基于开放式数控系统的CGM6125机床数控化改造设计.pdf

２０１６ 年 ２ 月 第 ４４ 卷 第 ４ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｆｅｂ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ４ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０４􀆱 ００１ 收稿日期 ２０１４－１２－０４ 作者简介 李学光 （１９７９）， 男， 工学博士， 副教授， 硕士生导师， 研究方向为精密超精密加工检测与装备。 Ｅ－ｍａｉｌ ｌｉｘ⁃ ｕｅｇｕａｎｇ＠ ｃｕｓｔ􀆱 ｅｄｕ􀆱 ｃｎ。 基于开放式数控系统的 ＣＧＭ６１２５ 机床数控化改造设计 李学光１， 隋礼辉１， 陈莉丹１， 苗立琴２， 张树仁１ （１􀆱 长春理工大学机电工程学院， 吉林长春 １３００２２； ２􀆱 长春设备工艺研究所数字化室， 吉林长春 １３００１２） 摘要 基于开放式数控系统对 ＣＧＭ６１２５ 机床进行数控化改造， 机械结构方面， 改变了机床各坐标轴原有的传动方式， 设计了新的传动方案； 控制方面， 确定了 “运动控制器＋ＰＣ” 型控制方案， 由工业 ＰＣ 机进行控制， 通过运动控制器将插 补及运动指令分别发送给伺服驱动器， 伺服驱动器根据反馈及指令实时控制电机的运转速度和角位移， 从而控制机床各轴 的运动轨迹； 开放式数控系统的人机交互方面， 建立了开放式数控系统的软、 硬件结构， 通过对运动控制器的接口函数进 行编程， 在 Ｄｅｌｐｈｉ 平台上开发了开放式数控系统应用程序， 实现了机床各种数控功能。 关键词 数控化改造； 开放式数控系统； 运动控制器； 人机交互； 接口函数 中图分类号 ＴＧ６５９ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ４－００１－５ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＣＧＭ６１２５ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｏｐｅｎ ＣＮＣ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩ Ｘｕｅｇｕａｎｇ１， ＳＵＩ Ｌｉｈｕｉ１， ＣＨＥＮ Ｌｉｄａｎ１， ＭＩＡＯ Ｌｉｑｉｎ２， ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕｒｅｎ１ （１􀆱 Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｊｉｌｉｎ １３００２２， Ｃｈｉｎａ； ２􀆱 Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｊｉｌｉｎ １３００１２， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＣＧＭ６１２５ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｗａｓ ｍａｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｅｎ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ． Ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｅａｃｈ ａｘｉｓ ｗａｓ ｃｈａｎｇｅｄ， ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｃｈｅｍｅ ｗａｓ “ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＋ＰＣ”， ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＰＣ， ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｗａｓ ｓｅｎｔ ｔｏ ｄｒｉｖｅｒ ｂｙ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ， ｓｏ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｅａｃｈ ａｘｉｓ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ． Ｉｎ ｈｕｍａｎ⁃ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ， ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｏｐｅｎ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｅｌｐｈｉ ｐｌａｔｆｏｒｍ． Ｔｈｅ ＣＮＣ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｗｅｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ； Ｏｐｅｎ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ； Ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ； Ｈｕｍａｎ⁃ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ； Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｕｎｃ⁃ ｔｉｏｎｓ 机床改造是一种基于废旧机床循环利用的机床制 造模式， 属于绿色再制造的范畴［１］。 机床再制造符合 我国 建 设 资 源 节 约 型、 环 境 友 好 型 社 会 战 略 需 要［２－３］。 新型的计算机数控机床已经基本取代了传统 的通用加工机床和专用加工设备， 常用的工控机和嵌 入式控制器都具备较强的可开发性［４］。 目前已有相关 方面的研究， 文献 ［５］ 对 Ｃ６２０ 普通机床进给系统 进行了数控化改造； 文献 ［６］ 对 ＭＣ１３３２／ Ｈ 外圆磨 床进行了数控化改造。 上述文献中对机床的改造都是 在现有数控系统基础上完成的。 文中主要基于开放式 数控系统对 ＣＧＭ６１２５ 高速精密车床进行数控化改造， 开放式数控系统具有较好的人机交互界面。 数控系统 在要求具备较高加工精度和复杂曲线计算能力的同 时， 还要求给用户提供人性化的操作界面［７］。 此外， 开放式数控系统最重要的特点之一是它能够适应不同 的生产条件与生产情况， 从而完成自身的重构与配 置， 具备良好的协调性与灵活性［８］。 ＣＧＭ６１２５ 车床 是 ２０ 世纪 ８０ 年代由济南第一机床厂研发生产， 通过 对其进行数控化改造， 扩大其加工工艺范围， 提高加 工效率。 同时， 由于目前我国存在大量的 ２０ 世纪八 九十年代的老旧机床， 通过对这些机床进行数控化改 造， 也可实现资源的二次回收利用， 符合绿色、 环保 的理念。 １ 机床改造设计总体方案 基于开放式数控系统对 ＣＧＭ６１２５ 机床进行数控 化改造， 改造前的机床如图 １ 所示。 根据该机床的结 构特点， 经分析， 机械结构上要改变原机床的传动结 构； 控制系统方面， 采用 “运动控制器＋ＰＣ” 型控制 方案， 在 Ｄｅｌｐｈｉ 平台上开发开放式数控系统应用程 序。 拆除原机床以下部份 主电机及带轮、 手动刀 架、 Ｘ／ Ｚ 轴梯形丝杆、 送刀箱及溜板箱等。 按数控车 床结构特点， 改装主轴变频电机及带轮、 主轴同步光 电脉冲编码器、 Ｘ／ Ｚ 轴滚珠丝杆及交流伺服电机、 四 工位免抬电动刀架等， 使其成为一台主轴变频无级调 速、 Ｘ／ Ｚ 轴伺服控制、 可实现自动换刀的数控车床。 图 １ ＣＧＭ６１２５ 机床 ２ 机械结构改造方案设计 改造机床机械结构时， 将原机床的挂轮箱、 进给 箱、 溜板箱、 主轴换挡机构拆除， 保留大拖板和中拖 板， 原纵、 横向梯形丝杆更换为双螺母、 内循环精密 滚珠丝杆； 改变原有的机床传动链， 电机与丝杆的联 接方面， Ｘ 轴、 Ｚ 轴直联， 采用高性能无齿隙齿联轴 器连接； 安装 Ｚ 轴丝杆防护罩、 溜板箱位的防护扳、 中拖扳后防护板等； 加装自动间歇润滑泵； Ｘ、 Ｚ 轴 丝杆加装油杯及油管润滑油路， 直通丝杆螺母座内， 保证丝杆及道轨良好的润滑； 拆除原有的普通刀架， 安装四工位电动刀架； 增加主轴控制变频器和编码 器， 拆除原机床主轴换挡机构。 图２ 所示为 Ｘ 轴改造方案， 用滚珠丝杠取代原机 床的丝杠， 其一端和轴承相连接， 起到支撑和固定的 作用， 另一端通过联轴器与电机相连， 在大拖板的一 侧连接一个支架， 用来固定电机和丝杠。 图 ２ 横向改装示意图 图 ３ 所示为 Ｚ 轴改造方案， 与 Ｘ 轴改造后结构 类似， 也是通过联轴器将丝杠与电机直连， 不同的是 为了便于安装 Ｚ 轴， 将电机放在主轴箱内部空间内， 造成了丝杠位置的改变， 因此需要重新设计丝杠支 架。 在设计和安装支架时， 为保证机床几何精度， 需 保证左右支架和丝杠的同轴度及丝杠与导轨的平行度 要求。 图 ３ 纵向改装示意图 为确保机床改造后的结构设计合理可行， 进行了 机床结构模态分析， 自定义了 ４５ 号钢和 ＨＴ２５０ 两种 材料， 机 床 的 床 身、 主 轴 箱、 尾 架、 导 轨 采 用 ＨＴ２５０， 其泊松比为 ０􀆱 ２７， 弹性模量为 １􀆱 ５５１０１１Ｐａ， 密度为 ７ ３４０ ｋｇ／ ｍ３； 其他零部件采用 ４５ 号钢， 其泊 松比为 ０􀆱 ３， 弹性模量为 ２􀆱 ００１０１１Ｐａ， 密度为 ７ ８５０ ｋｇ／ ｍ３。 机床模型中不分离的约束主要有大拖板与中 滑板、 大拖板与导轨、 尾座与导轨等。 前 ６ 阶固有频 率及主振型如表 １ 所示。 表 １ 机床主体的前 ６ 阶固有频率和主振型 阶次固有频率／ Ｈｚ主振型 １１６４􀆱 ３４刀架电机、 横向电机及纵向丝杠出现较大变形 ２２２０􀆱 ９３刀架电机出现较大变形 ３２５３􀆱 ７７横向电机及其支架发生较大变形 ４２９６􀆱 ３９横向电机和纵向丝杠出现较大变形， 机床发生前后振动 ５３２０􀆱 ９５横向电机及其支架发生较大变形， 电动刀架轻微变形 ６３４３􀆱 ０５横向电机及其支架和刀架电机发生较大变形 由图 ４ 可以看到 横向伺服电机及其支架、 刀架 电机和纵向滚珠丝杠发生较大变形， 并且它们的振动 情况比较明显。 因此要加强横向伺服电机及其支架的 刚度， 在振动的方向可以加入加强筋； 刀架电机可以 安装支撑机构， 避免刀架电机的振动影响刀具加工质 量； 纵向滚珠丝杠的安装应合理设置支撑方式， 避免 发生较大变形。 ２机床与液压第 ４４ 卷 图 ４ 机床模态分析结果 安装后的机床结构如图 ５ 所示， 其中图 ５ （ａ） 所示为 Ｚ 轴通过联轴器实现伺服电机与丝杠的直连， 图 ５ （ｂ） 所示为 Ｘ 轴通过联轴器实现伺服电机与丝 杠的直连。 改造后的机床安装了四工位免抬电动刀 架， 相关原有的机床部件已拆除。 图 ５ 改造后的机床主体结构 ３ 控制部分改造方案 ３􀆱 １ 基于 ＰＣ 的开放式数控系统平台的搭建 在数控系统改造方面， 基于开放式数控系统模式 采用 “运动控制器＋ＰＣ” 型控制方案， 由工业 ＰＣ 机 进行控制， 通过专用运动控制卡将插补及运动指令分 别发给驱动器， 驱动器根据反馈及指令实时控制电机 的运转速度和角位移， 从而控制机床各轴的运动轨 迹， 实现工业加工及实验等功能。 图 ６ （ａ）、（ｂ）、 ３第 ４ 期李学光 等 基于开放式数控系统的 ＣＧＭ６１２５ 机床数控化改造设计 （ｃ） 所示为文中机床改造所采用的可实现二轴联动的运动控制卡、 工业 ＰＣ 机及伺服驱动调试模块。 图 ６ “运动控制器＋ＰＣ” 控制方案 根据改造要求， 建立了开放式数控系统的硬件体 系结构如图 ７ 所示。 在基于开放式数控系统的改造 中， 采用 “ＮＣ 嵌入 ＰＣ” 结构模式， 即硬件结构利 用工业 ＰＣ 机作为主体， 将运动控制器插入 ＰＣ 的 ＰＣＩ 总线插槽中， 外接端子板、 输入输出接口卡、 伺服电 机驱动模块、 主轴变频调速模块等构成硬件总体结 构。 ＰＣ 机作为非实时处理， 实时控制由运动控制器 来承担， 工业 ＰＣ 机提供了一个软件的开发平台， 根 据运动控制器提供的接口函数， 开发专用的软件控制 系统， 实现人机交互功能。 运动控制器可以对机床的 连续轨迹运动进行多轴联动控制， 其内部提供了典型 的插补算法， 可实现常用的直线插补、 圆弧插补等。 图 ７ 基于 ＰＣ 的开放式数控系统硬件结构图 文中选用的是 ＧＴＳ⁃４００⁃ＰＧ⁃ＰＣＩ 系列运动控制器， 由 ＧＴＳ⁃４００⁃ＰＧ⁃ＰＣＩ 运动控制器和端子板两部分组成。 ＧＴＳ⁃４００⁃ＰＧ⁃ＰＣＩ 系列运动控制器的核心由 ＤＳＰ 和 ＦＰＧＡ 组成， 可以实现高速的点位运动及高性能的控 制计算。 运动控制器提供 Ｄｅｌｐｈｉ 语言等函数库和 Ｗｉｎｄｏｗｓ 动态链接库， 通过对其编程可以实现复杂的 控制功能。 配套端子板可控轴数为四轴， 同时拥有数 字量输入和输出、 扩展模块和辅助编码器等接口。 根 据文中所改造的机床， 所建立的基于运动控制器的开 放式数控系统硬件关联结构如图 ８ 所示。 运动控制器一端与外部的端子板连接， 端子板连 接到 Ｘ 轴和 Ｚ 轴的伺服模块， 伺服模块与各轴伺服 电机连接。 当在 ＰＣ 机中所开发的数控系统应用程序 中输入相应指令并执行时， 通过运动控制器， 由伺服 模块发出指令控制伺服电机动作。 通过安装在 Ｘ 轴 和 Ｚ 轴伺服电机上的编码器来检测伺服电机运转情 况， 并将检测数据反馈给伺服模块， 最终反馈到数控 系统， 便于程序运行时观察各轴的实际运动情况。 图 ８ 开放式数控系统硬件关联结构 ３􀆱 ２ 运动控制器的控制误差验证 由于改变了机床原有的传动结构， 原有的传动链 发生变化。 Ｘ、 Ｚ 轴分别由伺服电机单独驱动， 并与 伺服电机采用直连的方式， 两轴的联动控制由运动控 制器实现， 通过运动控制器实现电子齿轮运动， 将 Ｘ 轴和 Ｚ 轴联系起来， 实现精确的同步运动， 从而替 代传统的机械齿轮连接。 图 ９ 所示为测试运动控制器 对 Ｘ、 Ｚ 轴的联动控制精度。 测试中规划 Ｘ 轴和 Ｚ 轴 的传动比为 ２ ∶ １。 图 ９ 运动控制器对 Ｘ、 Ｚ 轴联动控制 结果表明， 当设定为 Ｘ 轴电机发送 ３０ ０００ 个脉 冲时， 测试结果实际发送脉冲数为 ２９ ９９８， 而此时， ４机床与液压第 ４４ 卷 应为 Ｚ 轴电机发送 １５ ０００ 个脉冲， 测试结果实际发 送脉冲为 １４ ９９８。 换算成各轴的位移， 满足其精度 要求。 ４ 开放式数控系统人机交互功能实现 根据文中机床的改造要求， 设计了开放式数控系 统软件结构如图 １０ 所示， 软件控制部分主要包括数 控加工程序编辑模块、 数控机床运动控制模块、 机床 状态信息及加工仿真模块。 图 １０ 开放式数控系统软件结构 系统可实现数控加工程序的手动编辑与修改， 从 外部导入数控程序， 检验数控程序的语法错误， 对数 控加工程序进行处理， 包括坐标指令、 刀具半径补偿 指令、 辅助功能指令、 运动指令等的处理， 最终生成 可用来直接控制机床运动的数据。 利用运动控制器提 供的控制功能实现对机床的两轴联动控制， 包括直线 和圆弧插补运动等。 提供方便可视的人机交互界面， 通过控制面板， 可以改变控制模式， 控制自动加工过 程及主轴的起停， 实现机床运动的手动调试。 控制面 板还可以显示系统的状态， 如系统当前的工件坐标和 机床坐标、 进给速度、 正在加工的程序段等。 根据开 放式数控系统的软件结构编制人机界面应用程序， 数 控系统的人机界面是连接操作者和数控机床的关键， 是了解机床运行状况的窗口， 能够反映出机床的运行 状态、 运行时的机床参数及对机床的参数进行调节。 文中所编制的开放式数控系统人机交互应用程序如图 １１ 所示。 图 １１ 开放式数控系统人机交互界面 ５ 结论 根据 ＣＧＭ６１２５ 机床的结构特点， 详细分析和阐 述了基于开放式数控系统对其改造的全过程， 设计了 机床数控化改造的方案。 改变了机床原有的传动方式 及传动链结构； 采用了 “运动控制器＋ＰＣ” 的控制方 案， 并对运动控制器的联动控制精度进行了测试， 其 结果满足改造需求； 建立了开放式数控系统的软硬件 结构， 根据软件系统的要求， 在 Ｄｅｌｐｈｉ 平台上建立 了数控系统的应用程序， 完成了基于开放式数控系统 对机床进行数控化改造。 此外， 通过文中机床的数控 化改造方法及开放式数控系统的研究， 也探索了一条 普通机床改造升级为数控机床的可行途径。 参考文献 ［１］ 苏纯，陈志伟，崔鹏飞，等．旧机床数控化再制造案例研 究［Ｊ］．机械设计与制造工程，２０１４，４３（１）４６－４９． ［２］ 杜彦斌，李智明．退役机床再制造整机性能综合提升方 案［Ｊ］．现代制造工程，２０１４（６）１６－２１． ［３］ 曹华军，杜彦斌，张明智，等．机床再制造与综合提升内 涵及技术框架［Ｊ］．中国表面工程，２０１０，２３（６）７５－７９． ［４］ 富宏亚，胡泊，韩德东．ＳＴＥＰ⁃ＮＣ 数控技术研究进展［Ｊ］． 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