基于开放式数控平台的外圆磨床数控系统开发

　　磨床是金切行业的一个重要分支，机械零件加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工的地位越来越重要。由于磨床涉及到很多复杂的工艺要求，通用的机床数控系统难以实现磨床的复杂工艺。因此，磨床种类特别繁多，常见的磨床种类就包括外圆磨床、平面磨床、内圆磨床、工具(刀具)磨床、无心磨床、非圆磨削机床、轧辊磨床、复合磨削加工单元、立式磨床等等。数控外圆磨床，又包括多轴数控、多轴联动的数控外圆磨床。

　　磨床行业的发展趋势是:磨削加工的高效化、直接驱动、在线测量与控制磨削过程、量仪在线监控。

　　目前，国内磨床的数控化率低，磨床数控系统大都依赖进口。因此开发出适合的磨床数控系统，实现普通外圆磨床的数控化，对提高我国机床的现代化水平，具有非常重要的意义。

　　在此背景下，本文以华中世纪星数控系统为二次开发平台，开发了外圆磨床数控系统。本系统根据加工工件轮廓形状，用一系列直线和圆弧描述成型砂轮的外形轮廓，实现砂轮定型和砂轮修整;采用径向量仪主动测量技术，实现外圆磨加工的主动在线测量;利用端面量仪，实现工件坐标原点的自动精确定位;通过对磨削加工工件计数，实现砂轮自动修整，并对砂轮原点和工件坐标原点进行自动补偿。从而，实现从砂轮定型、工件坐标原点定位、磨削加工、砂轮修整、砂轮原点和工件坐标原点自动补偿的全自动加工控制过程。在汽摩部件厂家的现场一定时期的使用和实际检测表明，本系统自动化程度高、加工精度高、加工效率高，而且精度稳定性好。如图3所示，加工一个零件仅需35s，加工零件的外圆尺寸、外圆锥度、锥高、锥角、圆度的精度达到1μm，完全符合用户需求。

　　开放式数控平台简介

　　华中世纪星开放式数控系统的体系结构

　　华中世纪星开放式数控系统是建立在总线基础上的模块化设计的拓扑结构，它采用标准总线技术解决了硬件公用及结构可拓扑的问题，采用开放化、模块化、标准化的结构设计解决了硬件的标准化问题。

　　世纪星数控系统的硬件结构如图1所示。

　　图1　华中数控系统硬件体系结构图

　　将开关量接口电路，mcp、mdi键盘接口电路，进给轴接口电路，主轴接口电路都集成在一块“世纪星”主板上。其核心器件是actel 公司的fpga芯片，为满足cnc装置对开放性的要求，“世纪星”主板采用双fpga设计。一个fpga芯片负责控制开关量接口电路，mcp、mdi键盘接口电路，主轴接口电路，伺服驱动装置接口电路(接华中数控系统股份有限公司开发的hsv-16系列交流伺服驱动装置);另一个fpga芯片负责控制脉冲量伺服驱动装置或步进电机驱动装置接口电路，模拟量伺服驱动装置接口电路。两个fpga芯片通过pc104总线由研华工业pc机控制。

　　世纪星数控系统以dos 操作系统为软件支持环境，实现了一个开放式的数控系统软件平台，提供了一个方便的二次开发环境，能够供不同的数控系统灵活配置、使用，并提供了一种标准风格的软件界面。其软件结构如图2所示:

　　图2　世纪星开放式数控系统软件结构

　　图2中的底层软件为数控系统的软件平台，其中的rtm 为自行开发的实时多任务管理模块(由于ms-dos 为单任务、非实时性操作系统)，负责cnc 系统的任务调度和管理，ncbios为基本输入、输出系统，管理cnc 系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序的管理(对应不同的硬件模块，应用不同的驱动程序，故更换模块只需更换驱动程序，配置很灵活)、位置的控制、 PLC 的调度、实时插补计算和内部监控等。rtm 和ncbios 也可以统称为世纪星数控系统的ncbase，如图2中的虚线框所示。过程层软件(或称上层软件)相当于前后台型软件结构中的背景程序，通过ncbios 把它与底层软件隔开，使得过程层软件不依赖于硬件，为适应不同的系统，只需改动过程层软件即可。底层软件也可分为系统内核层即ncbase和内核功能接口层，即解释、插补、轴控制等。