摘要: 选取西门子840D sl 数控系统为开发平台，以凸轮轴磨削软件为研究对象，采用西门子公司提供的SINUMEＲIK Operate 编程包提供的Qt Designer 设计界面，Visual Studio 2008 环境下的C++ 语言编写底层代码，实现凸轮轴磨削软件界面开发，采用C++ 接口技术将凸轮轴磨削HMI 嵌入西门子840D sl 数控系统，最终实现了凸轮轴磨削软件的应用。

     0 引言

    目前，西门子数控系统在我国机床行业中的应用日益广泛工基础，但都是仅仅局限于简单的使用西门子的标准数控系统和较浅层次的应用，无法满足高档设备的特殊需求，例如对于凸轮轴、曲轴等非圆零件的磨削就需要开发专用的数控软件 ］。凸轮轴磨削软件根据凸轮轴加工的特点和用户需求，按照模块化的软件设计思想进行开发，方便用户操作，提高加工效率。基于840D 的车床和铣床的通用数控应用软件如: ShopTurn、ShopMill，它是由GILDEMEISTEＲ 集团的应用技术人员与西门子公司的软件开发人员紧密结合开发出来的，它综合了世界上最好的车削、铣削技术以及控制和编程技术 。而在磨削加工领域，数控系统应用软件开发起步较晚。国外研究成果具有代表性的如德国肖特( SCHAUDT) 主要为汽车企业提供曲轴、凸轮轴、齿轮轴专用数控磨床，在非圆轴类零件的磨削加工领域处于世界先进水平 。其开发的CF45 CBN 凸轮磨床，成功将专用凸轮轴磨削软件集成到西门子880 数控系统 ］。国内生产的凸轮轴数控磨床基本上采用国外专用的数控系统，配置相应的伺服驱动装置，再结合凸轮轴磨削工艺开发应用软件，其控制精度及可靠性上与国外还是存在一定差距。湖南大学基于西门子840D 数控系统及二汽东风康明斯凸轮轴磨床对数控机床的技术要求进行二次开发，应用HMI OEM软件完成了磨削系统人机界面开发，通过对磨削仿真算法的研究，设计出磨削系统几何仿真，验证NC 程序的正确性 。其开发方法和技术手段对840D sl 凸轮轴磨削软件开发具有一定的借鉴意义。沈阳机床( 集团) 有限责任公司将840D sl 应用于自主设计制造的精密卧式加工中心，拟在加工精度、运行可靠性等方面的性能指标赶超国外同类产品 。这一成功应用为840D sl 数控系统在凸轮轴磨床的应用提供了可行性。

     西门子840D sl 提供两种结构供用户选择，一种是PCU + NCU，一种是TCU + NCU，前者是基Windows 系统进行开发，后者基于Linux 系统进行开发。其开发的源代码在两平台上是可以共用的，只是在编译时需要不同的编译器。本文选择基于PCU 编程框架开发，Windows 编译器执行对源代码编译执行，最终把生成的文件嵌入PCU 中，从而实现整个开发过程。使用这种开发方法软件编译得到独立于平台的源代码，具有嵌入性好、可跨平台使用的优点。

      1 、西门子840D sl 数控系统应用软件体系结构

     SINUMEＲIK 840D sl 主要由三部分构成: NCU 模块，MCP 机床控制面板，PLC 输入/输出接口模块，具有DＲIVE-CliQ 接口的SINAMICS S120 驱动，以上各单元都是由以太网连接通讯，在功能上既相互分工，又互为支持。西门子公司提供的SINUMEＲIK Operate 编程包是专门为机床制造商或第三方开发者提供的进行二次开发的软件，采用标准编程语言和接口进行数据传输，由840D sl 数控系统实现控制。将编程包安装于MMC 上，在WINDOWS 操作系统下，使用VC++ 编程语言，利用SINUMEＲIK Operate 编程包提供的C++ 接口与协议，可以实现与数控系统通讯，即可访问NC、PLC、MMC 变量及文件。因此必须通过SINUMEＲIKOperate 编程包将开发的软件嵌入到840D sl 数控系统，才能实现软件的特殊功能。

     应用软件嵌入数控系统后，要保证数控系统能够正常工作，开发的应用软件必须实现4 个部分内容: 如基于MMC 上位应用程序、上下位机之间的通讯驱动程序、运动程序以及PLC 程序互相协调工作。整个控制系统体系结构如图1 所示。

                        图1 基于840D sl 控制系统体系结构

     2 、凸轮轴磨削应用软件开发

    2． 1 凸轮轴磨削应用软件人机界面开发

    友好的、模块化的人机界面是实现数据交换和运算处理的平台，本文研究人机界面开发使用Sinumerik OperateProgrammingPackage。人机界面开发分为两部分，Softkey( 软键) 的设置和用户界面Framework 的设计，使用XML 文件描述人机界面的整体的框架结构、界面软键的定义以及各子界面的相互调用关系，Qt Designer 使用西门子提供的HMI 小部件设计图形化用户界面，采用C++ 语言编写底层代码，实现各部分功能。

    程序在PC 机上完成编译之后，在生成的配置文件systemconfigration． ini 中定义哪个软件为启动键及启动键的名称，并与生成的hmi 文件，dll 文件、qm 文件一同放入数控系统相应的路径下，启动840D sl 数控系统，即可在标准界面中进入自己开发的人机界面。图2 为在标准界面中显示的主界面。用户可以点击各软键，进入各个功能模块的界面，进行加工参数修改、磨削参数设置、加工仿真等。

                          图2 主界面

    2． 2 凸轮轴磨削软件功能模块实现

    根据凸轮轴磨床加工基本功能区分及用户需求，以加工工件为主线，按照磨削工艺顺序将凸轮轴磨削软件划分为不同的功能模块，然后对各模块进行独立设计开发。各功能模块如图3 所示。

    
  
                             图3 功能模块流程图

    加载升程表: 该模块主要用于导入存储在外部驱动器中的升程表数据，并保存在数组中。

    凸轮及凸轮轴参数设置: 实际上就是凸轮和凸轮轴参数的的输入输出模块。将凸轮和凸轮轴的参数输入到操作系统中，再带入加工数学模型进行计算，是生成NC 代码程序所需的一部分。

     砂轮修整参数: 磨床利用砂轮表面的磨粒磨削工件，为了保证加工精度，在砂轮磨削一定数量工件之后，需要对砂轮进行修整，保证砂轮表面磨粒的数量。该模块设置修整相关参数，如一次修整量、砂轮进给速度等。对刀参数: 在X 轴基圆处对刀，输入此时X 轴坐标，C 轴起始磨削角度。

     加工程序生成: 此模块读取凸轮原始升程表数据、凸轮参数、砂轮参数等必要的相关计算参数后，根据X-C 联动坐标数学模型进行计算，最终生成X-C 加工程序。加工仿真: 用图形方式显示加工过程，供用户和操作者观察。

    下面主要介绍加载升程表模块和加工仿真模块的实现。

    2． 2． 1 加载升程表模块

    原始升程表数据是凸轮加工参数中最要的一部分，该模块通过自定义软件的功能，读取外部驱动设备上的文本，操作简便快捷，提高了加工效率。加载升程表模块实现过程如图4、图5 所示。

    图4 升程表参数设置

    图5 由U 盘导入升程表数据

    操作者点击“打开U 盘”软键，弹出模态窗口，点击“列表”软键，即显示自定义的U 盘目录，其主要代码如下所示:

    选择升程数据文件( ． txt) ，读取文件内容，将数据显示在表格中，并以字符形式保存在字符串数组中，代码如下:

      2． 2． 2 凸轮加工仿真模块
 

    凸轮加工是砂轮架X 轴根据指令跟随工件旋转轴C 轴运动，两轴联动进行磨削［7］。该模块根据凸轮的升程表数据，计算凸轮在直角坐标系下坐标，绘制凸轮轮廓曲线，并根据加工程序确定砂轮加工位置，图6为凸轮加工仿真结果。

    图形绘制中用QT 的二维图形绘制QPainter 类，使用不同颜色、线宽表达凸轮和砂轮，启用反走样处理，使图形表达更清晰 。

                         图6 凸轮加工仿真

 
    3、 结论

    基于840D sl 数控系统的开放性，应用二次开发软件SINUMEＲIK Operate 编程包进行二次开发，建立凸轮轴磨削系统人机界面，解决了全数控机床的工件数据输入、数学磨削处理、加工程序生成过程，使加工更快捷。并根据实际加工需要进行功能扩展，完成加工仿真模块开发，使凸轮轴磨削软件更为完善。