導語：滾齒機數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

齒輪傳動是傳遞機器運動和動力的一種主要形式,被廣泛應用于機床、汽車、航空、兵器等多個領域。滾齒加工是所有齒輪加工方法中最主要的一種,滾齒機約占整個齒輪加工機床的45%。滾齒機數(shù)控化后使機床結構及控制發(fā)生了革命性的變化,提高了齒輪的加工精度,擴展了加工范圍,實現(xiàn)了高度自動化和柔性化,同時方便了新的加工工藝的使用。

1.開放式模塊化滾齒機數(shù)控系統(tǒng)與PC-PMAC策略

對于全功能數(shù)控滾齒機,機床的各個運動軸(滾刀架旋轉A、滾刀旋轉B、工件旋轉C、軸向進給Z、切向串刀Y、徑向進給X軸)都是數(shù)控的,基于軟件插補的滾齒加工數(shù)控系統(tǒng)的刀具主軸一般采用變頻裝置控制,其它軸通過數(shù)控指令經(jīng)伺服電機直接驅動。根據(jù)被加工齒輪和使用刀具的參數(shù)以確定刀具與工件之間特定的運動關系(即所謂的電子齒輪箱)。其優(yōu)點是工件主軸的轉速完全由數(shù)控系統(tǒng)的軟件控制,因此,可以通過編制適當?shù)能浖?用通用的刀具來高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪,且加工精度遠高于傳統(tǒng)的機械靠模加工方法。

隨著計算機技術的飛速發(fā)展,基于PC開發(fā)數(shù)控系統(tǒng),可以充分利用標準計算機高速發(fā)展所帶來的眾多成果(包括軟、硬件),而PC硬件的標準化也為系統(tǒng)的升級換代和維修提供了最便捷的方式。具體地說,就是鑒于PC總線是一種開放性總線,所以這種系統(tǒng)就具有了開放性、模塊化可嵌入的特點,系統(tǒng)生產(chǎn)商可以在PC機硬件平臺和操作系統(tǒng)的基礎上,大量使用市場上現(xiàn)售的軟件和硬件板卡,改善數(shù)控系統(tǒng)的功能,縮短開發(fā)周期和降低成本。機床廠商和用戶可以對CNC進行重新設置、修改、擴充和改裝,并允許模塊化地集成傳感器、加工過程監(jiān)控等功能,最終構造和重組出最適合的數(shù)控系統(tǒng)功能和其它控制功能。

與其它數(shù)控機床相比,滾齒機運動相對復雜,因此起步較晚。盡管全功能數(shù)控系統(tǒng)目前在國外已占了主導地位,但大多數(shù)仍然是普通數(shù)控系統(tǒng)的變形,且屬于各公司的封閉式系統(tǒng),而且真正體現(xiàn)齒輪加工專業(yè)特點的開放式系統(tǒng)還很少。因此,開發(fā)現(xiàn)代滾齒機數(shù)控系統(tǒng)的要求非常迫切,如:能夠根據(jù)具體控制機床的功能需要來增加或減少部件;對同一個CNC系統(tǒng),可以通過面向功能的動、靜態(tài)重構,柔性地控制滾齒機、磨齒機、插齒機、齒輪加工單元等不同的對象或控制不同型號的同一類齒輪加工機床。目前,基于PC的開放式CNC一般有三種實現(xiàn)途徑：

(1)PC嵌入CNC。將PC機作為傳統(tǒng)CNC的前端接口,在傳統(tǒng)的非開放式CNC上插入一塊專門的、開放的個人計算機模板,PC板與CNC之間通過專用總線連接,使傳統(tǒng)CNC實現(xiàn)個人計算機的一些特性。在這種模式下,CNC部分與原來的CNC相同,進行實時控制;而PC部分則進行非實時控制。這一形式主要為一些大型CNC控制器制造廠商所采用,其優(yōu)點是原型CNC可以幾乎不加改動地使用,且傳遞數(shù)據(jù)快、系統(tǒng)響應快,缺點是不能直接使用PC,開放程度受到限制,代價高不適合小型加工使用。這種模式在嚴格意義上不能稱之為“基于”PC的開放式CNC系統(tǒng)。

(2)CNC嵌入PC。將運動控制板或整個CNC單元插入到PC的擴展槽中,PC作非實時處理,實時控制由CNC單元或運動控制板來承擔。這種結構形式使整個系統(tǒng)可以共享PC機的硬件資源,并利用其豐富的支撐軟件直接與網(wǎng)絡和CAD/CAM系統(tǒng)連接,軟件的通用性強,且編程處理靈活、代價低。對于CNC單元插入到PC的結構,其開放性只限于PC微機部分,專業(yè)的數(shù)控部分仍處于封閉狀態(tài);而對于運動控制板插入到PC的結構,其開放性則取決于運動控制板的開放性。

(3)純PC機型。即完全采用PC機的全軟件形式的數(shù)控系統(tǒng)。NC系統(tǒng)的各項功能,如編譯、解釋、插補和PLC等,均由軟件模塊來實現(xiàn),并通過裝在PC擴展槽中的接口卡對伺服驅動進行控制。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作平臺,在應用軟件的支持下,通過對PC軟件的適當組織、劃分規(guī)范和開發(fā),可望實現(xiàn)CNC各個層次的開放。其優(yōu)點是開放性好、編程處理相當靈活、軟件的通用性強。缺點是在通用PC上進行實時處理較困難,難以利用原型CNC資源,其可靠性的確保也是一個有待進一步研究的問題。

齒輪傳動是傳遞機器運動和動力的一種主要形式,被廣泛應用于機床、汽車、航空、兵器等多個領域。滾齒加工是所有齒輪加工方法中最主要的一種,滾齒機約占整個齒輪加工機床的45%。滾齒機數(shù)控化后使機床結構及控制發(fā)生了革命性的變化,提高了齒輪的加工精度,擴展了加工范圍,實現(xiàn)了高度自動化和柔性化,同時方便了新的加工工藝的使用。

1.開放式模塊化滾齒機數(shù)控系統(tǒng)與PC-PMAC策略

對于全功能數(shù)控滾齒機,機床的各個運動軸(滾刀架旋轉A、滾刀旋轉B、工件旋轉C、軸向進給Z、切向串刀Y、徑向進給X軸)都是數(shù)控的,基于軟件插補的滾齒加工數(shù)控系統(tǒng)的刀具主軸一般采用變頻裝置控制,其它軸通過數(shù)控指令經(jīng)伺服電機直接驅動。根據(jù)被加工齒輪和使用刀具的參數(shù)以確定刀具與工件之間特定的運動關系(即所謂的電子齒輪箱)。其優(yōu)點是工件主軸的轉速完全由數(shù)控系統(tǒng)的軟件控制,因此,可以通過編制適當?shù)能浖?用通用的刀具來高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪,且加工精度遠高于傳統(tǒng)的機械靠模加工方法。

隨著計算機技術的飛速發(fā)展,基于PC開發(fā)數(shù)控系統(tǒng),可以充分利用標準計算機高速發(fā)展所帶來的眾多成果(包括軟、硬件),而PC硬件的標準化也為系統(tǒng)的升級換代和維修提供了最便捷的方式。具體地說,就是鑒于PC總線是一種開放性總線,所以這種系統(tǒng)就具有了開放性、模塊化可嵌入的特點,系統(tǒng)生產(chǎn)商可以在PC機硬件平臺和操作系統(tǒng)的基礎上,大量使用市場上現(xiàn)售的軟件和硬件板卡,改善數(shù)控系統(tǒng)的功能,縮短開發(fā)周期和降低成本。機床廠商和用戶可以對CNC進行重新設置、修改、擴充和改裝,并允許模塊化地集成傳感器、加工過程監(jiān)控等功能,最終構造和重組出最適合的數(shù)控系統(tǒng)功能和其它控制功能。

與其它數(shù)控機床相比,滾齒機運動相對復雜,因此起步較晚。盡管全功能數(shù)控系統(tǒng)目前在國外已占了主導地位,但大多數(shù)仍然是普通數(shù)控系統(tǒng)的變形,且屬于各公司的封閉式系統(tǒng),而且真正體現(xiàn)齒輪加工專業(yè)特點的開放式系統(tǒng)還很少。因此,開發(fā)現(xiàn)代滾齒機數(shù)控系統(tǒng)的要求非常迫切,如:能夠根據(jù)具體控制機床的功能需要來增加或減少部件;對同一個CNC系統(tǒng),可以通過面向功能的動、靜態(tài)重構,柔性地控制滾齒機、磨齒機、插齒機、齒輪加工單元等不同的對象或控制不同型號的同一類齒輪加工機床。目前,基于PC的開放式CNC一般有三種實現(xiàn)途徑：

(1)PC嵌入CNC。將PC機作為傳統(tǒng)CNC的前端接口,在傳統(tǒng)的非開放式CNC上插入一塊專門的、開放的個人計算機模板,PC板與CNC之間通過專用總線連接,使傳統(tǒng)CNC實現(xiàn)個人計算機的一些特性。在這種模式下,CNC部分與原來的CNC相同,進行實時控制;而PC部分則進行非實時控制。這一形式主要為一些大型CNC控制器制造廠商所采用,其優(yōu)點是原型CNC可以幾乎不加改動地使用,且傳遞數(shù)據(jù)快、系統(tǒng)響應快,缺點是不能直接使用PC,開放程度受到限制,代價高不適合小型加工使用。這種模式在嚴格意義上不能稱之為“基于”PC的開放式CNC系統(tǒng)。

(2)CNC嵌入PC。將運動控制板或整個CNC單元插入到PC的擴展槽中,PC作非實時處理,實時控制由CNC單元或運動控制板來承擔。這種結構形式使整個系統(tǒng)可以共享PC機的硬件資源,并利用其豐富的支撐軟件直接與網(wǎng)絡和CAD/CAM系統(tǒng)連接,軟件的通用性強,且編程處理靈活、代價低。對于CNC單元插入到PC的結構,其開放性只限于PC微機部分,專業(yè)的數(shù)控部分仍處于封閉狀態(tài);而對于運動控制板插入到PC的結構,其開放性則取決于運動控制板的開放性。

(3)純PC機型。即完全采用PC機的全軟件形式的數(shù)控系統(tǒng)。NC系統(tǒng)的各項功能,如編譯、解釋、插補和PLC等,均由軟件模塊來實現(xiàn),并通過裝在PC擴展槽中的接口卡對伺服驅動進行控制。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作平臺,在應用軟件的支持下,通過對PC軟件的適當組織、劃分規(guī)范和開發(fā),可望實現(xiàn)CNC各個層次的開放。其優(yōu)點是開放性好、編程處理相當靈活、軟件的通用性強。缺點是在通用PC上進行實時處理較困難,難以利用原型CNC資源,其可靠性的確保也是一個有待進一步研究的問題。

圖1PC+PMAC滾齒機數(shù)控系統(tǒng)硬件結構示意圖

PMAC與各個伺服驅動器使用接線器以方便連接,徑向(X)和軸向(Z)可以使用編碼器反饋(圖1所示)的半閉環(huán)控制,也可以使用光柵進行閉環(huán)控制。

PMAC運動控制器與主機之間的通訊采用了兩種方式。一種是總線通訊方式,即主機到指定的地址上去尋找PMAC,其中指定的地址是由PMAC的跳線確定。另一種是利用DPRAM進行數(shù)據(jù)通信。PMAC為DPRAM提供了許多自動存取功能,這些自動功能以一定的周期在PMAC與IPC間傳遞實時的數(shù)據(jù),而且用戶還可以用PMAC的M變量和主機的指針變量來指定DPRAM中沒有使用的寄存器以實現(xiàn)自定義的通訊功能。用DPRAM來進行PC與PMAC間的數(shù)據(jù)通訊和命令通訊具有快速的優(yōu)點,一方面,雙端口RAM在用于向PMAC寫數(shù)據(jù)時,在實時狀態(tài)下能夠快速地將位置數(shù)據(jù)信息或程序信息進行重復下載;另一方面,DPRAM在用于從PMAC中讀取數(shù)據(jù)時,可以快速地重復地獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息。如交流伺服電機的狀態(tài)、位置、速度、跟隨誤差等數(shù)據(jù)可以不停地被更新,并且能夠被PLC或被PMAC自動地寫入DPRAM。由于通過DPRAM進行的數(shù)據(jù)存取不需要經(jīng)過通訊口發(fā)送命令和等待響應,所以響應的速度要快得多。利用DPRAM進行數(shù)據(jù)的自動存取,提高了系統(tǒng)的響應速度和加工精度,同時也方便了控制系統(tǒng)中各模塊之間的快速通訊和地址表的設定,降低了編程難度。

PMAC系統(tǒng)的內置PLC功能是經(jīng)智能I/O接口的輸入輸出實現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)中,送入PLC的輸入信號主要有:操作面板和機床上的控制按鈕、選擇開關等信號;各軸的行程開關、機械零點開關等信號;機床電器動作、限位、報警等信號;強電柜中接觸器、氣動開關接觸等信號;各伺服模塊工作狀態(tài)信號等。這些信號通過光電隔離以后送到智能I/O接口上,有效地將計算機數(shù)字量通道與外部過程模擬量通道隔離起來,可大大地減小了外部因素的干擾,提高整機系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。PLC輸出的信號主要有:指示燈信號,控制繼電器、接觸器、電磁閥等動作信號,伺服模塊的驅動使能和速度使能信號等。

3.系統(tǒng)的軟件結構

PC+PMAC滾齒機數(shù)控系統(tǒng)軟件結構如圖2所示,整個軟件系統(tǒng)由主控模塊及各個功能模塊組成。主控模塊是為用戶提供一個友好的系統(tǒng)操作界面,在此界面下,系統(tǒng)的各功能模塊以菜單的形式被調用。由于滾齒加工的復雜性、加工工藝參數(shù)計算難度大,主控模塊應顯示滾刀和被加工齒輪的相關參數(shù)、齒輪加工固定循環(huán)、滾齒過程中的各軸坐標位置、動態(tài)加工軌跡等信息,操作人員只需輸入加工零件的齒數(shù)、高度、角度等信息,選擇相應的加工循環(huán),數(shù)控系統(tǒng)就能夠自動生成齒輪加工的NC代碼。

圖2PC+PMAC滾齒機數(shù)控系統(tǒng)軟件結構示意圖

系統(tǒng)的功能模塊可分為實時控制類功能模塊和非實時管理類模塊兩大類。實時控制類功能模塊是控制機床當前運動和動作的軟件模塊,具有毫秒級甚至更高要求的時間響應;非實時管理類模塊沒有嚴格的時間響應要求。

非實時管理類模塊包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)通訊以及NC程序編輯等內容。這類軟件模塊可利用PC微機和PMAC所提供的計算機語言和軟件工具實現(xiàn)。由于時間響應要求不高,故由PC微機負責運行。

實時控制類功能模塊包括加工程序解釋、伺服驅動、運動插補、數(shù)據(jù)采集以及PLC等。實時控制軟件的設計應充分考慮軟件的開放性和滾齒加工的專業(yè)性,用戶可以根據(jù)某些具體要求增加軟件的功能模塊。在這些實時控制類功能模塊中,PMAC已提供良好的軟件開發(fā)功能(工具)。

加工程序解釋模塊由G代碼解釋程序、M代碼解釋程序和T代碼解釋程序組成?？稍赑EWIN環(huán)境下對已有的PMAC解釋程序進行編輯和調試,并下載到PMAC固定內存中,在實際加工時被PMAC自動調用。另外,伺服中斷時間、電機相位等參數(shù)由PEWIN執(zhí)行程序來設置,從而實現(xiàn)了實時控制部件的參數(shù)化。

插補模塊中可直接選擇調用PMAC提供的直線插補、圓弧插補及樣條插補功能;PMAC還提供了PVT(位置-速度-時間)運動模式,該模式可以對軌跡圖形進行直接地緊湊地控制,用戶可以對以上幾種模式加以選擇和組合。也可自行定義G、M、T代碼。如滾齒加工中的G64(展成運動功能);G65(滾斜齒輪);G66(滾鼓形齒);G67(滾小錐度齒)等。由于一些滾齒加工工藝完成的動作循環(huán)十分典型,并且需要多次循環(huán),故對這些固定循環(huán)用某種功能代碼進行定義,可大大減少編程工作。如軸徑向矩形逆銑、軸徑向矩形順銑等。

伺服驅動模塊可以選擇PID位置環(huán)伺服濾波器、陷波濾波器或擴展濾波器,并設置其控制參數(shù);用戶也可以定制自己的伺服算法,實現(xiàn)個性化的伺服控制。由于滾齒加工屬于斷續(xù)切削,不僅在加工過程中切削力、滾刀轉速有很大的變化,工件及工作臺要承受斷續(xù)的沖擊力,而且在滾刀切入切出過程中工件及工作臺的受力情況也在不斷變化,用常規(guī)的控制器整定方法已不能獲得滿意的機床性能,故系統(tǒng)中除了采用在線可編程的數(shù)字PID整定外,還應增加速度前饋、加速度前饋濾波方式。

PLC控制模塊用于機床系統(tǒng)的開關量的邏輯控制。開發(fā)者需要根據(jù)自身控制面板要求和機床控制邏輯進行編制。當運動程序在前臺有序運行時,PMAC可以在后臺運行多達32個異步PLC程序。PLC程序可以以極高的采樣速率監(jiān)視模擬輸入和數(shù)字輸入、命令運動停止/起動等作業(yè),以5～10ms甚至更高的循環(huán)速度對PLC程序進行反復掃描。PLC程序采用PMAC提供的命令語言編寫,可以直接運行,也可經(jīng)編譯后執(zhí)行。

這里有必要提一下雙CPU的通訊程序,由于其開發(fā)工作量大,也很具有技巧性。利用DeltaTau公司提供的Pcomm32動態(tài)連接庫和PTALKT控件是一個明智的選擇。它囊括了同PMAC通訊的所有方式,而且將其主要函數(shù)進行分類、封裝,最終形成一種用戶應用程序友好界面,使用戶從32位驅動庫中解脫出來,將全部精力用于定義和開發(fā)自己的CNC系統(tǒng)應用程序。

4.結束語

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和滾齒加工特點,在開放式數(shù)控系統(tǒng)的3種開發(fā)策略中,以通用工業(yè)控制機為基礎,采用功能強大的運動控制器PMAC承擔插補計算、位置控制、速度控制等實時任務是一種較為理想的滾齒機數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方法。能夠實現(xiàn)軟件管理和實時控制兩個級別的開放度,具有專業(yè)性強、開發(fā)靈活及周期短、易于技術實現(xiàn)、成本低廉等優(yōu)點。