數(shù)控滾齒加工自動編程技術(shù)的研究
2018-7-27 來源： 河南工學(xué)院 機械工程系 作者：刁修慧 李進(jìn)波
摘要 為了提高齒輪加工的工作效率，提出了一種數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)。首先，建立了數(shù)控滾齒 － 軸向滾切法的數(shù)學(xué)模型; 然后，建立數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)的硬件平臺，對系統(tǒng)進(jìn)行了功能模塊劃分和軟件頁面集設(shè)計; 最后，對系統(tǒng)開發(fā)中的面向?qū)ο筌浖幊碳夹g(shù)、通信技術(shù)、多線程技術(shù)、譯碼技術(shù)等做了分析。該技術(shù)為今后齒輪滾齒數(shù)控加工的便利提供了一些參考和經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞 滾齒 自動編程 數(shù)控
0 引言
數(shù)控滾齒加工是齒輪制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的齒輪加工方法。齒輪加工數(shù)控機床大多采用手工編程的方法，其弊端是: 需要編程人員具備一定的專業(yè)知識和職業(yè)技能，花費大量時間編程; 另外，編程環(huán)節(jié)一旦出錯，會影響加工質(zhì)量，造成生產(chǎn)周期延長、工作效率低下。
自動編程是利用計算機編寫成機床可以識別的加工代碼，大部分工作由計算機完成，這樣做將大大縮短生產(chǎn)周期，對操作人員的技能也沒有太高的要求。因此，數(shù)控滾齒加工自動編程技術(shù)的研究對齒輪數(shù)控加工的發(fā)展具有現(xiàn)實意義。
1 、數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
1. 1 確定對刀點
對刀時要遵循使 NC 代碼簡單、使加工精度高和方便在滾齒機上找正的原則，為了確保滾刀與齒坯之間有正確的位置關(guān)系，須保證滾刀和齒坯剛好接觸，并使?jié)L刀的外徑和吃刀深度線 AP 相切。
1. 2 確定滾刀加工軌跡和計算關(guān)鍵坐標(biāo)點
以軸向滾切一次循環(huán)逆滾為例，如圖 1 所示，滾刀的運動軌跡是 1→2→3→4。
滾刀由參考零點位置快速進(jìn)刀到位置 1; 接下來，滾刀徑向進(jìn)給到位置 2; 工件開始加工，當(dāng)滾刀軸向運動至位置 3，一次進(jìn)給加工完畢，然后，滾刀退刀至位置 4，再退回位置 1。由此可見，1、2、3 和 4 這 4 個關(guān)鍵點非常重要。
各個關(guān)鍵點坐標(biāo)值如圖 1 所示，關(guān)鍵點 1 的位置為
圖 1 軸向滾切法滾刀的軌跡圖
式中，r 為滾刀半徑; 3 為空行程; δ1為切入行程，是滾刀開始和齒坯接觸時滾刀中心與齒坯上端面的間距。關(guān)鍵點 2 的位置為
1. 3 滾刀和齒坯的運動關(guān)系
2 、數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)
2. 1 數(shù)控滾齒加工系統(tǒng)的硬件平臺
嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，常用于對其他設(shè)備的控制和管理。本自動編程系統(tǒng)是一個基于AＲM + DSP + FPGA 的嵌入式平臺，是基于 WindowsCE 6. 0 開發(fā)的，采用 VC + + 模塊作為開發(fā)工具［2］。
AＲM9 主要負(fù)責(zé)用戶信息的輸入、存儲和顯示，是自動編程系統(tǒng)的人機接口; 另外，基于 WindowsCE 6. 0 操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將工作信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。DSP( DSP6713) 負(fù)責(zé)處理自動編程系統(tǒng)的復(fù)雜運算和實時控制，同時，為了充分發(fā)揮 AＲM、DSP 的優(yōu)勢和得到更快的處理速度、更優(yōu)控制性能和更高的加工精度，也為了軟件開發(fā)的方便和靈活，把系統(tǒng)的人機交互界面和運動控制分割開，由 AＲM負(fù)責(zé)人機交互，DSP 負(fù)責(zé)運動控制。AＲM 和 DSP是通過 HPI 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交接的，由 CPLD 負(fù)責(zé)完成HPI 接口邏輯以協(xié)調(diào)兩者之間的通信。FPGA 是現(xiàn)場總線的接口層，實現(xiàn)了 DSP 和從機節(jié)點間的信息傳輸和接收。
2. 2 數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)的軟件設(shè)計
2. 2. 1 自動編程系統(tǒng)架構(gòu)和模塊劃分
根據(jù)數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)的功能需求，對本系統(tǒng)進(jìn)行了模塊劃分［4］，包括自動編程模塊、位置模塊、設(shè)置模塊、系統(tǒng)模塊、圖形仿真模塊以及一些子模塊。滾齒加工自動編程系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)，根據(jù)繁多的任務(wù)劃分出如圖 2 所示的功能模塊。
從時間上來講，各個模塊有著時序配合問題; 從邏輯上講，雖然每個模塊都承擔(dān)著不同的任務(wù)，但是各個模塊之間存在耦合關(guān)系。因此，本系統(tǒng)采取并行處理多任務(wù)調(diào)度機制。
圖 2 自動編程系統(tǒng)模塊劃分圖
2. 2. 2 自動編程系統(tǒng)軟件頁面集設(shè)計
在對自動編程系統(tǒng)進(jìn)行頁面集設(shè)計的時候，可以參考模塊劃分的方法，共設(shè)計了 6 個主頁面，分別是: 自動編程主頁面、圖形主頁面、位置主頁面、信息主頁面、系統(tǒng)主頁面和設(shè)置主頁面，這 6 個主頁面既相對獨立又相互聯(lián)系。
另外，根據(jù)功能設(shè)計的要求，把系統(tǒng)需求的各項功能合理地分布到這 6個主頁面上，所以這 6 個主頁面中的每一個頁面都包含一個或者多個子頁面，子頁面的個數(shù)要根據(jù)該
主頁面所需實現(xiàn)的功能而設(shè)置。如圖 3 所示，以位置主頁面為例來進(jìn)行說明［5］
圖 3 自動編程系統(tǒng)頁面集
3 、數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)
3. 1 面向?qū)ο筌浖幊碳夹g(shù)
本數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和方法，面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)是一種分析問題、解決問題的新方法，其是以對象和類為基礎(chǔ)的。在面向?qū)ο缶幊谭椒ㄖ校X輪的重要參數(shù)，比如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等就是齒輪對象的屬性集合，當(dāng)齒輪擁有了自身的屬性后，同時也具有了操作這些屬性的方法，然后對其進(jìn)行封裝，此時，齒輪才成為面向?qū)ο笾械囊粋€具體對象。
本系統(tǒng)應(yīng)用了 VS 2005 中的 VC ++ 模塊，該模塊集成了 MFC 類庫，包含了大量的 C ++ 類庫，應(yīng)用MFC 開發(fā)應(yīng)用程序非常符合面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想。
3. 2 通信技術(shù)
通信模塊負(fù)責(zé)將上層 AＲM 的數(shù)據(jù)通過 HPI 通道準(zhǔn)確又迅速的發(fā)送到底層 DSP，以供程序調(diào)用; 還負(fù)責(zé)接收 DSP 的各種信息。首先，要在驅(qū)動層定義讀與寫操作代碼，在應(yīng)用層，僅需打開驅(qū)動調(diào)用通道，就可以直接對 HPI 讀寫。上層向下層發(fā)送數(shù)據(jù)的原理如圖 4 所示。
圖 4 上層向下層發(fā)送數(shù)據(jù)原理圖
3. 3 多線程技術(shù)
為了確保系統(tǒng)可以實時多任務(wù)管理，須采用多任務(wù)并行處理的方式，即多線程技術(shù)。在本滾齒自動編程系統(tǒng)中采用了三線程并行處理方式，分別是用戶界面主線程、數(shù)據(jù)發(fā)送線程、數(shù)據(jù)接收線程。有了此三線程處理方式，既保證了實時發(fā)送數(shù)據(jù)控制機床運動，又保證了實時接收數(shù)據(jù)以顯示機床運行狀況，同時也實現(xiàn)了界面管理功能。
3. 4 譯碼技術(shù)
在自動編程模塊，有兩種途徑能夠生產(chǎn) NC 代碼。其一，在人機交互界面輸入齒輪參數(shù)、工藝參數(shù)和刀具參數(shù)，然后通過自動編程模塊處理生成 NC代碼; 其二，在人機交互界面，用戶輸入 NC 代碼，然后系統(tǒng)對 NC 代碼進(jìn)行檢查無誤后，對其進(jìn)行保存。
以上兩種方式生成 NC 代碼，接下來經(jīng)過編譯模塊，對其進(jìn)行坐標(biāo)處理和數(shù)據(jù)處理，生成規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將存儲在刀補處理模塊的刀補緩沖區(qū)，經(jīng)由通信模塊傳送給下層 DSP，最后，DSP根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容執(zhí)行插補和位控等處理。
4 、結(jié)束語
在研究了數(shù)控滾齒加工自動編程算法后，建立了自動編程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在基于 AＲM + DSP + FPGA的嵌入式平臺上，在基于 Windows CE 6. 0 開發(fā)系統(tǒng)上，采用 VC ++
模塊作為開發(fā)工具。對自動編程系統(tǒng)進(jìn)行了架構(gòu)設(shè)計、模塊劃分和頁面集設(shè)計并對本系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)分析，開發(fā)了滾齒加工自動編程系統(tǒng)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)只需輸入齒輪、刀具、工藝參數(shù)就可以生成 NC 代碼，大大縮短了齒輪的生成周期，降低了操作難度，提高了工作效率。
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