基于西门子840D的轧辊磨床纳米数控系统研究与开发

轧辊磨床是一种具有特殊工艺要求的重要工业生产设备，主要用于磨削轧制机中的各种具有中凸度或中凹度（辊形曲线）的圆柱体轧辊，属于专用磨床系列。轧辊磨床具有以下几个运动轴：纵向的Z轴，横向的X轴，偏心套的U轴，测量装置的X1和X2轴，工件的转动，砂轮的转动。

由于轧辊的辊形曲线形状复杂及其精度控制高的特殊要求，我们研究开发新一代基于SINUMERIK 840D平台的纳米级数控系统，与轧辊传统加工工艺相结合，作为实现轧辊纳米级（10-6mm）的高速高精度的磨削加工控制，以通常的为单位输入数控指令，以纳米为单位进行精密的位置计算，输出控制各伺服轴运动的位置指令的“纳米级插补器”和执行该指令的高速高响应的伺服控制器。该控制器使用高速CPU和最新的伺服电动机及精密的位置测量与反馈元件，实现纳米级进给。最终实现轧辊磨床极为平滑和高速高精度进给磨削及实现高性能、高品质轧辊磨削。

本文主要介绍基于西门子最新的开放式SINUMERIK 840D为控制平台，以轧辊磨床MK8463为控制对象，以OEM开发包为工具，利用高级编程语言Visual Basic6.0 和ViSual C++6.0等，应用智能化技术和专家工艺系统开发实现的智能化纳米级数控系统的结构体系，功能模块划分和主要模块的实现方法。

一、SINUMERIK 840D的开放性

开放式CNC系统是对传统封闭式数控系统的根本突破，是当今数控技术发展的主流。在控制系统的开放性方面，不同开发商及研究机构采用的解决方案也不同。按开放的层次不同可分3 种途径，开放层次不同，实现的难度不等，获得的开放效果也相差很大，如图1所示。图中，虚线将控制系统划分为人机控制（Man-Machine Control,MMC）层和控制内核层两个层面，其中控制内核是CNC系统完成实时加工过程调度和控制的核心部分，一般和系统实时性相联系。3种方式就是基于对这种两个层面开放的不同处理来区分的。

SINUMERIK 840D是一个智能化的开放式数控平台，它是由数控及数字驱动单元（CCU或NCU）、人机界面（MMC）、PLC模块3部分组成，具有三大开放性，如图2所示。

二、数控系统的总体结构

开放式轧辊磨床纳米级数控系统，硬件采用德国西门子成熟的产品，软件进行自主开发，保证数控系统能够正常工作，完成轧辊磨床特殊的控制要求。数控系统工作原理如图3所示。

从图中看出，数控系统包括HMI（人机管理界面）中的上位机数控系统应用程序（Application）、数控通讯服务器（NCDDE server）以及数控核（SINUMERIK 840D NCK）、可编程序控制器（SIMATC S7-300 PLC）及相关通讯测量单元这五大部分。其中上位机数控系统应用程序是控制核心，借助于西门子840D OEM二次开放式的开发包工具、程序高级界面编程工具VB、动态库编程工具VC来开发并实现；NCDDE服务器借助于多点接口MPI完成840D与上位机数控应用程序通讯的功能，借助于高级编程语言的通讯控件和通讯语言来实现；SINUMERIK 840D NCK完成插补运算、处理解释数控代码，执行轧辊工艺数控程序。SIMATC S7 PLC部分是具体执行单元，我们以PLC 编程语言S7-300语言对其进行编程设计，以配合轧辊工艺的实现；相关通讯测量单元将涉及到精密化磨削与测量数据的采集，借助于纳米级精密光栅尺、PLC以及反馈装置来实现。

经过对轧辊磨床数控系统的硬件平台和轧辊工艺的需求分析，上位机数控系统应用程序部分包括了系统初始化、轧辊磨削参数设置、轧辊工艺程序智能决策、轧辊辊形曲线智能创成、轧辊磨削加工过程实现，轧辊测量单元选择、轧辊磨削轨迹及测量曲线再现，砂轮修整与自动补偿，基于知识的轧辊PDM 以及系统诊断及探伤10个模块。数控系统的总体结构框图如图4所示。

利用Microsoft Access2000设计一个数据库sjk_data.mdb用来存储和管理轧辊加工输入的机床参数、砂轮参数、工件参数、辊形曲线节点数据以及加工过程中的工艺参数等数据，为使用者提供一个友好的人机交互式参数编辑环境。

三、上位机数控应用程序各模块功能分析

上位机应用程序主要将数控系统的人机交互式操作界面显示在840D的MMC103计算机屏幕上，为数控系统用户提供一个方便的操作环境，这是轧辊磨床纳米数控系统开发中的重要部分。由于轧辊磨床数控系统界面要求具有良好的人机交互性，所以我们利用OEM开发包中的Menu design菜单设计器来生成各个界面。界面之间的调用通过软键（Softkey）来实现。

系统初始化：该模块主要完成上位机应用程序内嵌到西门子系统所需要构建的一些技术处理，利用OEM提供的Regie文件实现系统的初始化，系统的启动、加载系统和MMC的动态链接库，用正确的顺序启动程序，系统配置和区域转换保证上位机应用程序在OEM环境下顺利运行。

轧辊磨削参数设置：在加工之前，对轧辊磨削所需要的机床参数、砂轮参数、工件参数和辊形曲线参数进行设置。轧辊工艺程序决策：针对不同轧辊设计了7道轧辊磨削工艺，分别是加工准备、校准、砂轮趋进、粗磨、测量、精磨及抛光等，涉及轧辊加工时用到的工艺程序进行模糊推理决策，重组。

辊形曲线智能创成：提供给轧辊加工所需要的辊形曲线的智能化生成，包括功能曲线（如正弦曲线等）、表格曲线（如CVC曲线等）和插补曲线等。轧辊磨削精度与辊形曲线的精度直接相关。本文中的辊形曲线纳米精度是实现轧辊磨削精度的前提。轧辊磨削加工过程：实现了轧辊工艺程序的启动，驱动磨床完成指定的任务，并实时显示辊形的磨削实际曲线和理论曲线。

轧辊测量单元：完成轧辊的圆度、辊形误差、粗糙度等测量。磨削轨迹及测量曲线：是完成磨削轨迹的实时显示和经过测量机构测量后辊形实际曲线的显示，并作出误差分析。砂轮修正与自动补偿：完成砂轮磨损后的实时检测，并将声纳检测后的磨损值送入插补系统，实时改变微进给机构U轴的坐标值。

基于知识的轧辊PDM这部分是实现轧辊磨削程序及数据的存储、记录，提供轧辊信息数据库，为后续的研究分析提供知识的决策和管理，利用网络输出到轧辊研究中心进行分析。系统诊断及探伤：是对轧辊磨削的故障的检测分析，以及利用自动超声波探伤或涡流探伤仪完成对轧辊的纹理缺陷的探伤测量。

四、软件部分功能模块的具体实现

软件功能模块的实现用到系统的标准模块和窗体以及程序模块。利用动态链接数据库DLL 实现软键文本的显示，利用PRIVATE.BAS模块函数中的State_Cganged（）函数实现程序功能。

五、结语

经过特殊设计的轧辊磨床纳米级数控系统，在MK8463上的应用，保证了轧辊加工的辊形磨削精度，实现了轧辊磨削的智能化运行以及轧辊工艺的特殊化集成，并实现了轧辊产品数据信息化管理、自动探伤、实时在线测量及补偿等完善的功能，提升了国内数控轧辊磨床核心技术竞争力，具有自主知识版权。

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基于西门子840D的轧辊磨床纳米数控系统研究与开发

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