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一種變速箱加工的數控（kòng）係統設計與（yǔ）實驗（yàn）研究

2020-7-6 來源：陝西工業職業技術學院作者：鄧豐曼

摘要（yào）：針對傳統的多軸數控機床較難滿足變速箱加工過程中精度要求，提出了一種（zhǒng）基於 “ＡＲＭ＋ＤＳＰ”硬（yìng）件結構的參數可重構嵌入式數控係統的（de）設（shè）計。所設計（jì）的數控係統通過參（cān）數（shù）化自動（dòng）編程模塊，實現（xiàn）了根（gēn）據變速箱齒輪的參（cān）數、加工刀具參數和加工過程（chéng）參數自動生成數控（kòng）加工程序，還能夠通過專家（jiā）數據庫優化數控程序中（zhōng）周期性參數的設置，同時（shí）在所設計的數控係統中應用了一套新型的軟件電子變速器，以達到提高多軸同步運動控製精度的目的。實驗結果表明，將所（suǒ）設計的嵌入式數控係統應用於（yú）六軸滾齒機，能夠有（yǒu）效提高變速箱齒輪的加工精度。

關鍵詞：變（biàn）速箱；嵌入式數控機床；參（cān）數自動編程；專（zhuān）家數據庫；電子齒輪箱

０引言

變速箱是機械設備的重要基礎部件，廣泛用（yòng）於船舶，汽車，飛機，農業設備，工程機械，采礦設備和電力設備等。變速箱對加工精度要求較高（gāo），通常使用數控機床實現對變速箱的高精度加工。數控機床的多（duō）軸同步運動的（de）控製精度是影（yǐng）響變速箱加工精度的（de）主要因素［１－３］。傳統的數控機床都使用機械傳（chuán）動鏈來控製直線運動和旋轉運（yùn）動，以實現（xiàn）運動軸的準確（què）跟隨運動［４－６］。因此傳動鏈上每個部件的磨損、熱偏轉、參數設置誤差（chà）都會（huì）降低（dī）連續運動精（jīng）度［７－８］。

一些（xiē）研（yán）究成果表明，利用（yòng）嵌入式（shì）係統的（de）巨大運算能力能夠有效補償（cháng）機床動態誤（wù）差，提（tí）高數控機床的控製精度。文獻［８］中提出了一種（zhǒng）基於關鍵實時任務輸出抖動的模糊反饋調度算法，以解（jiě）決嵌入式（shì）係統實（shí）現中，由係統（tǒng）資源（yuán）和處理器使（shǐ）用限製引起的不確定（dìng）性因素。文獻［９］將（jiāng）可重構邏輯被應用在高速ＣＮＣ數字控製器中，以滿足數控機床中伺服（fú）回路的實時性要求。文獻［１０］在ＣＮＣ中利用以太網Ｐｏｗｅｒ－ｌｉｎｋ通信（xìn）總線實現了控製組件接口在實時操作（zuò）係統下運行。文獻［１１］針對不同的應用領域，基於嵌入式（shì）技術（shù）引入了一些專用數控係統硬件和軟件結構。該研究表明，與通用機床相比，專用機床對（duì）齒輪等特殊部（bù）件的（de）加工具有效率高和精度好的優點。基於上（shàng）述研究（jiū），在傳（chuán）統數控係統中引入嵌入式硬（yìng）件平台，開發了（le）變速箱加工專用數控係統（tǒng）。該係（xì）統基於變速箱齒輪加工工藝（yì）的特點，設計出具有柔（róu）性加工功能的電子齒輪箱（ＥＧＢ）功能模塊，以充分適應不同（tóng）變速箱齒輪加工工藝的要求。該係（xì）統通過參數化（huà）自動（dòng）編程，實現自動生成（chéng）加工數控程（chéng）序的功能（néng）。並利用專家數據優化加工參數（shù），提高數控程序的可靠性。最後通過實驗對（duì）所設計的數控係統的（de）有（yǒu）效性進（jìn）行驗證。

１、硬件平台（tái）和軟件框架

對於高性能嵌入式數控係統而言，數控係（xì）統開發人員可以（yǐ）將新技術集成起來，具有很強的適用性和開放性，用戶可（kě）以輕鬆（sōng）地（dì）進行二次開發，擴展係統的功能。根據實際加工要求，可以將結構切割成各種（zhǒng）齒輪加工數控係統［１２－１４］。本文的ＡＲＭ和（hé）ＤＳＰ組成的數控係統（tǒng）的（de）硬件結構如圖１所示（shì）。

圖１數控係（xì）統平台的硬件結構

２個芯片的（de）型號分別為ＡＲＭＥＰ９３１５和ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｃ６７１３。ＤＳＰ芯片完成複雜的（de）數（shù）學運算和實時任務，包括位置控製，插值（zhí）計算和ＰＬＣ控製。ＡＲＭ芯片完成人機交（jiāo）互和界麵管理，如（rú）代碼編程，參數設置和狀態顯示（shì）。係統前台ＡＲＭ與後台ＤＳＰ之（zhī）間的數據交換通過ＨＰＩ實現。

完整的數（shù）控係統包括各種類型的任（rèn）務：周期（qī）性的（de）實時任務，如位置控製、插補計算和（hé）ＰＬＣ控製；非周期性的實時任務，如係統狀態顯示、報警檢測和數據交換；非實（shí）時任務，如參數管理、代碼編譯和文件管理。實時任務具有並發（fā）性（xìng）特征，並且同時執行。因此，需要一（yī）個實時操（cāo）作（zuò）係統（ＲＴＯＳ）來管理（lǐ）和調度多任務環境中（zhōng）的實時任（rèn）務［１５－１６］。為了完成數控係統，除（chú）了硬件結（jié）構之外，還（hái）應該設計軟（ruǎn）件。

圖２所示的軟件分為前台係統軟件和後台軟件２部分，運行在具有不同（tóng）工作頻（pín）率和不同處理器（qì）的（de）內存上。通過使用不同的芯片可以充分發揮其（qí）優點，從而獲得高性能。將（jiāng）ＷｉｎＣＥ操作係（xì）統移植到具有強大（dà）事務管理能力的ＡＲＭ內核。ＡＲＭ芯片上（shàng）運行（háng）的應用軟件包括參數管理、文件管（guǎn）理、狀態和報警信息顯示、自動編程（chéng）和圖形模擬功能。內核層實時（shí）控製軟件運行在ＤＳＰ（

ＴＭＳ３２０Ｃ６７１３）上，ＢＩＯＳ部（bù）署在ＤＳＰ內核（hé）上，以獲得較高的控製（zhì）精度。控製軟件（jiàn）主要由（yóu）３個（gè）周期性實時任（rèn）務：位置控製；插補和ＰＬＣ控製組成，其運（yùn）行周期分別（bié）設置為０．２５

ｍｓ，１ｍｓ和１０ｍｓ。

圖２數控係統的軟件架構

２　、參數化自動編程

參數化智能自動編程功能模塊的結構如圖３所（suǒ）示。用戶隻需設置（zhì）齒輪參數（如齒輪類型，齒輪特征參數），刀具參數（如刀具類型，刀具特征參數）和切削循（xún）環參數。然後（hòu）通過自（zì）動編程（chéng）模塊獲（huò）取加工程序（xù），通過圖形仿真驗證ＮＣ代碼的正確（què）性。齒（chǐ）輪可以加（jiā）工包括圓柱（zhù）齒輪，鼓齒輪，小（xiǎo）錐齒輪，非圓齒輪，螺旋錐齒輪和齒條。特征參數包括齒數、模數、壓力角、螺旋角和齒寬等。不同齒輪對象的刀具參數不同。生成並（bìng）通過動態驗證（zhèng）後（hòu），加工代（dài）碼將通過ＨＰＩ下載到指令緩衝區，數據結構可由（yóu）ＤＳＰ識別。這些代碼將（jiāng）在ＤＳＰ中得到執行。通過編譯（yì）預處理，加減速實時處理（lǐ），插補實時（shí）計算（suàn）得到（dào）用於控製機床軸運動的實時位置控製數據。根據（jù）插補數據，齒輪輪廓將（jiāng）被加工。

在獲得加工（gōng）代碼之前，可以通過手動模式或（huò）自動查詢模式輸（shū）入切削參數。在（zài）過程數（shù）據庫的支持下，可以自（zì）動選擇切削參數，如（rú）主（zhǔ）軸轉速、進給（gěi）速率和切削（xuē）方式。對於具有不同力學性能的各種齒輪，使用專家（jiā）知識選擇的參數將是最佳的，並且它們將提供（gòng）最理想（xiǎng）的精度和效率。

圖３智能自動編程模塊的軟件體係結構

３、變速（sù）箱加工工藝專家數據庫

齒輪加工過程數據庫是一個（gè）數據管理軟件，包括齒輪刀具信息，齒輪（lún）零件信息和切削（xuē）過程信息。它具有數據定義（yì）、數（shù）據（jù）輸入、數（shù）據修改、數據刪除、數（shù）據查詢、數據（jù）輸出、數據（jù）管理和數據分析等功能，為齒輪加工提供幫助。該（gāi）數據庫主要由用（yòng）戶前台操作界麵（miàn）和後台數據操作功（gōng）能組成，作（zuò）為功能模塊內置於數控係（xì）統軟件中。其結（jié）構如圖（tú）４所示。

圖４變速箱加工工藝專家數據庫（kù）功能模塊

數據和模型是專家數據庫（kù）係統的（de）２個重要組成（chéng）部分。數據是變速箱加工的（de）基礎（chǔ）信息，數據模型是獲得最佳切削工藝參數的分析（xī）方法。在數據庫中，通過加工過程手冊（cè），實驗和實際生產（chǎn）收（shōu）集數據。采用關係模型分析（xī）齒輪、刀具、機床和切削工藝參數的相關性。與網（wǎng）絡模（mó）型和層次模型相（xiàng）比（bǐ），關係模型的結構簡單，並（bìng）且使用（yòng）二維關係表來描（miáo）述實體之間的關係。它基於嚴格的數學基礎，每個屬性又是不可分割的，因此可以更好地保證數據的完整性和數（shù）據的一致性（xìng）。

變速箱加工過程數據庫設計工作主（zhǔ）要包括需求分析，概念設計，結構（gòu）設計和物理設計。根據齒輪加工應用要求，首先要建立齒輪（lún）特（tè）征信（xìn）息表，切削刃特征信息表，切削（xuē）過程參（cān）數表，機床信息（xī）表。主要特征需要包含在這（zhè）些表格中，以便獲得最佳結果。物理設計是（shì）在係統資源的限製下，開發適合嵌入式數控係統的存儲結構和方法。對於所提出的硬（yìng）件結構，數據庫是通（tōng）過基於ＳＱＬｉｔｅ３的Ｖｉｓｕａｌ　Ｓｔｕｄｉｏ　ＶＣ＋＋編程環境進行設（shè）計和開發的。如前所述，ＣＮＣ內（nèi）置的數據庫可以支持自動編程（chéng）模塊以（yǐ）獲得最佳加工程序。此外，還可以用來為技術人員提供一個獨立模塊的指導。對於用戶來說，它可以帶來足夠的便利（lì）來保（bǎo）存、管理和優化加（jiā）工參數。同樣，係統也可以通過積累加工大數據來實現智（zhì）能化數控加工（gōng）。

４　、高精度軟（ruǎn）件電子變速箱

電子齒輪箱（ＥＧＢ）通過高性能微處理（lǐ）器取代了機械傳動鏈，大（dà）大提（tí）高了機械係（xì）統的靈（líng）活性和傳動精度。ＥＧＢ軟件是用（yòng）來取代複雜的硬件邏輯電路（lù），任（rèn）何傳動率都可以在理論上被ＥＧＢ所（suǒ）實現。值（zhí）得注意的是，數控係（xì）統的穩定性和靜態誤差並沒有在ＥＧＢ中得到有（yǒu）效解（jiě）決。對於變速箱加工，變速齒輪形狀可以通過刀具主軸、工件主軸和進給軸的同步運動形成。變速箱齒輪加工精度主要取決於同步精度。為了實現多軸同（tóng）步（bù），采用（yòng）了複合結構ＥＧＢ。在（zài）ＥＧＢ中，根據安裝在刀軸上的編碼器的反饋數據和其他進（jìn）給軸的指令數據，計算出從動軸的下列位置和速度指令。然後，所有軸的實時（shí）指令被發送到位置控製器以驅動這些軸。每種齒輪加工方法都對應於ＥＧＢ結（jié）構（gòu）。

圖５滾齒（chǐ）機的整體結構

提出了適（shì）用（yòng）於齒輪加工數控係（xì）統的齒輪銑削（xuē），成型、滾銑、磨削和研磨加工過程的ＥＧＢ。在此，將闡（chǎn）述用於變速（sù）箱滾（gǔn）齒的ＥＧＢ。滾齒機的整體結構如圖５所示。圖５中，滾刀主軸Ｂ、工（gōng）件主軸Ｃ和軸向進給軸Ｚ是最上麵的成形運動軸。Ｙ是用於更換刀（dāo）片的（de）滾刀末端軸。Ｘ是實現全（quán）齒深切的徑向進給軸。Ａ是滾刀安裝角度調整（zhěng）軸，它是具有不同螺（luó）旋角度的（de）齒輪的（de）變體（tǐ）。Ｃ軸主（zhǔ）要跟隨（suí）滾刀軸Ｂ的運動，Ｂ與Ｃ之間的（de）關係滿足：

ｎＢ為滾刀主軸Ｂ的速度；ｎＣ為工件主軸Ｃ的跟隨速度；ＺＢ為滾刀的螺紋數；ＺＣ為工件齒輪的齒（chǐ）數；ＫＢ的值是根據旋（xuán）轉滾刀主軸的方（fāng）向來確定。當變速箱齒輪達到設計齒寬時，滾刀需要沿進（jìn）給軸Ｚ移動，此時在Ｃ軸上增加一個額外的運動，可以根據Ｚ軸的行程距離獲得附（fù）加的值（zhí）。類似地，當采用對角線滾（gǔn）邊加工方法時，Ｙ軸引起附加的運動。在Ｃ軸上（shàng）的附加運動值為（wéi）：

ΔθＣ是（shì）由（yóu）Ｚ軸和Ｙ軸引起的附加移動；Δｚ是Ｚ軸（zhóu）的移動距離；Δｙ是Ｙ軸的移動距離（lí）；ＺＣ是齒輪齒數；β為加工齒輪的螺旋角；λ為滾刀安裝（zhuāng）角度；ＫＺ和ＫＹ的值根據β，Δｚ和 Δｙ

分別取“＋１”或“－１”。結合式（１）和式（２），滾刀ＥＧＢ同（tóng）步關係為（wéi）：

θＣ，θＢ，ｚ和ｙ分別（bié）表示Ｃ軸的跟隨（suí）角度位置、滾刀主軸的移動角度（dù）位置、Ｚ軸的移動距離和Ｙ軸的移動距離。θＢ，ｚ和ｙ的值可（kě）以從插值結果中獲得，因此隻需要定義ＺＢ，ＺＣ

，ｍｎ，β和λ的（de）指令在內（nèi）的指令即（jí）可通知ＣＮＣ係統，並且θＣ可以是自動獲得。特殊代碼Ｇ８１定義為（wéi）打開ＥＧＢ並限製（zhì）所有機床軸的運（yùn）動關係。Ｇ８０被定義為關閉ＥＧＢ並取消同步約束（shù）。

當ＥＧＢ有效時，Ｃ軸隨動Ｙ軸、Ｚ軸和Ｂ軸的運（yùn）動，其（qí）關係符合式（３）。如果Ｇ８１無效，Ｃ軸將是一個通用軸。因此，變速箱數控加工係統也可以作為（wéi）傳統的通用數控（kòng）係統，如車床（chuáng）、銑床和加工中（zhōng）心。ＥＧＢ的實現過程如圖６所示。

圖（tú）６ＥＧＢ的實現過程

當檢測到ＥＧＢ指令（lìng）時，同步數據信息被存儲在環形指令（lìng）緩衝（chōng）器中。最（zuì）終的位置控製數據（jù）被發送到位置控製器以驅（qū）動機床，在預見計數過程，加（jiā）速／減（jiǎn）速控製，粗（cū）略插補（bǔ）和精細插補之後。被存儲在環形指令緩衝器中。最（zuì）終的位置控（kòng）製數據被發（fā）送到（dào）位置控製器以驅動機床（chuáng），在（zài）預見計數過（guò）程（chéng），加速／減速控製（zhì），粗略插（chā）補和精細插補（bǔ）之後。

５　、性能驗證

所（suǒ）提出的關鍵技術在水平六軸滾齒機的滾（gǔn）齒試驗中得到驗證。該滾齒機用內部開放式嵌入式齒輪（lún）加工數控係統，采用 “ＡＲＭ＋ＤＳＰ”硬（yìng）件結構。滾齒機（jī）實驗平台的整體結構如圖７所示。

圖７實驗平台的整體結構

所有（yǒu）軸均由交流伺服電機驅動，其控製方式為速度控製方式。數控係統的硬（yìng）件和軟件結構在前一節中介紹。數控係統的主要功能是精確控製機床完成滾齒，包括加工程序生成（chéng）、信息管理、機床監控狀態顯示、發送運動控製指令、接（jiē）收反饋信息控製滾齒機。表１總（zǒng）結了伺服電機參數以及每（měi）個機床（chuáng）軸的機床結（jié）構參數。

表１每（měi）個機床軸的伺服電機和結構參數

進（jìn）給和主軸伺服編（biān）碼器分（fèn）別產（chǎn）生2000和1000個脈衝，而編碼器信號通過四倍頻電路進行（háng）細分。數控（kòng）係統（tǒng）基於使用右向滾刀加工右軸齒輪進行性能測（cè）試。對變速箱齒輪進行機械加工時，主軸轉（zhuǎn）速達到1000ｒ／ｍｉｎ，並分別以10ｍｍ／ｍｉｎ和５ｍｍ／ｍｉｎ的軸向和徑向進給速度（dù）進行切削。表２給（gěi）出（chū）了待加工變速箱齒輪的參數和相應使用的滾刀參數。

表２實驗齒輪和刀具參數（shù）

５.１空氣（qì）切割實驗

在自（zì）動編程（chéng）功能模塊中輸入這些參（cān）數後，將自動生成加工代碼。采用軸向滾齒加工方法來驗證變速箱齒（chǐ）輪加工數控係（xì）統的有效性。

圖８Ｘ－Ｚ平麵參考與實際輪廓

圖９Ｃ軸理論與實際位置

在測試過（guò）程中，記錄和比（bǐ）較關節（jiē）軸所（suǒ）需的（de）指令信號和編碼器反饋信號。Ｘ軸、Ｚ軸和Ｃ軸的理論（lùn）和實（shí）際（jì）輪廓分別如圖８和圖９所示。對圖８和圖９中的實驗加工結（jié）果進行分析，可以看（kàn）出，所有的理論位置（zhì）和實（shí）際（jì）位置（zhì）都略有不同，但是每個軸都能夠精確地跟隨位置指（zhǐ）令。實驗中工件（jiàn）的測量（liàng）值滿足式（１）和式（２）的同步（bù）控製要求。

實驗（yàn）中Ｘ軸和Ｙ軸的編（biān）碼器的脈衝分辨率為0.25μｍ，Ｃ軸編碼器的（de）脈衝分辨率為0.006°。整個軸向滾（gǔn）齒加工過程數控係統的Ｘ軸和（hé）Ｚ軸平均跟蹤誤差都小於0.75μｍ，Ｃ軸平均跟蹤誤差為0.0153°，這些誤差都分別（bié）小於對應的編碼器脈衝。很顯然，實驗數控平台能夠滿足變速箱加工的（de）精度要求，可以用來實現變速箱的（de）齒輪高精度加工。對於（yú）用於變速箱加工的多軸輪廓控製係統，輪廓誤差都是評估（gū）控製係統性能的重要評估（gū）指（zhǐ）標。輪廓誤差有螺旋偏差和螺距偏差２方麵。

圖１０　螺旋誤差

由（yóu）圖１０可知，螺旋誤差（chà）的最大值為９．５μｍ，平均螺（luó）旋誤差為１．８μｍ，可以達到變速箱（xiāng）加工的要求。

從（cóng）圖１０可以清楚地看到，參與切削過程的各軸跟蹤誤差足夠小（xiǎo），可以證明實（shí）驗數控平台的跟蹤控製性能。因為齒輪螺旋線是（shì）由Ｚ軸進給，工（gōng）件主軸Ｃ軸和滾刀主軸Ｂ軸使用軸向滾齒方法（fǎ）同步運動而產生的。因此，齒輪加工精度不僅取決於Ｃ軸的跟蹤性能，而且（qiě）還取決於所有軸的同步輪廓控製性能。圖１１和圖１２分別分析了變（biàn）速（sù）箱齒輪加工的節距誤差和螺旋誤差。圖１１中分析的螺（luó）旋誤差可以滿足變速箱齒輪切削的精度要（yào）求。下一（yī）步將通過變速箱齒（chǐ）輪加工實驗進一步說明數控係統的性能。

圖１１　Ｚ軸位置誤差／ｍｍ

圖１２　Ｘ軸位置誤差／ｍｍ

５．２　變速箱齒輪加工測試

在加工測試之前（qián），嵌入式變速箱齒輪加工數控（kòng）係統的性能通過前麵提到的軸向滾齒方式進行驗證。在變速箱齒輪加工（gōng）之前，由於滾齒機采用了半閉環位（wèi）置控製模式，因（yīn）此使用激光幹涉儀（yí）檢測位置（zhì）精（jīng）度，並通過數控（kòng）係統的螺（luó）距誤差和齒隙補償功能進行補（bǔ）償。圖１１和圖１２中顯示了２個主直軸（zhóu）的位置誤差測量結果。結果表明，機床位置誤差完全滿足要求並且範圍較小。參數如（rú）表２的齒輪（lún）和刀具用於加工實驗。４０Ｃｒ工件以４．５ｍｍ的切削深度一次（cì）切削循環切削。切割後，使用齒輪精（jīng）度測（cè）試中心測量螺距誤差（chà）和螺旋誤差。從測試結果來看，左齒麵的最大誤差為６．３μｍ，右（yòu）齒麵的最大誤差為５．１μｍ，滿足設計要求。

６、結束語

提出了一個具有可重構參數的（de）數（shù）控係統。變速箱齒輪數控加（jiā）工係統可以通過簡單的參（cān）數設（shè）置（zhì）用於不同的加工機床。介紹了應（yīng）用於變速箱加工數控係統的關鍵技術（shù），這些技術包括參（cān）數化智能自動編程、專家數（shù）據庫和（hé）高（gāo）精度ＥＧＢ。該係統的軟件結構是在“ＡＲＭ＋ＤＳＰ”硬件平台上（shàng）構建和實現（xiàn）的（de）。為了驗（yàn）證這些功能的有效性，實驗在具有內部嵌入（rù）式數控（kòng）係統的六軸臥式滾齒機上進行了空氣切割狀態和實際加工測試。實驗結果證明了係統能夠有效地應用（yòng）於（yú）變速箱的加工。

雖然所提出（chū）變速箱齒輪數控係統可以（yǐ）滿足變速（sù）箱齒輪加工的要求，但齒輪的每個齒輪的輪廓誤差存在一定的波動範圍。由於輪廓（kuò）誤差可以通過實時預補償解決方案加以提高，因此下一步的研究是（shì）基於（yú）預補償控製算法進一步提高數控係統的加（jiā）工性能。

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