劉 倩，韓秋實(shí)，彭寶營

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

基于西門子840D sl系統(tǒng)的凸輪軸磨削軟件開發(fā)*

劉 倩，韓秋實(shí)，彭寶營

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

選取西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)為開發(fā)平臺，以凸輪軸磨削軟件為研究對象，采用西門子公司提供的SINUMERIK Operate編程包提供的Qt Designer設(shè)計(jì)界面，Visual Studio 2008環(huán)境下的C++語言編寫底層代碼，實(shí)現(xiàn)凸輪軸磨削軟件界面開發(fā)，采用C++接口技術(shù)將凸輪軸磨削HMI嵌入西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了凸輪軸磨削軟件的應(yīng)用。

西門子840D sl；凸輪軸；應(yīng)用軟件

0　引言

目前，西門子數(shù)控系統(tǒng)在我國機(jī)床行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛工基礎(chǔ)，但都是僅僅局限于簡單的使用西門子的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)和較淺層次的應(yīng)用，無法滿足高檔設(shè)備的特殊需求，例如對于凸輪軸、曲軸等非圓零件的磨削就需要開發(fā)專用的數(shù)控軟件［1］。凸輪軸磨削軟件根據(jù)凸輪軸加工的特點(diǎn)和用戶需求，按照模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想進(jìn)行開發(fā)，方便用戶操作，提高加工效率。

基于840D的車床和銑床的通用數(shù)控應(yīng)用軟件如：ShopTurn、ShopMill，它是由GILDEMEISTER集團(tuán)的應(yīng)用技術(shù)人員與西門子公司的軟件開發(fā)人員緊密結(jié)合開發(fā)出來的，它綜合了世界上最好的車削、銑削技術(shù)以及控制和編程技術(shù)［2］。而在磨削加工領(lǐng)域，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)起步較晚。國外研究成果具有代表性的如德國肖特（SCHAUDT）主要為汽車企業(yè)提供曲軸、凸輪軸、齒輪軸專用數(shù)控磨床，在非圓軸類零件的磨削加工領(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平［3］。其開發(fā)的CF45 CBN凸輪磨床，成功將專用凸輪軸磨削軟件集成到西門子880數(shù)控系統(tǒng)［4］。國內(nèi)生產(chǎn)的凸輪軸數(shù)控磨床基本上采用國外專用的數(shù)控系統(tǒng)，配置相應(yīng)的伺服驅(qū)動裝置，再結(jié)合凸輪軸磨削工藝開發(fā)應(yīng)用軟件，其控制精度及可靠性上與國外還是存在一定差距。湖南大學(xué)基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)及二汽東風(fēng)康明斯凸輪軸磨床對數(shù)控機(jī)床的技術(shù)要求進(jìn)行二次開發(fā)，應(yīng)用HMIOEM軟件完成了磨削系統(tǒng)人機(jī)界面開發(fā)，通過對磨削仿真算法的研究，設(shè)計(jì)出磨削系統(tǒng)幾何仿真，驗(yàn)證NC程序的正確性［5］。其開發(fā)方法和技術(shù)手段對840D sl凸輪軸磨削軟件開發(fā)具有一定的借鑒意義。沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司將840D sl應(yīng)用于自主設(shè)計(jì)制造的精密臥式加工中心，擬在加工精度、運(yùn)行可靠性等方面的性能指標(biāo)趕超國外同類產(chǎn)品［6］。這一成功應(yīng)用為840D sl數(shù)控系統(tǒng)在凸輪軸磨床的應(yīng)用提供了可行性。

西門子840D sl提供兩種結(jié)構(gòu)供用戶選擇，一種是PCU+NCU，一種是TCU+NCU，前者是基Windows系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，后者基于Linux系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。其開發(fā)的源代碼在兩平臺上是可以共用的，只是在編譯時(shí)需要不同的編譯器。本文選擇基于PCU編程框架開發(fā)，Windows編譯器執(zhí)行對源代碼編譯執(zhí)行，最終把生成的文件嵌入PCU中，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)開發(fā)過程。使用這種開發(fā)方法軟件編譯得到獨(dú)立于平臺的源代碼，具有嵌入性好、可跨平臺使用的優(yōu)點(diǎn)。

1　西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)

SINUMERIK 840D sl主要由三部分構(gòu)成：NCU模塊，MCP機(jī)床控制面板，PLC輸入/輸出接口模塊，具有DRIVE-CliQ接口的SINAMICSS120驅(qū)動，以上各單元都是由以太網(wǎng)連接通訊，在功能上既相互分工，又互為支持。西門子公司提供的SINUMERIK Operate編程包是專門為機(jī)床制造商或第三方開發(fā)者提供的進(jìn)行二次開發(fā)的軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)編程語言和接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由840D sl數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。將編程包安裝于MMC上，在WINDOWS操作系統(tǒng)下，使用VC++編程語言，利用SINUMERIK Operate編程包提供的C++接口與協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)通訊，即可訪問 NC、PLC、MMC變量及文件。因此必須通過SINUMERIK Operate編程包將開發(fā)的軟件嵌入到840D sl數(shù)控系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)軟件的特殊功能。

應(yīng)用軟件嵌入數(shù)控系統(tǒng)后，要保證數(shù)控系統(tǒng)能夠正常工作，開發(fā)的應(yīng)用軟件必須實(shí)現(xiàn)4個(gè)部分內(nèi)容：如基于MMC上位應(yīng)用程序、上下位機(jī)之間的通訊驅(qū)動程序、運(yùn)動程序以及PLC程序互相協(xié)調(diào)工作。整個(gè)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于840D sl控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2　凸輪軸磨削應(yīng)用軟件開發(fā)

2.1凸輪軸磨削應(yīng)用軟件人機(jī)界面開發(fā)

友好的、模塊化的人機(jī)界面是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和運(yùn)算處理的平臺，本文研究人機(jī)界面開發(fā)使用Sinumerik OperateProgramming Package。人機(jī)界面開發(fā)分為兩部分，Softkey（軟鍵）的設(shè)置和用戶界面Framework的設(shè)計(jì)，使用XML文件描述人機(jī)界面的整體的框架結(jié)構(gòu)、界面軟鍵的定義以及各子界面的相互調(diào)用關(guān)系，Qt Designer使用西門子提供的HMI小部件設(shè)計(jì)圖形化用戶界面，采用C++語言編寫底層代碼，實(shí)現(xiàn)各部分功能。

程序在PC機(jī)上完成編譯之后，在生成的配置文件systemconfigration.ini中定義哪個(gè)軟件為啟動鍵及啟動鍵的名稱，并與生成的hmi文件，dll文件、qm文件一同放入數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)的路徑下，啟動840D sl數(shù)控系統(tǒng)，即可在標(biāo)準(zhǔn)界面中進(jìn)入自己開發(fā)的人機(jī)界面。圖2為在標(biāo)準(zhǔn)界面中顯示的主界面。用戶可以點(diǎn)擊各軟鍵，進(jìn)入各個(gè)功能模塊的界面，進(jìn)行加工參數(shù)修改、磨削參數(shù)設(shè)置、加工仿真等。

圖2　主界面

2.2凸輪軸磨削軟件功能模塊實(shí)現(xiàn)

根據(jù)凸輪軸磨床加工基本功能區(qū)分及用戶需求，以加工工件為主線，按照磨削工藝順序?qū)⑼馆嗇S磨削軟件劃分為不同的功能模塊，然后對各模塊進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)。各功能模塊如圖3所示。

圖3　功能模塊流程圖

加載升程表：該模塊主要用于導(dǎo)入存儲在外部驅(qū)動器中的升程表數(shù)據(jù)，并保存在數(shù)組中。

凸輪及凸輪軸參數(shù)設(shè)置：實(shí)際上就是凸輪和凸輪軸參數(shù)的的輸入輸出模塊。將凸輪和凸輪軸的參數(shù)輸入到操作系統(tǒng)中，再帶入加工數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，是生成NC代碼程序所需的一部分。

砂輪修整參數(shù)：磨床利用砂輪表面的磨粒磨削工件，為了保證加工精度，在砂輪磨削一定數(shù)量工件之后，需要對砂輪進(jìn)行修整，保證砂輪表面磨粒的數(shù)量。該模塊設(shè)置修整相關(guān)參數(shù)，如一次修整量、砂輪進(jìn)給速度等。

對刀參數(shù)：在X軸基圓處對刀，輸入此時(shí)X軸坐標(biāo)，C軸起始磨削角度。

加工程序生成：此模塊讀取凸輪原始升程表數(shù)據(jù)、凸輪參數(shù)、砂輪參數(shù)等必要的相關(guān)計(jì)算參數(shù)后，根據(jù)X-C聯(lián)動坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，最終生成X-C加工程序。

加工仿真：用圖形方式顯示加工過程，供用戶和操作者觀察。

下面主要介紹加載升程表模塊和加工仿真模塊的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1加載升程表模塊

原始升程表數(shù)據(jù)是凸輪加工參數(shù)中最要的一部分，該模塊通過自定義軟件的功能，讀取外部驅(qū)動設(shè)備上的文本，操作簡便快捷，提高了加工效率。加載升程表模塊實(shí)現(xiàn)過程如圖4、圖5所示。

圖4　升程表參數(shù)設(shè)置

圖5　由U盤導(dǎo)入升程表數(shù)據(jù)

操作者點(diǎn)擊“打開U盤”軟鍵，彈出模態(tài)窗口，點(diǎn)擊“列表”軟鍵，即顯示自定義的U盤目錄，其主要代碼如下所示：

選擇升程數(shù)據(jù)文件（.txt），讀取文件內(nèi)容，將數(shù)據(jù)顯示在表格中，并以字符形式保存在字符串?dāng)?shù)組中，代碼如下：

2.2.2凸輪加工仿真模塊

凸輪加工是砂輪架X軸根據(jù)指令跟隨工件旋轉(zhuǎn)軸C軸運(yùn)動，兩軸聯(lián)動進(jìn)行磨削［7］。該模塊根據(jù)凸輪的升程表數(shù)據(jù)，計(jì)算凸輪在直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)，繪制凸輪輪廓曲線，并根據(jù)加工程序確定砂輪加工位置，圖6為凸輪加工仿真結(jié)果。

圖形繪制中用QT的二維圖形繪制QPainter類，使用不同顏色、線寬表達(dá)凸輪和砂輪，啟用反走樣處理，使圖形表達(dá)更清晰［8］。

圖6　凸輪加工仿真

3　結(jié)論

基于840D sl數(shù)控系統(tǒng)的開放性，應(yīng)用二次開發(fā)軟件SINUMERIK Operate編程包進(jìn)行二次開發(fā)，建立凸輪軸磨削系統(tǒng)人機(jī)界面，解決了全數(shù)控機(jī)床的工件數(shù)據(jù)輸入、數(shù)學(xué)磨削處理、加工程序生成過程，使加工更快捷。并根據(jù)實(shí)際加工需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，完成加工仿真模塊開發(fā)，使凸輪軸磨削軟件更為完善。

［1］李靜.凸輪非圓磨削技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：上海大學(xué)，2008.

［2］陳蔚芳，王宏濤.機(jī)床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［3］章振華.切點(diǎn)跟蹤及其關(guān)鍵技術(shù)在凸輪軸磨削中的應(yīng)用［D］.長沙：湖南大學(xué)，2006.

［4］龔時(shí)華.凸輪軸高速磨削加工控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2008.

［5］曹彥飛.全數(shù)控凸輪軸磨床磨削軟件研究與設(shè)計(jì) ［D］.湖南大學(xué)，2006.

［6］邴旭，化春雷.840D sl系統(tǒng)在精密臥式加工中心的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程師，2011（4）：149-150.

［7］韓秋實(shí)，許寶杰.磨削時(shí)凸輪轉(zhuǎn)動變速規(guī)律的研究.機(jī)械工藝師，2000（4）：14-15

［8］Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++GUI Programming with QT 4［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

（編輯 趙蓉）

The Development of Camshaft Grinding Software Based on Siemens 840D sl

LIU Qian，HAN Qiu-shi，PENG Bao-ying
（College of Mechanical Engineering，Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192，China）

Select Siemens840D sl CNC system as development platform，with Camshaft grinding software as the object of the research，using SINUMERIK Operate programming package offered by Siemens provides Qt Designer interface design，VS 2008 C++language environment to write the underlying code，achieve camshaft grinding software interface development，adoptting C++interface technology embedded HM I camshaft grinding Siemens 840D sl CNC system，ultimately achieve the camshaft grinding software applications.

Siemens 840D sl；camshaft；application software

TH164；TG506

A

1001-2265（2015）02-0122-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.034

2014-11-03；

2014-12-02

北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（KZ201211232039）

劉倩（1988—），女，山東聊城人，北京信息科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芑c數(shù)字化控制，（E-mial）15652679562@163.com；

韓秋實(shí)（1956—），男，吉林省吉林市人，北京信息科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造和智能化制造。