0 引言

　　導(dǎo)軌對運動部件進行導(dǎo)向和支撐，在機床、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)控機床所用的縱向?qū)к壗孛娉叽绱?、長度較長，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(cè)面和齒條槽內(nèi)側(cè)面，然后再對導(dǎo)軌的上表面、左側(cè)面、右側(cè)面三個面進行磨削。

圖 1 T 型導(dǎo)軌截面示意圖

　　利用通用機床進行 T 型導(dǎo)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?shù)葥p耗，加工完一條導(dǎo)軌需要較長時間。多次裝夾會導(dǎo)致基準(zhǔn)誤差。由于工藝復(fù)雜，對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)控切割機廠針對 T 型導(dǎo)軌的特點，合作研制出了導(dǎo)軌銑磨專用機床。

　　導(dǎo)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(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)軌銑磨專用機床能同時銑削導(dǎo)軌三個表面和齒輪條槽，也可以同時磨削導(dǎo)軌三個表面。配合此專用機床，設(shè)計開發(fā)出了數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了導(dǎo)軌自動銑磨工藝，提高了導(dǎo)軌加工效率。

1 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1 總體方案設(shè)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(qū)動，另外還有轉(zhuǎn)動的 IO 控制以及工作平臺的控制等。數(shù)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)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(jù)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(fā)控制系統(tǒng)，作為下位機。

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

　　1.2 下位機軟硬件設(shè)計

　　硬件電路控制系統(tǒng)主要包括電源管理、限位開關(guān)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(tǒng)的核心，單片機通過I/O 口控制三個銑刀和三個磨刀的轉(zhuǎn)動和移動，接收限位開關(guān)信號輸入，并控制平臺的移動。如表 1 所示。

表 1 系統(tǒng) IO 清單

　　硬件電路中 IO 口眾多，其中伺服電機的控制是關(guān)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(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式。本系統(tǒng)中，伺服電機帶動相應(yīng)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(zhuǎn)動的方向，通過脈沖的個數(shù)確定移動的距離。

　　下位機的軟件主要包含兩個子系統(tǒng)。一是實現(xiàn)基本的 IO 功能，獲取傳感器信號，控制輸出口輸出，實現(xiàn)對伺服電機的控制。二是實現(xiàn)通訊協(xié)議邏輯，解析上位機通過串口發(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。

　　1.3 上位機軟件設(shè)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(xiàn)相關(guān)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(yīng)處理。

　　上位機軟件功能包括參數(shù)設(shè)置、手動加工、單獨銑、單獨磨、自動銑磨等幾個子系統(tǒng)。參數(shù)設(shè)置中對進退刀量等幾十個參數(shù)進行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置后可以備份與恢復(fù)。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(xiàn)對導(dǎo)軌的手動加工，適合機床的調(diào)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?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)，利用模塊化方式，將系統(tǒng)設(shè)計為多個開發(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軟件的核心部分，實現(xiàn)自動銑削與自動磨削的加工邏輯，通過下位機控制設(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(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，系統(tǒng)內(nèi)置補償算法，由用戶調(diào)節(jié)補償系數(shù)，每一次走刀，系統(tǒng)自動進行微小進刀，補償磨損量。

　　1.4 通訊協(xié)議設(shè)計

　　上位機與下位機之間必須定義嚴(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，平臺朝前移動為前進，朝后移動為后退。每條命令，第一個字節(jié)為命令字，命令字大于 A0。如果帶有參數(shù)，則附加兩個 BCD 碼字節(jié)。移動數(shù)據(jù)以 mm 為單位，進刀量和補償量以 μm為單位，均為絕對坐標(biāo)。起始點為絕對坐標(biāo)零點。協(xié)議中設(shè)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(xiàn)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(guān)狀態(tài)信息等。

2 應(yīng)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(fā)。上位機軟件利用 Visual Studio 2010 開發(fā)平臺，使用 C + + 語言開發(fā)。上位機軟件實現(xiàn)了七個圖形用戶界面來完成系統(tǒng)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(tài)與參數(shù)，用戶可進行暫停或者繼續(xù)等人工控制。

圖 5 自動銑磨界面

　　導(dǎo)軌銑磨專用機床數(shù)控系統(tǒng)已在某數(shù)控切割機廠投入實際運行，實現(xiàn)了導(dǎo)軌的批量加工。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，使用簡單，穩(wěn)定性與正確性得到了驗證。表 2 是導(dǎo)軌銑磨專用機床與常規(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，進刀三次。

表 2 主要指標(biāo)對比分析

　　使用導(dǎo)軌銑磨專用機床，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)軌銑磨專用機床數(shù)控系統(tǒng)針對機床特點與銑磨工藝需求，采用上位機與下位機協(xié)同的架構(gòu)設(shè)計模式，開發(fā)出了圖形化的人機界面。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)實現(xiàn)的自動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)控切割機的導(dǎo)軌加工中得到了驗證。將系統(tǒng)加工參數(shù)設(shè)計為用戶配置方式，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，可以在機床中增加位置檢測裝置，將下位機運動控制系統(tǒng)升級為閉環(huán)控制，提高加工精度。