軋輥磨床是一種具有特殊工藝要求的重要工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，主要用于磨削軋制機(jī)中的各種具有中凸度或中凹度（輥形曲線）的圓柱體軋輥，屬于專用磨床系列。軋輥磨床具有以下幾個運(yùn)動軸：縱向的Z軸，橫向的X軸，偏心套的U軸，測量裝置的X1和X2軸，工件的轉(zhuǎn)動，砂輪的轉(zhuǎn)動。
由于軋輥的輥形曲線形狀復(fù)雜及其精度控制高的特殊要求，我們研究開發(fā)新一代基于SINUMERIK840D平臺的納米級數(shù)控系統(tǒng)，與軋輥傳統(tǒng)加工工藝相結(jié)合，作為實現(xiàn)軋輥納米級（10-6mm）的高速高精度的磨削加工控制，以通常的為單位輸入數(shù)控指令，以納米為單位進(jìn)行精密的位置計算，輸出控制各伺服軸運(yùn)動的位置指令的“納米級插補(bǔ)器”和執(zhí)行該指令的高速高響應(yīng)的伺服控制器。該控制器使用高速CPU和最新的伺服電動機(jī)及精密的位置測量與反饋元件，實現(xiàn)納米級進(jìn)給。最終實現(xiàn)軋輥磨床極為平滑和高速高精度進(jìn)給磨削及實現(xiàn)高性能、高品質(zhì)軋輥磨削。
本文主要介紹基于西門子最新的開放式SINUMERIK840D為控制平臺，以軋輥磨床MK8463為控制對象，以O(shè)EM開發(fā)包為工具，利用高級編程語言VisualBasic6.0和ViSualC 6.0等，應(yīng)用智能化技術(shù)和專家工藝系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)的智能化納米級數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，功能模塊劃分和主要模塊的實現(xiàn)方法。
一、SINUMERIK840D的開放性
開放式CNC系統(tǒng)是對傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)的根本突破，是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主流。在控制系統(tǒng)的開放性方面，不同開發(fā)商及研究機(jī)構(gòu)采用的解決方案也不同。按開放的層次不同可分3種途徑，開放層次不同，實現(xiàn)的難度不等，獲得的開放效果也相差很大，如圖1所示。圖中，虛線將控制系統(tǒng)劃分為人機(jī)控制（Man-MachineControl,MMC）層和控制內(nèi)核層兩個層面，其中控制內(nèi)核是CNC系統(tǒng)完成實時加工過程調(diào)度和控制的核心部分，一般和系統(tǒng)實時性相聯(lián)系。3種方式就是基于對這種兩個層面開放的不同處理來區(qū)分的。
SINUMERIK840D是一個智能化的開放式數(shù)控平臺，它是由數(shù)控及數(shù)字驅(qū)動單元（CCU或NCU）、人機(jī)界面（MMC）、PLC模塊3部分組成，具有三大開放性，如圖2所示。
二、數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
開放式軋輥磨床納米級數(shù)控系統(tǒng)，硬件采用德國西門子成熟的產(chǎn)品，軟件進(jìn)行自主開發(fā)，保證數(shù)控系統(tǒng)能夠正常工作，完成軋輥磨床特殊的控制要求。數(shù)控系統(tǒng)工作原理如圖3所示。
從圖中看出，數(shù)控系統(tǒng)包括HMI（人機(jī)管理界面）中的上位機(jī)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序（Application）、數(shù)控通訊服務(wù)器（NCDDEserver）以及數(shù)控核（SINUMERIK840DNCK）、可編程序控制器（SIMATCS7-300PLC）及相關(guān)通訊測量單元這五大部分。其中上位機(jī)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序是控制核心，借助于西門子840DOEM二次開放式的開發(fā)包工具、程序高級界面編程工具VB、動態(tài)庫編程工具VC來開發(fā)并實現(xiàn)；NCDDE服務(wù)器借助于多點接口MPI完成840D與上位機(jī)數(shù)控應(yīng)用程序通訊的功能，借助于高級編程語言的通訊控件和通訊語言來實現(xiàn)；SINUMERIK840DNCK完成插補(bǔ)運(yùn)算、處理解釋數(shù)控代碼，執(zhí)行軋輥工藝數(shù)控程序。SIMATCS7PLC部分是具體執(zhí)行單元，我們以PLC編程語言S7-300語言對其進(jìn)行編程設(shè)計，以配合軋輥工藝的實現(xiàn)；相關(guān)通訊測量單元將涉及到精密化磨削與測量數(shù)據(jù)的采集，借助于納米級精密光柵尺、PLC以及反饋裝置來實現(xiàn)。
經(jīng)過對軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺和軋輥工藝的需求分析，上位機(jī)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序部分包括了系統(tǒng)初始化、軋輥磨削參數(shù)設(shè)置、軋輥工藝程序智能決策、軋輥輥形曲線智能創(chuàng)成、軋輥磨削加工過程實現(xiàn)，軋輥測量單元選擇、軋輥磨削軌跡及測量曲線再現(xiàn)，砂輪修整與自動補(bǔ)償，基于知識的軋輥PDM以及系統(tǒng)診斷及探傷10個模塊。數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
利用MicrosoftAccess2000設(shè)計一個數(shù)據(jù)庫sjk_data.mdb用來存儲和管理軋輥加工輸入的機(jī)床參數(shù)、砂輪參數(shù)、工件參數(shù)、輥形曲線節(jié)點數(shù)據(jù)以及加工過程中的工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，為使用者提供一個友好的人機(jī)交互式參數(shù)編輯環(huán)境。
三、上位機(jī)數(shù)控應(yīng)用程序各模塊功能分析
上位機(jī)應(yīng)用程序主要將數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)交互式操作界面顯示在840D的MMC103計算機(jī)屏幕上，為數(shù)控系統(tǒng)用戶提供一個方便的操作環(huán)境，這是軋輥磨床納米數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)中的重要部分。由于軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)界面要求具有良好的人機(jī)交互性，所以我們利用OEM開發(fā)包中的Menudesign菜單設(shè)計器來生成各個界面。界面之間的調(diào)用通過軟鍵（Softkey）來實現(xiàn)。
系統(tǒng)初始化：該模塊主要完成上位機(jī)應(yīng)用程序內(nèi)嵌到西門子系統(tǒng)所需要構(gòu)建的一些技術(shù)處理，利用OEM提供的Regie文件實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，系統(tǒng)的啟動、加載系統(tǒng)和MMC的動態(tài)鏈接庫，用正確的順序啟動程序，系統(tǒng)配置和區(qū)域轉(zhuǎn)換保證上位機(jī)應(yīng)用程序在OEM環(huán)境下順利運(yùn)行。
軋輥磨削參數(shù)設(shè)置：在加工之前，對軋輥磨削所需要的機(jī)床參數(shù)、砂輪參數(shù)、工件參數(shù)和輥形曲線參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。軋輥工藝程序決策：針對不同軋輥設(shè)計了7道軋輥磨削工藝，分別是加工準(zhǔn)備、校準(zhǔn)、砂輪趨進(jìn)、粗磨、測量、精磨及拋光等，涉及軋輥加工時用到的工藝程序進(jìn)行模糊推理決策，重組。
輥形曲線智能創(chuàng)成：提供給軋輥加工所需要的輥形曲線的智能化生成，包括功能曲線（如正弦曲線等）、表格曲線（如CVC曲線等）和插補(bǔ)曲線等。軋輥磨削精度與輥形曲線的精度直接相關(guān)。本文中的輥形曲線納米精度是實現(xiàn)軋輥磨削精度的前提。軋輥磨削加工過程：實現(xiàn)了軋輥工藝程序的啟動，驅(qū)動磨床完成指定的任務(wù)，并實時顯示輥形的磨削實際曲線和理論曲線。
軋輥測量單元：完成軋輥的圓度、輥形誤差、粗糙度等測量。磨削軌跡及測量曲線：是完成磨削軌跡的實時顯示和經(jīng)過測量機(jī)構(gòu)測量后輥形實際曲線的顯示，并作出誤差分析。砂輪修正與自動補(bǔ)償：完成砂輪磨損后的實時檢測，并將聲納檢測后的磨損值送入插補(bǔ)系統(tǒng)，實時改變微進(jìn)給機(jī)構(gòu)U軸的坐標(biāo)值。
基于知識的軋輥PDM這部分是實現(xiàn)軋輥磨削程序及數(shù)據(jù)的存儲、記錄，提供軋輥信息數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的研究分析提供知識的決策和管理，利用網(wǎng)絡(luò)輸出到軋輥研究中心進(jìn)行分析。系統(tǒng)診斷及探傷：是對軋輥磨削的故障的檢測分析，以及利用自動超聲波探傷或渦流探傷儀完成對軋輥的紋理缺陷的探傷測量。
四、軟件部分功能模塊的具體實現(xiàn)
軟件功能模塊的實現(xiàn)用到系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊和窗體以及程序模塊。利用動態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫DLL實現(xiàn)軟鍵文本的顯示，利用PRIVATE.BAS模塊函數(shù)中的State_Cganged（）函數(shù)實現(xiàn)程序功能。
五、結(jié)語
經(jīng)過特殊設(shè)計的軋輥磨床納米級數(shù)控系統(tǒng)，在MK8463上的應(yīng)用，保證了軋輥加工的輥形磨削精度，實現(xiàn)了軋輥磨削的智能化運(yùn)行以及軋輥工藝的特殊化集成，并實現(xiàn)了軋輥產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息化管理、自動探傷、實時在線測量及補(bǔ)償?shù)韧晟频墓δ?，提升了國?nèi)數(shù)控軋輥磨床核心技術(shù)競爭力，具有自主知識版權(quán)。
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