在成形磨削过程中，成形砂轮的表面精度对零件精度的影响不可忽视。为了提高砂轮修形机的加工精度，采用ACS运动控制器开发数控砂轮修形软件。介绍了成形磨削的基本知识，数控砂轮修形软件的主要结构及组成模块，并进行了测试实验。测试结果表明，该软件能稳定运行，具有一定的使用价值。
1引言
随着生产制造业的不断发展，人们对零件的尺寸精度、形状精度、互换性等方面的要求越来越高。由于超高速磨削、高精度磨削等先进制造工艺的兴起，使得零件往往可以不经车削、铣削等工序而直接由磨削工序完成，但是，这些加工方法仍然不能够一次加工达到所需要的尺寸，一般需要几次磨削或几次磨削工序才能完成。
所以，近年来机器零件成形磨削得到很大的发展，而且目前大多采用成形磨削法。成形磨削时，砂轮被修整成与零件轮廓相吻合的形状，加工时砂轮与零件廓形全面接触，从而磨出零件整个廓形，在一次磨削过程中即可达到最终的尺寸要求和精度要求。成形磨削具有生产效率高、成本低、零件精度稳定、零件互换性好、工艺简单、磨削功率大等突出优点，因此一直倍受人们的关注。
在成形磨削时，砂轮的成形精度将直接影响零件的精度，因此，要求砂轮的成形精度要高且形状精度保持性要好。由于近年来数控加工技术发展很快，加工设备的数控化、自动化逐渐成为趋势，因此文中的数控砂轮修形机将成形砂轮磨削修形与数控技术相结合，采用双驱同步控制策略，使修形后的成形砂轮能够达到较高的形状精度。
目前国内的砂轮修形软件多用于加工较为简单的直线母线砂轮、圆弧母线砂轮，或单一地加工用于某种特殊零件如齿轮的成形砂轮，而本文中的砂轮修形软件不仅能够对简单母线砂轮进行修形，而且能够对多种用于磨削特殊零件的成形砂轮进行修形，如用于磨削齿轮、棘轮、导轨的成形砂轮。用户只需要提供零件的尺寸参数，程序可在后台自动计算出砂轮截面参数，生成NC程序，通过通讯设备传到控制器中，直接进行加工。
2软件总体结构
机床的数控系统由硬件部分和软件部分组成。系统硬件部分包括一个主站控制器和三个从站控制器以及伺服电机、各类传感器等，从站控制器分别控制驱动两个X轴，两个Y轴及主轴的电机。数控系统软件进行参数化设计生成NC程序并向控制器发送指令，控制器接收指令，控制电机动作，完成指令运动。
数控成形砂轮修形软件将采用开放式的数控系统，即上位机采用普通PC机，在开放式的平台借助ACS运动控制器开发数控系统软件。PC机与ACS控制器之间通过实时、可靠的通讯来协调整个系统，共同完成加工任务。
ACS控制器是基于EtherCAT网络多轴直线运动控制的控制器，达到了现代机器所要求的多轴高性能，是可扩展的、分布式的运动控制中心。ACS控制器可监控所有的轴，对驱动装置执行实时控制，具有强大的远程访问和诊断、快速地错误恢复功能。同时，ACS控制器拥有自主开发的编程语言ACSPL+，丰富的应用软件和开发、建立、调整和诊断工具，为开发人员进行软件开发调试提供了有利条件。
数控成形砂轮修形软件采用VC++6.0进行软件开发。软件的主要模块包括参数化设计模块、基于零件特征加工模块、NC代码编辑模块、数据库模块以及加工控制模块。用户通过人机界面输入毛坯参数、砂轮的基本参数和工艺参数，软件可自动生成刀具的加工路径，通过优化参数匹配和仿真修形轨迹从而得到NC程序，并可直接进行加工。软件的基本流程图如图1所示。
图1数控砂轮修形软件流程图
3数控软件与ACS控制器的通讯建立
软件通过调用ACS控制器自带的动态链接库或静态链接库，来完成PC机和ACS控制器之间的数据交换，链接库中包含了与ACS设备相关的变量内存地址定义以及函数定义。首先，在主程序目录中加入ACS.h函数定义头文件;其次，通过工程—>设置—>连接—>对象/库模块添加动态或静态链接库，完成程序链接;最后编写连接设备的程序，其主要设备连接程序如下(省略变量定义)：
当软件系统通过Ethernet总线方式连接上主站控制器之后，还需要对其接入的其他硬件设备进行地址分配，并写入主站控制器，使其了解系统中所接入的各种硬件设备，才能利用主站控制器对硬件设备进行控制。
4软件模块功能
数控砂轮修形软件主要功能为根据砂轮参数对成形砂轮进行参数化设计或根据零件参数反求出成形砂轮轮廓，优化刀具的加工路径，自动生成NC程序，向机床发出指令，控制机床运动，对毛坯进行加工，得到所需的成形砂轮。同时，也可以自行输入已经人工编写好NC程序或者调用数据库中已有的程序进行加工。因此，数控砂轮修形软件包括参数化设计模块、基于零件特征加工模块、NC代码编辑模块、数据库模块以及加工控制模块。
4.1参数化设计模块
该模块的主要功能是根据提供的砂轮参数对成形砂轮进行参数化设计，并自动生成NC程序。在该模块中，用户输入毛坯参数，砂轮尺寸参数、加工工艺参数，软件能够自动生成所需的NC程序，同时可显示刀具的加工路径以及砂轮模型模拟图，可根据显示的刀具路径及砂轮模型模拟图确认NC程序是否无误，确认后即可进行加工生产。加工完成后，可以将此次生成的NC程序保存到数据库中以便下次调用。
4.2基于零件特征加工模块
该模块的主要功能是根据提供的零件参数反求出成形砂轮的轮廓参数，并自动生成NC程序。由于在生产中，我们首先得到的是零件的参数而不是成形砂轮的参数，对于一些特殊零件如齿轮棘轮等，砂轮的设计也较为复杂。在该模块中，用户只需输入零件的尺寸参数、毛坯参数及加工工艺参数，软件能够自动在后台计算出砂轮的截面参数，并生成NC程序，同时可显示刀具的加工路径及砂轮模型模拟图。软件从零件直接加工出成形砂轮，省去了中间设计成形砂轮的步骤，可以大大地缩短生产周期，提高生产效率。
4.3NC代码编辑模块
该模块的主要功能是对用户人工编写的NC程序进行编辑修改及运行。用户可以直接输入已手工编好的NC程序，或直接导入已有的NC程序文件，对NC程序进行编辑修改，并对程序进行试运行。此时软件中会显示刀具加工路径，通过观察刀具加工路径可以判断我们手工输入的NC程序是否正确，程序检验无误后可进行实际加工。加工完成后，用户可以将程序保存到数据库中以便下次调用。
4.4数据库模块
该模块的主要功能是保存参数化设计模块中生成的NC程序和NC代码编辑模块中用户自己手工输入的NC程序。在该模块中，所有程序统一编号，用户通过查询编号来查看程序。用户可以直接调用NC程序进行加工，也可以对已有的程序进行管理、添加、编辑、删除。
4.5加工控制模块
该模块的主要功能是建立软件和ACS控制卡的通讯，使得机床能够随着用户在人机界面上的操作完成机床回零，各个轴的进给，进给速度调节，急停等功能。
5实验模拟
由于该软件涉及的模块功能较多，无法在本文中一一呈现。因此本文选取了其中的基于零件特征加工模块下的圆弧母线加工模块进行实验。在该模块中，我们需要输入零件的各种参数以及加工参数。在实验中，我们选取的零件的参数分别为：圆弧半径R=30mm，零件厚度B=30mm，砂轮断面直径D=100mm，切削余量为2mm，主轴转速为800r/min，背吃刀量为0.2mm，进给量为0.1mm/r。另外，需要注意的是关于零件端面直径以及零件外形的选择，在本实验中，我们选择左右端面直径相同，零件外形为外凸。输入所需零件参数后，点击“确定输入”按钮，表示参数输入步骤完成，接下来可以选择其他功能按钮进行其他操作。点击“磨削该零件砂轮的NC代码”按钮，软件即在交互界面上显示加工砂轮的NC程序。软件界面如图2所示。
图2基于零件特征加工模块界面通过实验可以看出，该软件能够正常运行，基本实现所需的功能。只需要输入砂轮或零件的相关参数，即可生成NC程序，为生产提供了方便。
6总结
本文提出的数控砂轮修形系统软件采用具有高性能的ACS控制器来实现高精度成形砂轮修形，软件具有良好的人机交互界面，操作简单明了，用户只需要输入简单的参数即可生成NC程序进行加工，缩短生产周期，提高生产效率。
作者：张由婷 来源：现代商贸工业 2015年4期
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