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基於嵌入式的齒輪加（jiā）工數控係（xì）統的研究

2019-3-18 來源：河南機電（diàn）高等專（zhuān）科學校作者：王鵬飛賈琛

摘要：為了提高（gāo）齒輪的加工精度，提出（chū）了一種基於嵌入式係統的齒輪加工數控係統。構（gòu）建（jiàn）了（le）係（xì）統的總體框架（jià），並對係統進行了任務劃分，設計了多個功能模塊（kuài）；通過確定滾齒對刀點，分析滾（gǔn）刀加工運動軌跡、滾刀和工件的運動關（guān）係，計（jì）算關（guān）鍵點的坐標值，構建出（chū）滾齒加工自動編（biān）程的數學模型，在本（běn）係統的硬件平台上（shàng），開發實現了滾齒加工自動編程功能模塊。為今後齒輪數（shù）控加工控製精度的提高奠定了一定的基礎。

關鍵詞：嵌入式；齒輪加工；數控係統；自（zì）動編程

1 、齒（chǐ）輪加工數控係統（tǒng）的（de）總體設計

（1）嵌入式齒輪加工數控係（xì）統的（de）硬件設計（jì）

由於 windows ces 操作係統簡單、具有係統的開發工具、良好的穩定性等優點，本數控係統選擇在Win CE6.0 的（de）操（cāo）作平台上開發研究，係統由 ARM、DSP、FPGA 構成。

其中 EP9315（ARM）微處理器負責完成數控係統的（de）人（rén）機交互（hù）模塊，比如加工參數的存儲、輸入和（hé）顯示（shì）功能；另（lìng）外還負責通過網絡通信模塊將工作信息傳送至遠程服務器（qì）。

DSP6713 負責處理數控係統的複雜運動算法，比如，插（chā）補處理和伺服位置控製。把人（rén）機交（jiāo）互模塊和（hé）運動控製模塊單獨（dú）管理，一方麵使軟件開發更具模塊性（xìng）和靈活性，另外還有助於得到更好的控製性能、加工精（jīng）度和較（jiào）快的處理速度。

FPGA 采用並（bìng）行總線的方式完（wán）成機床側 I/O 信息的傳輸和接收。

（2）嵌入式齒輪加工數控係統（tǒng）的軟件設計

考慮到係（xì）統的可擴展性和可移植性，也（yě）考慮到模塊間繁瑣的數據交換、程序的運行效（xiào）率以及開發難（nán）度，結合（hé）齒輪數控（kòng）加工（gōng）的特點，本係統軟件功（gōng）能劃分為三大（dà）模塊，分別是 ARM 界麵管理模塊（kuài）、DSP數值運（yùn）算模塊和機床 I/O 模塊。

圖 1數控係統（tǒng）總（zǒng）體結構（gòu）框圖（tú）

2 、齒輪加工數控係統設（shè）計

齒輪加工（gōng）數控係統按照任務劃分的特點，從任務和功能 2 個（gè）方麵進行劃分（fèn），任務劃分不僅使功能模塊間的通訊（xùn）接口設計更為合理（lǐ）和軟件的結構清晰，還使得係統設計的開放性和擴（kuò）展性更強。通過分析齒輪加工數控係統的功能要（yào）求，可知本（běn）係統應具備控製（zhì）和管理 2 個任務。控製任務分（fèn）為譯碼、機床 I/O控製、位置控（kòng）製、電子（zǐ）齒輪（lún）箱和插補處理等子（zǐ）任務；管理任（rèn）務又分為（wéi）自動編程、界麵管理（lǐ）、文件管理、加工監控和通訊等子任務。

控製任（rèn）務與齒輪的加工息息（xī）相關，決定加工的效率與精（jīng）度，因此控製任（rèn）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（shí）性的要求。

（1）自動（dòng）編程模塊

由於齒輪結構的相近性，在（zài）齒輪數控加工中（zhōng），主要有 3 類參數：齒輪參數、刀具（jù）參數與工藝參數。操本文從機床操作界麵輸入以上 3 類參數，自動編程模塊對其（qí）處理後，獲得刀具運行軌跡數據，然後生成數控加工代碼，最終要生成 DSP 能（néng）識別的數據（jù）結構（gòu），進而控製機（jī）床，加工出符合要求的齒輪。

（2）電子齒輪箱模塊

電子（zǐ）齒輪箱模塊（kuài）是以（yǐ）軟件和（hé）電路（lù）的形式取代傳統的機械式內聯係傳動鏈，以完成多（duō）個（gè）數控軸按照既定的關係運（yùn）動，以確保各軸的同步關係。另外，為了保證工（gōng）件軸與刀具軸運動（dòng）之間的速比關係，工件軸的速度由（yóu）刀具軸與其他進給軸的（de）速度聯合決定。

（3）通訊功能通訊（xùn）模塊的任務是將 ARM 中的數據下發到DSP 中。如（rú）：動靜態參數、PLC

程序數據和 NC 程序數據等。另（lìng）外，通信模塊還負責將 DSP 中（zhōng）編（biān）碼器中的反（fǎn）饋數據、PLC 執行狀態、報警信息等上傳到 ARM中處理和顯示。

（4）工監控模塊

加工監控模塊可以分為加工圖（tú）形（xíng）監（jiān）控、機床狀態監控和報警（jǐng）信息監控 3 個部分。加工圖形監控包（bāo）括運（yùn）行（háng）坐標（biāo）和各（gè）個數控軸跟蹤誤差監控；機床狀態監控包括機床的本體和附（fù）件狀態監控；

報警信息監控包括報警內容、報警後自診斷和曆史記錄查詢監控。

3 、滾齒自動編程研究實現

滾齒加（jiā）工是加工齒輪（lún）的常用方（fāng）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（lái）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（míng）。

3.1 構建數學模（mó）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（yào）求對刀方便、準確。在加工時，把滾刀對準（zhǔn）齒坯的上頂麵，確定其在 Z 軸方向的位置，滾刀在齒坯圓柱麵上的（de）淺淺切痕確定其在 X 軸方向的位置。

對（duì）刀時，當（dāng）滾（gǔn）刀進給到齒（chǐ）坯的圓柱麵時，讓齒坯運動一周，以查看其（qí）展成運動正確與否。

（2）確（què）定滾刀加工軌跡和計算關鍵坐標點以軸向滾切法為例，如（rú）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（chuáng）的零點；再快速到位置 1；同時，電子齒輪箱功（gōng）能開啟，使滾刀徑向進給（gěi）到位置 2；為了切出全齒（chǐ）寬，滾刀軸（zhóu）向運動至位（wèi）置 3；最後退刀至位置 4，一次進給加工結束。

此（cǐ）可見（jiàn），這 5 個關鍵位置非常重要。另外，加工齒輪類型不同，關鍵（jiàn）位置也不（bú）同，要依（yī）據（jù）具體情況而定。

①滾刀起始點用（X0，Z0）表示，依據加工情況而定，如圖 2 所示（shì），滾刀零點位置為（X0=L，Z0=W）；

②關鍵點 1 用（X1，Z1）表示，在工作中，關鍵點1 是滾刀循環切削的起始位（wèi）置。為（wéi）了減少切入時（shí）間和（hé）空行（háng）程，可取滾刀切削刃距離齒坯 3 mm 處作為位置 1 在 X 軸方（fāng）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。

結合圖 2 可知關（guān）鍵（jiàn）點 1 的坐標值為（X1=R+r+3，Z1=H+B+δ1）；

圖 2 軸向滾（gǔn）切法滾刀的運動軌跡

1. 齒坯 2. 工作台

逆滾加工時，滾（gǔn）刀和齒（chǐ）坯的螺（luó）旋線方向一致（zhì）時取+，反之為-；若順滾加工，滾刀和齒坯的（de）螺（luó）旋線方向相同時取+，反之為-。

3.2 模塊架構與實現

通過對滾齒加工過程中的功能需求進行分析，確（què）定了自動編程模塊由參數輸入、參數檢查和參數處理組成，如（rú）圖 3 所示。

首先，要建立起齒輪參數輸入界麵、滾刀參數輸入界麵和工藝參數輸入界麵（miàn），以便操作者通過其輸（shū）入齒輪參數、滾刀參數和工藝參數；為了確保輸入的參數能滿足加工要求，自動編程模塊在後台對操作者輸入的參數檢查（chá），若參數有誤，該功能模塊會提示並提供（gòng）給用戶錯誤原因，直（zhí）到參數（shù）正確再進行參數處理；參數（shù）處理是對滾刀加工軌跡和關鍵點進行分析處理，生成數控代（dài）碼，進而對（duì）程序代碼（mǎ）進行（háng）編譯，生成 DSP 需要的數據格式（shì），再由通訊模塊將編譯後的（de）程序發到 DSP 緩存（cún）區，為插（chā）補運動做好準備。

圖 3滾齒加工自動編程模塊流程圖

4 、結語

本文介紹了嵌入（rù）式齒（chǐ）輪加工（gōng）數控係統的總體框架設計，並對該係統進行了任務劃分，設計了自動編程模塊、電子齒（chǐ）輪箱模塊（kuài）、通（tōng）訊模塊、加工監控等多個模塊。最後，分析了滾齒的加（jiā）工工（gōng）藝，在本係統的硬件平台上，對滾齒（chǐ）自（zì）動編程技術做了詳盡的研究，將自（zì）動編（biān）程技術應（yīng）用在滾齒的加工中。為今後提高齒輪加工控（kòng）製係統的精度奠定（dìng）了（le）一定（dìng）的基（jī）礎。

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