張鵬翔，王冬，敖梓銘，李瀚洋，李學(xué)崑,3

(1.華辰精密裝備(昆山)股份有限公司，江蘇昆山 215337；2.清華大學(xué)機械工程系，北京 100084；3.摩擦學(xué)國家重點實驗室，北京 100084)

0 前言

軋輥磨削是一種典型的外圓磨削加工。完整的軋輥磨削過程由多個功能組成，包括成型磨削、軋輥測量、砂輪修整等。為了實現(xiàn)軋輥磨削并達(dá)到所需的加工精度和加工效率，數(shù)控系統(tǒng)需根據(jù)實際要求控制軋輥磨床運動以實現(xiàn)軋輥磨削所需的各項功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)需要包含這些功能，并能實現(xiàn)功能之間的順序和跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，從而減少由于人工干預(yù)可能導(dǎo)致的加工精度或加工效率降低[1-2]。

目前第三方數(shù)控系統(tǒng)主要是針對車削、銑削和平面磨削等加工過程開發(fā)而成，一般不具備軋輥磨削所需的相關(guān)功能。這些數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用于軋輥磨削加工時，需要進(jìn)行二次開發(fā)才能實現(xiàn)與軋輥磨削相關(guān)的功能[3-4]。典型的開發(fā)案例為在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用表格曲線插補和R參數(shù)讀寫等方式實現(xiàn)軋輥磨削的各項功能要求[5-7]。由于第三方數(shù)控系統(tǒng)具有封閉性，在其基礎(chǔ)上所進(jìn)行的二次開發(fā)只能在該系統(tǒng)所提供的功能基礎(chǔ)上進(jìn)行，具有較大的局限性。例如：無法直接實現(xiàn)特殊輥型(高次方曲線等)的插補算法，只能以微小直線段等方式擬合；無法實現(xiàn)與軋輥磨削相關(guān)的實時控制功能，如磨削力的實時柔順控制等。因此，在第三方數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上研發(fā)的軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)在很大程度上限制了磨削效率和磨削精度的提升。

本文作者旨在研發(fā)一種針對軋輥磨床和軋輥磨削特點的專用數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以模塊化的方式實現(xiàn)軋輥磨削的各項功能，以參數(shù)化的形式定義功能的相關(guān)接口。機床操作人員通過調(diào)用不同磨削功能模塊，輸入相關(guān)磨削參數(shù)，并根據(jù)需求確認(rèn)各功能模塊的執(zhí)行順序，即可實現(xiàn)軋輥磨削的各項功能。

1 軋輥磨削功能研究

軋輥磨床一般具有X軸、Z軸、S軸和W軸，其中X軸和Z軸間的聯(lián)動形成磨削軌跡，S軸為砂輪旋轉(zhuǎn)軸，W軸為軋輥旋轉(zhuǎn)軸。此外，部分型號的機床還具有U軸、B軸和用于軋輥測量的測量部件。

軋輥磨削的主要功能為成型磨削、砂輪修整和軋輥測量三大種類。成型磨削主要為按照工藝將軋輥磨成指定的形狀、尺寸和精度。軋輥的形狀主要有直線段、圓弧段、正弦函數(shù)曲線段、高次方曲線段以及由多個不同類型曲線段銜接而成的組合曲線段等。砂輪修整主要為根據(jù)磨削要求將砂輪修整成指定的形狀，如圓弧、倒斜角和圓角等。軋輥測量主要為測量軋輥的形狀、圓度和安裝誤差，可以用于獲取軋輥磨削前的初始狀態(tài)，評估磨削過程中及磨削完成后的磨削質(zhì)量。

因此，完整的軋輥磨削過程一般由多個磨削功能組成。操作人員根據(jù)磨削工藝要求進(jìn)行選擇，按執(zhí)行的先后順序進(jìn)行排列，由此形成軋輥磨削工序。典型的磨削工序為：磨前測量、砂輪修整、成型磨削、磨削過程中的輥型測量和圓度測量、成型磨削、磨后輥型測量和圓度測量，其中磨前測量包括輥型測量、圓度測量、安裝誤差測量3個功能。數(shù)控系統(tǒng)以磨削工序作為輸入，根據(jù)實際磨床的軸配置特點，控制軸的運動實現(xiàn)每個磨削功能。數(shù)控系統(tǒng)在成型磨削過程中，需控制X軸和Z軸的聯(lián)動形成磨削軌跡，控制S軸和W軸的轉(zhuǎn)速；在砂輪修整中，需控制X軸和Z軸的聯(lián)動形成砂輪所需的修整形狀，同時控制S軸的轉(zhuǎn)速；在軋輥測量中，需控制Z軸的運動、W軸的轉(zhuǎn)速、測量設(shè)備的動作和讀取測量結(jié)果。此外，在實際磨削過程中，操作人員可以根據(jù)實際情況要求數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)工序之間的跳轉(zhuǎn)、某個工序提前結(jié)束或全部工序的停止。

2 數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)研究

2.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

由前面兩節(jié)的研究內(nèi)容可知，為了滿足軋輥磨削的特殊要求，針對所研究的數(shù)控系統(tǒng)，需從硬件和軟件兩部分展開研究。數(shù)控系統(tǒng)主要根據(jù)磨削工序及其包含的信息、人機交互界面和操作面板等產(chǎn)生的控制指令數(shù)據(jù)，通過控制電機的運動實現(xiàn)對軋輥的磨削。

數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分采用開放式架構(gòu)，主要組成部分為：主控制單元、伺服驅(qū)動器、驅(qū)動電機、端子模塊和其他輔助部件[8-10]。該硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意

在圖1中，主控制單元采用工控機，為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件。該控制單元負(fù)責(zé)處理軋輥磨削功能，由內(nèi)部的運動控制算法產(chǎn)生軸位置、速度指令和其他控制指令，通過EtherCAT總線傳輸至電機驅(qū)動器和端子模塊并接收返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)磨削功能。端子模塊主要用于接收開關(guān)量、脈沖量和模擬量等信號，同時生成控制相關(guān)設(shè)備所需的開關(guān)量、脈沖量和模擬量等信號。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)功能架構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)是典型的實時控制系統(tǒng)，需周期性地產(chǎn)生控制指令，并由EtherCAT總線在每個控制周期與驅(qū)動器和端子模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。此外，數(shù)控系統(tǒng)為多任務(wù)控制系統(tǒng)，除數(shù)控系統(tǒng)本身的控制任務(wù)外，還有其所依托的操作系統(tǒng)自身的任務(wù)。為了確保數(shù)控系統(tǒng)能可靠地運行以及相關(guān)控制任務(wù)能按照控制周期準(zhǔn)確執(zhí)行，此處將數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)劃分為非實時任務(wù)、弱實時任務(wù)和強實時任務(wù)3個層次[11]。因此，數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)架構(gòu)示意

在圖2中，非實時層主要包含HMI任務(wù)和上位處理任務(wù)。HMI任務(wù)用于顯示機床的相關(guān)信息和進(jìn)行人機交互操作。上位處理任務(wù)主要是對外部輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如形成軋輥磨削數(shù)據(jù)等，寫入共享內(nèi)存從而傳遞給數(shù)控系統(tǒng)的弱實時任務(wù)，并讀取共享內(nèi)存獲取機床相關(guān)數(shù)據(jù)再傳遞給HMI任務(wù)。

相比數(shù)控系統(tǒng)的強實時任務(wù)，弱實時任務(wù)的控制周期更長。弱實時層任務(wù)包含數(shù)控系統(tǒng)主處理任務(wù)和設(shè)置任務(wù)。主處理任務(wù)的作用是維持?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，對共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，并決定在設(shè)置、磨削、回參和手動4種狀態(tài)中相互切換。設(shè)置任務(wù)主要用于配置系統(tǒng)的參數(shù)以及對驅(qū)動器或端子模塊進(jìn)行參數(shù)讀寫設(shè)置。

強實時層包含磨削控制任務(wù)、回參控制任務(wù)和手動控制任務(wù)?；貐⒖刂迫蝿?wù)用于實現(xiàn)軸的回參考點功能，一般用于X軸、Z軸、U軸、B軸和W軸。手動控制任務(wù)主要用于通過手持單元或HMI界面來控制軸的運動以及對機床其他設(shè)備進(jìn)行控制，如冷卻水開關(guān)和測量設(shè)備的操作等。磨削控制任務(wù)是此數(shù)控系統(tǒng)的核心部分，所有磨削功能全部在該任務(wù)中實現(xiàn)，等同于其他機床自動狀態(tài)下的任務(wù)。

數(shù)控系統(tǒng)所有任務(wù)的控制結(jié)果最終都轉(zhuǎn)變成軸和端子模塊上對應(yīng)設(shè)備的控制指令。這些數(shù)據(jù)作為EtherCAT數(shù)據(jù)幀的一部分發(fā)送至驅(qū)動器和端子模塊，從而達(dá)到控制目的。此外，驅(qū)動器和端子模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)也通過EtherCAT數(shù)據(jù)幀返回，最終返回至HMI界面，顯示機床和加工狀態(tài)。

3 磨削功能實現(xiàn)研究

3.1 成型磨削實現(xiàn)

成型磨削功能用于控制機床對軋輥按照指定的輥型和磨削參數(shù)進(jìn)行磨削，為文中數(shù)控系統(tǒng)的核心功能，決定了軋輥的磨削精度和效率。根據(jù)機床的結(jié)構(gòu)特點和軋輥磨削要求，成型磨削功能執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 成型磨削流程

輥型數(shù)據(jù)用于描述軋輥所需磨削的形狀，主要包含軋輥磨削長度和輥型特征參數(shù)。磨削工藝數(shù)據(jù)主要包含進(jìn)給速度、S軸和W軸轉(zhuǎn)速、磨削次數(shù)、端部進(jìn)給量和換向延時等。趨近數(shù)據(jù)主要用于定義砂輪以何種方式與軋輥相接觸從而實現(xiàn)磨削，主要包含趨近類型和趨近位置等數(shù)據(jù)。

趨近測量為控制測量設(shè)備靠近軋輥執(zhí)行測量動作，再根據(jù)測量結(jié)果和已知的砂輪直徑計算出砂輪與軋輥相接觸時X軸對應(yīng)的位置。

趨近控制按趨近類型控制X軸的運動使得砂輪與軋輥相接觸。趨近類型有3種：位置趨近、電流趨近、手動趨近。位置趨近為X軸移動至趨近測量結(jié)果的位置。電流趨近為X軸的移動位置使得砂輪電機轉(zhuǎn)矩電流達(dá)到指定值。手動趨近為操作人員通過手持單元控制X軸的移動。

磨削控制為插補算法根據(jù)輥型參數(shù)和磨削工藝參數(shù)控制X、Z軸的聯(lián)動，使得砂輪按要求對軋輥進(jìn)行磨削。此數(shù)控系統(tǒng)除了常規(guī)的直線段和圓弧段插補算法外，還針對性地開發(fā)正弦曲線段、高次方曲線段的插補算法，避免以微小直線段擬合產(chǎn)生的軌跡誤差。此外，插補算法可以同時疊加其他實時控制算法，如磨削力的柔順控制算法、進(jìn)給速度動態(tài)控制算法、安裝誤差補償算法和各種輥型補償算法等[12-13]。在磨削過程中，操作人員可以通過手持單元控制X軸的運動，該運動量將疊加在插補算法輸出結(jié)果上。大部分磨削工藝參數(shù)可隨時更新并在磨削換向時生效，部分參數(shù)更新立即生效。

砂輪直徑測量用于更新磨削后砂輪的直徑，動作與趨近測量相同，根據(jù)測量結(jié)果和磨削控制結(jié)束前的X軸位置計算出當(dāng)前砂輪直徑。

3.2 砂輪修整實現(xiàn)

砂輪修整是為了保持砂輪在磨削過程中與軋輥間接觸的一致性。砂輪修整功能執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 砂輪修整流程

在圖4中，修整數(shù)據(jù)包含兩部分：砂輪數(shù)據(jù)用于定義砂輪寬度和修整特征；修整工藝數(shù)據(jù)包含修整次數(shù)、修整速度和砂輪轉(zhuǎn)速等。

砂輪修整點定位控制主要用于確定砂輪修整器(金剛筆或金剛滾輪等)與砂輪之間的位置關(guān)系。由于砂輪修整器一般安裝在機床尾架處，而尾架在機床上的位置與所磨削的軋輥長度有關(guān)，數(shù)控系統(tǒng)通過控制Z軸的運動和檢測開關(guān)量信號確定Z方向的修整位置。由于不同砂輪所對應(yīng)的直徑不相同，數(shù)控系統(tǒng)通過手持單元控制X軸移動確定X方向的修整位置。對于同一砂輪再次修整，數(shù)控系統(tǒng)控制X軸移動至上一次修整結(jié)束的X位置。

砂輪修整功能控制為通過砂輪修整插補算法控制X、Z軸的聯(lián)動實現(xiàn)修整目的。該插補算法主要適用于：直線段、圓弧段和兩者形成的組合曲線段。修整工藝參數(shù)可隨時更新并在修整換向時生效。

3.3 軋輥測量實現(xiàn)

軋輥測量主要有輥型、圓度和安裝誤差3種類型[14-15]。軋輥測量功能執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 軋輥測量流程

如圖5所示，測量數(shù)據(jù)主要包含測量類型、測量起始點和結(jié)束點(輥型測量和安裝誤差測量用)、測量時Z軸的速度、測量點個數(shù)和對應(yīng)位置(圓度測量用)、測量次數(shù)和軋輥轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)具體的測量類型，選擇執(zhí)行圓度測量、輥型測量或安裝誤差測量3個控制子任務(wù)中的1個。

軋輥圓度測量控制為數(shù)控系統(tǒng)控制測量設(shè)備對每個測量點進(jìn)行直徑測量并根據(jù)軋輥轉(zhuǎn)速和測量次數(shù)對該點進(jìn)行重復(fù)測量。圓度結(jié)果為根據(jù)所在測量點上軋輥不同角度所對應(yīng)的直徑變化量得到。

輥型測量控制為數(shù)控系統(tǒng)控制Z軸的運動，由測量起始點至結(jié)束點按測量次數(shù)進(jìn)行往復(fù)運動。在該運動過程中，測量設(shè)備同時對軋輥進(jìn)行直徑測量，以測量起始點處的軋輥直徑值為基準(zhǔn)值，不同點的直徑測量值組成輥型測量結(jié)果。

軋輥安裝誤差測量與輥型測量類似，不同之處在于測量設(shè)備在安裝誤差測量過程中需要3個測量頭同時工作，而圓度測量和輥型測量只需要2個測量頭同時工作。安裝誤差測量所增加的測量頭用于消除輥型變化，從而得到真實的安裝誤差。此外，安裝誤差一般在磨前進(jìn)行，所得到的結(jié)果用于在成型磨削過程中進(jìn)行安裝誤差補償。

數(shù)控系統(tǒng)按插補頻率對軋輥測量結(jié)果進(jìn)行采樣，并將測量結(jié)果存放在由共享內(nèi)存組成的環(huán)形緩沖區(qū)。上位處理程序讀取軋輥測量結(jié)果后，按測量起始點到結(jié)束點進(jìn)行排序處理，并在HMI界面上顯示結(jié)果。

4 實驗驗證

為驗證此數(shù)控系統(tǒng)的可行性，基于該數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行軋輥磨削控制實驗。主控制單元采用工控機，其中處理器采用X86架構(gòu)的Core i7-3770 CPU，操作系統(tǒng)為Windows 7 64位系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為德國3S公司的CodeSys控制系統(tǒng)編程軟件，且數(shù)控系統(tǒng)運行在該編程軟件提供的實時運行系統(tǒng)上。數(shù)控系統(tǒng)的弱實時任務(wù)執(zhí)行周期為4 ms，強實時任務(wù)(插補任務(wù)插補周期和EtherCAT總線通信周期)執(zhí)行周期為0.25 ms。根據(jù)上述研究，此數(shù)控系統(tǒng)采用符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程語言(結(jié)構(gòu)化文本和梯形邏輯圖)實現(xiàn)所有弱實時任務(wù)和強實時任務(wù)，主要采用C#語言實現(xiàn)非實時任務(wù)。

在此數(shù)控系統(tǒng)中，X、Z、S和W軸的驅(qū)動器采用支持EtherCAT通信協(xié)議的型號，測量設(shè)備所用到的電機由于只需要轉(zhuǎn)速控制和限位檢測，相應(yīng)電機的驅(qū)動器為模擬量控制。測量設(shè)備的長度計輸出TTL信號，傳輸至端子模塊中的脈沖量計數(shù)器，并由此計算出測量結(jié)果。驅(qū)動器和端子模塊具體如圖6所示。

圖6 數(shù)控系統(tǒng)的電氣部件(局部)

用于磨削測試的軋輥磨床型號為MK8445，如圖7所示，為工件移動式，最大加工直徑為450 mm，其Z軸行程為4 200 mm，X軸行程為370 mm，砂輪最大轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，軋輥最大轉(zhuǎn)速為140 r/min。

圖7 磨削測試實驗用的MK8445軋輥磨床

在圖7中，用于磨削測試的軋輥所需的磨削長度為531 mm，目標(biāo)輥型為正弦曲線，凹度為0.02 mm，半角為60°。磨削工序為砂輪修整、成型磨削、輥型測量和圓度測量。其中，該軋輥的成型磨削過程如圖8所示。

圖8 軋輥實際成型磨削過程

如圖8所示：在成型磨削過程中，操作人員可修改磨削參數(shù)并在磨削換向時生效，也可提前結(jié)束成型磨削工序或整個磨削工程，還可通過手持單元手動控制X軸的運動，通過操作界面可臨時更改磨削方向。

在軋輥磨削功能執(zhí)行之前，數(shù)控系統(tǒng)需執(zhí)行砂輪修整過程。實際修整過程如圖9所示，其中砂輪修整器為金剛筆，安裝在尾架靠近砂輪的側(cè)面。所采用的砂輪寬度為60 mm，修整類型為修圓弧，且圓弧高度為0.03 mm。

圖9 砂輪實際修整過程

在軋輥磨削功能完成后，數(shù)控系統(tǒng)一般執(zhí)行輥型測量和圓度測量兩個軋輥測量功能，用于評估軋輥磨削指令，該過程如圖10所示。數(shù)控系統(tǒng)通過實時記錄軋輥Z方向位置、兩個長度計的讀數(shù)和軋輥當(dāng)前角度得到測量結(jié)果。

圖10 軋輥實際測量過程

軋輥的Z方向測量起始點為18 mm，測量結(jié)束點為488 mm，測量速度為1 200 mm/min，測量次數(shù)為2次，測量結(jié)果如圖11所示。軋輥磨削后的輥型誤差最大值為2.23 μm，為兩次測量結(jié)果的平均值。

圖11 輥型測量結(jié)果

軋輥圓度測量點為Z方向18 mm處，軋輥轉(zhuǎn)速為30 r/min，圓度測量結(jié)果如圖12所示。軋輥在該點處的圓度為1.04 μm，為3次測量結(jié)果的平均值。

圖12 圓度測量結(jié)果

在測試過程中，數(shù)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項功能正常，完全滿足軋輥磨削需求，同時磨削精度和效率也達(dá)到了工藝要求。

5 結(jié)論

針對軋輥磨削需求研發(fā)一種應(yīng)用于軋輥磨床的開放式數(shù)控系統(tǒng)。通過對軋輥磨削所需具體功能開展分析，提出了數(shù)控系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)和各磨削功能的具體實現(xiàn)方式。實際磨削結(jié)果表明，所研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)能夠滿足軋輥磨削的各種功能需求。