數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程技術(shù)的研究
2018-7-27 來(lái)源： 河南工學(xué)院 機(jī)械工程系 作者：刁修慧 李進(jìn)波
摘要 為了提高齒輪加工的工作效率，提出了一種數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程系統(tǒng)。首先，建立了數(shù)控滾齒 － 軸向滾切法的數(shù)學(xué)模型; 然后，建立數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能模塊劃分和軟件頁(yè)面集設(shè)計(jì); 最后，對(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的面向?qū)ο筌浖幊碳夹g(shù)、通信技術(shù)、多線程技術(shù)、譯碼技術(shù)等做了分析。該技術(shù)為今后齒輪滾齒數(shù)控加工的便利提供了一些參考和經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞 滾齒 自動(dòng)編程 數(shù)控
0 引言
數(shù)控滾齒加工是齒輪制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的齒輪加工方法。齒輪加工數(shù)控機(jī)床大多采用手工編程的方法，其弊端是: 需要編程人員具備一定的專業(yè)知識(shí)和職業(yè)技能，花費(fèi)大量時(shí)間編程; 另外，編程環(huán)節(jié)一旦出錯(cuò)，會(huì)影響加工質(zhì)量，造成生產(chǎn)周期延長(zhǎng)、工作效率低下。
自動(dòng)編程是利用計(jì)算機(jī)編寫(xiě)成機(jī)床可以識(shí)別的加工代碼，大部分工作由計(jì)算機(jī)完成，這樣做將大大縮短生產(chǎn)周期，對(duì)操作人員的技能也沒(méi)有太高的要求。因此，數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程技術(shù)的研究對(duì)齒輪數(shù)控加工的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。
1 、數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
1. 1 確定對(duì)刀點(diǎn)
對(duì)刀時(shí)要遵循使 NC 代碼簡(jiǎn)單、使加工精度高和方便在滾齒機(jī)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，須保證滾刀和齒坯剛好接觸，并使?jié)L刀的外徑和吃刀深度線 AP 相切。
1. 2 確定滾刀加工軌跡和計(jì)算關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)
以軸向滾切一次循環(huán)逆滾為例，如圖 1 所示，滾刀的運(yùn)動(dòng)軌跡是 1→2→3→4。
滾刀由參考零點(diǎn)位置快速進(jìn)刀到位置 1; 接下來(lái)，滾刀徑向進(jìn)給到位置 2; 工件開(kāi)始加工，當(dāng)滾刀軸向運(yùn)動(dòng)至位置 3，一次進(jìn)給加工完畢，然后，滾刀退刀至位置 4，再退回位置 1。由此可見(jiàn)，1、2、3 和 4 這 4 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)非常重要。
各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值如圖 1 所示，關(guān)鍵點(diǎn) 1 的位置為
圖 1 軸向滾切法滾刀的軌跡圖
式中，r 為滾刀半徑; 3 為空行程; δ1為切入行程，是滾刀開(kāi)始和齒坯接觸時(shí)滾刀中心與齒坯上端面的間距。關(guān)鍵點(diǎn) 2 的位置為
1. 3 滾刀和齒坯的運(yùn)動(dòng)關(guān)系
2 、數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程系統(tǒng)
2. 1 數(shù)控滾齒加工系統(tǒng)的硬件平臺(tái)
嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，常用于對(duì)其他設(shè)備的控制和管理。本自動(dòng)編程系統(tǒng)是一個(gè)基于AＲM + DSP + FPGA 的嵌入式平臺(tái)，是基于 WindowsCE 6. 0 開(kāi)發(fā)的，采用 VC + + 模塊作為開(kāi)發(fā)工具［2］。
AＲM9 主要負(fù)責(zé)用戶信息的輸入、存儲(chǔ)和顯示，是自動(dòng)編程系統(tǒng)的人機(jī)接口; 另外，基于 WindowsCE 6. 0 操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將工作信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。DSP( DSP6713) 負(fù)責(zé)處理自動(dòng)編程系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)算和實(shí)時(shí)控制，同時(shí)，為了充分發(fā)揮 AＲM、DSP 的優(yōu)勢(shì)和得到更快的處理速度、更優(yōu)控制性能和更高的加工精度，也為了軟件開(kāi)發(fā)的方便和靈活，把系統(tǒng)的人機(jī)交互界面和運(yùn)動(dòng)控制分割開(kāi)，由 AＲM負(fù)責(zé)人機(jī)交互，DSP 負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制。AＲM 和 DSP是通過(guò) HPI 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交接的，由 CPLD 負(fù)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(chǎng)總線的接口層，實(shí)現(xiàn)了 DSP 和從機(jī)節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸和接收。
2. 2 數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2. 2. 1 自動(dòng)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(dòng)編程系統(tǒng)的功能需求，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了模塊劃分［4］，包括自動(dòng)編程模塊、位置模塊、設(shè)置模塊、系統(tǒng)模塊、圖形仿真模塊以及一些子模塊。滾齒加工自動(dòng)編程系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)，根據(jù)繁多的任務(wù)劃分出如圖 2 所示的功能模塊。
從時(shí)間上來(lái)講，各個(gè)模塊有著時(shí)序配合問(wèn)題; 從邏輯上講，雖然每個(gè)模塊都承擔(dān)著不同的任務(wù)，但是各個(gè)模塊之間存在耦合關(guān)系。因此，本系統(tǒng)采取并行處理多任務(wù)調(diào)度機(jī)制。
圖 2 自動(dòng)編程系統(tǒng)模塊劃分圖
2. 2. 2 自動(dòng)編程系統(tǒng)軟件頁(yè)面集設(shè)計(jì)
在對(duì)自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行頁(yè)面集設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以參考模塊劃分的方法，共設(shè)計(jì)了 6 個(gè)主頁(yè)面，分別是: 自動(dòng)編程主頁(yè)面、圖形主頁(yè)面、位置主頁(yè)面、信息主頁(yè)面、系統(tǒng)主頁(yè)面和設(shè)置主頁(yè)面，這 6 個(gè)主頁(yè)面既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系。
另外，根據(jù)功能設(shè)計(jì)的要求，把系統(tǒng)需求的各項(xiàng)功能合理地分布到這 6個(gè)主頁(yè)面上，所以這 6 個(gè)主頁(yè)面中的每一個(gè)頁(yè)面都包含一個(gè)或者多個(gè)子頁(yè)面，子頁(yè)面的個(gè)數(shù)要根據(jù)該
主頁(yè)面所需實(shí)現(xiàn)的功能而設(shè)置。如圖 3 所示，以位置主頁(yè)面為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明［5］
圖 3 自動(dòng)編程系統(tǒng)頁(yè)面集
3 、數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)
3. 1 面向?qū)ο筌浖幊碳夹g(shù)
本數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和方法，面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)是一種分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的新方法，其是以對(duì)象和類為基礎(chǔ)的。在面向?qū)ο缶幊谭椒ㄖ校X輪的重要參數(shù)，比如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等就是齒輪對(duì)象的屬性集合，當(dāng)齒輪擁有了自身的屬性后，同時(shí)也具有了操作這些屬性的方法，然后對(duì)其進(jìn)行封裝，此時(shí)，齒輪才成為面向?qū)ο笾械囊粋€(gè)具體對(duì)象。
本系統(tǒng)應(yīng)用了 VS 2005 中的 VC ++ 模塊，該模塊集成了 MFC 類庫(kù)，包含了大量的 C ++ 類庫(kù)，應(yīng)用MFC 開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序非常符合面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。
3. 2 通信技術(shù)
通信模塊負(fù)責(zé)將上層 AＲM 的數(shù)據(jù)通過(guò) HPI 通道準(zhǔn)確又迅速的發(fā)送到底層 DSP，以供程序調(diào)用; 還負(fù)責(zé)接收 DSP 的各種信息。首先，要在驅(qū)動(dòng)層定義讀與寫(xiě)操作代碼，在應(yīng)用層，僅需打開(kāi)驅(qū)動(dòng)調(diào)用通道，就可以直接對(duì) HPI 讀寫(xiě)。上層向下層發(fā)送數(shù)據(jù)的原理如圖 4 所示。
圖 4 上層向下層發(fā)送數(shù)據(jù)原理圖
3. 3 多線程技術(shù)
為了確保系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)多任務(wù)管理，須采用多任務(wù)并行處理的方式，即多線程技術(shù)。在本滾齒自動(dòng)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、數(shù)據(jù)接收線程。有了此三線程處理方式，既保證了實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，又保證了實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)以顯示機(jī)床運(yùn)行狀況，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了界面管理功能。
3. 4 譯碼技術(shù)
在自動(dòng)編程模塊，有兩種途徑能夠生產(chǎn) NC 代碼。其一，在人機(jī)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(guò)自動(dòng)編程模塊處理生成 NC代碼; 其二，在人機(jī)交互界面，用戶輸入 NC 代碼，然后系統(tǒng)對(duì) NC 代碼進(jìn)行檢查無(wú)誤后，對(duì)其進(jìn)行保存。
以上兩種方式生成 NC 代碼，接下來(lái)經(jīng)過(guò)編譯模塊，對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)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(chǔ)在刀補(bǔ)處理模塊的刀補(bǔ)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(bǔ)和位控等處理。
4 、結(jié)束語(yǔ)
在研究了數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程算法后，建立了自動(dòng)編程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在基于 AＲM + DSP + FPGA的嵌入式平臺(tái)上，在基于 Windows CE 6. 0 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上，采用 VC ++
模塊作為開(kāi)發(fā)工具。對(duì)自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行了架構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊劃分和頁(yè)面集設(shè)計(jì)并對(duì)本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)分析，開(kāi)發(fā)了滾齒加工自動(dòng)編程系統(tǒng)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)只需輸入齒輪、刀具、工藝參數(shù)就可以生成 NC 代碼，大大縮短了齒輪的生成周期，降低了操作難度，提高了工作效率。
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