基于嵌入式的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的研究
2018-4-17 來源： 河南機(jī)電高等專科學(xué)校 作者：王鵬飛， 賈琛
摘要： 為了提高齒輪的加工精度，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng).構(gòu)建了系統(tǒng)的總體框架，并對系統(tǒng)進(jìn)行了任務(wù)劃分，設(shè)計(jì)了多個(gè)功能模塊；通過確定滾齒對刀點(diǎn)，分析滾刀加工運(yùn)動軌跡、滾刀和工件的運(yùn)動關(guān)系，計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值，構(gòu)建出滾齒加工自動編程的數(shù)學(xué)模型，在本系統(tǒng)的硬件平臺上，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了滾齒加工自動編程功能模塊。 為今后齒輪數(shù)控加工控制精度的提高奠定了一定的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞： 嵌入式； 齒輪加工； 數(shù)控系統(tǒng)； 自動編程
1、齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
（1）嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)由于 Windows CE 操作系統(tǒng)簡單、具有系統(tǒng)的開發(fā)工具、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，本數(shù)控系統(tǒng)選擇在Win CE6.0 的操作平臺上開發(fā)研究，系統(tǒng)由 ARM、DSP、FPGA 構(gòu)成。其中 EP9315（ARM）微處理器負(fù)責(zé)完成數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊，比如加工參數(shù)的存儲、輸入和顯示功能；另外還負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊將工作信息傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。DSP6713 負(fù)責(zé)處理數(shù)控系統(tǒng)的 復(fù)雜運(yùn)動算法 ，比如，插補(bǔ)處理和伺服位置控制。 把人機(jī)交互模塊和運(yùn)動控制模塊單獨(dú)管理，一方面使軟件開發(fā)更具模塊性和靈活性，另外還有助于得到更好的控制性能、加工精度和較快的處理速度。FPGA 采用并行總線的方 式完成機(jī)床側(cè) I/O 信息的傳輸和接收。
（2）嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可移植性，也考慮到模塊間繁瑣的數(shù)據(jù)交換、程序的運(yùn)行效率以及開發(fā)難度，結(jié)合齒輪數(shù)控加工的特點(diǎn)，本系統(tǒng)軟件功能劃分為三大模塊，分別是 ARM 界面管理模塊、DSP 數(shù)值運(yùn)算模塊和機(jī)床 I/O 模塊。
圖1 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
2、齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)按照任務(wù)劃分的特點(diǎn)，從任務(wù)和功能 2 個(gè)方面進(jìn)行劃分，任務(wù)劃分不僅使功能模塊間的通訊接口設(shè)計(jì)更為合理和軟件的結(jié)構(gòu)清晰，還使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開放性和擴(kuò)展性更強(qiáng)。 通過分析齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的功能要求， 可知本系統(tǒng)應(yīng)具備控制和管理 2 個(gè)任務(wù)。 控制任務(wù)分為譯碼、機(jī)床 I/O 控制、位置控制、電子齒輪箱和插補(bǔ)處理等子任務(wù)；管理任務(wù)又分為自動編程、界面管理、文件管理、加工監(jiān)控和通訊等子任務(wù)。 控制任務(wù)與齒輪的加工息息相關(guān)，決定加工的效率與精度，因此控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)；管理任務(wù)負(fù)責(zé)齒輪加工的外在支持，因此其子任務(wù)沒有實(shí)時(shí)性的要求。
（1）自動編程模塊
由于齒輪結(jié)構(gòu)的相近性，在齒輪數(shù)控加工中，主要有 3 類參數(shù)：齒輪參數(shù)、刀具參數(shù)與工藝參數(shù)。 操本文從機(jī)床操作界面輸入以上 3 類參數(shù)，自動編程模塊對其處理后，獲得刀具運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)，然后生成數(shù)控加工代碼， 最終要生成 DSP 能識別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而控制機(jī)床，加工出符合要求的齒輪。
（2）電子齒輪箱模塊
電子齒輪箱模塊是以軟件和電路的形式取代傳統(tǒng)的機(jī)械式內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，以完成多個(gè)數(shù)控軸按照既定的關(guān)系運(yùn)動，以確保各軸的同步關(guān)系。 另外，為了保證工件軸與刀具軸運(yùn)動之間的速比關(guān)系
，工件軸的速度由刀具軸與其他進(jìn)給軸的速度聯(lián)合決定。
（3）通訊功能
通訊模塊的任務(wù)是將 ARM 中的數(shù)據(jù)下發(fā)到DSP 中。 如：動靜態(tài)參數(shù) 、PLC 程序數(shù)據(jù)和 NC 程序數(shù)據(jù)等。 另外，通信模塊還負(fù)責(zé)將 DSP 中編碼器中的反饋數(shù)據(jù)、PLC 執(zhí)行狀態(tài)、報(bào)警信息等上傳到 ARM中處理和顯示。
（4）加工監(jiān)控模塊
加工監(jiān)控模塊可以分為加工圖形監(jiān)控、機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控和報(bào)警信息監(jiān)控 3 個(gè)部分。 加工圖形監(jiān)控包括運(yùn)行坐標(biāo)和各個(gè)數(shù)控軸跟蹤誤差監(jiān)控；機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控包括機(jī)床的本體和附件狀態(tài)監(jiān)控；報(bào)警信息監(jiān)控包括報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警后自診斷和歷史記錄查詢監(jiān)控。
3、滾齒自動編程研究實(shí)現(xiàn)
滾齒加工是加工齒輪的常用方法之一，有徑向、軸向、切向、徑向軸向和對角等方法。 其中軸向滾切法常用來加工圓柱齒輪、圓錐齒輪等外齒輪，本文以軸向滾切法為例進(jìn)行說明。
3.1 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型
（1）確定滾齒對刀點(diǎn)
為了保證工件的加工精度，避免切入時(shí)間或空行程時(shí)間過長，要求對刀方便、準(zhǔn)確。 在加工時(shí)，把滾刀對準(zhǔn)齒坯的上頂面， 確定其在 Z 軸方向的位置，滾刀在齒坯圓柱面上的淺淺切痕確定其在 X 軸方向的位置。 對刀時(shí)，當(dāng)滾刀進(jìn)給到齒坯的圓柱面時(shí)，讓齒坯運(yùn)動一周，以查看其展成運(yùn)動正確與否。
（2）確定滾刀加工軌跡和計(jì)算關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)
以軸向滾切法為例，如圖 2 所示，滾刀的運(yùn)動軌跡是 0→1→2→3→4→1。 滾刀的起點(diǎn)位置是機(jī)床的零點(diǎn)；再快速到位置 1；同時(shí)，電子齒輪箱功能開啟，使?jié)L刀徑向進(jìn)給到位置 2；為了切出全齒寬，滾刀軸向運(yùn)動至位置 3；最后退刀至位置 4，一次進(jìn)給加工結(jié)束。由此可見，這 5 個(gè)關(guān)鍵位置非常重要。另外，加工齒輪類型不同，關(guān)鍵位置也不同，要依據(jù)具體情況而定。
①滾刀起始點(diǎn) 用（X0，Z0） 表 示 ， 依據(jù)加工情況而定，如圖 2 所示，滾刀零點(diǎn)位置為：（X0=L，Z0=W）；
圖2 軸向滾切法滾刀的運(yùn)動軌跡
②關(guān)鍵點(diǎn) 1 用（X1，Z1）表 示 ，在工作中 ，關(guān)鍵點(diǎn)1 是滾刀循環(huán)切削的起始位置。 為了減少切入時(shí)間和空行程，可取滾刀切削刃距離齒坯 3 mm 處作為位置 1 在 X 軸方向的坐標(biāo)位置，Z 軸方向的切入行程δ1要通過查閱齒輪加工手冊得知。結(jié)合圖 2 可知關(guān)鍵點(diǎn) 1 的坐標(biāo)值為（X1=R+r+3，1=H+B+δ1）；
③關(guān)鍵點(diǎn) 2 用（X2，Z2）表示，是滾刀開始對齒坯進(jìn)行切削的位置，其在 X 軸方向的位置是由齒坯半徑、 滾刀半徑和第 1 次進(jìn)給深度確定 ap1，ap1這個(gè)值由用戶輸入，Z 軸坐標(biāo)值 Z2與 Z1一樣。 結(jié)合圖 2 可知關(guān)鍵點(diǎn) 2 的坐標(biāo)值為（X2=X1-ap1，Z2=Z1）；
④關(guān)鍵點(diǎn) 3 用（X3，Z3）表示，是滾刀循環(huán)切削的結(jié)束位置， 其在 X 軸方向的位置與關(guān)鍵點(diǎn) 2 的一樣，Z 軸坐標(biāo)值由齒坯厚度、安裝高度以及切出行程確定。 結(jié)合圖 2 可知關(guān)鍵點(diǎn) 3 的坐標(biāo)值為［X3=X2，Z3=H-δ2=Z2-（B+δ1+δ2）］；
⑤關(guān)鍵點(diǎn) 4 用（X4，Z4）表 示 ，是滾刀退出位置 ，其在 X 軸方向的位置與關(guān)鍵點(diǎn) 1 一樣，Z 軸坐標(biāo)值Z1與關(guān)鍵點(diǎn) 3 一樣。 因此， 關(guān)鍵點(diǎn) 4 的坐標(biāo)值為（X4=X1，Z4=Z3）。
（3）滾刀和工件的運(yùn)動關(guān)系
①滾刀與齒坯的轉(zhuǎn)速關(guān)系齒坯做展成運(yùn)動時(shí)的轉(zhuǎn)速ni=Ktnt/zw式中 nt———滾刀轉(zhuǎn)速，r/min；Kt———滾刀頭數(shù)；zw———齒坯齒數(shù)。
②工件的附加轉(zhuǎn)速工件附加轉(zhuǎn)速nf=±vf/Pz式中 vf———用戶輸入的滾刀軸向進(jìn)給速度，r/min；Pz———齒坯的螺旋線導(dǎo)程，mm。
③工件的實(shí)際轉(zhuǎn)速nw=ni±nf逆滾加工時(shí)， 滾刀和齒坯的螺旋線方向一致時(shí)取+，反之為-；
若順滾加工，滾刀和齒坯的螺旋線方向相同時(shí)取+，反之為-。
3.2 模塊架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)
通過對滾齒加工過程中的功能需求進(jìn)行分析，確定了自動編程模塊由參數(shù)輸入、參數(shù)檢查和參數(shù)處理組成，如圖 3 所示。
圖3 滾齒加工自動編程模塊流程圖
界面、滾刀參數(shù)輸入界面和工藝參數(shù)輸入界面，以便操作者通過其輸入齒輪參數(shù)、滾刀參數(shù)和工藝參數(shù)；為了確保輸入的參數(shù)能滿足加工要求，自動編程模塊在后臺對操作者輸入的參數(shù)檢查，若參數(shù)有誤，該功能模塊會提示并提供給用戶錯(cuò)誤原因，直到參數(shù)正確再進(jìn)行參數(shù)處理；參數(shù)處理是對滾刀加工軌跡和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析處理，生成數(shù)控代碼，進(jìn)而對程序代碼進(jìn)行編譯，生成 DSP 需要的數(shù)據(jù)格式，再由通訊模塊將編譯后的程序發(fā)到 DSP 緩存區(qū)，為插補(bǔ)運(yùn)動做好準(zhǔn)備。
首先，要建立起齒輪參數(shù)輸入4 結(jié)語本文介紹了嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了任務(wù)劃分，設(shè)計(jì)了自動編程模塊、電子齒輪箱模塊、通訊模塊、加工監(jiān)控等多個(gè)模塊。
最后，分析了滾齒的加工工藝，在本系統(tǒng)的硬件平臺上，對滾齒自動編程技術(shù)做了詳盡的研究，將自動編程技術(shù)應(yīng)用在滾齒的加工中。 為今后提高齒輪加工控制系統(tǒng)的精度奠定了一定的基礎(chǔ)。
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