1　前言
　　數控工具磨床，特別是多軸數控、多軸聯動的數控工具磨床是高效、高質量磨削制造精密、復雜形狀刀具的高、精、尖關鍵設備，也是各類數控機床中結構較復雜、自動化程度高、精度和可靠性要求高的機電一體化高技術產品，其研究開發具有相當的技術難度。采用數控工具磨床對刀具進行磨削加工必須依靠刀具磨削加工技術和編程技術，而各種復雜形狀刀具的磨削加工技術和編程軟件，目前在國外也屬于專利技術或保密技術。正因為如此，目前世界上也只有少數廠商能夠生產高性能的數控工具磨床。
　　為了提高我國的刀具制造工藝水平和質量，國內一些刀具生產廠家和應用廠家從國外引進了數控工具磨床，這些數控機床經過相當長時間的使用后，其主機性能基本完好，仍可使用，而其數控系統則已經遠遠落后于現代數控系統技術，屬于已淘汰產品。國內也有一些廠家研制開發了數控工具磨床，但由于采用的是主機自行制造、數控系統靠引進，這種數控工具磨床產品不但成本很高，而且由于通用的CNC系統沒有集成刀具磨削加工技術和編程軟件，難以實現刀具（特別是復雜刀具）的磨削加工。因此，對這些國產的數控工具磨床的數控系統也必須進行改造。
　　上述數控系統改造通常采用國外數控工具磨床生產廠家最新的專用數控系統。這種改造方案雖有技術成熟，風險小，可靠性有保證的優點，也有價格昂貴，工藝編程針對性差等多方面缺陷。華中2000型工具磨床專用數控系統，是在國家“八五”重點攻關項目“數控萬能工具磨床產品開發”科研成果的基礎上，成功開發的用于各種回轉刀具磨削加工的集成化CNC系統。采用該系統，則可以很好地解決以上問題，費用還低。
　　2　改造后數控系統的功能和結構
　　2.1　系統基本功能
　　采用華中2000型工具磨床數控系統對工具磨床進行改造后，該系統具有如下三種基本功能。
　　通用數控系統功能　系統保留了原通用數控系統的基本功能，如最多16軸數控9軸聯動的軸控制功能，程序校驗功能，MDI功能，直線、圓弧、螺旋線插補功能，M、S、T功能，故障診斷顯示功能，內嵌式PLC功能等。
　　自動數控編程功能　該系統的最大特點就是在標準通用數控系統的基礎上，集成了刀具磨削加工編程軟件，直接在CNC系統上以圖形菜單方式輸入被磨刀具的結構尺寸與加工工藝，即可自動編程和加工，實現了編程加工一體化。
　　刀具測量和自動對刀功能　在本系統將刀具測量功能集成在數控系統中。在刀具數控磨削加工中，自動對刀解決了手工對刀繁瑣、精度差的問題。
　　2.2　系統硬件結構
　　經過改造后的數控系統的硬件結構如圖1所示，主要由計算機數控單元、伺服驅動單元（包括電機）和測量單元三個部分組成。
　　數控單元包括工業PC機、位置控制模塊、輸入輸出模塊，是組成數控系統的最基本單元。其中工業PC機可根據需要配置CPU、內存、顯示卡、顯示器、硬盤或電子盤、軟驅等；位置控制模塊有多個位置檢測接口，采集光電編碼器的脈沖信號，作為機床各個坐標的位置反饋，并通過多路D/A輸出信號控制速度單元，既可與武漢華中數控公司生產的全數字交流伺服單元及電機配套，也可與德國西門子公司、德國AMK公司、日本三洋公司、松下公司的驅動單元配套。輸入輸出模塊是CNC系統內嵌PLC的硬件輸入輸出接口，輸入輸出電壓為24V，最大電流為100mA，用于操作面板的按鈕信號輸入、機床的開關檢測輸入等，基本輸入/輸出點數為48/48點，也可根據需要擴展為256/196點。
　　伺服單元及電機是系統可靠運行的最重要保證。交流伺服單元采用光電編碼器實現位置檢測反饋，2500個脈沖/r。系統最小分辨率為0.001mm/0.001°。
　　測量單元是系統實現刀具測量和自動對刀功能的必需硬件組成。包括信號處理模塊和測量元件。前者主要指A/D轉換和數據濾波，后者為刀具測量和對刀傳感器（測頭），可根據需要選擇接觸式或非接觸式測頭。
　　　　2.3　系統軟件結構
　　2.3.1　總體結構
　　華中Ⅰ型通用數控系統基于DOS開發，采用分層模塊化結構。系統軟件分為四層：第一層為操作系統 層，包括文件管理，進程管理，實時任務調度，參數數據庫的物理管理層。系統管理軟件是在DOS的基礎上擴充，增加了實時任務調度，CRT驅動程序，參數庫接口軟件。任務控制的入口是INT62，軟中斷，具有轉調度、創建、掛起、撤消、阻塞、喚醒、延遲和獲取任務狀態的控制原語。第二層為機床輸入輸出層，包括位置環控制軟件，MST代碼輸出，調掛管理及開關量輸入輸出。位置控制軟件通過內部通訊區接收控制及位置指令，并將位置控制指令傳遞給伺服單元。第三層為插補控制層，為ISO代碼插補，包括插補、刀補和程序編譯。第四層為用戶操作層。各層具體內容如圖2所示，這種層次模塊化結構便于改進和移植。刀具數控磨削自動編程軟件和刀具測量與自動對刀軟件就是集成在用戶操作層中。
　　2.3.2　刀具數控磨削自動編程軟件［2］
　　刀具數控磨削自動編程軟件的結構如圖3所示。軟件主要由以下幾部分組成：
　　（1）工藝數據庫　編程軟件收集了所要編程加工刀具的有關工藝數據，采用合適的數據結構進行組織和管理，形成工藝數據庫。這些工藝數據包括數控系統信息、機床結構信息、刀具幾何參數、砂輪外形參數、加工工序信息以及加工工藝參數。工藝數據庫是整個編程軟件的支撐。數控系統信息是描述所采用的數控系統的數控代碼格式的信息，是后置處理中格式轉換所必需的信息；機床結構信息用來描述數控工具磨床結構模型和結構參數，包括機床機構模型代碼、機床運動鏈各坐標系之間的初始位置關系和機床各運動軸方向［2］；刀具幾何參數指被加工刀具的結構參數和切削參數，以刀具結構要素為基本對象進行描述；砂輪外形參數是用來描述磨削用砂輪的形狀和尺寸的參數；加工工序信息用來描述所編程加工刀具的加工工藝，系統以刀具結構要素為基本單元將各種刀具的磨削加工工藝進行分類、組織和管理，形成加工工序庫；加工工藝參數主要指刀具各加工工序中的進給速度、主切削速度、進給量、加工余量、冷卻液開關等信息。
　　（2）參數化輸入模塊　參數化輸入模塊是編程軟件實現人機信息交互的接口。該模塊通過輸入加工信息，從工藝數據庫中調出相關的工藝參數，然后根據具體加工對象、加工條件和加工要求，對工藝信息進行必要的修改，生成供后續刀位計算與刀位驗證模塊和后置處理模塊使用的數據文件。具體有：數控系統設置，機床設置，刀具設置，工序設置，砂輪設置，工藝設置。
　　（3）編程程序庫和刀位計算與刀位驗證模塊　編程程序庫是編程軟件所有編程刀具的刀位計算程序、刀位驗證程序的程序包。刀位計算與刀位驗證模塊的功能就是從加工工藝文件中順序讀出刀具每個加工工序的加工要素信息、砂輪切削表面信息和工藝信息，根據這些信息從編程程序庫中調用相應的刀位計算程序和刀位驗證，生成刀位數據文件和CC點數據文件。刀位計算與刀位驗證是自動編程的關鍵，編程程序庫是整個編程軟件的核心。
　　（4）后置處理　后置處理就是將刀位計算后生成的刀位文件轉換成數控工具磨床能夠執行的數控代碼的過程。包括機床運動求解、非線性加工誤差校核與處理、進給速度的校核與修正和文件格式轉換等。
　　2.3.3　刀具測量與自動對刀軟件
　　該軟件包括刀具測量和自動對刀兩個相對獨立的軟件模塊，兩者基于共同的硬件結構。其中對刀軟件的功能就是確定編程坐標系和機床坐標系之間的相對位置關系，只要硬件可靠，軟件實現起來較為簡單。
　　對于刀具的重磨加工，由于有關刀具形狀和切削參數的理論數據并不已知，數控編程和加工的唯一依據是刀具實物模型。刀具測量系統的功能就是通過對刀具實物模型進行采樣，將刀具實物模型的幾何模擬量轉換成自動編程軟件能夠接收的幾何數字量，以實現刀具編程和加工。刀具測量軟件主要由測頭運動控制模塊、數據采集模塊和數據處理模塊組成，其中測頭運動控制模塊是整個軟件的關鍵，對于不同的刀具種類及加工要求、不同的測頭類型，具有不同的運動控制策略（限于篇幅，本文不再展開）。
　　3　數控系統改造實例
　　如圖4所示為國內某飛機制造廠從德國引進的WALTER公司生產的Helitronic 30 NC數控工具磨床，該磨床具有5個機床運動軸（X、Y、Z、A、B），可實現3軸（X、Z、A）數控兩軸（X、A）聯動，其余兩軸（Y、B）為手動軸。該工具磨床實際上為手動/自動兩用機床，手動操作方式下可完成內、外圓磨削簡單功能；自動加工方式下，系統固化有三個自動加工程序，分別為：①外圓磨程序；②直齒圓柱刀具分度磨削程序；③螺旋齒圓柱刀具（分度）磨削程序。
　　改造之前，該工具磨床主要存在以下缺陷和問題：①機床操作和控制完全通過面板上的按鈕進行，相當繁瑣、復雜；②不能實現三軸聯動；③只能按照固有的三個程序進行自動加工，不能另外編程加工；④數控系統老化，不能穩定運行。所以，必須對該磨床進行改造。
　　按照前述機床改造技術路線和技術方案，對該工具磨床進行了數控系統改造。主要改造內容包括：
　　（1）硬件改造　用華中2000型數控單元替換原來的控制系統硬件；用日本松下交流伺服單元和電機替換原來X、Z、A軸步進電機和驅動單元；增裝刀具測量和對刀裝置；保留原有機床的主軸單元和液壓系統。
　　（2）軟件改造　用華中2000型工具磨床專用數控系統替換原來的控制系統。
　　工具磨床經過數控系統改造后，功能和技術特點為：機床可實現三軸（X、Z、A）聯動；可進行各種銑刀的后刀面磨削加工；直接在CNC上以圖形菜單方式輸入被磨刀具的參數和加工工藝即可進行加工或修磨，實現了編程加工一體化；具有刀具幾何形狀測量功能，保證各種銑刀后刀面的重磨加工；可在線對砂輪參數、刀具參數、磨削工藝和磨削用量等進行方便的修改，可充分發揮操作者的豐富經驗，刀具試磨和修磨過程非常方便；機床運動由計算機控制，實現了真正意義上的程序控制，使操作簡單、可靠。
　　機床經過數控系統改造后，進行了系統運行考核和加工實驗，成功地實現了對圓柱/圓錐立銑刀、球頭銑刀等刀具的后刀面修磨。