導軌銑磨專用機床數控系統的設計與實現

劉德剛，吳興群，蔣 威

(中國地質大學(武漢) 機械與電子信息學院，武漢 430074)

導軌銑磨專用機床數控系統的設計與實現

劉德剛，吳興群，蔣 威

(中國地質大學(武漢) 機械與電子信息學院，武漢 430074)

大型龍門式數控機床所用的縱向導軌制造工藝復雜，其加工是機床生產中的瓶頸環節。導軌銑磨專用機床可一次性銑削導軌的四個工作面，也可以同時磨削導軌的三個工作面，提高加工效率。針對此專用機床，設計并開發了數控系統。依據專用機床的機械結構，結合實際加工經驗，設計出了銑削與磨削的自動加工工藝。銑削粗加工可以一次銑完所有加工面，磨削精加工需要多次走刀與進刀后才可以完成加工。數控系統采用上位機與下位機協同的架構，上下位機之間通過串口，按照通訊協議進行信息傳遞。下位機實現了12個單軸的控制，并測控多個IO口，軟件中實現了監控功能與通訊模塊。上位機軟件利用面向對象設計技術，開發出圖形化人機界面，通過下位機實現對機床的控制。系統在某切割機廠成功應用，結果表明導軌銑磨專用機床的加工效率及易用性比常規方式有較大提高。

導軌銑磨；專用機床；數控系統

0 引言

導軌對運動部件進行導向和支撐，在機床、工業流水線、電梯等領域中應用廣泛[1-3]。大型的龍門式數控機床所用的縱向導軌截面尺寸大、長度較長，精度要求高，制造工藝復雜。縱向導軌常見的截面形式為圖1所示的T型。

T型導軌的加工工藝包括上表面和左右兩側面的銑磨加工，以及內側面安裝齒條的槽的銑削加工。需要對四個面進行銑削再對三個面進行磨削，這幾個面都不在一個平面上，需要先銑上表面，再銑兩個側面和齒條槽內側面，然后再對導軌的上表面、左側面、右側面三個面進行磨削。

圖1 T型導軌截面示意圖

利用通用機床進行T型導軌加工，需要多臺機床與多名工人才能完成全部工藝。加工中會使用到立銑頭、臥銑頭、立磨頭和臥磨頭，需要進行工件的多次裝夾，并存在工件的運輸等損耗，加工完一條導軌需要較長時間。多次裝夾會導致基準誤差。由于工藝復雜，對工人的操作水平要求很高。

由于上述原因，T型導軌的加工成為了機床生產中的瓶頸工序。為了提高導軌加工效率，某大型數控切割機廠針對T型導軌的特點，合作研制出了導軌銑磨專用機床。

導軌銑磨專用機床包含有一個立銑刀、兩個臥銑刀、一個臥磨刀以及兩個立磨刀，用于銑削導軌上表面、左右兩側面和內側齒條槽，磨削導軌上表面和左右兩側面。導軌銑磨專用機床能同時銑削導軌三個表面和齒輪條槽，也可以同時磨削導軌三個表面。

配合此專用機床，設計開發出了數控系統，實現了導軌自動銑磨工藝，提高了導軌加工效率。

1 數控系統設計

1.1 總體方案設計

機床的銑刀和磨刀都可以進行升降以及平移，由11個電機驅動，另外還有轉動的IO控制以及工作平臺的控制等。數控系統需要實現多個單電機的加減速控制、移動方向與距離的控制、多個IO口的控制等，但并不需要進行平面插補控制。

根據上述特點，普通的運動控制卡以及PLC都不適合對機床進行控制，選擇基于單片機開發控制系統，作為下位機。

機床尺寸龐大，交互系統基于工控機開發，具有圖形用戶界面，支持鼠標與鍵盤，作為上位機。

上位機和下位機之間通過串口連接，設計通訊協議，實現上下位機之間的信息傳遞。

1.2 下位機軟硬件設計

硬件電路控制系統主要包括電源管理、限位開關信號輸入、串口通訊、電機控制和外部存儲器。STC12C5A60單片機是控制系統的核心，單片機通過I/O口控制三個銑刀和三個磨刀的轉動和移動，接收限位開關信號輸入，并控制平臺的移動。如表1所示。

表1 系統IO清單

硬件電路中IO口眾多，其中伺服電機的控制是關鍵部分。伺服電機控制加工軸的進給運動。一般伺服電機有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式[4]。本系統中，伺服電機帶動相應刀具移動到特定的位置，選擇位置控制方式，通過輸入脈沖的方向來確定轉動的方向，通過脈沖的個數確定移動的距離。

下位機的軟件主要包含兩個子系統。一是實現基本的IO功能，獲取傳感器信號，控制輸出口輸出，實現對伺服電機的控制。二是實現通訊協議邏輯，解析上位機通過串口發送過來的命令，根據命令執行控制功能，反饋結果給上位機。

1.3 上位機軟件設計

上位機軟件通過人機界面獲取用戶的輸入，通過串口與下位機通訊，利用下位機控制機床實現相關功能，實時獲取下位機上傳的信息，在界面上顯示，并進行相應處理。

上位機軟件功能包括參數設置、手動加工、單獨銑、單獨磨、自動銑磨等幾個子系統。參數設置中對進退刀量等幾十個參數進行設置，參數設置后可以備份與恢復。手動加工主要通過每個軸的單軸運動和每個磨刀的單獨走刀過程來實現對導軌的手動加工，適合機床的調試和在加工完成不滿足要求時的補充加工。單獨銑可完成銑削加工。單獨磨可完成磨削加工。自動銑磨可以一次性完成銑磨加工。

上位機軟件采用面向對象設計技術[5]，利用模塊化方式，將系統設計為多個開發模塊，圖2為系統的UML組件圖。界面開發利用MFC類庫[6]。串口通訊基于MSComm組件[7]開發。

圖2 系統組件圖

銑磨工藝組件是上位機軟件的核心部分，實現自動銑削與自動磨削的加工邏輯，通過下位機控制設備完成加工。

銑削通過三把銑刀完成。立銑刀是一個雙層銑刀，上層銑刀用來銑導軌的上表面，下層銑刀用來銑齒條槽。左右臥銑刀分別用來銑削導軌的左右側面。三個銑刀都是一刀銑完整個平面，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。臥磨刀用來磨削導軌上表面，左右立磨刀用來磨削導軌左右兩側面。磨刀每一次的進刀量比較小，需要多次進刀，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[8-9]，系統內置補償算法，由用戶調節補償系數，每一次走刀，系統自動進行微小進刀，補償磨損量。

1.4 通訊協議設計

上位機與下位機之間必須定義嚴格的無二義性的通訊協議[10]，才能協同工作。

面向機床銑刀，定義出系統中主要的刀具名稱，分別為上銑刀、左銑刀、右銑刀、臥磨刀、左立磨刀、右立磨刀，平臺朝前移動為前進，朝后移動為后退。

每條命令，第一個字節為命令字，命令字大于A0。如果帶有參數，則附加兩個BCD碼字節。

移動數據以mm為單位，進刀量和補償量以μm為單位，均為絕對坐標。起始點為絕對坐標零點。

協議中設計了62個命令字，通過這些命令，上位機可以通過下位機實現各種控制功能，并可以從下位機獲得反饋信息以及限位開關狀態信息等。

2 應用驗證和比較

為了提高運行效率，下位機軟件利用匯編語言開發。上位機軟件利用Visual Studio 2010開發平臺，使用C++語言開發。上位機軟件實現了七個圖形用戶界面來完成系統功能。圖5為自動銑磨功能的界面截圖。開始加工后，界面中實時顯示加工狀態與參數，用戶可進行“暫停”或者“繼續”等人工控制。

圖5 自動銑磨界面

導軌銑磨專用機床數控系統已在某數控切割機廠投入實際運行，實現了導軌的批量加工。系統運行穩定，使用簡單，穩定性與正確性得到了驗證。

表2是導軌銑磨專用機床與常規加工方式完成一根導軌加工的主要參數指標對比分析結果。加工的導軌長度為3米，磨削中走刀三次，進刀三次。

表2 主要指標對比分析

使用導軌銑磨專用機床，利用專用夾具，快速裝夾導軌后，利用數控系統，一名工人就能夠完成導軌的加工。加工時間大大縮短，加工精度達到要求，解決了常規加工方式下的導軌加工瓶頸問題。

3 結束語

導軌銑磨專用機床數控系統針對機床特點與銑磨工藝需求，采用上位機與下位機協同的架構設計模式，開發出了圖形化的人機界面。系統提高了T型導軌加工效率，解決了傳統方式下導軌的加工瓶頸問題。系統實現的自動磨削加工流程不同于傳統加工方式，具有創新性。目前系統功能已經在數控切割機的導軌加工中得到了驗證。將系統加工參數設計為用戶配置方式，系統可推廣到其他相近領域的導軌加工中。專用數控機床方式也為其他難加工零部件的生產提供了一種參考解決方案。在后續研究中，可以在機床中增加位置檢測裝置，將下位機運動控制系統升級為閉環控制，提高加工精度。

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(編輯 趙蓉)

The Design and Implementation of CNC System for Guide Rail Milling and Grinding Special Machine Tool

LIU De-gang，WU Xing-qun，JIANG Wei

(Faculty of Mechanical & Electronic Information, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

The longitudinal guide rail for large Longmen CNC machine tool manufacturing processes are complex, its processing is the bottleneck in the production of machine tools. Guide rail milling and grinding special Machine can mill four working surfaces one time and can grind three working surfaces one time too, that improves processing efficiency. Designed and implemented the CNC system for the special machine tools. Based on the mechanical structure of special machine tool, combined with practical experience in processing, designed the automatic processing of milling and grinding. Milling can mill all surfaces one time, grinding requires multiple steps to finish process. CNC system uses the host-guest architecture, they use serial ports to connect, and observe communication protocol. Guest machine implements the 12 single axis controls, and controls multiple IO ports, realized in software of monitoring and communication module. Host Software uses Object oriented design technology, developed the graphical man-machine interface, through the guest machine to realize the control of machine tool. System has been used in a cutting machine factory, results show efficiency and easy to use are greatly improved.

guide rail milling and grinding; special purpose machine tool; numerical control system

1001-2265(2014)06-0090-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.025

2013-11-26

劉德剛(1974—)，男，山東高唐人，中國地質大學(武漢)副教授，博士，研究方向為軟件工程、CAM，(E-mail)liudg2002@126.com。

TH164;TG65

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