MLT高速高精外圓磨床及基于ARM的磨床數控系統研究*

林守金

（中山邁雷特數控技術有限公司，廣東中山 528437）

0 引言

磨床的主要類型有外圓磨床、內圓磨床、平面磨床、無心磨床等，而外圓磨床使用最廣泛[1]。磨削加工作為大部分產品成形前的最后一道工序，直接影響產品的加工精度和表面質量。磨削技術的高速發展推動了磨削加工應用范圍的日益擴大。與傳統的磨床相比，數控磨床加工精度高，可實現在線精度補償和優化控制，能夠加工任意連續變化的回轉曲面，柔性化能力和自動化程度較高，適合于多品種、中小批量生產等。其控制系統是決定磨床加工精度與適用范圍的關鍵因素[2-5]。

目前，磨床行業發展趨勢是磨削加工的高效化、直接驅動、磨削過程的在線測量與控制、量儀在線監控等[6-7]。國外磨床廠家都自行開發專用磨床數控系統，如OMAT公司的自適應編碼調制（ACM）監控系統，智能熱控制系統（ITC）、智能操作者支持系統（OSS）和無線通知系統（RNS），以及Mazak公司的主動震動控制系統（AVC）、智能熱屏障系統（ITS）和馬扎克語音提示系統（MVA）[8]。

我國改革開放后，經過多年的自主研發和經驗積累，在數控磨床領域取得了一系列成果，關鍵技術及產品結構等方面有了較大提升。但在高速、高精和智能化控制方面，與世界先進水平差距明顯，主要原因為國內數控系統的體系結構（硬件平臺、軟件平臺）、高速高精控制算法、伺服驅動的綜合差距所導致。此外，相關功能部件，傳感器技術等也是制約我國高端磨床的關鍵因素。

針對數控磨床高精度化、高智能化、集成化/模塊化、高可靠性的發展趨勢[9-10]，本文設計了基于ARM的高速高精MLT外圓磨床數控系統，并探討了異質多傳感器分布網絡與數控磨床一體化系統集成和穩定性等問題，多源信息傳輸機制及控制原理以及復雜環境下高效可靠的決策機制與優化，構筑高精度數控磨床系統結構與開發高精度磨床數控系統，實現了磨床的磨輪對被加工工件磨削表面的實時智能控制和高精度定位；采用多種異質結構傳感器對加工過程中砂輪磨損、工件加工表面粗糙度、對刀狀態、工件找正、工件尺寸是否磨削到位等情況進行實時監控；配合砂輪修整機構可以實現蝸桿、螺紋、曲軸等任意連續變化的曲面的加工。

1 MLT外圓磨床結構設計

MLT高速高精外圓磨床基本結構如圖1所示，主要由機床本體、工作臺、磨頭、頭架、尾架、砂輪修整裝置、MLT數控系統和高分頻率光柵等多傳感器監測系統等組成。基于ARM的MLT高速高精外圓磨床數控系統可控制X軸（磨輪進給）、Z軸（往復運動）和C軸（工件旋轉）實現三軸聯動，滿足加工要求。

圖1 外圓磨床傳動系統

1.1 砂輪修整裝置

傳統外圓磨床存在以下不足：（1）只能磨削軸類或盤類零件，無法加工螺紋或連續變化的曲面；（2）砂輪修整需手動操作或用固定的砂輪修整器修整，修整后的形狀需使用專制塊規進行比對，效率低、質量難以控制。

為滿足對不同形狀工件的外圓磨削加工，需選用如圖2所示的砂輪，其外形的修整通常是通過電加工或激光實現，但該方法所需設備操作困難、能耗較高。本文設計了一種砂輪修整裝置，如圖3所示。修整砂輪時，“凵”形修整架前部裝有2把修整刀，且與修整架的中心線傾斜一定的角度，砂輪置于修整架的中心，可用修整刀對砂輪的左右端面進行修整。此外，不同的砂輪外形還可通過X、Z和C三軸聯動插補實現。選擇不同形狀的砂輪，可實現蝸桿、螺紋、曲軸等任意連續變化的曲面的加工。

圖2 砂輪常用形狀

圖3 砂輪修整裝置

1.2 多傳感器監測

為保證在大批量生產過程中機床運行可靠和穩定，需對可能發生故障進行預判，因而設計了多傳感器監測模塊。

圖1中標示了傳感器安放位置，其中①為三軸加速度傳感器，用于監測砂輪高速旋轉及其磨削工件時產生的機床振動；②為聲發射（AE）傳感器，監控磨粒磨損造成切削刃鈍化，磨削能力下降；③為在線測徑儀，可實時采集工件尺寸，進行精度判斷與補償；④為溫度傳感器，監測主軸及工件的溫升，適時進行熱誤差補償或采取其他措施；⑤為功率傳感器；⑥為高分辨率光柵。

將多傳感器監測結果進行處理得到的信號特征值作為砂輪狀態識別的判據，該技術可根據加工狀態的變化綜合考慮各種影響因素，自動調節到磨床最優加工狀態，對整機工作狀態進行實時在線檢測，以實現MLT外圓磨床的高速、高精與智能控制，確保磨床運行穩定、可靠。客戶可根據需求進行監測模塊的選購。圖4～5所示為MLT外圓磨床三維結構和產品圖。

圖4 MLT外圓磨床三維結構

圖5 MLT外圓磨床產品

2 基于ARM的外圓磨床數控系統設計

ARM處理器具有體積小、低功耗、低成本、高性能等優點，是嵌入式應用的首選核心芯片。基于ARM技術的微處理器已廣泛應用于工業控制產品市場[11]。下面介紹MLT高速高精外圓磨床的數控系統的硬件和軟件的組成與設計。

2.1 MLT磨床數控系統硬件的構成

MLT磨床數控系統選用ATMEL公司工業級的ATMEL9200的ARM芯片，ACTEL公司出品的非易失性的FPGA芯片，外部SDRAM、FLASH、LCD、KEY、USB、D/A轉換芯片（用于多傳感器接入）以及A/D轉化芯片等。硬件組成如圖6所示。系統中的主單片機，型號為ATMEL Microcontroller系列單片機中的AT91SAM9261，本嵌入式軟件用于以該單片機為核心板的控制裝置，系統的時鐘頻率為12 MHz，與從控制板之間通過總線方式進行通信，同時，本系統中還集成了控制輸入輸出的控制單片機FPGA芯片，可以管理多個控制單片機，構成為多機、多芯片控制系統。此外，還可控制8軸通道，實現多軸控制。

圖6 MLT外圓磨床數控系統硬件組成

在PC機支持下，任何可產生文本文件的編輯軟件都可完成本軟件書寫，C語言和AT91SAM9261系列的指令系統語句構成的匯編語言。

軟件開發需在微型計算機的支持下進行，還需要可對ATMEL Microcontroller系列芯片能寫入程序的編程器，微型計算機將本軟件經過編譯軟件MDK-ARM Standard Version V4.22.15.0轉化成的二進制文件，下載到編程器再寫入AT91SAM9261芯片。

2.2 MLT磨床數控系統軟件設計

設計的數控系統軟件框架如圖7所示，該軟件嵌入到硬件系統中的主單片機，使嵌入系統中的主單片機可向從控制單片機發送控制命令及移動數據，并提供磨削工件的快速移動及精確定位磨床的人機交互及程控式功能，實現對外圓磨床及萬能磨床的運動控制。并通過總線向所控制的驅動器發出位置和速度指令，控制伺服電機帶動機床進行磨削運行及磨削輔助功能等，具有控制精度高、響應速度快、便于操作、使用簡單等特點。

圖7 MLT系統軟件結構

上位機軟件是基于Windows操作系統，使用VC++6.0開發的。Delta Tau公司為PMAC上位軟件開發提供了軟件開發包PcommSevero，PcommSeve:是一個包含50多種函數功能的軟件包。上位機與PMAC的通訊和數據交換都可以通過PcommSeve:中的函數來實現。

主界面采用模塊化設計思想，主要包括狀態監測模塊、初始化模塊、程序模塊、運動控制模塊、PID調節模塊、輔助及其他模塊。圖8～10分別為控制主程序流程圖、控制軸子程序流程圖和多級終端服務子程序流程圖。

MLT-W218系列外圓磨系統配置了10.2寸液晶顯示屏，顯示界面與控制面板如圖11所示。

系統方式切換采用6擋波段開關，依次為：自動方式（AUTO）、錄入方式（MDI）、編輯方式（EDIT）、手動方式（JO G）、回零方式（HOME）、手輪/單步方式（MPG）；快速倍率切換是4波段倍率開關切換，依次是：F0、F25、F50、F100；以及編輯按鍵區和位置、程序、刀補、設置、參數、診斷等。

圖8 控制主程序流程

圖9 控制軸子程序流程

圖10 多級終端服務子程序流程

圖11 顯示與控制面板

當系統檢測到異常時會彈出報警提示信息或直接給予文字提示，同時伴有鳴叫聲。此時，可進入診斷界面查找出報警原因并及時處理。圖12所示為故障報警系統界面。

圖12 故障報警系統界面

3 多傳感器監測系統

3.1 多傳感器分布系統

傳感器分布網絡與數控磨床一體化系統集成是高精度磨床數控系統研究開發的一個最重要的目標，其中核心問題是不同環境下異質多傳感器的協同機制、異質多傳感器的分布架構[12-14]。合理的一體化系統集成設計則是實現異質多傳感器分布網絡可靠穩定工作的關鍵，如圖13所示。

圖13 異質多傳感器分布網絡及監控

研究了聲發射、加速度、位移和能量傳感器等異質傳感器共同組成的傳感網絡多種環境應用的多精度傳感器網絡普適性組合技術，異質傳感器的布局優化，異質傳感器網絡無阻塞、無干擾群控制，及其與數控機床一體化集成化關鍵技術基礎[15]，提出并研制了具有可靠穩定工作狀態的傳感網絡結構設計，用于MLT磨床數控系統。圖14所示為實時在線測量系統。

圖14 在線測量系統

3.2 多源信息機制

研究了高精度數控磨床多源信息的拾取與放大機理，多源信息傳輸機制中的負載效應及環境噪聲對其傳輸的影響，多源信息的傳輸的協調優化與低損耗化，多源信息的高效、靈活融合方法等[16]，如圖15所示。根據基礎研究成果，實施磨床數控系統結構優化設計，完成了高精度磨床數控系統結構設計。

圖15 多源信息傳輸與融合機制及原理

3.3 高效可靠的決策機制

高精數控磨床在服役過程中需要傳感、反饋、處理實時工作現場的關鍵參數，以精確、智能地控制磨輪的工作狀態。因此，數控磨床在復雜環境下高效可靠的決策機制對于高精度數控磨床的精確度、智能性與可靠性至關重要，優化系統在復雜環境下高效可靠的決策機制是決定數控磨床的先進功能能否發揮的關鍵。本文研究了復雜環境下的多源信息的交叉傳感動態行為、實時反饋與高速處理行為、機電一體綜合作用下磨輪的穩定性和變化規律，為提高磨輪的定位決策與控制的精確度、準確度和可靠性提供有效途徑與對策。根據基礎研究成果，實施磨輪的決策算法設計和新功能開拓，相關方法已用于高精度磨床數控系統的軟件設計。

4 結束語

（1）本文設計的MLT高速高精外圓磨床主要由機床本體、砂輪修整裝置、MLT數控系統和多傳感器監測系統等組成。數控系統可控制實現X軸、Z軸和C軸三軸聯動，滿足軸類、凸緣等零件的加工。

（2）配合本文設計專用砂輪修整裝置可實現砂輪多種形狀的修整，提升了砂輪修整的效率，增加了修整精度，與三軸聯動數控插補配合，可實現蝸桿、螺紋、曲軸等任意連續變化的復雜曲面的精磨加工，增加了磨床整機的適用性。

（3）MLT數控系統采用閉環控制，增加了進給穩定性，最小控制分辨率已經可達0.000 1 mm；分度軸可達0.000 1°，可以真正意義上實現0.1μm級控制，提升數控機床的控制精度。批量加工直徑為φ30 mm×800 mm工件，加工圓度小于2μm，加工圓柱度小于2μm，表面粗糙度為Ra0.6，較普通外圓磨床加工精度明顯提高。

（4）設計的多傳感器監測模塊可預判系統可能發生的故障，確保在大批量生產過程中機床運行穩定和可靠。

（5）MLT高速高精外圓磨床、MLT外圓磨床數控系統已經以外圓磨床改造和單獨數控系統配套形式推向市場，獲得用戶的一致好評。