杜永聰，沈南燕，李 靜，何永義

(上海大學上海市機械自動化及機器人重點實驗室，上海 200072)

0 引言

滾珠絲桿被廣泛應用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器，其加工精度直接影響設(shè)備和儀器的傳動精度。磨削是精密滾珠絲桿加工的最后一道工序，是保證其加工精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。單線砂輪磨削方法是滾珠絲桿加工常用方法，這種方法通過改變砂輪的傾斜角度、縱橫向進給等參數(shù)，可以加工不同齒形、不同螺距、不同螺旋升角、不同長徑比的螺紋，工藝范圍廣。它通過磨床頭架帶動滾珠絲桿工件旋轉(zhuǎn)，磨床的砂輪架根據(jù)頭架指令，在縱向和橫向給予相應進給和補償進行磨削。

單線砂輪磨削絲桿具有以下工藝特點：①磨削軌跡需是通過根據(jù)滾珠絲桿滾道螺旋升角、滾珠絲桿導程等重要參數(shù)計算求得;②進行砂輪數(shù)控修型時，需要定義砂輪輪廓形狀，參數(shù)量較多、計算復雜;③滾珠絲桿的精密磨削中，需要不斷的更新伸長量補償數(shù)據(jù)，如果手動修改，效率比較低。

從國內(nèi)外現(xiàn)狀來看，瑞士萊斯豪爾公司RG系列螺紋磨床，能夠加工螺紋、絲桿、螺母、蝸桿等產(chǎn)品。該機床采用自主研發(fā)的控制系統(tǒng)，功能非常完善。國內(nèi)螺紋磨床的專業(yè)生產(chǎn)廠家漢江機床有限公司，上海機床廠等骨干企業(yè)開發(fā)的SK7432系列數(shù)控絲桿磨床和SK7520/H數(shù)控萬能螺紋磨床代表國內(nèi)螺紋磨床的生產(chǎn)水平，控制軟件采用西門子的標準界面，自動化程度不高［4］。

因此為了簡化磨床操作、提高自動化水平，進而提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)滾珠絲桿磨削工藝與裝備的結(jié)合，有必要開發(fā)一套專用于滾珠絲桿磨削的工藝支持軟件系統(tǒng)。

本文介紹了高精度滾珠絲桿磨削專用工藝支持軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)。首先對本工藝支持軟件服務的磨床整機結(jié)構(gòu)以及滾珠絲桿磨削運動模型進行分析;其次，對軟件功能模塊，包括工藝參數(shù)、工藝補償、砂輪修整等進行了詳細設(shè)計;最后將工藝支持軟件集成到西門子840D開放式數(shù)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)磨削工藝與裝備的緊密結(jié)合。

1 滾珠絲桿磨床與磨削運動模型

本次設(shè)計的磨削工藝支持軟件系統(tǒng)為數(shù)控滾珠絲桿磨床配套服務。如圖1所示，該磨床采用的是單線砂輪磨削方法，主要的運動有工件主運動、進給運動、橫向切入運動、砂輪修整運動。其中由主運動和進給運動構(gòu)成螺旋運動，砂輪架做橫向切入運動，保證螺紋中經(jīng)的尺寸;砂輪修整運動確保滾道截形準確，滾道表面質(zhì)量良好，提高磨削質(zhì)量與磨削效率。在該絲桿磨床中，工件主軸回轉(zhuǎn)、砂輪架橫進給、砂輪修整、工作臺往復運動、螺旋角調(diào)整、軸向和徑向分度、螺距校正、間隙補償、鏟磨運動、多次自動磨削循環(huán)以及工件測量均能實現(xiàn)數(shù)字控制。

圖1 數(shù)控滾珠絲桿磨床整機結(jié)構(gòu)圖

如2所示，砂輪軸向截形相當于一個螺紋齒槽，磨削時砂輪傾斜螺旋角a，砂輪以速度v完成回轉(zhuǎn)運動，工件既轉(zhuǎn)動又相對于砂輪作軸向運動，并保持每轉(zhuǎn)一周相對移動一個導程T［3］。其中，螺紋螺旋角α與螺紋導程T、螺紋中徑D之間存在如式(1)所示的關(guān)系式［4］。

圖2 單線砂輪磨削原理圖

對于單線螺紋T=s;對于多線螺紋T=z×s，其中螺距s為相鄰兩牙齒廓的軸向距離，z為螺紋線數(shù)。

2 磨削工藝支撐軟件設(shè)計

2.1 滾珠絲桿磨削工藝支撐軟件框架設(shè)計

為了滿足滾珠絲桿磨削過程中的參數(shù)輸入、砂輪修整、測量補償與磨削監(jiān)控等要求，滾珠絲桿磨削工藝軟件的功能設(shè)計主要分為參數(shù)中心、補償中心、定位中心、及監(jiān)測中心四個模塊，如圖3所示。

圖3 滾珠絲桿磨削工藝支撐軟件組成圖

數(shù)控滾珠絲桿磨削的實現(xiàn)，需要數(shù)控磨床各個組成部分之間的配合，磨床各個功能部件、測量系統(tǒng)、磨削工藝支持軟件系統(tǒng)構(gòu)成一個統(tǒng)一整體。數(shù)控滾珠絲桿磨削的完整工藝流程，如圖4所示。

圖4 絲桿磨削工藝流程圖

2.2 各功能模塊設(shè)計

參數(shù)中心主要用于建立滾珠絲桿加工相關(guān)的砂輪參數(shù)、工件參數(shù)、修整器參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，通過對滾珠絲杠螺紋溝槽幾何參數(shù)分析確定砂輪輪廓，當達到一定磨損時能夠通過確定修整參數(shù)，對砂輪進行修整控制。對于參數(shù)中心的數(shù)據(jù)，選用Access數(shù)據(jù)庫軟件進行管理，參數(shù)中心所有參數(shù)將會保存在screw.mdb的數(shù)據(jù)庫文件中，數(shù)據(jù)均以工程文件名為索引，進行存儲，以便于參數(shù)中心中各個部分的數(shù)據(jù)調(diào)用，參數(shù)中心數(shù)據(jù)關(guān)系如圖5所示。例如選擇ballscrew01工程，進入?yún)?shù)中心，那么工件參數(shù)、工藝參數(shù)和修整參數(shù)界面會讀取由ballscrew01為索引的參數(shù)，顯示在工藝軟件界面上。

圖5 參數(shù)中心數(shù)據(jù)表關(guān)系圖

如圖6、7顯示了ballscrew01為索引的工件參數(shù)和工藝參數(shù)：工件參數(shù)中包括了要加工滾珠絲桿工件的基本參數(shù)和溝槽參數(shù);工藝參數(shù)中包括毛坯余量、磨削進給量等工藝參數(shù)。修改參數(shù)，選擇“保存”即可將修改過的參數(shù)更新到數(shù)據(jù)庫文件中。參數(shù)配置完后，選擇“下載參數(shù)”即可以將相關(guān)的參數(shù)通過DDE通訊與加工程序?qū)腞參數(shù)關(guān)聯(lián)。

圖6 滾珠絲桿加工工件參數(shù)配置界面

圖7 滾珠絲桿加工工藝參數(shù)配置界面

補償中心支持兩種不同補償方法：根據(jù)外部測量誤差或根據(jù)誤差預測模型計算所得誤差進行徑向直徑誤差的補償和軸向螺距尺寸誤差補償［7］。

如圖8所示，在長度補償和徑向補償中，輸入補償點的位置與補償值，經(jīng)過R參數(shù)關(guān)聯(lián)處理，與補償工藝程序中對應的R參數(shù)關(guān)聯(lián)，用以補償螺距的累積誤差和相鄰誤差以及因修整砂輪導致砂輪尺寸減少的徑向尺寸誤差。

圖8 滾珠絲桿加工補償中心界面

定位中心主要是通過對刀程序確定加工參數(shù)，為高精度滾珠絲桿的加工做好準備;監(jiān)測中心則提供加工過程中各伺服軸、主軸位置、功率、加工余量等實時信息，用戶可隨時了解加工狀態(tài)和進程。

3 磨削工藝支持軟件集成

要在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)上集成第三方工藝軟件，必須使用西門子公司為第三方開發(fā)者提供的二次開發(fā)軟件包——OEM軟件開發(fā)包，創(chuàng)建自己的應用程序，調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)底層函數(shù)，在西門子系統(tǒng)上顯示自己的界面，嵌入控制函數(shù)［6］。

參照西門子840D HMI編程手冊相關(guān)步驟［2］，將設(shè)計好的滾珠絲桿磨削工藝支持軟件集成至西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中。

由于滾珠絲桿磨削工藝支持軟件多個功能模塊需要對R參數(shù)進行訪問，該軟件系統(tǒng)使用DDE通訊技術(shù)，在840D HMI下通過OPC和Sinumerik-COM與NC/PLC通訊，如圖9。

圖9 應用程序與NC/PLC的通訊接口

在西門子840D系統(tǒng)上嵌入好的滾珠絲桿工藝支持軟件通過R參數(shù)關(guān)聯(lián)實現(xiàn)了工藝參數(shù)的自動下載，無需操作人員記憶大量工藝與補償參數(shù)對應的R參數(shù)編號;數(shù)據(jù)庫的使用便于操作人員加工不同型號絲桿工件，無需重新寫入相關(guān)參數(shù)，該軟件將自動載入這些參數(shù)。

4 總結(jié)

目前，國內(nèi)數(shù)控滾珠絲桿磨削設(shè)備上鮮有配備磨削工藝支持軟件的產(chǎn)品。本文系統(tǒng)介紹了滾珠絲桿磨削工藝支持軟件的開發(fā)過程。通過該系統(tǒng)，機床操作人員可以方便的對不同型號的滾珠絲桿進行參數(shù)自動下載、載入和磨削自動控制，相較于之前，操作人員只能通過西門子數(shù)控系統(tǒng)的標準界面，手動修改加工程序和相應的R參數(shù)變量，該系統(tǒng)簡化了操作過程，增強了數(shù)控滾珠絲桿磨床的人機交互性能。

［1］于拯，何永義，等.基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的凸輪軸磨削軟件開發(fā)［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2011(3)：70－72.

［2］Simense.840D HMI Programming Package.

［3］李靜，何永義，沈南燕，等.基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的凸輪非圓磨削的實現(xiàn)［J］.制造技術(shù)與機床，2007(11)：74－76.

［4］金鑫.基于840D的數(shù)控絲杠磨床智能磨削技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學，2011.

［5］陳順紅，張桂香，孔宇，等.基于840D的凸輪軸磨床數(shù)控OEM軟件的開發(fā)［J］.制造技術(shù)與機床，2008(3)：147－150.

［6］姜志波，何永義，李靜，等.曲軸切點跟蹤磨削自動編程系統(tǒng)的開發(fā)［J］.機械制造，2012(6)：24－27.

［7］李郝林，陳琳.滾珠絲杠磨削加工熱變形誤差的分段補償方法［J］.工具技術(shù)，2009，43(6)：53－54.

［8］譚小丹，劉國慶，等.Visual Basic 6.0數(shù)據(jù)庫編程思想與實踐［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

［9］沙杰，常曉玲，吳劍峰.基于人機界面的高精度數(shù)控內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2005(8)：48－49.

［10］陳嬋娟，閆永志，等.開放式數(shù)控系統(tǒng)人機界面的設(shè)計［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2007(2)：42－45.