【摘要】 本文分析了在通用數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在線測量與控制功能所存在的問題，通過引入“條件短路”功能指令等，使數(shù)控系統(tǒng)的多種在線測控問題經(jīng)零件編程即可解決。文中以外圓磨削在線測控零件尺寸為例，具體討論了這種機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理。 關(guān)鍵詞：在線測量與控制 數(shù)控系統(tǒng) 零件尺寸 [b][align=center]Research On Realization On—line M easm-cment and Control Function in GeneralNC System[/align][/b] [align=center]Cheng Lianghong Gao Ansheng Qian Xinen （Hubei Automotive Industry Institute 442002）[/align] Abstract：The problem that realize on line measurement and control function in general NC system is analyzed，By establishing“Condition short circuit”function instruction，etc．the problems in various on—line measurement an d control Can be soh,ed only by program ming part program ．Take the external cylindrical grinding part size of on— line mea surement and control as exampb．The realization principle of this function is explained in det～l in this paper． keywords：NC system；on—linemeasurementan d control；Part size 1 引 言 對于零件加工精度要求高、相對刀具磨損率又比較大的精密機(jī)床，如精密磨床，采用在線零件尺寸測量與控制以獲得高加工精度的方法，已有較長的歷史。傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法是構(gòu)造圖1所示的在線量儀零件尺寸自動(dòng)控制系統(tǒng)，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和非數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，要針對加工黧對象 研制專門的硬、軟件控制模塊警，構(gòu)成的系統(tǒng)復(fù)雜并缺乏通用性。 本文就在線測量與控制功能在通用數(shù)控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)問題進(jìn)行研究，分析了實(shí)現(xiàn)中存在的問題并提出解決方法。給出 圖 在線直接自動(dòng)尺寸控制系統(tǒng)一種具有在線測量與控制功能的通用數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)法，所構(gòu)成的系統(tǒng)具有高的開放程度和柔性化特點(diǎn)。 2 問題描述 為敘述問題方便，下面說明本文將用到的兩個(gè)提法： 提法1：數(shù)控系統(tǒng)零件加工程序編程后軌跡不可變。 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)零件加工過程是通過順序執(zhí)行零件程序指令實(shí)現(xiàn)的。機(jī)床刀具軌跡及進(jìn)給速度等均在編程時(shí)設(shè)定，程序運(yùn)行時(shí)不能實(shí)時(shí)改變。這里稱數(shù)控系統(tǒng)此項(xiàng)特性為“編程后軌跡不可變”。 提法2 條件短路。 本文擬引入的一種新的數(shù)控功能指令。數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)插補(bǔ)模塊每采樣周期進(jìn)行一次伺服控制，并對當(dāng)前程序段進(jìn)行一次插補(bǔ)運(yùn)算，但首先測試該段是否含有條件短路指令，若有則測試該指令指定的條件是否滿足，滿足則繼續(xù)當(dāng)前段插補(bǔ)，否則中止（短路）當(dāng)前段并開始后面新程序段。 下面通過例證兩個(gè)論點(diǎn)，說明在通用數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在線測量與控制功能所存在的問題及解決問題的可行方法： 論點(diǎn)1 數(shù)控零件加工程序編程后軌跡不可變，是阻礙在線測控機(jī)制實(shí)現(xiàn)的問題所在。 證明：以磨削外圓為例，設(shè)具有實(shí)時(shí)測量與控制的磨削系統(tǒng)如圖2所示。砂輪（刀具）半徑為r，工件軸心裝卡于工件坐標(biāo)系原點(diǎn)0，要求加工終了的工件尺寸（直徑）為d。工作臺載著砂輪從起始位置b點(diǎn)出發(fā)，沿x負(fù)向 陜進(jìn)、精磨、光磨三種速度向工件進(jìn)給。當(dāng)測量儀量得工件尺寸達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)置的第一個(gè)閾值，即精磨尺寸到、工件直徑=d 時(shí)，控制進(jìn)給速度由精磨工進(jìn)切換成光磨工進(jìn)；當(dāng)量得工件尺寸達(dá)到第二個(gè)閾值，即光磨尺寸到、工件直徑=d時(shí)，控制砂輪快退至b點(diǎn)。 由于砂輪磨損率高，加工過程中的r值為變量，使得機(jī)床進(jìn)給軌跡段的切換點(diǎn)尺寸不能事先確定，要通過在線測量實(shí)時(shí)控制。就是說，欲引人在線測控機(jī)制，機(jī)床刀具軌跡尺寸能實(shí)時(shí)改變是必要條件。論點(diǎn)1得證。 論點(diǎn)2 在數(shù)控系統(tǒng)中引人條件短路指令，能使編程后軌跡實(shí)時(shí)可變。 證明由提法2知，條件短路指令通過檢測指定的條件滿足與否，能實(shí)時(shí)決定兩程序段切換點(diǎn)位置，使編程后軌跡可變。論點(diǎn)2得證。 論點(diǎn)2為在通用數(shù)控系統(tǒng)中引入在線測控機(jī)制提供了一種解決方案。下面的例子說明這一點(diǎn)。 設(shè)數(shù)控系統(tǒng)具有條件短路指令，并且控制圖2所示的磨削加工，則基于在線測控的自動(dòng)加工過程可按以下操作內(nèi)容編程實(shí)現(xiàn)： （1）控制刀具（砂輪）中心從b點(diǎn)快進(jìn)至點(diǎn)； （2）指令刀具中心點(diǎn)精磨工進(jìn)制點(diǎn)，該段含條件短路指令，以“精磨尺寸到”信號作短路條件； （3）指令刀具中心從當(dāng)前點(diǎn)光磨工進(jìn)至坐標(biāo)原點(diǎn)，該段含條件短路指令，以“光磨尺寸到”信號作短路條件； （4）指令刀具中心從當(dāng)前點(diǎn)快退至b點(diǎn)； （5）程序結(jié)束。 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 3．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 具有在線測控機(jī)制的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)數(shù)控的完全相同。工件測量儀作為數(shù)控系統(tǒng)的外部設(shè)備，經(jīng)I/0接VI電路與數(shù)控系統(tǒng)相連接，測量儀的測量閾值電平作為輸入開關(guān)量，供數(shù)控系統(tǒng)測試并作控制條件用。 3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)主要在傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上增加對條件短路指令的支持。 設(shè)條件短路指令具有格式： 其中，M95為條件短路指令字，Ek代表第k號條件，可以是系統(tǒng)任意I/0信息的狀態(tài)。由于條件滿足與否具有實(shí)時(shí)性，故條件短路指令的算法主要在實(shí)時(shí)插補(bǔ)階段實(shí)現(xiàn)。下面介紹算法。 通常數(shù)控系統(tǒng)對零件加工程序的數(shù)據(jù)處理近似按流水方式進(jìn)行，大致分為譯碼、刀樸、插補(bǔ)三個(gè)數(shù)據(jù)處理階段。其中插補(bǔ)模塊處理如圖3所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊(duì)列，該隊(duì)列是譯碼和刀補(bǔ)模塊對零件加工程序逐段處理時(shí)動(dòng)態(tài)建立的。 不失一般性，這里用矢量表示程序段軌跡的坐標(biāo)位移量，而不論軌跡段的線型如何。設(shè)第號程序段軌跡的坐標(biāo)位移量為X、Y、Z 記為S，這里： 同理，記：S為第i號程序段當(dāng)前時(shí)刻已完成的坐標(biāo)位移量；S為第i號程序段當(dāng)前未完成的坐標(biāo)位移量； 為矢量累加器，用來存放因條件短路指令造成的程序段剩余坐標(biāo)位移量的累加和。累加器在開始一個(gè)新的零件加工程序時(shí)具有零初值。 設(shè)當(dāng)前插補(bǔ)第i號程序段，其中的條件短路算法通過執(zhí)行下面過程實(shí)現(xiàn)： （1）若當(dāng)前程序段無M95或Ek未滿足，轉(zhuǎn)③ ； （2）若當(dāng)前程序段有M95且測試Ek滿足，則按式（2）計(jì)算并按式（3）累加剩余坐標(biāo)位移量，然后移動(dòng)插補(bǔ)數(shù)據(jù)區(qū)指針到下一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（新程序段）； （3）若當(dāng)前程序段是G90編程并且是新程序段，則按式（4）修改該段的原設(shè)定坐標(biāo)位移量，然后清零S累加器。否則轉(zhuǎn)④； （4）執(zhí)行常規(guī)的伺服控制和插補(bǔ)運(yùn)算； （5）結(jié)束返回（中斷返回）。 在上述算法中，將被短路程序段的剩余坐標(biāo)位移量疊加到后面第一個(gè)出現(xiàn)的用G90編程的軌跡段，能確保后面相對位移量段（G91編程段）不受前面短路指令的影響，仍能從當(dāng)前位置相對移動(dòng)程編的坐標(biāo)位移量，而絕對位移段（G90編程段）則園前面的“短路”而影響了整個(gè)計(jì)劃位移量，使該段不能達(dá)到指定位置，而經(jīng)式（4）疊加修正后正好能消除影響。 在應(yīng)用條件短路指令編寫零件加工程序時(shí)，必須根據(jù)需要正確指定各程序段的G90或 G9l 另外應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：① 在含有條件短路指令程序段的后面和加工程序結(jié)束之前，至少應(yīng)安排一條G90編程的直線軌跡段。否則，受“短路掉軌跡”這一隨機(jī)因素影響，停刀點(diǎn)會是一個(gè)隨機(jī)點(diǎn)；② 強(qiáng)調(diào)后面G90軌跡段是直線，是因?yàn)槠渌€型的終點(diǎn)坐標(biāo)不便隨機(jī)修改。 3．3 編程簡例 問題：用在線測控的通用數(shù)控系統(tǒng)完成圖2所示的外圓磨削加工，試編寫零件加工程序。 解：把砂輪看作機(jī)床刀具（1號刀），其半徑值r．置人機(jī)床參數(shù)表。設(shè)x方向位移量以直徑值表示，起刀點(diǎn)為b（機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)），則對應(yīng)的零件加工程序?yàn)椋? 上述程序代碼以ISO1056—1975E為基準(zhǔn)，其中，fl、f2分別代表光磨和精磨進(jìn)給速度；E1、E2分別代表“光磨尺寸到”和“精磨尺寸到”條件。 4 結(jié) 語 （1）通用數(shù)控系統(tǒng)的編程后軌跡不可變，是阻礙在線計(jì)量與控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)的閫韙所在。 （2）在數(shù)控系統(tǒng)中引入條件短路指令，能使編程后軌跡實(shí)時(shí)可變。 （3）條件短路指令為在通用數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在線測控機(jī)制提供了一種解決方案。 （4）本文的方法使在線測量與控制功能可編程，使CNC系統(tǒng)的通用化程度與開放性進(jìn)一步提高。用戶可根據(jù)需要決定是否選擇這些功能，若選擇，機(jī)床的在線測量與控制細(xì)節(jié)則可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，通過編制零件程序靈活實(shí)現(xiàn)。對CNC的其他功能無影響。 采用本文方法，我們在通用數(shù)控系統(tǒng)中引入在線測量與控制機(jī)制，以高性能價(jià)格比成功實(shí)現(xiàn)了對H175曲軸磨床的數(shù)控改造” 。在線測量裝置由可控測量架和意大利Marposs測量儀傳感頭組成，測量精度1 m，設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給分辨率為1 m，速度范圍0．05ram／rain一10m／rain，驗(yàn)收零件軸徑的加工指標(biāo)達(dá)到：軸徑表面粗糙度為Ra0．4、軸徑端面和圓弧粗糙度為Ra0．8；軸徑寬度為38±0．1 ram；尺寸分散度≤0．016mm 該磨床已投入使用一年多，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，受到用戶好評。 參考文獻(xiàn) [1]陳典正譯，磨削加工中在線檢測技術(shù)的新進(jìn)展，磨床與磨削，1993，3： [2]高安生，程良鴻，錢新思，一種新型的數(shù)控機(jī)床計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化，1994，3 [3]錢新思，高安生，程良鴻，新型曲軸磨床數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用，制造技術(shù)與機(jī)床，1997．11。 作者簡介 程良鴻，男，教授 1957年生，湖北老河口市人。1988年在華中理工大學(xué)獲工學(xué)碩士學(xué)位。目前主要從事計(jì)算機(jī)控制與應(yīng)用、機(jī)電裝備自動(dòng)化方面的理論與工程技術(shù)研究。相關(guān)科研項(xiàng)目：“曲軸磨床新型數(shù)控系統(tǒng)的研制與應(yīng)用”，1999年獲中國汽車工業(yè)科技進(jìn)步四等獎(jiǎng)。