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关于齿轮加工自动编程技术嵌入数控系统中的探究

发布时间:2020-05-08 14:29文字数:4280字

  摘要:在分析齿轮滚削加工工艺的基础上,搭建了一套应用于齿轮数控滚自动编程的数学模型,本系统硬件平台采用ARM、DSP以及FPGA,其操作系统为WindowsCE,编程软件为VC++,构建了一套完善的自动化编程系统。本套系统包含人机交互界面、自动转化代码的算法、各功能模块的设计。通过该系统,可以在仅输入齿轮参数(如齿轮的模数、齿数)、工艺参数以及刀具参数,系统能自动识别生成NC代码,经编译模块处理转化,生成能够实现DSP进行插补、位置控制的数据模型。经过多次调试,该系统能够根据设定的参数自动生成齿轮加工工艺,并在人机交互界面中显示各个重要参数点的坐标,驱动机床运动实现滚切加工。
 
  关键词:WindowsCE;嵌入式;滚齿;自动编程
 
  1引言
 
  目前,国内关于齿轮专用数控系统的研究多数都是在国外通用数控系统基础上进行二次开发,其核心内容就是将自动编程的功能嵌入到现有数控系统中。南京二机齿轮有限公司和重庆机床有限公司以及重庆大学的王时龙教授、兰州理工大学的胡赤斌教授均对此作了比较深入的研究。
 
  与国内常用的齿轮数控系统相比,本文研究的数控滚齿自动编程系统是齿轮滚切加工专用数控系统的核心,这套系统以ARM、FPGA以及DSP作为硬件平台,以WindowsCE作为操作系统,利用VC++作为开发工具,配备了人性化的交互界面。本套自动编程系统的开发,首先是对齿轮的特性进行分析,并在此基础上,构建了应用于齿轮数控滚齿自动编程的模型,通过这套系统,只需输入齿轮参数(包含齿轮模数、齿数)、工艺参数以及刀具参数,系统能够自动识别生成NC代码实现齿轮数控滚切加工。
 
  2滚齿加工自动编程技术
 
  2.1自动编程技术
 
  本套自动编程系统首先需要在人机交互界面输入加
 
  工参数,主要包括:齿轮类别;齿轮物理参数,如模数、齿数、齿宽、压力角以及螺旋角等;刀具参数、安装参数;待加工毛坯的几何参数;加工工艺循环路线;工艺参数,如:切削用量、切削类型、加工次数以及加工速度等。第二步,输入的数据经过处理模块分析后,即可获取刀具的加工轨迹,后置处理模块会根据这些参数自动生成NC代码。第三步,系统自动生成模拟加工过程,进行仿真验证,验证加工过程的可靠准确。第四步在确保正确的前提下,由底层DSP驱动机床运动。
 
  2.2自动编程系统硬件构成
 
  本套系统硬件平台为嵌入式平台,主要是基于ARM+DSP+FPGA来实现。硬件组成中的ARM主要用于实现系统与外界交互,可以实现信息输入、保存和显示以及自动编译功能。DSP具备强大的数据处理能力,主要实现实时控制以及复杂运算功能,具体体现在插补以及位控等方面。本系统完美发挥ARM和DSP各自性能,实现操作界面与运动控制分离,这两个平台之间信息的交互则是建立在HPI上,而HPI接口协议中的逻辑则是通过CPLD来实现。齿轮加工中刀具运动的控制算法,主要是通过DSP进行处理,数据传递与交换则是通过DSP以及FPGA的网络主机接口来实现,采用的信息传递线路为并行总线。DSP把I/O输出信息、运动控制指令等通过FPGA中的网络主机,把数据发送到系统中的网络键盘、I/O接口、伺服驱动等从机节点。同时信息还可以反向进行传递,经由上述的过程反向由FPGA网络主机传递至DSP中实现处理。
 
  2.3自动编程系统软件架构
 
  该套系统结合实际功能需求,分成输入与输出、自动编译、模拟仿真、程序管理、系统设置、信息通信等模块。输入模块用于在人机界面中输入前文介绍的6种加工参数。输出模块主要用于实时显示加工状态、进度、异常等信息。自动编译模块则结合自动编译数学模型,生成齿轮加工所需NC代码,这是整个系统的关键,不仅可以在输入参数后自动生成NC代码,还能自动分析加工中是否存在约束等问题,并对存在约束的情况进行报错,实现报错功能。仿真模块通过图形仿真显示刀具的关键坐标点位置。程序管理包括新建、打开、保存、选择、删除、重命名等功能,该功能还能够在人机交互系统中保存对应的各种参数以及NC文件。系统设置包括系统初始化、参数设置和权限设置等。通信模块主要实现上下层数据通信,文件的传输。系统的每一个模块之间相辅相成,彼此协调统一,共同完成整个编译过程,系统的框架构成。
 
  3滚齿加工自动编程数学模型及算法(以轴向滚切法为例)
 
  3.1自动编程数学模型及其算法
 
  自动编程数学模型是自动编程技术的关键。根据加工要求、刀具类型、零件工艺参数分析滚齿刀加工运动轨迹,然后结合数控系统中建立的空间坐标系,求解出滚刀在加工过程中的关键点(如对刀点、加工点、换刀点)的坐标。因为滚刀与平面存在一个安装夹角δ,所以实际加工轨迹是一个椭圆,并且安装夹角与齿轮的螺旋角α和滚刀螺旋角β之间的关系满足:如果满足α、β为同方向,那么有δ=α-β;如果满足α、β为不同方向,那么有δ=α+β;在工件坐标系中,滚刀的截面方程为:式中(xo1,zo1)为刀具中心在工件坐标系中的位置。
 
  工件坐标系与机床坐标系的关系为:xoz为机床坐标系;x1o1z1为工件坐标系;PE为吃刀深度线;h为吃刀深度;B为齿轮宽度。
 
  3.2滚刀切削轨迹分析
 
  轴向滚切法是目前齿轮加工中最主要也是最常用的一种方法,其加工轨迹可以参照图4,具体的流程为①→②→③→④。加工的第一步是从参照起点开始,该点的坐标为(x0,z0),设定好起点即可快速进刀到点(x1,z1),在该点调整工件以及滚刀的位置,再次进刀到待加工点(x2,z2)的位置,接下来就可以开始加工操作。加工结束,刀具处于点(x3,z3),为了确保安全,需要将滚刀退回安全点(x4,z4)后再退回到点的位置(x1,z1),此时齿轮的加工任务完成。不难发现在滚切加工中,点(x0,z0),(x1,z1),(x2,z2),(x3,z3),(x4,z4)是整个加工过程以及编程中比较关键的几个点,在实际加工中不同的加工点组合可以获得不同的加工路线。根据不同点的走动顺序,可以分为不同的加工循环方式,例如有径向、轴向、径向轴向结合以及对角滚切法的四种不同切法;通过进给顺序的差异也可分为顺滚、逆滚两种加工方式。对于不同的循环次数,在一次、两次循环中,其加工也存在一定的区别。同时,齿轮类型不同也对应不同的数学模型,会有不同的加工工艺过程。
 
  3.3对刀点坐标点确定
 
  对刀点的作用是确保刀具可以有效、高效加工,该点确定原则需满足在X值上符合切削精度需求,在Z值上既要避免撞刀现象,又要降低无效加工行程。
 
  对刀原则为滚齿机加工时必须让待加工工件和滚刀之间的相对位置准确,加工出满足需求的齿轮。如果在加工开始时对刀不准,则有可能在加工的过程中出现撞刀、空行程等问题,这样不仅危险,还会浪费加工时间。正确的对刀方式可以参照图中的A点,在该点刀具刚好与工件接触,同时也满足刀具的外径正好和吃刀深度线PE处于相切的位置。
 
  通过对图中的工件坐标进行分析,不难得知x2=R+r-h,还可以确定点A的坐标对应为(R,B)。因为点A处于滚刀的截面曲线上,则可将该点带入对应的截面方程中,即也由此可以确定对刀点的坐标(x2,z2)为:
 
  3.4几何尺寸约束算法
 
  该约束算法主要是将实际加工中各种参数需要满足的约束,转化为系统中的约束算法模型,通过该模型可以自动识别输入的参数是否符合要求。约束主要有以下四类:
 
  ①工件外径约束
 
  齿轮的齿顶圆直径必须小于实际的加工中毛坯的外径,对应的关系为:
 
  ②切削全深量约束
 
  齿轮的齿根高必须略大于切削全深量,对应的关系式为:
 
  ③滚刀与工件模数约束
 
  这两个模数之间的关系必须满足:
 
  ④滚刀外径约束
 
  该约束需要滚刀满足其分度圆直径与齿根高之和必须稍微小于其外径大小,对应的关系为:
 
  4滚齿加工自动编程系统开发关键技术
 
  该数控系统的硬件平台是采用ARM、DSP和FP-GA,滚齿加工自动编程系统就是在ARM上完成的。ARM采用WindowsCE6.0操作系统,其是一个可剪裁、精巧、高性能、高兼容、可升级、多线程的32位嵌入式操作系统,同时系统能够较好兼容Windows系统。本系统通过VC++模块对系统进行编译,可以大大提高开发效率,缩短开发周期。
 
  4.1自动编程译码技术
 
  自动编程译码技术其主要的实现过程是将齿轮加工对应的6种加工参数输入系统,经由系统运算模块的分析与处理,然后可以自动生成加工所需的NC代码,代码再由编译模块进行处理,然后输送至底层DSP中进行包括插补、位控等处理过程,输入的数据在系统中的流动过程。
 
  展示了NC代码的生成过程,其生成过程有两种方式,第一种方式通过常规的输入包括齿轮、刀具、工艺参数后,系统自动生成对应的NC代码。另一种方式则是遵循编程规则,结合实际加工要求直接输入NC代码,后续还需经过包括词法、语法、语句检查,确保没有问题后才能够保存。接下来把代码载入至编译模块,在该模块中完成对应的坐标以及数据处理,得到后续流程分析所需的数据结构,然后进入刀补处理模块完成刀补处理,并将信息存放到刀补缓冲区,等待在DSP中完成括插补、位控等处理。
 
  4.2ARM与DSP通信技术
 
  系统中的通信功能是通过通信模块实现的,通信模块的任务是将包括运动和参数数据以及PLC控制程序等上层数据按照一定的规则,实时精确的传递至底层的DSP中,完成插补、PLC程序调用。除此以外,还可以及时的接收到DSP中反馈回来的信息,包含PLC工作状态信息,刀具运动的坐标信息以及警告信息等等,实现了上下层之间的沟通与连接,确保了系统中的信息交流。
 
  5实验验证
 
  经过系统多次联调,实验结果表明系统可以实现在输入有关参数,并在自动编程模块进行分析和处理后,可以自动得到对应的NC代码,经过编译生成底层所需要的数据结构,电机在对应的指令下完成工艺加工循环过程,驱动机床运动实现滚切加工,同时系统中还会实时显示刀具的坐标点。
 
  6结束语
 
  本文所述的自动编程方法基于ARM、DSP、FPGA硬件平台,其操作系统为WindowsCE,通过VC++完成代码编译,能够实现人机界面、上下层通信、程序管理、图形仿真、信息显示和故障诊断以及具备自动生成NC代码、实时显示机床信息、参数校核等功能。相比于国内其他在通在国外通用数控系统中进行二次开发,本系统具有开放性强、操作性好、易于维护、成本低等特点。通过与底层DSP的控制程序联调,仅需通过人机界面输入特定参数便自动生成NC代码并带动电机运动,驱动机床运动实现滚切加工。通过实验验证开发的滚齿自动编程系统具有人机交互性好,操作简便,成本低廉,专用性强,降低编程人员技能要求等优点。

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