轧辊磨床是装备制造业生产中不可缺少的一种重要设备 ， 它主要用于磨 削各种具有 中凸度或 中凹度的轧辊 。轧辊的中凸度或中凹度是为 了在轧制过程中消除轧制件对于轧辊的作用力所产生的变形和热膨胀变形 ， 以保证在轧制过程中轧辊 间等间隙， 使轧制件沿宽度方 向等厚。轧辊磨床具有 外圆磨床的特点 ， 但 它有一个中高机构 ， 轧辊上 的轮廓 曲线是通过 轧辊磨 床的中高机构来实现 的。除 了能磨削平辊外 ， 还要求 能够磨削具有中凸度或 中凹度的轧辊。因此 ， 轧辊磨床 的运动相对 比较复杂 ， 除要求砂轮与工件作 回转运动外 ，还要求二者在作纵 向相对运动 的同时 ， 作一定 的径 向相对运动。因此这类磨床的机械结构和传动原理都 比较复杂 。
近年来 ， 由于冶金 、 造纸、 橡胶、 塑料 以及印染业的迅速发展 ， 对轧辊 磨削的技术要求也 日趋提高。为了适应用户需求和市场 的变化 ， 开发数控轧辊 磨床成为一种必要。另一方面， 随着计算机技术、 微电子技术和数控技术的发展 ， 基于 P C的开放式数控系统已经成为当前数控技术发展的一个重要方 向。结合轧辊磨床的特点和当前开放式数控系统 的发展趋势 ， 开发基于工业 P C机和 P MAC运动控制卡 的轧辊磨床数控系统， 成为开发数控轧辊磨床的关键。
数控系统硬件组成
根据轧辊磨床的特点和用户 的需求 ， 设计的轧辊磨床主要用于磨削圆柱形、 圆锥形辊面， 具有中凸或中凹度的正弦曲线辊面以及特殊曲线辊面。在磨 削过程中 ， 测量装 置可对工件进行 辊形测 量， 并 根据测量结果 ， 自动进入补偿磨削， 直至达到精度要求。综合前面的分析 ， 该轧辊磨床 的数控系统必须能够控制以下几个方向的运动 ： 砂轮纵向进给的 z轴往复运动 ， 砂轮径向进给的 轴运动 ， 中高机构 中偏心套的 F轴旋转运动， 测量装置的和轴运动 ， 工件和砂轮 的转 动。轧辊磨床上各轴运动方 向的具体定义如图 1所示 。
基于以上考虑和开放式数控 系统 的特点 ， 所设 计的轧辊磨 床数控 系统 由以下 几个部 分组成 ： P C机一台， P MAC运动控制卡及其附件一套 ， 交流伺服驱动器及伺服电动机五套 ， 直流调速器及直流调速电机两套 ，测量用长光栅和短光栅各一个 及两个测头 ， 编码器 两个。数控系统硬件组成如图 2所示 。
本数控系统采用美 国 De l t a T a u S y s t e ms公 司 的一 P C U l t r a l i t e多轴运动控制卡 。它具有多种功能， 可实现高精度的轮廓控制 ， 是本系统 的关键部件。P MAC的主要功能有 ： 直线和圆弧插补功能、 数控代码的处理、 刀径和丝杠补偿 、 三次样条轨迹 计算及“ s 一 曲线” 加 速和减速 ， 以保证加减 速时运 动平稳 等。
卡有两种方式 和主计算 机进行通信 ： 串 口 R S 和总线。本文所设计的系统是 P MAC卡插 到工控机的 I S A插槽 中， 采用总线方式进行工控机 和卡 之 间 的通 讯 。
在轧辊磨床数控系统 中， 执行元件 采用交流伺服驱动器及其交流伺服电机 ， 总共有 5套 ， z轴 、 轴、轴 、轴和 轴各一套。其 中 轴用 于砂 轮的径向给 ， F轴用 于系统 的中高机构来磨 削 中凸或 中凹轧辊 以及特殊 曲线轮廓 的轧辊 ， z轴用 于砂轮的轴 向往复运动 ， .和 ：轴电机用于带动光栅头对加工的轧辊进行直径、 辊形、 圆度 、同轴度等的测量 。
直流调速装置和直流电机带动砂轮和工件进行旋转和调速以完成轧辊 的磨削加 工。 轴、 z轴和 F轴末端的编码器用来构成半闭环伺服系统 以提高数控系统的加工精度。P C机完成数 控系统 的文件管理、 曲线节点计算 、 磨削工序编程和参数设置等非实时控制任务 。
数控 系统 软件结构
基于 P C的开放式数控系统具有很大的灵活性 ， 可以充分利用 P C机丰富 的软硬件资源和强大 的技术优势。本系统是基于 P C机 和 P MAC运动控制卡 的开放式数控系统 ， P C机完 成非实时控制的系统管理、 参数设置用户界面、 图形 显示、 在线故 障诊 断等功能 ， 而实时控制部分则由基于高性能 D S P芯片的 P MAC运动控制卡来完成。
轴 伺 服电 机轴 伺 服电 机轴 伺 服电 机轴 伺 服电 机轴 伺 服电 机系统软件包括 四个部分 ： 数控系统上位机应用程序、 上下位机之间通讯驱动程 序、 运动程序和 P MAC卡中对各种输入输 出量进行监控 的 P L C程序 。其 中，机通过 P MAC卡 自带 的动态链接库 P ma c . d l l建立和卡之间的通信。上位机应用程序采用 D e l p h i 7 .
语言进行开发。运动程序和 P L C程序 由P MAC自带 的软件来编写和调试 ， 然后通过动态连接库 中的函数下载到 P MAC卡 中去执行 。上位机应用程序主要是将数控系统 的操作界面显示在屏幕上 ， 为数控 轧辊磨床的操作者提供一个直观的操作环境。通过对轧辊磨床数控系统 的硬件结构和用户需求 的分析 ， 上位机应用程序 的模块结构如 图所示 。
各模块的功能如下 ：
系统初始化 ： 系统上电、 相应顺序电器动作 以及建立主机和 P MAC卡的正常通讯。
加工参数设置 ： 曲线编程（ 参数化特定 曲线）， 系统基本参数设定 ， 磨削工序编程、 系统其它参数设定。
加工过程 ： 选择磨削曲线和磨削工艺 ， 加工参数实时显示 ， 手 动磨削时各轴 的监控 ， 磨削过程 中工艺优化。
测量选择 ： 对工件进行直径 、 辊形、 圆度和 同轴度的测量 。
测量曲线再现： 磨削的理论 曲线显示 、 测量曲线 的显示、 误差曲线显示、 测量及误差分析 、 打印。
砂轮补偿与修整 ： 砂轮补偿相关参数设定 、 砂轮修整控制、 砂轮修正曲线的设置和计算。
诊断 ： 对 P L C各 I ／ O及内部继电器进行诊断 ，以便维修和调试。
系统帮助 ： 系统操作过程说明。
在上位机应用程序的设计 中， 考虑到用户的操作方便以及数控软件的特点 ， 所设 计的菜单采用快捷键方式 ， 由 F l一 功能键组成 ， 各层菜单和按钮都有相应的中文提示。当操作者按下某个快捷键时 ， 就进入到相应的子菜单 界面。数控软 件 的主界 面如 图 4所不 。
数控软件部分功能 的实现.
1 系统初始化数控软件 与一般 的应用软件不样 ， 它是一个实时多任务控制系统， 安全性 、 实时性要求都很高。为 了使系统满足实时加工的需要 以及对轧辊磨床控制 的需要 ， 在运行数控软件时 ， 首先必须对系统进行初始化。
系统初 始化 的第一 步就是建立 P C机和 P MA C之间的正常通讯 ， 这是利用 De l p h i 调用 动态链 接库 中的函数完 成 的； 当退 出系统时 ， 必 须 利 用 函数 C l o s e P ma c d e v i c e（ d wD e v i c e）关 闭卡 。
本文将系统的基本参数放在一个 B a s i c . C NC文件中， 这些参数包括： 设置有关接 口的工作状态； 有关寄存器或存储器设置常数或清零 ； 机床各轴 回到相应 的位置 ； 程 序中所用 到的 M 变量的定 义； 电机参数的设置 ； P MAC卡的 I 变量设置等。
当 P C机和 P MAC之间通讯成功后 ， 利用动态链接库 P ma c . d l l中的文件 下载 函数 P ma c D o w n l o a d F i l e将. C NC文件下载 到 P MAC卡 中， 以完 成系统 的初始化工作。
2 特殊曲线编程此模块主要完成特殊曲线节点坐标的输入、 存储、修改、 打印 、 编辑等功能， 为后面的理论 曲线显示、 轮廓加工做好准备 。首先 ， 利用 Mi c r o s o f t A c c e s s 2 0 0 0设计了一个数据库 s k — d a t a . md b， 利用 De l p h i 强大 的数据库功能 ， 将输入的节点数据存储到预先设计 的数据库表格 中， 为使用者提供 了一个方便快捷 的参数编辑环境 。本系统可编程 1—5条特殊 曲线 ， 在曲线 编程 界面， 首先输入特殊 曲线的编号 ， 然后输入所编辑曲线的长度 ，以后屏幕显示出现 5 0 0个等距分割点 ， 然后逐个输入个点的 目标值 ， 按 “ 保存” 就完成 了一条特殊 曲线的编程。特殊曲线的编程界面如图 5所示。在这个界面上 ， 可以对正在编辑 的特殊 曲线节点进行修改， 对已经存储的曲线可以编辑 、 打印等。
结论
本文以轧辊磨床为控制对象 ， 构建了一种以 P C机为基础 、 以 P MA C卡为核心 的开放式数控系统 ， 并对其硬件结构和软件体系进行 了研究 。在充分理解轧辊磨床工艺特点的基础上 ， 结合数 控轧辊磨 床的特点和用户需求 ， 以模块化结构和面向对象 的程序设计思想 ， 利用高级编程语言 De l p h i 7 . 0设计 和开发 了轧辊磨 床专用数控软件 ， 并实现了部分模块 的功能。实践表明， 这种开放式系统可 以缩短开发周期 ， 保证 系统加 工精度高度的稳定性。数控软件设计时的模块化结构使系统的通用性和可移植性大大增 强， 也有利于 日后 系统 的功能扩展。
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