數(shù)控滾齒加工自動編程技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)

溫水房

摘 要：滾齒加工法是齒輪加工中的常用方法之一，而對自動編程技術(shù)的研究也具有十分重要的意義。簡要介紹了數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型，分析了數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，以期為日后數(shù)控滾齒加工工作的順利進行提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控編程；自動編程；滾齒加工；系統(tǒng)開發(fā)

中圖分類號：TG61+2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.024

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)和機械行業(yè)取得了極大的進步，對基礎(chǔ)零件的需求也日益增加。其中，齒輪是機械行業(yè)的重要基礎(chǔ)零件。在齒輪制造加工過程中，數(shù)控滾齒加工是應(yīng)用最廣泛的加工方法，大多采用手工編程，需要人工進行工藝處理、數(shù)值計算、程序編寫、校驗等工作，效率比較低，且容易出錯。而自動編程能夠提高工作效率，所以，對其自動編程技術(shù)展開研究具有十分重要的意義。

1 自動編程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.1 確定對刀點

對刀時，要遵循NC代碼簡單、加工精度高、方便在滾齒機上找正的原則。為了確保滾刀與齒坯之間有正確的位置關(guān)系，需保證滾刀與齒坯剛好接觸，并使?jié)L刀的外徑與吃刀深度線AP相切。

1.2 確定滾刀加工軌跡，計算關(guān)鍵坐標點

以軸向滾切一次循環(huán)逆滾為例，如圖1所示，滾刀的運動軌跡是1→2→3→4.滾刀由參考0點位置快速進刀到位置1，然后，滾刀徑向進給到位置2，工件開始加工。當滾刀軸向運動至位置3，一次進給加工完畢，之后，滾刀退刀至位置4，再退回位置1.由此可見，1，2，3，4這4個關(guān)鍵點非常重要。各個關(guān)鍵點坐標值如圖1所示。

X2＝R＋r－h(huán).

Z2＝Z1.

式（3）中：h為吃刀深度線AP與齒坯最左素線的距離。

關(guān)鍵點3的位置為：

X3＝X2.

Z3＝H－δ2.

式（6）中：δ2為切出行程，即滾刀中心與齒坯下端面的間距。

關(guān)鍵點4的坐標值為：

X4＝X1.

Z4＝Z3.

1.3 滾刀和齒坯的運動關(guān)系

滾刀切削運動與齒坯的展成運動的轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

Ni＝KtNt/zw.

滾刀軸向進給運動與齒坯實際運動的關(guān)系為：

Vf＝faNw.

工件的附加轉(zhuǎn)速為：

Nf＝±Vf/Pz.

工件的螺旋線導(dǎo)程為：

Pz＝mnπzw/sinβ.

工件的實際轉(zhuǎn)速為：

Nw＝Ni±Nf.

式（9）（10）（11）（12）（13）中：Ni為齒坯做展成運動時的轉(zhuǎn)速，r/min；Nt為滾刀轉(zhuǎn)速，r/min；Kt為滾刀頭數(shù)；zw為齒坯齒數(shù)；fa為齒坯每轉(zhuǎn)滾刀軸向進給量，mm/r；Nf為工件附加轉(zhuǎn)速，r/min；mn為齒坯的法向模數(shù)，mm；β為齒坯螺旋角，°。

逆滾加工時，滾刀與齒坯的螺旋線方向一致時，取“＋”，反之為“－”；順滾加工時，滾刀與齒坯的螺旋線方向一致時，取“－”，反之為“＋”。

2 數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)

2.1 硬件平臺

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，常用于控制和管理其他設(shè)備。該自動編程系統(tǒng)是一個基于ARM＋DSP＋FPGA的嵌入式平臺，是基于WindowsCE6.0開發(fā)的，采用VC++模塊作為開發(fā)工具。

ARM9主要負責(zé)用戶信息的輸入、存儲和顯示，是自動編程系統(tǒng)的人機接口；基于WindowsCE6.0操作系統(tǒng)，負責(zé)將工作信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程服務(wù)器；DSP（DSP6713）負責(zé)處理自動編程系統(tǒng)的復(fù)雜運算和實時控制。同時，為了充分發(fā)揮ARM、DSP的優(yōu)勢，得到更快的處理速度、更優(yōu)的控制性能和更高的加工精度，也為了軟件開發(fā)的方便和靈活，特將系統(tǒng)的人機交互界面和運動控制分割開，由ARM負責(zé)人機交互，DSP負責(zé)運動控制。ARM和DSP是通過HPI總線進行數(shù)據(jù)交接的，由CPLD負責(zé)完成HPI接口邏輯，以協(xié)調(diào)兩者之間的通信。FPGA是現(xiàn)場總線的接口層，實現(xiàn)了DSP與從機節(jié)點間的信息傳輸和接收。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 自動編程系統(tǒng)架構(gòu)和模塊劃分

根據(jù)數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)的功能需求，對本系統(tǒng)進行了模塊劃分，包括自動編程模塊、位置模塊、設(shè)置模塊、系統(tǒng)模塊、圖形仿真模塊和一些子模塊。

滾齒加工自動編程系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)，從時間上來講，各個模塊有著時序配合問題；從邏輯上講，雖然每個模塊都承擔(dān)著不同的任務(wù)，但是，各個模塊之間存在耦合關(guān)系。因此，該系統(tǒng)采取并行處理多任務(wù)調(diào)度機制。

2.2.2 自動編程系統(tǒng)軟件頁面集設(shè)計

在對自動編程系統(tǒng)進行頁面集設(shè)計時，參考模塊劃分的方法，共設(shè)計了6個主頁面，分別是自動編程主頁面、圖形主頁面、位置主頁面、信息主頁面、系統(tǒng)主頁面和設(shè)置主頁面，這6個主頁面既相對獨立又相互聯(lián)系。另外，根據(jù)功能設(shè)計的要求，把系統(tǒng)需求的各項功能合理地分布到這6個主頁面上，所以，這6個主頁面中的每一個頁面都包含一個或者多個子頁面，子頁面的個數(shù)要根據(jù)該主頁面需實現(xiàn)的功能而設(shè)置。

3 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 面向?qū)ο筌浖幊碳夹g(shù)

數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和方法。面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)是一種分析問題、解決問題的新方法，它是以對象和類為基礎(chǔ)的。在面向?qū)ο缶幊谭椒ㄖ?，齒輪的重要參數(shù)，比如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等就是齒輪對象的屬性集合，當齒輪擁有了自身的屬性后，也就具有了操作這些屬性的方法，然后對其進行封裝。此時，齒輪才成為面向?qū)ο笾械囊粋€具體對象。

本系統(tǒng)應(yīng)用了VS2005中的VC++模塊，該模塊集成了MFC類庫，包含了大量的C++類庫，應(yīng)用MFC開發(fā)應(yīng)用程序非常符合面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想。

3.2 通信技術(shù)

通信模塊負責(zé)將上層ARM的數(shù)據(jù)通過HPI通道準確、迅速地發(fā)送到底層DSP，以供程序調(diào)用，同時，它還負責(zé)接收DSP的各種信息。在工作過程中，要先在驅(qū)動層定義讀與寫操作代碼。在應(yīng)用層，僅需打開驅(qū)動調(diào)用通道就可以直接讀寫HPI。

3.3 多線程技術(shù)

為了確保系統(tǒng)可以實時多任務(wù)管理，需采用多任務(wù)并行處理方式，即多線程技術(shù)。在滾齒自動編程系統(tǒng)中采用了三線程并行處理方式，分別是用戶界面主線程、數(shù)據(jù)發(fā)送線程和數(shù)據(jù)接收線程。有了三線程處理方式，既保證了實時發(fā)送數(shù)據(jù)控制機床運動，又保證了實時接收數(shù)據(jù)，以顯示機床的運行狀況，實現(xiàn)界面管理功能。

3.4 譯碼技術(shù)

在自動編程模塊中，有2種途徑能夠生產(chǎn)NC代碼：①在人機交互界面輸入齒輪參數(shù)、工藝參數(shù)和刀具參數(shù)，然后通過自動編程模塊處理生成NC代碼；②在人機交互界面，用戶輸入NC代碼，然后系統(tǒng)檢查NC代碼無誤后，將其保存起來。

采取上述2種方式生成NC代碼后，可經(jīng)過編譯模塊對其進行坐標處理和數(shù)據(jù)處理，生成規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將存儲在刀補處理模塊的刀補緩沖區(qū)，經(jīng)由通信模塊傳送給下層DSP，最后，DSP根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容執(zhí)行插補和位控等處理。

4 結(jié)束語

綜上所述，數(shù)控滾齒加工自動編程能夠有效彌補手工編程工作效率低下、技術(shù)要求高、錯誤率高等缺點，對促進齒輪數(shù)控加工的發(fā)展有十分重要的意義。數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)能夠大大提高工作效率，縮短齒輪生產(chǎn)周期，降低對技術(shù)人員的要求，所以，可以在齒輪制造業(yè)中推廣應(yīng)用。

參考文獻

［1］張建民.數(shù)控加工自動編程系統(tǒng)的實現(xiàn)及技術(shù)分析［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（34）.

［2］黃河，劉福華，曾欣，等.滾齒加工裝備及其技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.現(xiàn)代機械，2015（06）.