針對目前非圓截面車削數(shù)控系統(tǒng)專用性強(qiáng)、成本高褒谒、維修困難等問題,提出了面向用戶的開放式設(shè)計(jì)方法测捐。它是以車削非圓型面的專用數(shù)控模塊為核心,派生出各種通用CNC功能,各數(shù)控功能模塊的接口對用戶開放。根據(jù)非圓型面的車削成型機(jī)理,在開放式的數(shù)控系統(tǒng)中采用多中斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)兩種不同的伺服控制(直線伺服和位置伺服控制)的時(shí)序關(guān)系,以完成非圓截面的自動車削惫投。

1 前言

中凸變橢圓型面是應(yīng)用最廣的非圓型面,也是活塞部件的型面特征,車削時(shí)要求刀具在軸向移動的同時(shí)能在徑向作高頻振動,以加工出橢圓截面和中凸曲線泉惋。非圓截面零件(例如內(nèi)燃機(jī)活塞)除具有中凸變橢圓型面外,還有環(huán)槽、圓錐面和倒角等,有的鋁制活塞還內(nèi)嵌有鐵環(huán)蹬谁。實(shí)際生產(chǎn)中,為了提高效率和加工精度,要求所有型面的加工能一次走刀完成扔缭。一般的通用CNC系統(tǒng)不能滿足車削非圓截面零件的要求,必須將通用數(shù)控功能與非圓截面的加工有機(jī)地結(jié)合起來。 目前出現(xiàn)的非圓截面車削數(shù)控系統(tǒng)都為專用數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其部件都是由某一公司批量生產(chǎn),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于用戶或第三方來說是一個“黑匣子”,存在著系統(tǒng)的售價(jià)和維修成本都比較高及不能實(shí)現(xiàn)一般通用數(shù)控功能的缺點(diǎn)癞烈。我們用工控機(jī)作為非圓截面數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺,開發(fā)出面向用戶的非圓截面加工的開放式數(shù)控系統(tǒng)洗馅。該系統(tǒng)把非圓截面車削的特種數(shù)控與通用CNC統(tǒng)一起來,除具有自動車削非圓截面的功能外,還具有通用的CNC功能,例如:MST功能、I/O功能堕常、快進(jìn)快退赌羽、直線圓弧插補(bǔ)等。

2 非圓截面車削開放式體系結(jié)構(gòu)

非圓截面車削專用數(shù)控功能模塊 完成非圓截面自動車削的伺服單元是以直線電動機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)系統(tǒng),直線電動機(jī)是專門為加工非圓截面而設(shè)計(jì)的高頻響缤弦、大行程领迈、精密微進(jìn)給裝置,也是刀具的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。它的最大行程為2mm,最大切削力可達(dá)300N碍沐。其直線伺服單元可以獨(dú)立完成對直線電動機(jī)的閉環(huán)控制,并通過串行口與外界通信惦费。該非圓截面車削功能模塊采用光柵傳感器和DSP信號處理器,可以大大提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。非圓截面車削開放式體系結(jié)構(gòu)特征 基于工控機(jī)硬件平臺的開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)特征如圖2所示抢韭。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是:①以車削非圓截面的特種數(shù)控模塊即直線伺服單元為核心,向上派生出主機(jī)(工控機(jī)),它們之間通過串行口進(jìn)行通信薪贫。②以工控機(jī)為主控模塊,向下派生出各種通用CNC功能。各功能模塊與主機(jī)通過計(jì)算機(jī)總線進(jìn)行通信刻恭。③各數(shù)控功能模塊相對獨(dú)立,且與主機(jī)的接口是開放的,但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是封閉的瞧省。 該系統(tǒng)與專用型非圓截面數(shù)控系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于其各數(shù)控模塊的接口對用戶是開放的,其外設(shè)功能采用插件的形式,這種體系結(jié)構(gòu)不依賴于子系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu),只要在主機(jī)中留出地址和中斷向量就能滿足主機(jī)與各單元的通信要求。也就是說,直線伺服單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對用戶或第三方來說可以是“黑箱”鳍贾。

開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)有以下特點(diǎn):①通用數(shù)控功能模塊可以采用廉價(jià)的基于PC機(jī)的功能卡,這不但降低了系統(tǒng)成本,便于用戶或第三方維修,而且也使研制者可以集中力量進(jìn)行非圓截面特種數(shù)控的研究:②可以很容易地根據(jù)用戶的需要而改變系統(tǒng)的具體配置,滿足面向用戶的設(shè)計(jì)要求鞍匾。 所謂面向用戶,就是使用戶可以參與到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中來,并能自己(或第三方)進(jìn)行維修。在開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)中,所有的數(shù)控功能模塊都是基于工控機(jī)硬件平臺的,而且各模塊與主機(jī)的接口是開放的,因此它可以根據(jù)用戶的需要在車削非圓截面零件的特種數(shù)控功能上派生出各種通用數(shù)控功能來,例如:MST、直線插補(bǔ)橡淑、圓弧插補(bǔ)构拳、I/O功能等。如果在使用中,某一功能模塊出現(xiàn)故障,用戶(或第三方)可以單獨(dú)將這一模塊換掉,而不會影響系統(tǒng)的其它部分祥喳。

3 開放式非圓截面數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

以工控機(jī)硬件為平臺,以中凸變橢圓數(shù)控切削模塊為核心派生出豐富的通用CNC 功能,以實(shí)現(xiàn)車倒角耀奠、圓錐(柱)面、端面貌硬、切槽等功能,其結(jié)構(gòu)如圖3所示用堤。圖中的非圓截面數(shù)控系統(tǒng)由主控模塊、直線伺服單元嚣褐、主軸控制單元萌烁、位置伺服單元、在位測量系統(tǒng)等部分組成逸茅。主控模塊是以工控機(jī)為核心,包括硬盤绎儡、軟驅(qū)、鍵盤详不、顯示器措坐、打印機(jī)等。它是整個數(shù)控系統(tǒng)核心部分,負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理和信息處理功能赖厅。除了和各子功能模塊通信外,它還直接控制系統(tǒng)的I/O功能拣播。工控機(jī)與各功能模塊的信息通路可分為七條:①微機(jī)通過接口電路、子CPU控制直線電動機(jī),實(shí)現(xiàn)中凸變橢圓型面的加工:②微機(jī)通過專用控制卡控制位置伺服,實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)收擦、快進(jìn)快退等通用CNC 功能:③微機(jī)通過接口電路贮配、變頻器或刀架盒,實(shí)現(xiàn)對主軸起停、轉(zhuǎn)速及刀架的控制:④主軸通過編碼器塞赂、接口電路把角位置信息傳給微機(jī):⑤微機(jī)通過I/O板泪勒、光耦板控制按鈕、顯示燈等輸入輸出量:⑥微機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換宴猾、測微儀對加工完的工件進(jìn)行在位檢測,并顯示測量結(jié)果:⑦報(bào)警通道,變頻器圆存、油路、油壓等故障通過中間繼電器仇哆、接口電路傳給計(jì)算機(jī)沦辙。

4 本數(shù)控系統(tǒng)將非圓截面加工專用數(shù)控系統(tǒng)和一般通用數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合,不但可以實(shí)現(xiàn)非圓截面加工的專用功能,而且還可以實(shí)現(xiàn)非圓零件的其他特征(如環(huán)槽,倒角等)等輔助加工,可大大提高生產(chǎn)效率。另外,本系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)控軟件使系統(tǒng)的可靠性大大提高,并可實(shí)現(xiàn)專用和通用數(shù)控功能的有機(jī)結(jié)合讹剔。使用DSP和光柵來實(shí)現(xiàn)直線伺服單元的控制,非圓截面加工的精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性也大大提高油讯。本系統(tǒng)目前已在新一代數(shù)控活塞車床上使用。

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