1 引言
　　　DAU-150型仿形銑床，是日本牧野(MAKINO)公司70年代初生產(chǎn)的仿形加工設(shè)備。其仿形控制系統(tǒng)電路，是由分立電子元件組成的。由于年代久遠(yuǎn)，分立電子元件均已嚴(yán)重老化，故障頻繁，且各種機(jī)械與電子元件根本無處購買，造成維修困難，已無法正常使用。我們應(yīng)常柴股份有限公司要求，使用具有自主版權(quán)的華中Ⅰ型高性能數(shù)控系統(tǒng)，對該仿形銑床進(jìn)行數(shù)控改造，使該機(jī)床既具有普通數(shù)控機(jī)床的功能，又具有仿形機(jī)床的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。
2 數(shù)控仿形加工的基本原理與系統(tǒng)構(gòu)成
　　　數(shù)控仿形測量和加工的基本原理如圖1所示。數(shù)控仿形測量和加工的過程可以表述如下：數(shù)控仿形測量和加工，首先利用三維接觸式或非接觸式模擬測頭檢測實(shí)物模型的表面信息(主要指測頭變形偏移量和它在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值)，然后由A／D轉(zhuǎn)換電路把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(有些數(shù)字化測頭直接輸出數(shù)字量)。仿形控制系統(tǒng)根據(jù)所測得的信息，按照仿形控制策略分配各個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度，并且把所分配的速度送給數(shù)控平臺，由數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動各軸電機(jī)，完成仿形測量和加工的全部動作。因此數(shù)控仿形加工的控制過程可以概括為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、決策和控制四個(gè)階段。

圖1 數(shù)控仿形加工的基本原理
　　　由于實(shí)物模型是各種各樣的，我們需要根據(jù)不同的模型表面狀況，采用不同加工方式和行刀路線。實(shí)踐表明，如果數(shù)控仿形加工系統(tǒng)具備以下三種仿形加工方式，基本上就能夠加工現(xiàn)代工業(yè)所需要的絕大多數(shù)型面。這三種方式是：一維行切仿形方式、二維層切仿形方式和三維清根仿形方式。在實(shí)際應(yīng)用中，這三種仿形方式之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)切換。
　　　數(shù)控仿形加工系統(tǒng)是基于數(shù)控系統(tǒng)之上的設(shè)備集成，是數(shù)控測量與加工在軟件、硬件上的集成化與一體化。數(shù)控仿形加工系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)、仿形測量系統(tǒng)和仿形控制軟件系統(tǒng)三部分組成。
　　　數(shù)控系統(tǒng) 這是整個(gè)系統(tǒng)的底層平臺，仿形控制系統(tǒng)和仿形測量系統(tǒng)的所有動作，最終都必須通過數(shù)控系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)底層軟件是DOS內(nèi)存駐留程序，開機(jī)后通過運(yùn)行批處理文件駐入內(nèi)存。
　　　仿形測量系統(tǒng) 測量是仿形的基礎(chǔ)，因?yàn)榉滦慰刂圃硎菣z測頭在X、Y和Z方向上的偏移量，分配X軸、Y軸和Z軸的進(jìn)給速度。而且通過測量測點(diǎn)的坐標(biāo)值，為后續(xù)的曲面建模或直接編制數(shù)控加工代碼提供原始數(shù)據(jù)。仿形測量系統(tǒng)包括數(shù)字化測頭、測頭接口電路以及相應(yīng)的采樣程序。
　　　仿形控制軟件系統(tǒng) 測頭在測量區(qū)域中按生成的路徑運(yùn)動時(shí)，需要解決測頭對曲面的跟隨性問題。也就是說，需要對測頭的運(yùn)動設(shè)計(jì)控制算法，使得測頭在仿形運(yùn)動過程中動態(tài)跟隨曲面形狀的變化，保證測頭始終與型面接觸，避免測頭因變形過大而造成測頭超程或變形過小而脫離型面。這是仿形控制軟件系統(tǒng)的核心部分。
3 數(shù)控化改造方案與實(shí)施步驟
數(shù)控化改造方案
　　　圖2是DAU-105型仿形銑床的數(shù)控改造方案示意圖。該方案采用工業(yè)計(jì)算機(jī)控制機(jī)床運(yùn)動。計(jì)算機(jī)內(nèi)插有伺服驅(qū)動控制板、I/O板、測頭位移采樣板，機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)由X、Y、Z軸三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動。I/O板用于檢測與控制限位開關(guān)狀態(tài)、操作面板旋鈕狀態(tài)、指示燈狀態(tài)。當(dāng)仿形加工時(shí)，測頭位移采樣板采集測頭的變形量，用于控制仿形運(yùn)動。顯示器可實(shí)時(shí)顯示測頭或刀具的運(yùn)動軌跡。采用華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)，將數(shù)控底層軟件駐留內(nèi)存。如果應(yīng)用程序?yàn)槠胀〝?shù)控解釋程序，則該機(jī)床為普通數(shù)控銑床；如果應(yīng)用程序?yàn)榉滦慰刂瞥绦?，則該機(jī)床為數(shù)控仿形銑床。

圖2 HNC-1P型數(shù)控仿形加工系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)施步驟
　　　對于仿形銑床的改造，用戶不僅要求保留原有的仿形加工功能，而且要求增加普通數(shù)控加工功能。針對用戶要求和銑床的特點(diǎn)，數(shù)控改造分兩個(gè)步驟進(jìn)行。兩個(gè)階段的改造任務(wù)完成后，該機(jī)床不僅具有通用數(shù)控銑床的功能，而且具有仿形銑床的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多作。
　　　第一階段進(jìn)行機(jī)床的數(shù)控化改造，使該機(jī)床成為一臺數(shù)控銑床，具有數(shù)控加工能力。在原機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)，取代原機(jī)床的電液控制系統(tǒng)。華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)基于PC總線工控機(jī)，提供數(shù)控測量所需的各種底層驅(qū)動和接口程序，三軸的理論分辨率為1μm，可以達(dá)到測量所要求的中等精度；使用西門子6140A交流伺服驅(qū)動單元和交流伺服電機(jī)，取代原X、Y、Z三軸的液壓脈沖馬達(dá)，并取消了龐大的伺服液壓站；主軸電機(jī)采用變頻調(diào)速方案，選用日本富士G9S變頻調(diào)速器控制主軸的轉(zhuǎn)速，取代原電磁離合器調(diào)速箱，實(shí)現(xiàn)主軸的無級調(diào)速。在圖2所示的結(jié)構(gòu)簡圖中，控制板由位置環(huán)板(4403)、光電隔離輸入板(HC4103)、光電隔離輸出板(HC4203)、鍵盤板(HX5501)等華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)的通用控制板組成。
　　　第二階段，進(jìn)行仿形控制系統(tǒng)軟件的安裝及三維仿形測頭的更換。原仿形測頭由于超期使用，其精度及靈敏度都大大降低，已不能正常工作。而仿形測頭是仿形機(jī)床的關(guān)鍵部件，它的性能對仿形加工質(zhì)量有著重要的影響。我們換上了英國雷尼紹(RENISHAW)公司的SP2型仿形測頭。為了實(shí)現(xiàn)仿形測頭的數(shù)據(jù)采集，開發(fā)了仿形測頭接口板。該接口板將仿形測頭的變形量，由模擬信號變換為數(shù)字信號，提供給計(jì)算機(jī)讀取。在系統(tǒng)軟件方面，我們在華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)平臺上，開發(fā)了仿形控制處理軟件，實(shí)現(xiàn)了仿形測量與加工中測頭對型面的跟隨控制。

4 結(jié)論
　　　由于華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)具有良好的開放性，非常便于開發(fā)與升級。經(jīng)改造后的數(shù)控仿形銑床，可實(shí)現(xiàn)三種加工方式：數(shù)控加工、邊仿形邊加工和邊仿形邊記錄數(shù)據(jù)。該機(jī)床還具有比例縮放功能、陰陽模轉(zhuǎn)換功能、加工斷點(diǎn)保護(hù)及恢復(fù)功能、螺距間隙及補(bǔ)償功能等。改造后的仿形銑床界面清晰、仿形精度和速度明顯提高。如能換上進(jìn)口刀具，效果將更加突出。仿形銑床的改造成功為常柴贏得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。一年來，該機(jī)床已完成了十幾套模具的加工。目前，該機(jī)床滿負(fù)荷開動，為企業(yè)上等級、上品種、加快新產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)造了條件。

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