0 引言

　　導(dǎo)軌對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行導(dǎo)向和支撐，在機(jī)床、工業(yè)流水線、電梯等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。大型的龍門式數(shù)控機(jī)床所用的縱向?qū)к壗孛娉叽绱蟆㈤L度較長，精度要求高，制造工藝復(fù)雜。縱向?qū)к壋Ｒ姷慕孛嫘问綖閳D 1所示的 T 型。

　　T 型導(dǎo)軌的加工工藝包括上表面和左右兩側(cè)面的銑磨加工，以及內(nèi)側(cè)面安裝齒條的槽的銑削加工。需要對(duì)四個(gè)面進(jìn)行銑削再對(duì)三個(gè)面進(jìn)行磨削，這幾個(gè)面都不在一個(gè)平面上，需要先銑上表面，再銑兩個(gè)側(cè)面和齒條槽內(nèi)側(cè)面，然后再對(duì)導(dǎo)軌的上表面、左側(cè)面、右側(cè)面三個(gè)面進(jìn)行磨削。

圖 1 T 型導(dǎo)軌截面示意圖

　　利用通用機(jī)床進(jìn)行 T 型導(dǎo)軌加工，需要多臺(tái)機(jī)床與多名工人才能完成全部工藝。加工中會(huì)使用到立銑頭、臥銑頭、立磨頭和臥磨頭，需要進(jìn)行工件的多次裝夾，并存在工件的運(yùn)輸?shù)葥p耗，加工完一條導(dǎo)軌需要較長時(shí)間。多次裝夾會(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)誤差。由于工藝復(fù)雜，對(duì)工人的操作水平要求很高。

　　由于上述原因，T 型導(dǎo)軌的加工成為了機(jī)床生產(chǎn)中的瓶頸工序。為了提高導(dǎo)軌加工效率，某大型數(shù)控切割機(jī)廠針對(duì) T 型導(dǎo)軌的特點(diǎn)，合作研制出了導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床。

　　導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床包含有一個(gè)立銑刀、兩個(gè)臥銑刀、一個(gè)臥磨刀以及兩個(gè)立磨刀，用于銑削導(dǎo)軌上表面、左右兩側(cè)面和內(nèi)側(cè)齒條槽，磨削導(dǎo)軌上表面和左右兩側(cè)面。導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床能同時(shí)銑削導(dǎo)軌三個(gè)表面和齒輪條槽，也可以同時(shí)磨削導(dǎo)軌三個(gè)表面。配合此專用機(jī)床，設(shè)計(jì)開發(fā)出了數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)軌自動(dòng)銑磨工藝，提高了導(dǎo)軌加工效率。

1 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 總體方案設(shè)計(jì)

　　機(jī)床的銑刀和磨刀都可以進(jìn)行升降以及平移，由11 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另外還有轉(zhuǎn)動(dòng)的 IO 控制以及工作平臺(tái)的控制等。數(shù)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)單電機(jī)的加減速控制、移動(dòng)方向與距離的控制、多個(gè) IO 口的控制等，但并不需要進(jìn)行平面插補(bǔ)控制。

　　根據(jù)上述特點(diǎn)，普通的運(yùn)動(dòng)控制卡以及 PLC 都不適合對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，選擇基于單片機(jī)開發(fā)控制系統(tǒng)，作為下位機(jī)。

　　機(jī)床尺寸龐大，交互系統(tǒng)基于工控機(jī)開發(fā)，具有圖形用戶界面，支持鼠標(biāo)與鍵盤，作為上位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過串口連接，設(shè)計(jì)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的信息傳遞。

　　1.2 下位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

　　硬件電路控制系統(tǒng)主要包括電源管理、限位開關(guān)信號(hào)輸 入、串口通訊、電機(jī)控制和外部存儲(chǔ)器。STC12C5A60 單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)通過I/O 口控制三個(gè)銑刀和三個(gè)磨刀的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，接收限位開關(guān)信號(hào)輸入，并控制平臺(tái)的移動(dòng)。如表 1 所示。

表 1 系統(tǒng) IO 清單

　　硬件電路中 IO 口眾多，其中伺服電機(jī)的控制是關(guān)鍵部分。伺服電機(jī)控制加工軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。一般伺服電機(jī)有三種控制方式: 速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式。本系統(tǒng)中，伺服電機(jī)帶動(dòng)相應(yīng)刀具移動(dòng)到特定的位置，選擇位置控制方式，通過輸入脈沖的方向來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，通過脈沖的個(gè)數(shù)確定移動(dòng)的距離。

　　下位機(jī)的軟件主要包含兩個(gè)子系統(tǒng)。一是實(shí)現(xiàn)基本的 IO 功能，獲取傳感器信號(hào)，控制輸出口輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。二是實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議邏輯，解析上位機(jī)通過串口發(fā)送過來的命令，根據(jù)命令執(zhí)行控制功能，反饋結(jié)果給上位機(jī)。

　　1.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件通過人機(jī)界面獲取用戶的輸入，通過串口與下位機(jī)通訊，利用下位機(jī)控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，實(shí)時(shí)獲取下位機(jī)上傳的信息，在界面上顯示，并進(jìn)行相應(yīng)處理。

　　上位機(jī)軟件功能包括參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)加工、單獨(dú)銑、單獨(dú)磨、自動(dòng)銑磨等幾個(gè)子系統(tǒng)。參數(shù)設(shè)置中對(duì)進(jìn)退刀量等幾十個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置后可以備份與恢復(fù)。手動(dòng)加工主要通過每個(gè)軸的單軸運(yùn)動(dòng)和每個(gè)

　　磨刀的單獨(dú)走刀過程來實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)軌的手動(dòng)加工，適合機(jī)床的調(diào)試和在加工完成不滿足要求時(shí)的補(bǔ)充加工。單獨(dú)銑可完成銑削加工。單獨(dú)磨可完成磨削加工。自動(dòng)銑磨可以一次性完成銑磨加工。

　　上位機(jī)軟件采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)技術(shù)，利用模塊化方式，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多個(gè)開發(fā)模塊，圖 2 為系統(tǒng)的UML 組件圖。界面開發(fā)利用 MFC 類庫。串口通訊基于 MSComm 組件開發(fā)。

圖 2 系統(tǒng)組件圖

　　銑磨工藝組件是上位機(jī)軟件的核心部分，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)銑削與自動(dòng)磨削的加工邏輯，通過下位機(jī)控制設(shè)備完成加工。

　　銑削通過三把銑刀完成。立銑刀是一個(gè)雙層銑刀，上層銑刀用來銑導(dǎo)軌的上表面，下層銑刀用來銑齒條槽。左右臥銑刀分別用來銑削導(dǎo)軌的左右側(cè)面。三個(gè)銑刀都是一刀銑完整個(gè)平面，并且只銑削一次。銑削加工程序流程如圖 3 所示。

圖 3 銑削程序基本流程

　　磨削通過三把磨刀完成。臥磨刀用來磨削導(dǎo)軌上表面，左右立磨刀用來磨削導(dǎo)軌左右兩側(cè)面。磨刀每一次的進(jìn)刀量比較小，需要多次進(jìn)刀，才能完成磨削加工。磨削加工程序流程如圖 4 所示。

圖 4 磨削程序基本流程

　　由于砂輪在磨削過程中存在損耗，系統(tǒng)內(nèi)置補(bǔ)償算法，由用戶調(diào)節(jié)補(bǔ)償系數(shù)，每一次走刀，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行微小進(jìn)刀，補(bǔ)償磨損量。

　　1.4 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)與下位機(jī)之間必須定義嚴(yán)格的無二義性的通訊協(xié)議，才能協(xié)同工作。面向機(jī)床銑刀，定義出系統(tǒng)中主要的刀具名稱，分別為上銑刀、左銑刀、右銑刀、臥磨刀、左立磨刀、右立磨刀，平臺(tái)朝前移動(dòng)為前進(jìn)，朝后移動(dòng)為后退。每條命令，第一個(gè)字節(jié)為命令字，命令字大于 A0。如果帶有參數(shù)，則附加兩個(gè) BCD 碼字節(jié)。移動(dòng)數(shù)據(jù)以 mm 為單位，進(jìn)刀量和補(bǔ)償量以 μm為單位，均為絕對(duì)坐標(biāo)。起始點(diǎn)為絕對(duì)坐標(biāo)零點(diǎn)。協(xié)議中設(shè)計(jì)了 62 個(gè)命令字，通過這些命令，上位機(jī)可以通過下位機(jī)實(shí)現(xiàn)各種控制功能，并可以從下位機(jī)獲得反饋信息以及限位開關(guān)狀態(tài)信息等。

2 應(yīng)用驗(yàn)證和比較

　　為了提高運(yùn)行效率，下位機(jī)軟件利用匯編語言開發(fā)。上位機(jī)軟件利用 Visual Studio 2010 開發(fā)平臺(tái)，使用 C + + 語言開發(fā)。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了七個(gè)圖形用戶界面來完成系統(tǒng)功能。圖 5 為自動(dòng)銑磨功能的界面截圖。開始加工后，界面中實(shí)時(shí)顯示加工狀態(tài)與參數(shù)，用戶可進(jìn)行暫?；蛘呃^續(xù)等人工控制。

圖 5 自動(dòng)銑磨界面

　　導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)已在某數(shù)控切割機(jī)廠投入實(shí)際運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)軌的批量加工。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用簡單，穩(wěn)定性與正確性得到了驗(yàn)證。表 2 是導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床與常規(guī)加工方式完成一根導(dǎo)軌加工的主要參數(shù)指標(biāo)對(duì)比分析結(jié)果。加工的導(dǎo)軌長度為 3 米，磨削中走刀三次，進(jìn)刀三次。

表 2 主要指標(biāo)對(duì)比分析

　　使用導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床，利用專用夾具，快速裝夾導(dǎo)軌后，利用數(shù)控系統(tǒng)，一名工人就能夠完成導(dǎo)軌的加工。加工時(shí)間大大縮短，加工精度達(dá)到要求，解決了常規(guī)加工方式下的導(dǎo)軌加工瓶頸問題。

3 結(jié)束語

　　導(dǎo)軌銑磨專用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)針對(duì)機(jī)床特點(diǎn)與銑磨工藝需求，采用上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)同的架構(gòu)設(shè)計(jì)模式，開發(fā)出了圖形化的人機(jī)界面。系統(tǒng)提高了 T 型導(dǎo)軌加工效率，解決了傳統(tǒng)方式下導(dǎo)軌的加工瓶頸問題。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)磨削加工流程不同于傳統(tǒng)加工方式，具有創(chuàng)新性。目前系統(tǒng)功能已經(jīng)在數(shù)控切割機(jī)的導(dǎo)軌加工中得到了驗(yàn)證。將系統(tǒng)加工參數(shù)設(shè)計(jì)為用戶配置方式，系統(tǒng)可推廣到其他相近領(lǐng)域的導(dǎo)軌加工中。專用數(shù)控機(jī)床方式也為其他難加工零部件的生產(chǎn)提供了一種參考解決方案。在后續(xù)研究中，可以在機(jī)床中增加位置檢測裝置，將下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)為閉環(huán)控制，提高加工精度。