CN103419077B - 新型高精磨齿数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高精磨齿数控系统，其包括分体式机箱、AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元和功率驱动单元，所述分体式机箱包括多个并排设置的独立箱体，所述AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元和功率驱动单元对应设置在与其相对应的独立箱体内，并相互连接；本发明设计巧妙、合理，采用分体式模块化结构设计，并且根据功能、强弱电及功耗不同合理分布位置关系，工作稳定性好，并且易于控制操作和日常维护工作，有效提高工作效率；而且具备磨齿和修齿功能，能实时对齿及砂轮进行动平衡监测，实现及时作出修整和补偿，以高效率、高精度完成磨削加工动作，有效保证产品质量，利于广泛推广应用。

Description

新型高精磨齿数控系统

技术领域

本发明涉及数控系统技术领域，特别涉及一种新型高精磨齿数控系统。

背景技术

目前国内同规格的蜗杆砂轮或成形砂轮等磨齿机所配备的数控系统均为国外的标准数控系统（如德国西门子，日本fanuc等），这种标准数控系统的虽然通用性高、功能很多，但并不是专门针对某一种机床而研发的系统，既可以用于磨齿机，也可以用于车床、铣床、磨床等机床。这样使得这种数控系统对砂轮磨齿机的控制性和专业性相对较差，无法让磨齿机在使用时实现简单易用、操作便捷、实时高效同时又具备极高的磨削精度。更为重要的一点，这些国外系统的价格非常昂贵，接近一台数控磨齿机40%的成本。一旦过了保修期，出现故障时，停机时间相对长，而且维修成本极高。

标准通用型数控系统是以一个CPU为核心，通过总线方式对其他多个模块进行控制。每一个模块均可实现对单个轴的控制，系统集成多个相同的模块从而实现对多个轴的控制。对不同类别的机床，CPU使用不同的软件控制算法。以蜗杆砂轮磨齿机而言，CPU调用内部4个硬件模块实现对4个轴的控制，而4个轴在磨削过程中的随动关系同样依靠CPU的内部软件算法。这种内部软件算法由开发设计人员已经固定程序化，二次开发者或使用者很难深入其中进行复杂运算，只能通过其提供的有限功能代码做外部运算，很难到达磨削要求的高精计算。尤其是磨齿机磨削工艺要求很高，一方面要求对磨削量进行精确控制（包括齿形、齿厚及螺旋角等），对任意齿数进行精确分齿；另一方面，由于砂轮的不断磨损，要求对砂轮每磨削一定次数后要进行微量修整，修整后的砂轮其位置信息又要实时更新到其用于磨削的控制中。这其中至少涉及两套运动链的控制。当然，进行砂轮轮廓修整时，多达3个金刚笔的偏置及插补控制本身也比较复杂。以上这些都对通用系统提出了很高的要求，所以专用磨齿数控系统的必要性是显而易见的。

标准通用型数控系统优点是通用性较强，可针对不同类型的机床设计不同的算法，而不需对硬件进行大量修改。但是其优点大多是对设计者本身而言，对用户使用没有任何作用。且由于其采用软件算法控制延时大、响应慢（软件处理一般在ps级以上，而硬件处理可达ns级），造成其精度无法提高。对磨齿机而言，精度一般分为1-12级，等级值越小，精度越高。使用标准通用型数控系统可达5-6级，而使用本发明的专用型数控系统可达3级以上，如果对磨削效率要求不高时，其磨削精度可以达2级或1级。而且硬件上集成的多个功能模块并不是全部工作，造成很大一部分资源的浪费。

也有些控制方案的实现是将磨齿和修齿在两台机床上分别实现，两台或多台配合进行磨齿加工，这种效率低，投入大；还有一些方案采用两套系统控制一台机床，一套单独控制砂轮磨削，另一套控制砂轮磨损后的修整，磨削数据和修整数据固定或按照约定的规律，再利用握手信号实现磨削和修整的时序控制。这种方案不仅效率低，缺乏灵活性，而且信号握手和通讯的故障率极高。

因此，需要研发一种加工效率快，精度高，稳定性好并且灵活性高，操作简单，适用范围广的新型高精磨齿数控系统为当世之所需。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，加工效率快，精度高，且操作简单，灵活性高，稳定性好的新型高精磨齿数控系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：一种新型高精磨齿数控系统，其包括分体式机箱、AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元和功率驱动单元，所述分体式机箱包括多个并排设置的独立箱体，所述AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元和功率驱动单元对应设置在与其相对应的独立箱体内，并相互连接。

作为本发明的一种改进，所述主控制数控单元和功率驱动单元包括相互连接的信号接收处理模块、任务处理模块、插补模块、电子齿轮比模块、位置控制模块和功率驱动放大模块。

作为本发明的一种改进，所述信号接收处理模块用于接收机床反馈信号及机床控制信号处理得到系统后级模块所需的电机编码器信号、直线编码器信号和开关输入信号。

作为本发明的一种改进，所述任务处理模块具有自动方式、手动方式、手轮方式及编程方式的操作方式，该任务处理模块包括执行磨削加工单元、砂轮修整操作单元以及砂轮动平衡实时监控单元。

作为本发明的一种改进，所述插补模块根据信号接收处理模块输出的直线编码器信号和开关输入信号，并通过误差检测、金刚笔修整轨迹以及磨削轨迹的插补信息的计算处理，该插补模块计算处理得出误差调节量和插补输出脉冲，并输出位置脉冲信号，同时将误差调节量和插补输出脉冲数据存入共享数据库，以实时更新磨削插补的位置信息，实现对每刀磨削量的精准控制。

作为本发明的一种改进，所述电子齿轮比模块根据信号接收任务处理模块输出的电机编码器信号以及插补模块输出的位置脉冲信号通过倍频分频处理，输出砂轮进给信号、工件轴向进给信号及工件旋转信号。

作为本发明的一种改进，所述位置控制模块根据接收到的砂轮进给信号、工件旋转信号和对插补输出脉冲进行处理输出的主控制量进行位置坐标补偿修整。

作为本发明的一种改进，所述功率驱动放大模块根据接收到的误差调节量和主控制量，通过对系统主控制量进行适当的增益放大，输出用以驱动机床的信号。

作为本发明的一种改进，所述机床反馈信号包括砂轮X轴电机编码器信号、工件C轴电机编码器信号、Z轴编码器信号以及B轴编码器信号；所述电机编码器信号包括砂轮进给脉冲信号、工件旋转信号及轴向进给脉冲信号。

作为本发明的一种改进，其还包括信号输入输出接口模块和数字化位置控制板，所述功率驱动单元、AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元、信号输入输出接口模块和数字化位置控制板按照从左至右的顺序依次设置在相对应的独立箱体内，并相互连接。

本发明的有益效果为：本发明设计巧妙、合理，采用分体式模块化结构设计，并且根据功能、强弱电及功耗不同合理分布位置关系，工作稳定性好，并且易于控制操作和日常维护工作，有效提高工作效率；而且具备磨齿和修齿功能，能实时对齿及砂轮进行动平衡监测，实现及时作出修整和补偿，以高效率、高精度完成磨削加工动作，有效保证产品质量，利于广泛推广应用。

本发明采用交流伺服控制技术控制工件旋转轴，同时，由于本发明系统本身采用大规模硬件集成电路，并应用锁频锁相技术，使得在本发明系统控制下的磨齿机能达到同类型机床无法达到的磨削精度。平均精度比同类型产品高二至三级，与本发明系统配套的磨齿机床能实现磨齿、修齿一体化功能，具备自动对齿及砂轮动平衡实时监测功能，可实现高效、高精度磨削加工。具体有以下优点。

1、本发明新型高精磨齿数控系统显著特点是计算机化，驱动的模块化，控制与驱动接口的数字化。其硬件整体结构更加简单、紧凑、模块化；软件内容更加丰富，功能更强大。

2、本发明新型高精磨齿数控系统对磨齿机的控制效率明显优于国内同类型产品，而且该新型高精磨齿数控系统的配套控制的机床，磨齿机的产品加工精度比同类型产品高2-3级。（磨齿机精度一般分为1-12级，等级值越小，精度越高。使用标准通用型数控系统可达6级，而使用本发明新型高精磨齿数控系统可达4级以上）。

3、本发明新型高精磨齿数控系统对磨齿机而言具有针对性，专用性强，目前国内其他产品均采用标准通用系统，从对系统功能的利用率上看，其他同类产品的利用率很低，无形中造成了技术、资源上的浪费。本发明新型高精磨齿数控系统是针对磨齿机这一种机型专门设计研发的，资源利用率高，简单易用，性价比高，尤其适合国内用户。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的原理示意框图。

图2是本发明中的主控制数控单元和功率驱动单元的原理示意框图。

图3是本发明中的分体式机箱的结构示意图。

图4是本发明中的数字化位置控制板的结构示意图。

图5是本发明中的AC交流电源模块和DC直流开关电源模块的原理示意框图。

图6是本发明的实际应用时的原理示意图。

具体实施方式

参见图1至图6，本实施例提供的一种新型高精磨齿数控系统，其包括分体式机箱1、AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元和功率驱动单元，本实施例中，本发明新型高精磨齿数控系统还包括信号输入输出接口模块和数字化位置控制板2。

所述分体式机箱1包括多个并排设置的独立箱体，具体为独立箱体11、独立箱体12、独立箱体13、独立箱体14、独立箱体15和独立箱体16。

根据功能、强弱电及功耗不同，将所述功率驱动单元、AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元、信号输入输出接口模块和数字化位置控制板2按照从左至右的顺序依次设置在相对应的独立箱体内，并相互连接。即将功率驱动单元设置在独立箱体11内，将AC交流电源模块设置在独立箱体12内，将DC直流开关电源模块设置在独立箱体13内，将主控制数控单元设置在独立箱体14内，将信号输入输出接口模块设置在独立箱体15内，将数字化位置控制板2设置在独立箱体16内。各功能模块采用分体式模块化结构设计，工作稳定性好，并且易于控制操作和日常维护工作，有效提高工作效率。

新型高精磨齿数控系统对机床进行实时驱动，同时对机床的反馈进行实时监测，以此对控制量进行调整，从而实现系统与机床之间形成一套闭环随动控制系统。所述独立箱体的侧壁上水平设有多条通风槽。

参见图2，所述主控制数控单元和功率驱动单元包括相互连接的信号接收处理模块、任务处理模块、插补模块、电子齿轮比模块、位置控制模块和功率驱动放大模块。各模块所集成的硬件采用插拔式结构安置在主板上。

所述信号接收处理模块用于接收机床反馈信号及机床控制信号处理得到系统后级模块所需的电机编码器信号、直线编码器信号（一般为光栅尺）和开关输入信号。

所述任务处理模块具有自动方式、手动方式、手轮方式及编程方式的操作方式，该任务处理模块包括执行磨削加工单元、砂轮修整操作单元以及砂轮动平衡实时监控单元。根据磨齿系统的功能特点，可选择操作方式如自动方式、手动方式、手轮方式及编程方式等。同时，根据磨削功能要求可分别执行磨削加工、砂轮修整操作以及砂轮动平衡实时监控。对磨削多刀的分刀量、砂轮修整量、砂轮直径和砂轮轮廓等自动计算，滚齿加工的自动对齿等功能实现。同时，该任务处理模块负责对机床的安全进行实时监控任务，接到报警信号能及时报警停机，有效保护操作人员与机床的安全。

所述插补模块根据信号接收处理模块输出的直线编码器信号和开关输入信号，并通过误差检测、金刚笔修整轨迹以及磨削轨迹的插补信息（包括进给量及进给速度等）的计算处理，该插补模块计算处理得出误差调节量和插补输出脉冲，并输出位置脉冲信号，同时将误差调节量和插补输出脉冲数据存入共享数据库，以实时更新磨削插补的位置信息，实现对每刀磨削量的精准控制。与传统通用数控系统相比，不再需要复杂的人为编程补偿去实现，更好地避开了使用的复杂性和数据不同步问题出现。

所述电子齿轮比模块根据信号接收任务处理模块输出的电机编码器信号以及插补模块输出的位置脉冲信号通过倍频分频处理，输出砂轮进给信号、工件轴向进给信号及工件旋转信号。

所述位置控制模块根据接收到的砂轮进给信号、工件旋转信号和对插补输出脉冲进行处理输出的主控制量进行位置坐标补偿修整。同时，由于磨齿和修齿采用共享的磨齿数据和修整数据的模式，数字控制补偿更及时、更彻底。

所述功率驱动放大模块根据接收到的误差调节量和主控制量，通过对系统主控制量进行适当的增益放大，输出用以驱动机床的信号。

所述机床反馈信号包括砂轮X轴电机编码器信号、工件C轴电机编码器信号、Z轴编码器信号以及B轴编码器信号；特定情况下可将全闭环控制轴转换为半闭环控制轴，比如遇到位置检测反馈元件如光栅尺损坏，此时通过修改参数可将全闭环控制轴转换为半闭环控制轴，拆除光栅尺，使用电机编码器作为位置检测反馈元件，可临时使用该机床，大大缩短停机时间。

运行过程中，本发明新型高精磨齿数控系统实时检测砂轮动平衡信号、工件信号及其它机床信号，根据设计的算法使得以砂轮动平衡信号、工件信号为核心形成主脉冲与反馈脉冲；其他机床信号形成实时插补脉冲。主脉冲、反馈脉冲以及插补脉冲进入锁频锁相单元后，首先将插补脉冲同步加入主脉冲或者反馈脉冲，形成的两路脉冲之间进行相位与频率的比较，最终得到差值就是机床给定动作与实际动作的差值当量。将此当量进入功率驱动放大模块进行功率放大，就得到机床下一步动作的驱动量。

所述电机编码器信号包括砂轮进给脉冲信号、工件旋转信号及轴向进给脉冲信号，且八通道轴控信号具备互换性，当某一电机编码信号接口出现故障时，可屏蔽该轴，映射某一未用通道为该轴，改变接线端子即可使用。

参见图5，本发明新型高精磨齿数控系统中的电源处理单元包括AC交流电源模块和DC直流开关电源模块，仅需外部提供380V三相电源，经AC交流电源模块和DC直流开关电源模块处理后为本发明新型高精磨齿数控系统其它单元模块提供不同的工作电源，这些包括24V、12V、5V及公共端等基本电源需求。

参见图6，为本发明新型高精磨齿数控系统的实际控制原理示意图，图中砂轮电机旋转编码器、百万线码盘（工件电机编码器）、X轴直线编码器、Z轴直线编码器及自动对齿探针信号等均为机床反馈的实时监测装置，通过这些反馈装置，控制系统得到了机床的实时运行信息。

本发明新型高精磨齿数控系统将砂轮电机的实时设定、工件电机的实时反馈经过一定算法处理后得到给定脉冲与反馈脉冲的严格数学关系，将此两路脉冲经过锁频锁相处理后得到反馈与给定之间的频率差值经DA转换后进行主调节、相位差值经DA转换后进行微调。其他如Z轴、X轴等编码器反馈信号均是插补微调节量。机床控制信号由上位机发给主控制数控单元，主控制数控单元以此采取相应动作。当主控制数控单元监测到砂轮动平衡信号异常时，可以智能判断调用砂轮修整模块进行及时修整和补偿，以高效率、高精度完成磨削加工动作。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它结构的系统，均在本发明保护范围内。

Claims (3)

1.一种新型高精磨齿数控系统，其特征在于，其包括分体式机箱、AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元和功率驱动单元，所述分体式机箱包括多个并排设置的独立箱体，所述AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元和功率驱动单元对应设置在与其相对应的独立箱体内，并相互连接；

所述主控制数控单元和功率驱动单元包括相互连接的信号接收处理模块、任务处理模块、插补模块、电子齿轮比模块、位置控制模块和功率驱动放大模块；

所述信号接收处理模块用于接收机床反馈信号及机床控制信号处理得到系统后级模块所需的电机编码器信号、直线编码器信号和开关输入信号；

所述任务处理模块具有自动方式、手动方式、手轮方式及编程方式的操作方式，该任务处理模块包括执行磨削加工单元、砂轮修整操作单元以及砂轮动平衡实时监控单元；

所述插补模块根据信号接收处理模块输出的直线编码器信号和开关输入信号，并通过误差检测、金刚笔修整轨迹以及磨削轨迹的插补信息的计算处理，该插补模块计算处理得出误差调节量和插补输出脉冲，并输出位置脉冲信号，同时将误差调节量和插补输出脉冲数据存入共享数据库，以实时更新磨削插补的位置信息，实现对每刀磨削量的精准控制；

所述电子齿轮比模块根据信号接收任务处理模块输出的电机编码器信号以及插补模块输出的位置脉冲信号通过倍频分频处理，输出砂轮进给信号、工件轴向进给信号及工件旋转信号；

所述位置控制模块根据接收到的砂轮进给信号、工件旋转信号和对插补输出脉冲进行处理输出的主控制量进行位置坐标补偿修整；

所述功率驱动放大模块根据接收到的误差调节量和主控制量，通过对系统主控制量进行适当的增益放大，输出用以驱动机床的信号。

2.根据权利要求1所述的新型高精磨齿数控系统，其特征在于，所述机床反馈信号包括砂轮X轴电机编码器信号、工件C轴电机编码器信号、Z轴编码器信号以及B轴编码器信号；所述电机编码器信号包括砂轮进给脉冲信号、工件旋转信号及轴向进给脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的新型高精磨齿数控系统，其特征在于，其还包括信号输入输出接口模块和数字化位置控制板，所述功率驱动单元、AC交流电源模块、DC直流开关电源模块、主控制数控单元、信号输入输出接口模块和数字化位置控制板按照从左至右的顺序依次设置在相对应的独立箱体内，并相互连接。