基于硬件在環(huán)的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)

李先江，樊留群，趙建華

(1．同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092)

(2．沈陽(yáng)機(jī)床上海研究院，上海 200433)

傳統(tǒng)的滾齒機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)流程是將開發(fā)的系統(tǒng)連接到滾齒機(jī)床進(jìn)行測(cè)試，故系統(tǒng)開發(fā)周期較長(zhǎng)且需要投入大量的資金，同時(shí)受到周圍環(huán)境的影響，難以覆蓋滾齒機(jī)的全部工況。虛擬制造技術(shù)首先在設(shè)計(jì)階段利用計(jì)算機(jī)建立三維CAD模型，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，利用虛擬模型能夠在制造前對(duì)產(chǎn)品的外觀、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真。硬件在環(huán)(HIL)仿真技術(shù)可以將實(shí)際控制系統(tǒng)與虛擬機(jī)床模型連接在一起，對(duì)虛擬機(jī)床進(jìn)行全面仿真，特別是在機(jī)電耦合方面，可對(duì)數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的耦合問題進(jìn)行仿真驗(yàn)證［1-2］。目前硬件在環(huán)技術(shù)主要運(yùn)用于汽車電子的開發(fā)，在機(jī)床控制系統(tǒng)方面的應(yīng)用較少，本文首次將該技術(shù)運(yùn)用到滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)中。

滾齒機(jī)床是通過展成對(duì)齒輪進(jìn)行加工，主要通過6根轉(zhuǎn)動(dòng)軸的相互配合形成加工軌跡，完成齒輪加工。隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代滾齒機(jī)床各轉(zhuǎn)動(dòng)軸均由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，采用所謂電子齒輪技術(shù)，這對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)提出了新的要求。i5數(shù)控系統(tǒng)是沈陽(yáng)機(jī)床廠自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠進(jìn)行切削、銑削等加工，但該系統(tǒng)目前尚不支持滾齒加工控制，本文將進(jìn)行滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。Virtuos軟件是ISG公司最新推出的硬件在環(huán)仿真軟件，國(guó)內(nèi)尚無學(xué)者對(duì)其進(jìn)行介紹和運(yùn)用。由于沈陽(yáng)機(jī)床廠目前尚無滾齒機(jī)物理機(jī)床，為了節(jié)約企業(yè)開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，本文將利用Virtuos軟件運(yùn)用硬件在環(huán)仿真技術(shù)進(jìn)行滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。

1 基于虛擬樣機(jī)的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)流程

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬制造(Virtual Manufacturing)技術(shù)在統(tǒng)一模型之下對(duì)設(shè)計(jì)和制造等過程進(jìn)行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動(dòng)態(tài)的數(shù)字模型之上［3］?，F(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅是運(yùn)動(dòng)、功能和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，還必須考慮所設(shè)計(jì)的機(jī)床動(dòng)態(tài)性能如何，甚至在機(jī)床沒有制造出來以前就能夠進(jìn)行虛擬加工，預(yù)測(cè)其動(dòng)態(tài)性能，這就要借助虛擬機(jī)床來進(jìn)行仿真。利用數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床和加工過程三者的協(xié)同仿真模型，可以預(yù)測(cè)機(jī)床在當(dāng)前加工條件下的工件表面質(zhì)量和加工過程的穩(wěn)定性。目前市面上的虛擬機(jī)床仿真解決方案需要在多個(gè)軟件中進(jìn)行處理，要花費(fèi)大量時(shí)間建立模型和處理轉(zhuǎn)換工作，建立起的虛擬機(jī)床也不能直接和真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合建立起HIL仿真環(huán)境。德國(guó)斯圖加特大學(xué)機(jī)床與控制技術(shù)研究所(ISW)及其工業(yè)控制技術(shù)公司(ISG)開發(fā)的Virtuos虛擬機(jī)床仿真軟件，是在一個(gè)平臺(tái)下建立包含機(jī)電耦合的虛擬機(jī)床，具備實(shí)時(shí)仿真性能，并能方便地和真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行連接。Virtuos仿真系統(tǒng)硬件由仿真計(jì)算機(jī)和安裝在其上的總線從站組成，從站模擬伺服和I/O，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)中的虛擬機(jī)床與真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)的交互。在該仿真系統(tǒng)當(dāng)中可以建立虛擬樣機(jī)的控制模型和可視化模型，并能進(jìn)行仿真操作，如圖1所示。

圖1 Virtuos軟件系統(tǒng)組成

基于虛擬樣機(jī)的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。首先分析滾齒機(jī)控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，明確滾齒機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù);其次根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)制定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并制定出規(guī)范的設(shè)計(jì)開發(fā)文檔供后期詳細(xì)開發(fā)使用。此步驟完成后，將進(jìn)行的開發(fā)工作包括兩方面:軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。本文在i5數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，其功能模塊主要包括算法和數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面、位置控制、PLC控制等，設(shè)計(jì)過程中需要考慮機(jī)床操作者的使用習(xí)慣及企業(yè)的其他相關(guān)要求［4］。軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)完成后均需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，若無問題則將二者合成在一起。系統(tǒng)合成之后可以利用三維設(shè)計(jì)軟件建立滾齒機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，使用硬件在環(huán)軟件Virtuos建立運(yùn)動(dòng)控制模型，并將這2個(gè)模型與滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)連接進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試，測(cè)試包括滾齒機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)特性分析和數(shù)控系統(tǒng)兼容性測(cè)試。經(jīng)硬件在環(huán)仿真分析無誤后，可對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，若無問題則可投入使用。

圖2 基于虛擬樣機(jī)的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)流程

2 滾齒機(jī)虛擬樣機(jī)及控制模型的建立

本文采用Solid Works軟件對(duì)滾齒機(jī)核心部件進(jìn)行建模。為了提高仿真效率，建模過程中省略掉其他一些不必要的部件。滾齒機(jī)模型如圖3所示。該滾齒機(jī)床有 X，Y，Z，A，B，C 軸，其中 X，Y，Z 3 軸可實(shí)現(xiàn)平動(dòng)，A，B，C 3軸可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 滾齒機(jī)床三維模型圖

Virtuos軟件本身提供了豐富的控制模型庫(kù)和機(jī)床三維模型庫(kù)，可直接用于構(gòu)建虛擬機(jī)床，當(dāng)然機(jī)床的三維模型也可通過其他CAD軟件建立然后導(dǎo)入，比如MATLAB/Simulink文件建立的虛擬機(jī)床模型。Solid Works和Virtuos都支持vrml格式文件，故將上述Solid Works所創(chuàng)建的滾齒機(jī)三維模型保存為vrml格式文件，然后將文件導(dǎo)入到VirtuosV(該模塊可建立機(jī)器的三維可視化模型，也可從其他軟件中導(dǎo)入模型，可查看三維模型的運(yùn)動(dòng))中進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真［5］。

在完成機(jī)構(gòu)仿真后進(jìn)行VirtuosM(Virtuos軟件中支持圖形人機(jī)界面的仿真核心模塊，用戶可在其中建立機(jī)器的控制模型并查看各參數(shù)圖表)仿真工作。首先根據(jù)機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)情況定義各個(gè)運(yùn)動(dòng)傳遞環(huán)節(jié)傳動(dòng)鏈。根據(jù)圖3中滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)所示，滾齒機(jī)中的X軸帶動(dòng)Z軸，Z軸帶動(dòng)A軸，A軸帶動(dòng)Y軸，Y軸帶動(dòng)B軸，通過五軸聯(lián)動(dòng)形成復(fù)合展成運(yùn)動(dòng)，C軸以固定速率帶動(dòng)齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)齒輪的加工。根據(jù)以上運(yùn)動(dòng)，建立如圖4所示的運(yùn)動(dòng)鏈圖。

圖4 滾齒機(jī)床控制模型運(yùn)動(dòng)鏈圖

然后在VirtuosM中定義接口模塊，建立與總線接口之間的連接。本文選用的i5數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器的接口為EtherCAT，Sercos協(xié)議。因?yàn)閂irtuosV中的滾齒機(jī)三維模型的6根軸將按照VirtuosM中對(duì)各軸的輸入?yún)?shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此圖4中的傳動(dòng)鏈信號(hào)輸入接口均與VirtuosM中各軸的輸入輸出信號(hào)接口相互對(duì)應(yīng)。以Y軸為例，其Sercos接口如圖5所示。通過Sercos總線接口，控制模型可以接收滾齒機(jī)CNC發(fā)出的驅(qū)動(dòng)指令。

圖5 滾齒機(jī)床Y軸Sercos接口示意圖

此外，需要將VirtuosV導(dǎo)入的運(yùn)動(dòng)型模型和VirtuosM中的控制學(xué)模型進(jìn)行連接。VirtuosM和VirtuosV之間的連接是通過公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu) (Common Object Request Broker Architecture，CORBA)服務(wù)器(Server)進(jìn)行［6］，CORBA 是一種用于在不同程序設(shè)備間通訊的面向?qū)ο蟮闹薪?，?shù)據(jù)通過TCP/IP傳輸。

3 滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)及硬件在環(huán)仿真分析

i5數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)是基于Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，使用Visual C++作為開發(fā)工具，是基于總線技術(shù)高度開放的系統(tǒng)，允許用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和修改，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)界面和CNC的客戶化和智能化定制［7］。

本文基于i5數(shù)控系統(tǒng)建立了支持自動(dòng)編程功能的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。在Linux環(huán)境下采用C++語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)中各功能界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中參考西門子840D和FANAC等數(shù)控系統(tǒng)的編程格式及人機(jī)界面，以簡(jiǎn)潔實(shí)用為指導(dǎo)思想對(duì)滾齒機(jī)人機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)人機(jī)界面包括用戶輸入、系統(tǒng)輸出、加工仿真、系統(tǒng)管理4大模塊。用戶輸入模塊可設(shè)置加工計(jì)劃、齒輪參數(shù)、滾刀參數(shù)、工件參數(shù)和工藝流程等信息。系統(tǒng)輸出主要包括機(jī)床信息、編程代碼及仿真結(jié)果、報(bào)警信息、系統(tǒng)日志等信息。加工仿真模塊可以在生成CNC程序代碼后進(jìn)行圖像化模擬仿真。系統(tǒng)管理模塊中包含了文件管理、工藝支持庫(kù)和運(yùn)算庫(kù)管理、生產(chǎn)管理和機(jī)床信息管理，在該模塊中可以添加、刪除、查看、轉(zhuǎn)發(fā)各種相關(guān)信息，系統(tǒng)還設(shè)置了密碼保護(hù)裝置，根據(jù)權(quán)限不同能執(zhí)行不同級(jí)別的指令［8］。操作人員只需在系統(tǒng)中輸入齒輪的相關(guān)參數(shù)、工件參數(shù)、滾刀參數(shù)等信息，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)根據(jù)用戶選擇的工藝路線(工藝庫(kù)也提供工藝支持)迅速生成工件的CNC加工代碼，代碼生成之后可在系統(tǒng)中查看其仿真加工軌跡。

在Virtuos軟件中完成了三維模型及控制模型的建立與連接之后，將i5數(shù)控系統(tǒng)與Virtuos軟件建立連接并實(shí)施硬件在環(huán)仿真分析。本文采用德國(guó)Beckhoff公司生產(chǎn)的PCI-FC9002組件作為相互之間的連接橋梁，如圖6所示。

圖6 i5數(shù)控系統(tǒng)與Virtuos連接圖

以加工一個(gè)斜齒圓柱齒輪為例，齒輪法面模數(shù)為16mm，齒數(shù)為 92，螺旋角 28°，齒寬為 240mm，材料為20CrNi2MoA，驗(yàn)證本系統(tǒng)的自動(dòng)編程功能。在將待加工齒輪各相關(guān)參數(shù)輸入滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之后，系統(tǒng)將自動(dòng)生成加工齒輪的G代碼，如圖7中所示。以下為系統(tǒng)生成的部分代碼:

圖7 滾齒機(jī)自動(dòng)編程系統(tǒng)界面

PROC HOBBING(VAR REAL R60，VAR REAL R61，VAR REAL R62)//定義單個(gè)零件加工子程序

R40=15 //滾刀安裝角

R21=45 //竄刀量

R22=640 //竄刀極限

G00 X 869，Y-436，Z 1690

A 15

EGCNL(C)

EGDLT(C)

EGNEW(C，B，1，Y，1，Z，1)

EGSRT(C，"PRECISE"，B，2，92，Y，5．4051，92，Z，3．3623，92)

F 55

滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的CNC組件將數(shù)控指令傳送到Virtuos軟件中，VirtuosV中的虛擬樣機(jī)模型根據(jù)收到的指令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，i5數(shù)控系統(tǒng)控制面板上顯示齒輪的加工情況，如剩余加工齒輪的個(gè)數(shù)等情況。在VirtuosM中可以通過監(jiān)控界面查看滾齒機(jī)虛擬樣機(jī)中各軸的運(yùn)動(dòng)情況并能查看其硬件在環(huán)仿真的結(jié)果。由于滾齒機(jī)床構(gòu)造比較特殊，且滾刀是多刃刀具，加工時(shí)依靠各軸相互配合方可完成，需要對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡及干涉的問題進(jìn)行驗(yàn)證［9］。以滾齒機(jī)中的Y軸為例，該軸被施加一組階躍信號(hào)，其仿真結(jié)果如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，每一格為0．01s，縱坐標(biāo)為Y軸位移的大小。仿真結(jié)果顯示Y軸的位移曲線在0．03s后達(dá)到理想狀態(tài)，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，且后期運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

圖8 Y軸硬件在環(huán)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所開發(fā)的自動(dòng)編程系統(tǒng)經(jīng)仿真表明具有較好的穩(wěn)定性，能夠完成對(duì)滾齒機(jī)的正確控制，通過自動(dòng)編程系統(tǒng)生成的G代碼，能夠?qū)崿F(xiàn)齒輪的正確加工。今后將圍繞優(yōu)化仿真分析，對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行全面仿真，同時(shí)對(duì)滾齒機(jī)的模型進(jìn)行不斷完善，以得到更優(yōu)的控制參數(shù)。

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