基于嵌入式的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的研究
2019-3-18 來源：河南機電高等專科學校 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)進行了任務劃分，設(shè)計了多個功能模塊；通過確定滾齒對刀點，分析滾刀加工運動軌跡、滾刀和工件的運動關(guān)系，計算關(guān)鍵點的坐標值，構(gòu)建出滾齒加工自動編程的數(shù)學模型，在本系統(tǒng)的硬件平臺上，開發(fā)實現(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
（1）嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計
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，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）微處理器負責完成數(shù)控系統(tǒng)的人機交互模塊，比如加工參數(shù)的存儲、輸入和顯示功能；另外還負責通過網(wǎng)絡通信模塊將工作信息傳送至遠程服務器。
DSP6713 負責處理數(shù)控系統(tǒng)的 復雜運動算法 ，比如，插補處理和伺服位置控制。 把人機交互模塊和運動控制模塊單獨管理，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
考慮到系統(tǒng)的可擴展性和可移植性，也考慮到模塊間繁瑣的數(shù)據(jù)交換、程序的運行效率以及開發(fā)難度，結(jié)合齒輪數(shù)控加工的特點，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)值運算模塊和機床 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
齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)按照任務劃分的特點，從任務和功能 2 個方面進行劃分，任務劃分不僅使功能模塊間的通訊接口設(shè)計更為合理和軟件的結(jié)構(gòu)清晰，還使得系統(tǒng)設(shè)計的開放性和擴展性更強。 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)應具備控制和管理 2 個任務。 控制任務分為譯碼、機床 I/O控制、位置控制、電子齒輪箱和插補處理等子任務；管理任務又分為自動編程、界面管理、文件管理、加工監(jiān)控和通訊等子任務。
控制任務與齒輪的加工息息相關(guān)，決定加工的效率與精度，因此控制任務的實時性要求強；
管理任務負責齒輪加工的外在支持，因此其子任務沒有實時性的要求。
（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)，進而控制機床，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)的機械式內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，以完成多個數(shù)控軸按照既定的關(guān)系運動，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動之間的速比關(guān)系，工件軸的速度由刀具軸與其他進給軸的速度聯(lián)合決定。
（3）通訊功能通訊模塊的任務是將 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，通信模塊還負責將 DSP 中編碼器中的反饋數(shù)據(jù)、PLC 執(zhí)行狀態(tài)、報警信息等上傳到 ARM中處理和顯示。
（4）工監(jiān)控模塊
加工監(jiān)控模塊可以分為加工圖形監(jiān)控、機床狀態(tài)監(jiān)控和報警信息監(jiān)控 3 個部分。 加工圖形監(jiān)控包括運行坐標和各個數(shù)控軸跟蹤誤差監(jiān)控；機床狀態(tài)監(jiān)控包括機床的本體和附件狀態(tài)監(jiān)控；
報警信息監(jiān)控包括報警內(nèi)容、報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行說明。
3.1 構(gòu)建數(shù)學模型
（1）確定滾齒對刀點為了保證工件的加工精度，避免切入時間或空行程時間過長，要求對刀方便、準確。 在加工時，把滾刀對準齒坯的上頂面， 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，當滾刀進給到齒坯的圓柱面時，讓齒坯運動一周，以查看其展成運動正確與否。
（2）確定滾刀加工軌跡和計算關(guān)鍵坐標點以軸向滾切法為例，如圖 2 所示，滾刀的運動軌
跡是 0→1→2→3→4→1。 滾刀的起點位置是機床的零點；再快速到位置 1；同時，電子齒輪箱功能開啟，使?jié)L刀徑向進給到位置 2；為了切出全齒寬，滾刀軸向運動至位置 3；最后退刀至位置 4，一次進給加工結(jié)束。
此可見，這 5 個關(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 用（X0，Z0） 表 示 ， 依據(jù)加工情況而定，如圖 2 所示，滾刀零點位置為（X0=L，Z0=W）；
②關(guān)鍵點 1 用（X1，Z1）表 示 ，在工作中 ，關(guān)鍵點1 是滾刀循環(huán)切削的起始位置。 為了減少切入時間和空行程，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 1 的坐標值為（X1=R+r+3，Z1=H+B+δ1）；
圖 2 軸向滾切法滾刀的運動軌跡
1. 齒坯 2. 工作臺
逆滾加工時， 滾刀和齒坯的螺旋線方向一致時取+，反之為-；若順滾加工，滾刀和齒坯的螺旋線方向相同時取+，反之為-。
3.2 模塊架構(gòu)與實現(xiàn)
通過對滾齒加工過程中的功能需求進行分析，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。
首先，要建立起齒輪參數(shù)輸入界面、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誤原因，直到參數(shù)正確再進行參數(shù)處理；參數(shù)處理是對滾刀加工軌跡和關(guān)鍵點進行分析處理，生成數(shù)控代碼，進而對程序代碼進行編譯，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)，為插補運動做好準備。
圖 3滾齒加工自動編程模塊流程圖
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，并對該系統(tǒng)進行了任務劃分，設(shè)計了自動編程模塊、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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