開放式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺在數(shù)控滾齒機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用

李亞靜 上海開通數(shù)控有限公司（200233）

李亞靜（1973年～），女，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事數(shù)控技術(shù)研發(fā)。

0 引 言

齒輪是機(jī)械行業(yè)量大面廣的基礎(chǔ)件，因此，隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對其在加工精度、效率等方面的要求也越來越高，滾齒加工是所有齒輪加工方法中最主要的一種，滾齒機(jī)約占所有齒輪加工機(jī)床的45%。齒輪加工有其復(fù)雜性和特殊性，運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜、調(diào)整因素多、影響加工精度的因素多，所以齒輪加工機(jī)床對數(shù)控系統(tǒng)的要求更高、更特殊。

開發(fā)數(shù)控滾齒機(jī)床是當(dāng)今齒輪機(jī)床的發(fā)展方向，滾齒機(jī)數(shù)控化后使機(jī)床結(jié)構(gòu)及控制發(fā)生了革命性的變化，而數(shù)控系統(tǒng)是其核心，數(shù)控系統(tǒng)正朝著開放式、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，并滿足對高速度和高精度數(shù)控加工的要求。目前數(shù)控領(lǐng)域使用的控制系統(tǒng)一般多為通用型，但對一些特殊的機(jī)床如專用磨床、齒輪加工機(jī)床等往往需要有專用界面以及一些特定的功能模塊，這樣才便于對設(shè)備進(jìn)行操作和管理，更好地發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢。

針對目前國內(nèi)滾齒機(jī)配置的大多是國外的通用數(shù)控系統(tǒng)，存在著價(jià)格昂貴等諸多因素，我們對滾齒加工的特點(diǎn)進(jìn)行了分析研究，開發(fā)了電子齒輪箱功能，在自主研發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺上開發(fā)了滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)并且應(yīng)用于生產(chǎn)。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺架構(gòu)

數(shù)控技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是數(shù)控軟件的開發(fā)，一個(gè)好的數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺是數(shù)控技術(shù)能持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。在總結(jié)了多年來國外先進(jìn)的開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)之后，我們研究了開放式數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，完全自主創(chuàng)新建立了基于Windows和Linux雙操作系統(tǒng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺，在這個(gè)平臺上開發(fā)了基于總線技術(shù)的中高檔數(shù)控系統(tǒng)，它具有很好的開放性和靈活性，能較快適應(yīng)用戶設(shè)備的各種個(gè)性化需求。

系統(tǒng)的下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制單元可以配置各種上位機(jī)，包括嵌入式數(shù)控系統(tǒng)顯示單元、臺式電腦/筆記本電腦、工業(yè)計(jì)算機(jī)等。上、下位機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口（TCP/IP）進(jìn)行通信，平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺架構(gòu)

平臺開放性主要體現(xiàn)在四個(gè)層次：

第一層為內(nèi)核層：由于運(yùn)動(dòng)控制與邏輯控制任務(wù)工作在實(shí)時(shí)內(nèi)核中。該平臺采用編譯執(zhí)行的PMC與PLC編程語言，允許用戶定制實(shí)時(shí)控制任務(wù)，編寫復(fù)雜的軌跡插補(bǔ)算法。編譯執(zhí)行的方式確保了系統(tǒng)級任務(wù)的運(yùn)行效率。

第二層為插件層：由于該平臺采用模塊化設(shè)計(jì)。用戶可以使用高級語言編寫插件模塊運(yùn)行在系統(tǒng)程序的后臺或前臺。通過高級語言，可以將操作系統(tǒng)外圍硬件以及第三方軟件的資源與控制系統(tǒng)無縫整合在一起，使系統(tǒng)功能得到充分的延伸。

第三層為組態(tài)層：該平臺提供腳本語言編程接口以及基于XML的操作界面描述語言。通過這個(gè)接口，用戶無需掌握專業(yè)的編程知識，就可以定制界面并可以實(shí)現(xiàn)基于菜單按鈕的人機(jī)交互。這一層次主要面向控制系統(tǒng)的現(xiàn)場工程師和高級用戶。他們往往掌握豐富的工藝經(jīng)驗(yàn)，但是并不懂得軟件編程技術(shù)。ONCASP的腳本和組態(tài)工具有效地降低了系統(tǒng)的二次開發(fā)的門檻。

第四層為網(wǎng)絡(luò)層：基于以太網(wǎng)的Socket接口，該平臺可以向網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)廣播控制系統(tǒng)的狀態(tài)，并可接收經(jīng)過加密的控制指令。通過無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，對該平臺的監(jiān)控可以擴(kuò)展到智能移動(dòng)終端。管理人員在工廠的每一個(gè)角落均可以實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)。

以上幾個(gè)開放層次，使該平臺滿足了不同層次的用戶需求，并能適應(yīng)靈活多變的應(yīng)用場合。

在工業(yè)控制中廣泛使用的具有圖形用戶界面的操作系統(tǒng)主要是Windows和Linux兩種。該平臺能夠在這兩種不同的操作系統(tǒng)中運(yùn)行，并且在不同的操作系統(tǒng)中，基于該平臺所開發(fā)的應(yīng)用軟件能夠表現(xiàn)出相似的視感和操作方法。

2 數(shù)控滾齒機(jī)系統(tǒng)軟硬件介紹

數(shù)控滾齒機(jī)系統(tǒng)基于嵌入式平臺開發(fā)，選用嵌入式ARM9控制器（上位機(jī)）和32位ARM7作為核心的運(yùn)動(dòng)控制板（下位機(jī)）構(gòu)成雙CPU結(jié)構(gòu)，顯示單元和運(yùn)動(dòng)控制單元呈分體結(jié)構(gòu)，通過10/100M自適應(yīng)高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線進(jìn)行通信，既具有運(yùn)動(dòng)控制器高性能、高可靠性、低成本的優(yōu)點(diǎn)、又具有基于PC的開放式控制器可擴(kuò)展性好、易維護(hù)、易開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)軟件采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)模式：上位機(jī)軟件基于WinCE5.0操作系統(tǒng)平臺，用C語言開發(fā)，負(fù)責(zé)人機(jī)界面，PLC和G代碼解析等非實(shí)時(shí)性任務(wù)。下位機(jī)基于ARM7硬件平臺，用C語言開發(fā)多軸聯(lián)動(dòng)實(shí)時(shí)控制軟件，完成插補(bǔ)運(yùn)算和位控等實(shí)時(shí)性任務(wù)，是典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。下位機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制，采用ARM7為核心CPU，多級中斷控制結(jié)構(gòu)，位置控制周期為1ms，因此位置采集精度高、系統(tǒng)性能好。

上、下位機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)總線連接，采用UDP通訊協(xié)議，100M全雙工模式，可同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)幀，采用CRC校驗(yàn)。這種結(jié)構(gòu)具有很好的靈活性，配置形式非常豐富。減少了電纜的連接，提高了數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多臺機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)控制，構(gòu)成由多臺機(jī)床組成的柔性生產(chǎn)線。目前，國外數(shù)控系統(tǒng)大都采用專用高速總線直接和專用的伺服驅(qū)動(dòng)器連接通信，控制系統(tǒng)和交流伺服、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自行配套。如Fanuc采用HSSB高速串行總線，西門子的PROFIBUS DP總線，三菱重工的CCLink總線，安川電氣的Mechatrolink總線。這些公司采用的都是專用封閉的總線，其余的廠商如博世（原INDRAMAT）和海登海因的數(shù)控系統(tǒng)采用SERCOS標(biāo)準(zhǔn)總線，也可配置PROFIBUS DP總線。較新的EtherCAT以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，直接和伺服驅(qū)動(dòng)器上的以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信。這些產(chǎn)品的性能好，但價(jià)格非常高，性價(jià)比不高。而該產(chǎn)品特點(diǎn)是數(shù)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)和運(yùn)動(dòng)控制器連接通信，伺服驅(qū)動(dòng)器是通用產(chǎn)品，受運(yùn)動(dòng)控制器控制。因此具有開放性好、性價(jià)比高、競爭力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)控滾齒機(jī)系統(tǒng)可控制五個(gè)伺服軸（X、Y、Z、A軸+主軸），支持5路編碼器反饋通道，4軸聯(lián)動(dòng)，可以通過CAN總線擴(kuò)展通用IO和AD/DA端口，如圖2所示。

圖2 數(shù)控滾齒機(jī)系統(tǒng)軟硬件示意

3 數(shù)控滾齒機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 滾齒機(jī)加工原理

滾齒加工是按照展成法的原理來加工齒輪的。用滾刀來加工齒輪相當(dāng)于一對交錯(cuò)的螺旋輪嚙合。對于滾齒機(jī)，一般采用四軸數(shù)控系統(tǒng)，四軸分別為：

徑向進(jìn)給軸 (X軸)：實(shí)現(xiàn)工件軸的水平運(yùn)動(dòng)；

軸向進(jìn)給軸（Z軸）：實(shí)現(xiàn)滾刀加工齒輪沿工件軸向的垂直運(yùn)動(dòng)；

工作臺回轉(zhuǎn)軸（C軸）：實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（分齒運(yùn)動(dòng)）；

滾刀旋轉(zhuǎn)軸（B軸）：實(shí)現(xiàn)滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（切削運(yùn)動(dòng)）。

漸開線展開輪廓是由展成法形成的，靠滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，即B、C兩軸的聯(lián)動(dòng)得到齒輪的齒形；為了切出整個(gè)齒寬，滾刀在自身旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，必須沿工件軸線作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即Z軸軸向進(jìn)給形成齒輪的齒寬；同時(shí)，X軸徑向進(jìn)給形成齒輪的齒高。

齒輪加工的關(guān)鍵技術(shù)在于實(shí)現(xiàn)滾刀和工件之間的展成分度運(yùn)動(dòng)關(guān)系，也就是要準(zhǔn)確地滿足兩者之間的速比關(guān)系，即滾刀轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，工件轉(zhuǎn)過L/T 轉(zhuǎn)，如式1所示，B、C兩軸間必須滿足以下運(yùn)動(dòng)關(guān)系：

Nb、Nc分別是滾刀軸度數(shù)和工件軸度數(shù)，L、T分別為滾刀頭數(shù)和工件齒數(shù)。

在加工斜齒輪時(shí)，要求在完成分齒運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，工作臺（C軸）還要有一個(gè)隨軸向運(yùn)動(dòng)（Z軸）的額外附加運(yùn)動(dòng)，根據(jù)齒輪的螺旋角度對工件軸進(jìn)行補(bǔ)償，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下：

式中，Z-Z軸移動(dòng)距離 P-齒輪螺旋角 Q-齒輪模數(shù)

3.2 基于電子齒輪箱功能實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)滾齒加工

機(jī)床內(nèi)聯(lián)動(dòng)是機(jī)床傳動(dòng)的一種重要形式，要求傳動(dòng)鏈的首端件與末端件滿足一定的傳動(dòng)關(guān)系，以便2個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)滿足加工表面特性的需要。內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈應(yīng)保持傳動(dòng)比的準(zhǔn)確，不能用傳動(dòng)比不準(zhǔn)確的傳動(dòng)副。

機(jī)械內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈常采用的傳動(dòng)副有齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)與滾珠絲杠傳動(dòng)。由于機(jī)械傳動(dòng)鏈中零件的制造和安裝誤差，使得內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈?zhǔn)锥思湍┒思荒馨蠢硐氲膫鲃?dòng)關(guān)系運(yùn)動(dòng)，存在傳動(dòng)誤差。這種誤差是影響加工精度的主要因素，且傳動(dòng)鏈的剛度差，易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，使機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能降低。

由式2可見，在加工斜齒輪時(shí)，輸入和輸出的關(guān)系不再是一個(gè)簡單的單輸入、單輸出的定比傳動(dòng)問題，而是一個(gè)多輸入、單輸出的問題。一般的電子齒輪方式無法解決該類問題。電子齒輪箱能代替機(jī)械齒輪傳動(dòng)鏈，并且能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的傳動(dòng)關(guān)系，為此在滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)了電子齒輪箱功能。

對于數(shù)控滾齒機(jī), 機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸(滾刀旋轉(zhuǎn)B軸、工件旋轉(zhuǎn)C軸、軸向進(jìn)給Z軸、徑向進(jìn)給X軸) 都是數(shù)控的, 基于軟件插補(bǔ)的滾齒加工數(shù)控系統(tǒng)的各軸通過數(shù)控指令經(jīng)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，根據(jù)被加工齒輪和使用刀具的參數(shù)來確定刀具與工件之間特定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。采用電子齒輪箱傳動(dòng)簡化了傳動(dòng)鏈，直接從滾刀軸和進(jìn)給軸上讀取反饋數(shù)據(jù)，取消大量中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，傳動(dòng)誤差大大減少，加工精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的加工方法，它的實(shí)現(xiàn)是滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滾齒加工的核心技術(shù)。

滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了專門用于齒輪加工的固定循環(huán)，G代碼編程格式為：

G81.4 T_ (L_) (Q_) (P_)；電子齒輪箱開啟同步

機(jī)床在進(jìn)行滾齒加工時(shí)，要求建立C軸和滾刀B軸的同步關(guān)系。G81.4就是C軸與B軸的同步指令。

T ：工件齒數(shù)

L ：滾刀頭數(shù)。通過L 的符號來指定工件軸的旋轉(zhuǎn)方向。

Q ：齒輪模數(shù)或者齒距

P ：齒輪螺旋角。

G80.4 ：電子齒輪箱同步解除

3.3 參數(shù)化編程人機(jī)界面

開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究目的就是要解決變化頻繁的需求與封閉的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的矛盾，建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的功能柔性，能夠快速而有效地響應(yīng)新的加工需求，也是今后數(shù)控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

由于齒輪加工機(jī)床有其復(fù)雜性和特殊性，運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，滾齒加工時(shí)調(diào)整因素多、影響加工精度的因素多，所使用的工件參數(shù)、刀具參數(shù)和加工參數(shù)比較多，在加工不同類型的齒輪時(shí)調(diào)整起來非常繁瑣，很容易出錯(cuò)，所以滾齒機(jī)對數(shù)控系統(tǒng)的要求更高、更特殊，這就需要滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面可根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制。

在滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)專用的用戶界面，把參數(shù)直觀地反映到操作界面上。利用滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)提供的參數(shù)編程模板編輯工具就可以滿足這一需求，把繁瑣的工作進(jìn)行簡化。

在滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)編程模板編輯工具軟件中，根據(jù)用戶要求及加工對象特點(diǎn)，建立模板文件，編制好程序，導(dǎo)入系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)編程模板編輯工具軟件界面

用戶只要在滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件界面中調(diào)出適合自己零件加工的模板程序，輸入加工件的齒數(shù)、模數(shù)和螺旋角等相關(guān)參數(shù)，啟動(dòng)后機(jī)床就能自動(dòng)完成零件的加工，操作較為簡便，如圖4所示。

圖4 滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)化編程人機(jī)界面

4 結(jié)語

目前該滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)已應(yīng)用到重慶晨宇四軸數(shù)控滾齒機(jī)上，如圖5所示。

圖5 滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用

采用電子齒輪箱功能來實(shí)現(xiàn)滾齒加工，不僅簡化機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且在一定程度上方便調(diào)整。與普通機(jī)床相比，加工精度提高了1級，加工速度提高了30%，調(diào)整時(shí)間縮短了10%~30%。該滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)以其開放性、友好的人機(jī)界面受到歡迎。

圖13 GME機(jī)柜溫度（二次改造后）

[1] 齒輪制造手冊. 齒輪制造手冊編輯委員會(huì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2] 熊顯文. 基于電子齒輪箱的數(shù)控插齒機(jī)內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27(6)：793-798.