轧辊磨床数控系统和方法

1、一种轧辊磨床数控系统，它包括计算机(1)、可编程控制器(2)、大拖板伺 服电机即Z轴伺服电机(3)、V轴伺服电机(4)、U轴伺服电机(5)、砂轮主轴轴伺服 电机(6)、工件主轴轴伺服电机(7)、检测伺服电机(8)、信号反馈电路(18)、传感器(9)、 手控板(10)、手摇盘(11)，其特征在于：在计算机里装有多路计数模块(12)和系统控制 程序(26)，在可编程控制器(2)里装有通讯模块(13)、高速计数模块(14)、数模转换模块 D/A(15)、模数转换模块A/D(16)和数字量输入输出模块I/O(17)以及伺服系统 驱动控制程序(27)，可编程控制器的通讯模块串行通讯口接计算机的串行通讯口， Z轴伺服电机(3)、V轴伺服电机(4)、U轴伺服电机(5)、砂轮主轴轴伺服电机(6)、 工件主轴轴伺服电机(7)分别接一块模块D/A(15)，各伺服电机的反馈信号通过反 馈电路(18)反馈到高速计数模块(14)，Z轴伺服电机的反馈信号还反馈到计算机的多 路计数模块(12)，手控板(10)和传感器(9)分别接一块模块A/D(16)，手摇盘(11)输出 信号到一块高速计数模块(14)，模块I/O(17)接检测伺服电机(8)，检测伺服电机(8) 驱动A、B、C三个光栅尺对工件进行测量，A、B、C光栅尺将检测结果信号 反馈到多路计数模块(12)，系统控制程序(26)控制计算机与可编程控制器进行数据和 控制信号的实时交换，并进行表面轮廓为曲线或直线的工件的加工编程及反馈信 号的处理，可编程控制器的伺服系统驱动控制程序(27)控制各伺服电机工作。
2、根据权利要求1所述的轧辊磨床数控系统，其特征在于：磨曲线时砂 轮(23)的径向运动分别由U轴伺服电机(5)传动微动机构(28)或由V轴伺服电机(4)传动 砂轮架拖板(25)驱动，砂轮的径向进给由V轴伺服电机(4)或单独再加一个伺服电机 驱动。
3、一种用于权利要求1所述系统的轧棍磨床数控方法，其特征在于：当系 统控制程序(26)启动后首先检查与可编程控制器的通讯模块(13)通道是否畅通，之后 通过键盘进行编程、然后开始磨削、测量循环，编程为输入加工工件的表面轮廓 曲线的加工目标值或工艺参数值；伺服系统驱动控制程序(27)启动后进入数控磨削 选择状态，如不选数控磨削状态则进入手动控制状态，如选数控磨削则判断工件 表面轮廓曲线凸/凹幅值，属于中小幅值则启动U轴位置控制程序，属于大幅值 则启动V轴位置控制程序，无曲线凸/凹幅值则关闭U、V轴控制程序，之后进 入数控自动循环磨削，循环完毕回到数控磨削选择状态；当U轴的位置控制程序 启动后，在一个采样周期内，可编程控制器(2)的CPU首先从高速计数模块(14)内读 大拖板(24)的实际位置值即Z轴实际位置值，然后按Z轴实际位置值读取其最近的 相应分格点的U轴坐标值，如果Z轴的实际位置是在两分格点之间，则U轴的目 标值是根据该两分格点的坐标值按线性插值的方法计算出来，读出或计算出U轴 位置的目标值后，读取U轴的位置实际值、求目标值与实际值的位置偏差、输出 位置运动值、之后又返回读大拖板(24)的位置值再进行上述循环。
4、根据权利要求3所述的轧棍磨床数控方法，其特征在于：传感器(9)将 砂轮(23)直径的变化变成电信号输入到可编程控制器(2)的模块A/D 16，可编程控 制器(2)的CPU从存储器里取出给定的砂轮线速度与传感器(9)输入的砂轮直径的变 化量比较后，计算出砂轮主轴伺服电机(6)的转速并输出信号到伺服电机(6)。

本发明涉及一种轧辊磨床数控系统和方法，属于磨床数控技术领域。\n目前，轧辊磨床被广泛地应用于冶金、造纸、化工等领域的辊型工件的磨削 加工。随着现代工业的发展，要求轧辊磨床能够磨削高精度的表面轮廓为曲线的 辊型工件，但是现有技术中的轧辊磨床由于其数控系统的技术条件限制，使其已 经远远不能满足现代工业的需要，现有技术中数控系统的缺点是：1、由于是为 加工某几种表面轮廓曲线的辊型工件而设计的，因此要想在其基础上再扩展其功 能是十分困难和不容易的；2、现有技术的数控系统大都采用专用电路模块，因 此造价高、运行不稳定、不易维修、而且不易进行产品更新；3、现有技术对轧 辊磨床砂轮的径向运动驱动为单轴单电机驱动，因此无论工件表面轮廓曲线的 凸/凹幅值是多少都只能按一种径向运动驱动精度控制，不能根据加工工件的需 要来确定其驱动精度，而且只能加工凸/凹幅值变化量不太大的辊型工件，因为 如果设计成能加工大凸/凹幅值的工件则在加工小凸/凹幅值时其精度就很难控 制，这样就降低了轧辊磨床的工作效率和使用范围；4、现有技术的砂轮磨削线 速度不能进行自动恒定，因此很难满足线速度恒定的工艺要求。\n本发明的目的在于提供一种编制加工程序时输入参数少，而且能加工工件表 面轮廓曲线的凸/凹幅值变化量大、砂轮的径向运动驱动精度高，能根据检测结 果进行误差补偿加工和能根据工艺要求自动进行砂轮线速度恒定控制，并采用通 用电路模块的轧辊磨床数控系统和方法。\n本发明是这样实现的：轧辊磨床数控系统包括计算机、可编程控制器、大拖 板伺服电机即Z轴伺服电机、V轴伺服电机、U轴伺服电机、砂轮主轴轴伺服电 机、工件主轴轴伺服电机、检测伺服电机、信号反馈电路、传感器、手控板、手 摇盘，在计算机里装有多路计数模块和系统控制程序，在可编程控制器里装有通 讯模块、高速计数模块、数模转换模块D/A、模数转换模块A/D和数字量 输入输出模块I/O以及伺服系统驱动控制程序，可编程控制器的通讯模块串行 通讯口接计算机的串行通讯口，Z轴伺服电机、V轴伺服电机、U轴伺服电机、 砂轮主轴轴伺服电机、工件主轴轴伺服电机分别接一块模块D/A，各伺服电机 的反馈信号通过反馈电路反馈到高速计数模块，Z轴伺服电机的反馈信号还反馈 到计算机的多路计数模块，手控板和传感器分别接一块模块A/D，手摇盘输出 信号到一块高速计数模块，模块I/O接检测伺服电机，检测伺服电机驱动A、 B、C三个光栅尺对工件进行测量，A、B、C光栅尺将检测结果信号反馈到多 路计数模块，系统控制程序控制计算机与可编程控制器进行数据和控制信号的实 时交换，并进行表面轮廓为曲线或直线的工件的加工编程及反馈信号的处理，可 编程控制器的伺服系统驱动控制程序控制各伺服电机工作，当磨曲线时砂轮的径 向运动分别由U轴伺服电机传动微动机构或由V轴伺服电机传动砂轮架拖板驱动 砂轮的径向进给由V轴伺服电机或单独再加一个伺服电机驱动；该系统的控制方 法为：系统控制程序启动后首先检查与可编程控制器的通讯模块通道是否畅通， 之后通过键盘进行编程、然后开始磨削、测量循环，编程为输入加工工件的表面 轮廓曲线的加工目标值或工艺参数值；伺服系统驱动控制程序启动后进入数控磨 削选择状态，如不选数控磨削状态则进入手动控制状态，如选数控磨削则判断工 件表面轮廓曲线凸/凹幅值，属于中小幅值则启动U轴位置控制程序，属于大幅 值则启动V轴位置控制程序，无曲线凸/凹幅值则关闭U、V轴控制程序，之后 进入数控自动循环磨削，循环完毕回到数控磨削选择状态；当U轴的位置控制程 序启动后，在一个采样周期内，可编程控制器的CPU首先从高速计数模块内读大 拖板的实际位置值即Z轴实际位置值，然后按Z轴实际位置值读取其最近的相应 分格点的U轴坐标值，如果Z轴的实际位置是在两分格点之间，则U轴的目标值 是根据该两分格点的坐标值按线性插值的方法计算出来，读出或计算出U轴位置 的目标值后，读取U轴的位置实际值、求目标值与实际值的位置偏差、输出位置 运动值、之后又返回读大拖板的位置值再进行上述循环，传感器将砂轮直径的变 化变成电信号输入到可编程控制器的模块A/D，可编程控制器的CPU从存储器 里取出给定的砂轮线速度与传感器输入的砂轮直径的变化量比较后，计算出砂轮 主轴伺服电机的转速并输出信号到伺服电机。\n与现有技术比较，本发明由于采用了计算机和可编程控制器，因此可以充分 利用现有的计算机操作系统软件资源开发应用程序，本发明在系统控制程序和伺 服系统驱动控制程序的伺服统驱动控制程序的控制下，分别将工件表面轮廓曲线 坐标值的计算分两步计算，第一步由计算机计算Z轴的分格点及相应的U轴或V 轴坐标，第二步由可编程控制器根据Z轴实际位置附近相应的分格点坐标，再进 一步接线性插值法计算出相应的两分格点之间的U轴或V轴的坐标值，由于采用 了这种分两步计算的方法，节省了存储容量，提高了运算速度，并且编制加工程 序时输入参数少；由于砂轮的径向运行分别由两轴U轴或V轴伺服电机驱动，因 此可根据曲线的凸/凹幅值是多少和加工工件的需要来确定砂轮的径向运动驱动 精度，这样就提高了轧辊磨床的工作效力，本发明还能按程序要求进行自动测量 和误差补偿加工以及实现砂轮线速度的自动恒定，并由于采用了通用电路模块， 因此结构简单，造价低廉、维修方便、安全可靠，产品易于更新。\n下面结合附图近一步说明本发明的实施例：\n附图1是本发明结构示意图；\n附图2是本发明安装在轧辊磨床上的示意图；\n附图3是系统控制程序流程图；\n附图4是系统控制程序编程程序流程图；\n附图5是编程程序的正弦曲线编程子程序流程图；\n附图6是编程程序的任意曲线编程子程序流程图；\n附图7是编程程序的锥度曲线编程子程序流程图；\n附图8是编程程序的直线编程子程序流程图；\n附图9是编程的工世参数编程子程序流程图；\n附图10是磨削程序流程图；\n附图11是测量程序流程图；\n附图12是伺服系统驱动控制程序流程图；\n附图13是伺服系统驱动控制程序的U轴位置控制子程序流程图；\n附图14是伺服系统驱动控制程序的数控循环控制子程序流程图。\n在附图2中19为被加工工件、20为长光栅尺(即C光栅尺)、21为短光栅尺 (即B光栅尺)、22为短光栅尺(即A光栅尺)。\n在本实施例中计算机1采用WS-514工业控制机(也可采用与IBM机兼 容的其他型号的计算机)、计算机的操作系统用DOS6.0的版本、可编程控制 器2型号为SG-8B、光栅检测机构测头型号为MT12W、信号反馈电路18采 用脉冲编码器、在计算机里装的多路计数模块12型号为TCG-10，在可编程控 制器2里装有的通讯模块13、高速计数模块14、数模块换模块D/A15、模数转 换模块A/D16和数字量输入输出模块I/O 17等通用模块的型号按所选的可编 程控制器型号选配就可，将通讯模块13的串行通讯口接计算机的串行通讯口，Z 轴伺服电机3、V轴伺服电机4、U轴伺服电机5、砂轮主轴轴伺服电机6、工 件主轴轴伺服电机7分别接一块模块D/A，各伺服电机的反馈信号通过反馈电 路18反馈到高速计数模块14，轧辊磨床大拖板24伺服电机即Z轴伺服电机3的反 馈信号还反馈到计算机的多路计数模块12，手控板10和传感器9分别接一块模块 A/D16，传感器9将砂轮23直径的变化变成电信号输入到可编程控制器2的模 块A/D16，可编程控制器2的CPU从存储器里取出给定的砂轮线速度值与传 感器9输入的砂轮直径的变化量比较后，计算出砂轮主轴伺服电机6的转速并输 出信号到伺服电机6，以实现砂轮线速度恒定的目的；手摇盘11的输出信号通过 高速计数模块14控制砂轮的进给，模块I/O 17接检测伺服电机8，检测伺服电 机8驱动A、B、C三个光栅尺对工件进行测量，A、B、C光栅尺将检测结果 信号反馈到多路计数模块12，系统控制程序26控制计算机1与可编程控制器2进 行数据和控制信号的实时交换，并进行表面轮廓为曲线或直线的工件的加工编程 及反馈信号的处理，可编程控制器2的伺服系统驱动控制程序27控制各伺服电机 进行磨削加工；系统控制程序26启动后首先检查与可编程控制器2的通讯模块13 通道是否畅通，如为“否”则接通报警装置报警、如为“是”则进入编程程序， 进入编程程序后通过键盘进行编程、然后进入磨削、测量循环，这样一直循环到 完成加工目标值才结束磨削。当磨曲线时砂轮23的径向运动分别由U轴伺服电机 5传动微动机构28或由V轴伺服电机传动砂轮架拖板25驱动，砂轮23的径向进给 可由V轴伺服电机4驱动或再另加一个电机单独作径向进给驱动，这里只用一个 V轴伺服电机4作砂轮23的进给驱动。\n编程为通过键盘输入加工工件表面轮廓为正弦曲线、锥度曲线、任意曲线或 直线的加工目标值或工艺参数，如果选定正弦曲线加工，则正弦曲线编程首先将 数种常用加工类型的正弦曲线数据按编号存入到计算机的存储器里，操作者按编 号(1～10)选择正弦曲线，然后确定有无倒角，如有则进行直线或圆弧倒角选 择，如选中直线倒角则输入倒角长度数据，如选中圆弧倒角则输入长度、高度、 型式数据，如果不需倒角或已输入了倒角的数据，程序就进入输入中凸/中凹量 即正弦曲线的最大和最小峰值、曲线长度、半角数值，然后将各数据送到计算机 的运算器计算出数百个Z轴分格点及所对应的U轴或V轴的相应坐标值，并将其 坐标值存入计算机的存储器里，如果还需要加工其他编号的正弦曲线则再键入编 号，完成上述操作之后计算机进行计算并将结果存入存储器里，然后进入磨削程 序；如果选定任意曲线加工，则任意曲线编程首先将数种特殊类型的旧曲线数据 按编号(1～5)存入到计算机的存储器里，操作者可按编号选择旧曲线修改或 选择新曲线建立，如果选择旧曲线修改则通过键盘输入修改参数后就进入磨削程 序，如果选择新曲线建立则通过键盘键入Z轴的分格值ΔZ，计算机按Z=N× ΔZ的公式根据键入的目标值计算出Z轴上N个相应的坐标值，并将其坐标值存 入计算机的存储器，N的数值为从1到数百，这里取N=500，当计算完第500个 坐标值后就进入磨削程序；\n当磨削程序启动后首先进入手动磨削选择，如选手动磨削则进入手动磨削监 视状态，在该状态下操作者可通过手摇盘或手控板对各伺服执行机构进行各种手 动操作；如不选手动磨削则进入常规磨削选择，当不选常规磨削则进入补偿磨削， 在补偿磨削状态下，计算机将实测曲线与理论曲线比较，计算出补偿曲线，当计 算完补偿曲线后或选择了常规磨削，程序就进入将曲线数据传输到可编程控制器 的存储器里，然后判断可编程控制器的数控磨削启动条件是否满足，如不满足则 输入有关参数，如已经满足则进入数控磨削启动，在数控磨削状态下程序首先监 视U、V、Z轴当前所运行的工序状况及工序编号、行程次数等，然后让操作者 确定是否要修改或优化当前工序或其余工序的编号或参数，如为“是”则通过键 盘就可进行优化修改，当优化修改后或不修改则再确定行程次数是否需要加减1， 如果需要就输入相应数，如果不需要或输入了相应数后程序就到数控暂停选择， 当暂停后再启动程序就回到监视状态下开始下个循环，如不暂停，程序就到数控 停止选择，如不停止，程序就回到监视状态开始下个循环，如要停止程序就回到 手动磨削状态。\n测量程序控制辅助测量、圆度测量、同心度测量、直径测量和辊型测量。\n伺服系统驱动控制程序27启动后进入数控磨削选择状态，如不选数控磨削状 态则进入手动控制状态，在手动控制状态下手控板10通过模块A/D16可以控制 砂轮主轴伺服电机6、工件主轴伺服电机7、V轴伺服电机4的运动，如选数控 磨削则判断工件表面轮廓曲线凸/凹幅值的大中小，如果幅值≤80mm则属于中小 幅值，就启动U轴位置控制程序，如果幅值＞80mm属于大幅值，就启动V轴位置 控制程序，无曲线凸/凹幅值则关闭U、V轴控制程序，之后进入数控自动循环 磨削，循环完毕回到数控磨削选择状态；当U轴的位置控制程序启动后，在一个 采样周期内，可编程控制器2的CPU首先从高速计数模块14内读大拖板24的实 际位置值即Z轴实际位置值，然后按Z轴实际位置值读取最接近的相应两分格点 的U轴坐标值，如果Z轴的实际位置是在该两分格点之间，则U轴的目标值是根 据该两分格点的坐标值按线性插值的方法计算出来，读出或计算出U轴位置的目 标值后，再读取U轴位置实际值、求目标值与实际值的位置偏差、输出U轴位置 运动值、之后又返回读大拖板的位置值再进行上述循环。V轴位置控制程序与U 轴位置控制程序一样，只是读取的是V轴的位置值。\n数控循环控制子程序控制各伺服电机进行数控自动循环磨削加工。\n以上所有的操作过程都是在人机对话的状态下进行的，计算机1和可编程控 制器2根据操作者的要求在上述程序的控制下自动完成工件的加工，当加工完成 后计算机通过打印机将理论曲线和数据以及加工结果的数据和曲线打印出来。