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轻型工具磨床的机电一体化数控改造【摘要】近年来，轻型工具磨床的机电一体化在我国备受关注，我国也在这一领域取得了显著地进步。
但是不得不承认，我们在前进的道路上依然存在诸多问题和困难。
本文通过对轻型工具磨床以及机电一体化的分析，论证了当前存在的问题，并且对改造的方向也进行了阐述，力求能够对轻型工具磨床的机电一体化数控改造指明方向。
【关键词】工具磨床；机电一体化；智能化1.轻型工具磨床与数控机电一体化的概况1.1轻型工具磨床的现状分析世界经济的快速发展带动了各行各业的繁荣发展，也给机械制造业带来福音。
工具磨床作为机械制造的一个重要组成部分，也迎来了发展上的机遇和挑战。
众所周知，轻型工具磨床具有加工测量上精度高、质地刚性好的特点，更重要的是它经济实用性，价格低廉。
轻型工具磨床的加工对象主要是一些中小型工具，例如一些钻头、齿刀等等。
磨床主要是根据磨具来对材料进行加工，如果采用质地坚硬的石轮，轻型工具磨床还可以加工硬质合金刀具。
因此，轻型工具磨床备受青睐。
但是，随着信息化时代的到来，传统的加工方式效率地下，方式陈旧，已经不能适应当前的工艺制造趋势，轻型工具磨床也面临着技术改造[1]。
1.2机电一体化的近况现代科学技术的发展使得各个学科领域关系更加密切，学科之间的界限越来越模糊，而相互之间的协调促进性越来越强。
计算机技术和微电子技术的结合就是一个显著的表现，它们的融合铸就了数控机电这一技术的形成，从而使整个机械制造行业发生质的转化。
就当下而言，世界各国的数控机电发生着革命性的转变，并且这场转变也势在必行。
传统的数控机电技术多采用封闭式的形式，而如今则实现了超薄化和智能化，工作流程大大简化，效率也得到显著提高。
在发展初期，由于技术发展水平有限，机电一体化应用领域是非常狭窄的，机电一体化的产品也无法进行广泛的推广使用。
现在，人们的物质追求越来越得不到满足，机电一体化正是符合了这一发展趋势，得到了人们重视以及普遍的接受。
磨床数控化改造设计1.引言磨床是一种常见的金属切削加工设备，用于加工精密零件。
传统的磨床操作复杂，效率低下，难以满足现代工业对精度和生产率的要求。
因此，将磨床进行数控化改造是一个重要的工程，可以提高生产效率和产品质量。
本文将介绍磨床数控化改造设计的关键方面。
2.设备选择在进行磨床数控化改造前，需要选择合适的数控系统和相关设备。
目前市场上有多种数控系统可供选择，如Siemens、Fanuc等。
要根据磨床的规格、使用要求和预算等因素来选择适合的数控系统。
同时，还需要选择相应的伺服电机和驱动器，以及传感器和编码器等相关设备。
3.机械结构调整在进行数控化改造时，需要对磨床的机械结构进行调整。
首先，需要对磨床的导轨、主轴和滑块等关键部件进行检修和维护，确保其良好的工作状态。
然后，根据数控系统的要求，对磨床进行改进和加工，如增加线性导轨、调整传动方式等，以提高精度和稳定性。
4.硬件接口设计数控系统需要与磨床的各个部件进行通信和控制。
因此，需要设计适配器和接口板，将数控系统的控制信号转化为磨床能够接受的信号。
这涉及到电气和电子方面的知识，需要根据具体磨床的设备和数控系统的要求来设计。
5.编程和控制数控化改造后，磨床需要进行编程和控制。
编程是通过数控系统来告诉磨床如何进行加工操作和移动。
传统的编程方式是使用G代码和M代码，但随着技术的发展，现在还可以采用CAD/CAM软件来进行编程。
控制是指数控系统对磨床进行运动控制和参数调整。
数控系统可以通过插补算法来实现复杂的运动轨迹控制，同时也可以根据不同的工件进行参数调整，以实现更高的加工效率和精度。
6.总结磨床数控化改造可以提高加工效率和产品质量，是现代工业中的重要工程。
在进行数控化改造设计时，需要选择适合的数控系统和相关设备，调整磨床的机械结构，设计硬件接口，进行编程和控制。
这些关键方面的设计将直接影响磨床的数控化改造效果。
因此，在设计过程中需要充分考虑实际情况和需求，确保改造后的磨床能够满足生产要求。
数控工具磨床的数控系统改造1、前言数控工具磨床，特别是多轴数控、多轴联动的数控工具磨床是高效、高质量磨削制造精密、复杂形状刀具的高、精、尖关键设备，也是各类数控机床中结构较复杂、自动化程度高、精度和可靠性要求高的机电一体化高技术产品，其研究开发具有相当的技术难度。
采用数控工具磨床对刀具进行磨削加工必须依靠刀具磨削加工技术和编程技术，而各种复杂形状刀具的磨削加工技术和编程软件，目前在国外也属于专利技术或保密技术。
正因为如此，目前世界上也只有少数厂商能够生产高性能的数控工具磨床。
为了提高我国的刀具制造工艺水平和质量，国内一些刀具生产厂家和应用厂家从国外引进了数控工具磨床，这些数控机床经过相当长时间的使用后，其主机性能基本完好，仍可使用，而其数控系统则已经远远落后于现代数控系统技术，属于已淘汰产品。
国内也有一些厂家研制开发了数控工具磨床，但由于采用的是主机自行制造、数控系统靠引进，这种数控工具磨床产品不但成本很高，而且由于通用的CNC系统没有集成刀具磨削加工技术和编程软件，难以实现刀具（特别是复杂刀具）的磨削加工。
因此，对这些国产的数控工具磨床的数控系统也必须进行改造。
上述数控系统改造通常采用国外数控工具磨床生产厂家最新的专用数控系统。
这种改造方案虽有技术成熟，风险小，可靠性有保证的优点，也有价格昂贵，工艺编程针对性差等多方面缺陷。
华中2000型工具磨床专用数控系统，是在国家“八五”重点攻关项目“数控万能工具磨床产品开发”科研成果的基础上，成功开发的用于各种回转刀具磨削加工的集成化CNC系统。
采用该系统，则可以很好地解决以上问题，费用还低。
2、改造后数控系统的功能和结构2.1 系统基本功能采用华中2000型工具磨床数控系统对工具磨床进行改造后，该系统具有如下三种基本功能。
通用数控系统功能系统保留了原通用数控系统的基本功能，如最多16轴数控9轴联动的轴控制功能，程序校验功能，MDI功能，直线、圆弧、螺旋线插补功能，M、S、T功能，故障诊断显示功能，内嵌式PLC功能等。
自动数控编程功能该系统的最大特点就是在标准通用数控系统的基础上，集成了刀具磨削加工编程软件，直接在CNC系统上以图形菜单方式输入被磨刀具的结构尺寸与加工工艺，即可自动编程和加工，实现了编程加工一体化。
刀具测量和自动对刀功能在本系统将刀具测量功能集成在数控系统中。
在刀具数控磨削加工中，自动对刀解决了手工对刀繁琐、精度差的问题。
2.2 系统硬件结构经过改造后的数控系统的硬件结构如图1所示，主要由计算机数控单元、伺服驱动单元（包括电机）和测量单元三个部分组成。
图1 系统硬件结构数控单元包括工业PC机、位置控制模块、输入输出模块，是组成数控系统的最基本单元。
其中工业PC机可根据需要配置CPU、内存、显示卡、显示器、硬盘或电子盘、软驱等；位置控制模块有多个位置检测接口，采集光电编码器的脉冲信号，作为机床各个坐标的位置反馈，并通过多路D/A输出信号控制速度单元，既可与武汉华中数控公司生产的全数字交流伺服单元及电机配套，也可与德国西门子公司、德国AMK公司、日本三洋公司、松下公司的驱动单元配套。
输入输出模块是CNC系统内嵌PLC的硬件输入输出接口，输入输出电压为24V，最大电流为100mA，用于操作面板的按钮信号输入、机床的开关检测输入等，基本输入/输出点数为48/48点，也可根据需要扩展为256/196点。
伺服单元及电机是系统可靠运行的最重要保证。
交流伺服单元采用光电编码器实现位置检测反馈，2500个脉冲/r。
系统最小分辨率为0.001mm/0.001°。
测量单元是系统实现刀具测量和自动对刀功能的必需硬件组成。
包括信号处理模块和测量元件。
前者主要指A/D转换和数据滤波，后者为刀具测量和对刀传感器（测头），可根据需要选择接触式或非接触式测头。
2.3 系统软件结构2.3.1 总体结构华中Ⅰ型通用数控系统基于DOS开发，采用分层模块化结构。
系统软件分为四层：第一层为操作系统层，包括文件管理，进程管理，实时任务调度，参数数据库的物理管理层。
系统管理软件是在DOS的基础上扩充，增加了实时任务调度，CRT驱动程序，参数库接口软件。
任务控制的入口是INT62，软中断，具有转调度、创建、挂起、撤消、阻塞、唤醒、延迟和获取任务状态的控制原语。
第二层为机床输入输出层，包括位置环控制软件，MST代码输出，调挂管理及开关量输入输出。
位置控制软件通过内部通讯区接收控制及位置指令，并将位置控制指令传递给伺服单元。
第三层为插补控制层，为ISO代码插补，包括插补、刀补和程序编译。
第四层为用户操作层。
各层具体内容如图2所示，这种层次模块化结构便于改进和移植。
刀具数控磨削自动编程软件和刀具测量与自动对刀软件就是集成在用户操作层中。
图2 系统软件结构2.3.2 刀具数控磨削自动编程软件刀具数控磨削自动编程软件的结构如图3所示。
软件主要由以下几部分组成：（1）工艺数据库编程软件收集了所要编程加工刀具的有关工艺数据，采用合适的数据结构进行组织和管理，形成工艺数据库。
这些工艺数据包括数控系统信息、机床结构信息、刀具几何参数、砂轮外形参数、加工工序信息以及加工工艺参数。
工艺数据库是整个编程软件的支撑。
数控系统信息是描述所采用的数控系统的数控代码格式的信息，是后置处理中格式转换所必需的信息；机床结构信息用来描述数控工具磨床结构模型和结构参数，包括机床机构模型代码、机床运动链各坐标系之间的初始位置关系和机床各运动轴方向；刀具几何参数指被加工刀具的结构参数和切削参数，以刀具结构要素为基本对象进行描述；砂轮外形参数是用来描述磨削用砂轮的形状和尺寸的参数；加工工序信息用来描述所编程加工刀具的加工工艺，系统以刀具结构要素为基本单元将各种刀具的磨削加工工艺进行分类、组织和管理，形成加工工序库；加工工艺参数主要指刀具各加工工序中的进给速度、主切削速度、进给量、加工余量、冷却液开关等信息。
图3 刀具数控磨削自动编程软件结构（2）参数化输入模块参数化输入模块是编程软件实现人机信息交互的接口。
该模块通过输入加工信息，从工艺数据库中调出相关的工艺参数，然后根据具体加工对象、加工条件和加工要求，对工艺信息进行必要的修改，生成供后续刀位计算与刀位验证模块和后置处理模块使用的数据文件。
具体有：数控系统设置，机床设置，刀具设置，工序设置，砂轮设置，工艺设置。
（3）编程程序库和刀位计算与刀位验证模块编程程序库是编程软件所有编程刀具的刀位计算程序、刀位验证程序的程序包。
刀位计算与刀位验证模块的功能就是从加工工艺文件中顺序读出刀具每个加工工序的加工要素信息、砂轮切削表面信息和工艺信息，根据这些信息从编程程序库中调用相应的刀位计算程序和刀位验证，生成刀位数据文件和CC点数据文件。
刀位计算与刀位验证是自动编程的关键，编程程序库是整个编程软件的核心。
（4）后置处理后置处理就是将刀位计算后生成的刀位文件转换成数控工具磨床能够执行的数控代码的过程。
包括机床运动求解、非线性加工误差校核与处理、进给速度的校核与修正和文件格式转换等。
2.3.3 刀具测量与自动对刀软件该软件包括刀具测量和自动对刀两个相对独立的软件模块，两者基于共同的硬件结构。
其中对刀软件的功能就是确定编程坐标系和机床坐标系之间的相对位置关系，只要硬件可靠，软件实现起来较为简单。
对于刀具的重磨加工，由于有关刀具形状和切削参数的理论数据并不已知，数控编程和加工的唯一依据是刀具实物模型。
刀具测量系统的功能就是通过对刀具实物模型进行采样，将刀具实物模型的几何模拟量转换成自动编程软件能够接收的几何数字量，以实现刀具编程和加工。
刀具测量软件主要由测头运动控制模块、数据采集模块和数据处理模块组成，其中测头运动控制模块是整个软件的关键，对于不同的刀具种类及加工要求、不同的测头类型，具有不同的运动控制策略（限于篇幅，本文不再展开）。
3、数控系统改造实例如图4所示为国内某飞机制造厂从德国引进的WALTER公司生产的Helitronic 30 NC数控工具磨床，该磨床具有5个机床运动轴（X、Y、Z、A、B），可实现3轴（X、Z、A）数控两轴（X、A）联动，其余两轴（Y、B）为手动轴。
该工具磨床实际上为手动/自动两用机床，手动操作方式下可完成内、外圆磨削简单功能；自动加工方式下，系统固化有三个自动加工程序，分别为：①外圆磨程序；②直齿圆柱刀具分度磨削程序；③螺旋齿圆柱刀具（分度）磨削程序。
图4 所改造的数控工具磨床改造之前，该工具磨床主要存在以下缺陷和问题：①机床操作和控制完全通过面板上的按钮进行，相当繁琐、复杂；②不能实现三轴联动；③只能按照固有的三个程序进行自动加工，不能另外编程加工；④数控系统老化，不能稳定运行。
所以，必须对该磨床进行改造。
按照前述机床改造技术路线和技术方案，对该工具磨床进行了数控系统改造。
主要改造内容包括：（1）硬件改造用华中2000型数控单元替换原来的控制系统硬件；用日本松下交流伺服单元和电机替换原来X、Z、A轴步进电机和驱动单元；增装刀具测量和对刀装置；保留原有机床的主轴单元和液压系统。
（2）软件改造用华中2000型工具磨床专用数控系统替换原来的控制系统。
工具磨床经过数控系统改造后，功能和技术特点为：机床可实现三轴（X、Z、A）联动；可进行各种铣刀的后刀面磨削加工；直接在CNC上以图形菜单方式输入被磨刀具的参数和加工工艺即可进行加工或修磨，实现了编程加工一体化；具有刀具几何形状测量功能，保证各种铣刀后刀面的重磨加工；可在线对砂轮参数、刀具参数、磨削工艺和磨削用量等进行方便的修改，可充分发挥操作者的丰富经验，刀具试磨和修磨过程非常方便；机床运动由计算机控制，实现了真正意义上的程序控制，使操作简单、可靠。
机床经过数控系统改造后，进行了系统运行考核和加工实验，成功地实现了对圆柱/圆锥立铣刀、球头铣刀等刀具的后刀面修磨。
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