极角的 极坐标插补运算的参数，能大大降低ＩＳＯＧ代码刀片程序编程的难度，并使程序对刀片周边的加 工描述变得相当直观。转换处理的一一对应关系由Ｘ正半轴和极轴重合这一约定来保证。转换算法 与插补公式如下：图５直线坐标转换图６圆弧坐标转换１）对于直角坐标系中起点为Ｐ１（Ｘ１， Ｙ１）、终点为Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２）的直线段，如图５所示。可用如下公式求出磨削时Ａ轴转角、 直线边到Ａ轴中心距离。θＡ．＝３３６０°－ａｒｃｃｏｓ（Ｘ。／Ｒ）（Ｙ。＜０）式中Ｋ１ ，Ｋ２分别是直线段Ｐ１Ｐ２及其过原点垂线ＯＰ。的斜率。２）对于直用坐标系中起点为Ｐ１（ Ｘ１，Ｙ１）、终点为Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２）、半径为Ｒ的圆弧，如图６所示，可用如下公式求得极 坐标插补的几何参数。式中Ｋ是Ｐ１Ｐ２的斜率；θ１、θ２分别是圆弧段磨削开始和结束时Ａ轴 的转角；对直线边的磨削，只要按换算的极坐标参数定位进给Ａ轴、Ｂ轴、Ｚ１轴，就可控制Ｚ２ 轴和Ｘ轴运动完成毛坯余量测量及磨削，不需联动和插补。对起点Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１）、终点为Ｐ ２（Ｘ２，Ｙ２）、半径为Ｒ的圆弧，可通过半径为Ｒ０，原点在Ａ轴中心，圆心角为θ１、θ２ ，之间的圆弧用时分割的方法实现对圆弧磨削插补。１）由每插补周期（８ｍｍ）圆弧进给量ｆ求 得圆心角进给量：△θ＝ｆ／Ｒ。２）由递推公式求出每轴的插补周期进给量：Ｚ１ｉ＝Ｒ０ｃｏ ｓ［θ０－（θｉ－１＋△θ）］＋Ｒ△Ｚ１ｉ＝Ｚ１ｉ－Ｚ１ｉ－］△Ａｉ＝△θｉ△Ｂｉ＝ｆ （θｉ）－ｆ（θｉ－１）２．控制软件设计选用工业ＰＣ作为主控计算机的一个很大优势就是能 在ＤＯＳ操作系统的支持下，高速高效地开发出结构模块化、界面友好、可靠性和可维护性好的控 制软件。可转位刀片周边磨床数控系统的软件如图７所示。它由主控程序、刀片选择与文件处理、 仿真运行与校验、加工运行、机床参数设置与Ｉ／Ｏ控制、手动调整、砂轮修整等模块构成。图７ 控制软件结构框图刀片选择与文件处理模块用于标准刀片的加工选择，几何参数（内切圆直径，刀 尖过渡圆角半径等）的设置，以及非标准异形刀片加工的ＩＳＯＧ代码文件的编辑和数据处理。仿 真运行与校验模块对刀片加工ＩＳＯＧ代码文件进行仿真运行，以图形显示方式模拟加工运行的全 过程，验证ＩＳＯＧ代码文件的正确性。加工运行模块根据所选标准刀片的几何参数或刀片加ＩＳ ＯＧ代码文件处理后得到的数据控制Ａ轴、Ｂ轴、Ｚ１轴、Ｚ２轴的运动及Ｘ轴的磨削摆动。对刀 片进行磨削加工。毛坯余量自动测量过程包括在该模块中，在刀片加工前自动对毛坯余量进行测量 。机床参数设置与Ｉ／Ｏ控制模块可对Ｂ轴、Ｚ１轴、Ｚ２轴、Ｘ轴的正负极限进行任意设置。对 Ａ轴、Ｂ轴、Ｚ１轴、Ｚ２轴、Ｘ轴的加工速度、快进速度、Ｘ轴磨削摆速依据加工要求进行任意 修改，根据所加工刀片厚度、材质不同，修改测量时Ｘ轴坐标，Ｚ２轴每次进给砂轮的摆动次数， 无火花磨削Ｘ轴的行程和砂轮摆动次，数等。Ｉ／Ｏ控制可显示机床继电器输出状态，并对它进行 开关控制。手动调整模块能对任一坐标进行调整、回零点操作，对坐标运动超过极限等异常情况进 行手动处理。砂轮修整模块可对砂轮进行自动或手动修整。除上述功能外，系统还具有反向间隙补 偿、砂轮修整补偿等功能。它们能实时补偿系统的误差，稳定控制刀片加工的质量。本系统经联合 调试和试运行，在以二细分步进电机作伺服驱动元件时加工精度可达到４μｍ，满足了设计要求。 如果用分辨率更高的直流电机伺服系统或交流电机伺服系统作驱动元件，则完全可达到１μｍ加工 精度。因而本系统有很好的推广应用价值。参考文献｜｜毕成恩等．现代数控机床．北京机械工业 出版社．１９９１．责任编辑田素清可转位刀片周边磨床数控系统@徐滔滔，赵广木，徐海峥，尹 文生，郭伟庆$清华大学数控系统，可转位刀片，周边磨床本文介绍了一种可转位刀片周边磨削加 工的数控系统。该系统以工业ＰＣ机控制，采用直角坐标加工编程，极坐标插补控制，配有加工余 量自动测量系统，能高精度、高速度、高效率地完成可转位刀片周边自动磨削。毕成恩等．现代数 控机床．北京机械工业出版社．１９９１．用工业ＰＣ作为主控计算机的一个很大优势就是能在Ｄ ＯＳ操作系统的支持下，高速高效地开发出结构模块化、界面友好、可靠性和可维护性好的控制软 件。可转位刀片周边磨床数控系统的软件如图７所示。它由主控程序、刀片选择与文件处理、仿真 运行与校验、加工运行、机床参数设置与Ｉ／Ｏ控制、手动调整、砂轮修整等模块构成。图７控制 软件结构框图刀片选择与文件处理模块用于标准刀片的加工选择，几何参数（内切圆直径，刀尖过 渡圆角半径等）的设置，以及非标准异形刀片加工的ＩＳＯＧ代码文件的编辑和数据处理。仿真运 行与校验模块对刀片加工ＩＳＯＧ代码文件进行仿真运行，以图形显示方式模拟加工运行的全过程 ，验证ＩＳＯＧ代码文件的正确性。加工运行模块根据所选标准刀片的几何参数或刀片加ＩＳＯＧ 代码文件处理后得到的数据控制Ａ轴、Ｂ轴、Ｚ１轴、Ｚ２轴的运动及Ｘ轴的磨削摆动。对刀片进 行磨削加工。毛坯余量自动测量过程包括在该模块中，在刀片加工前自动对毛坯余量进行测量。机 床参数设置与Ｉ／Ｏ控制模块可对Ｂ轴、Ｚ１轴、Ｚ２轴、Ｘ轴的正负极限进行任意设置。对Ａ轴 、Ｂ轴、Ｚ１轴、Ｚ２轴、Ｘ轴的加工速度、快进速度、Ｘ轴磨削摆速依据加工要求进行任意修改 ，根据所加工刀片厚度、材质不同，修改测量时Ｘ轴坐标，Ｚ２轴每次进给砂轮的摆动次数，无火 花磨削Ｘ轴的行程和砂轮摆动次，数等。Ｉ／Ｏ控制可显示机床继电器输出状态，并对它进行开关 控制。手动调整模块能对任一坐标进行调整、回零点操作，对坐标运动超过极限等异常情况进行手 动处理。砂轮修整模块可对砂轮进行自动或手动修整。除上述功能外，系统还具有反向间隙补偿、 砂轮修整补偿等功能。它们能实时补偿系统的误差，稳定控制刀片加工的质量。本系统经联合调试 和试运行，在以二细分步进电机作伺服驱动元件时加工精度可达到４μｍ，满足了设计要求。如果 用分辨率更高的直流电机伺服系统或交流电机伺服系统作驱动元件，则完全可达到１μｍ加工精度 。因而本系统有很好的推广应用价值。参考文献｜｜毕成恩等．现代数控机床．北京机械工业出版社．１９９１．责任编辑田素清可转位刀片周边磨床数控系统@徐滔滔，赵广木，徐海峥，尹文生，郭伟庆$清华大学数控系统，可转位刀片，周边磨床本文介绍了一种可转位刀片周边磨削加工的数控系统。该系统以工业ＰＣ机控制，采用直角坐标加工编程，极坐标插补控制，配有加工余量自
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