滾齒機數控系統開發管理論文

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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%。滾齒機數控化后使機床結構及控制發生了革命性的變化,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控系統與PC-PMAC策略

對于全功能數控滾齒機,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)都是數控的,基于軟件插補的滾齒加工數控系統的刀具主軸一般采用變頻裝置控制,其它軸通過數控指令經伺服電機直接驅動。根據被加工齒輪和使用刀具的參數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)。其優點是工件主軸的轉速完全由數控系統的軟件控制,因此,可以通過編制適當的軟件,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的機械靠模加工方法。

隨著計算機技術的飛速發展,基于PC開發數控系統,可以充分利用標準計算機高速發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,所以這種系統就具有了開放性、模塊化可嵌入的特點,系統生產商可以在PC機硬件平臺和操作系統的基礎上,大量使用市場上現售的軟件和硬件板卡,改善數控系統的功能,縮短開發周期和降低成本。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、加工過程監控等功能,最終構造和重組出最適合的數控系統功能和其它控制功能。

與其它數控機床相比,滾齒機運動相對復雜,因此起步較晚。盡管全功能數控系統目前在國外已占了主導地位,但大多數仍然是普通數控系統的變形,且屬于各公司的封閉式系統,而且真正體現齒輪加工專業特點的開放式系統還很少。因此,開發現代滾齒機數控系統的要求非常迫切,如:能夠根據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,可以通過面向功能的動、靜態重構,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一般有三種實現途徑：

(1)PC嵌入CNC。將PC機作為傳統CNC的前端接口,在傳統的非開放式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CNC實現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,其優點是原型CNC可以幾乎不加改動地使用,且傳遞數據快、系統響應快,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。

(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絡和CAD/CAM系統連接,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,專業的數控部分仍處于封閉狀態;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控系統。NC系統的各項功能,如編譯、解釋、插補和PLC等,均由軟件模塊來實現,并通過裝在PC擴展槽中的接口卡對伺服驅動進行控制。這類系統借助現有的操作平臺,在應用軟件的支持下,通過對PC軟件的適當組織、劃分規范和開發,可望實現CNC各個層次的開放。其優點是開放性好、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%。滾齒機數控化后使機床結構及控制發生了革命性的變化,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控系統與PC-PMAC策略

對于全功能數控滾齒機,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)都是數控的,基于軟件插補的滾齒加工數控系統的刀具主軸一般采用變頻裝置控制,其它軸通過數控指令經伺服電機直接驅動。根據被加工齒輪和使用刀具的參數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)。其優點是工件主軸的轉速完全由數控系統的軟件控制,因此,可以通過編制適當的軟件,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的機械靠模加工方法。

隨著計算機技術的飛速發展,基于PC開發數控系統,可以充分利用標準計算機高速發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,所以這種系統就具有了開放性、模塊化可嵌入的特點,系統生產商可以在PC機硬件平臺和操作系統的基礎上,大量使用市場上現售的軟件和硬件板卡,改善數控系統的功能,縮短開發周期和降低成本。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、加工過程監控等功能,最終構造和重組出最適合的數控系統功能和其它控制功能。

與其它數控機床相比,滾齒機運動相對復雜,因此起步較晚。盡管全功能數控系統目前在國外已占了主導地位,但大多數仍然是普通數控系統的變形,且屬于各公司的封閉式系統,而且真正體現齒輪加工專業特點的開放式系統還很少。因此,開發現代滾齒機數控系統的要求非常迫切,如:能夠根據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,可以通過面向功能的動、靜態重構,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一般有三種實現途徑：

(1)PC嵌入CNC。將PC機作為傳統CNC的前端接口,在傳統的非開放式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CNC實現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,其優點是原型CNC可以幾乎不加改動地使用,且傳遞數據快、系統響應快,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。

(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絡和CAD/CAM系統連接,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,專業的數控部分仍處于封閉狀態;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控系統。NC系統的各項功能,如編譯、解釋、插補和PLC等,均由軟件模塊來實現,并通過裝在PC擴展槽中的接口卡對伺服驅動進行控制。這類系統借助現有的操作平臺,在應用軟件的支持下,通過對PC軟件的適當組織、劃分規范和開發,可望實現CNC各個層次的開放。其優點是開放性好、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滾齒機數控系統硬件結構示意圖

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)的半閉環控制,也可以使用光柵進行閉環控制。

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進行數據通信。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間傳遞實時的數據,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自定義的通訊功能。用DPRAM來進行PC與PMAC間的數據通訊和命令通訊具有快速的優點,一方面,雙端口RAM在用于向PMAC寫數據時,在實時狀態下能夠快速地將位置數據信息或程序信息進行重復下載;另一方面,DPRAM在用于從PMAC中讀取數據時,可以快速地重復地獲取系統的狀態信息。如交流伺服電機的狀態、位置、速度、跟隨誤差等數據可以不停地被更新,并且能夠被PLC或被PMAC自動地寫入DPRAM。由于通過DPRAM進行的數據存取不需要經過通訊口發送命令和等待響應,所以響應的速度要快得多。利用DPRAM進行數據的自動存取,提高了系統的響應速度和加工精度,同時也方便了控制系統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系統的內置PLC功能是經智能I/O接口的輸入輸出實現的。在控制系統中,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,提高整機系統的可靠性和穩定性。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.系統的軟件結構

PC+PMAC滾齒機數控系統軟件結構如圖2所示,整個軟件系統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操作界面,在此界面下,系統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、齒輪加工固定循環、滾齒過程中的各軸坐標位置、動態加工軌跡等信息,操作人員只需輸入加工零件的齒數、高度、角度等信息,選擇相應的加工循環,數控系統就能夠自動生成齒輪加工的NC代碼。

圖2PC+PMAC滾齒機數控系統軟件結構示意圖

系統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初始化、系統診斷、系統通訊以及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。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、數據采集以及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性,用戶可以根據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。可在PEWIN環境下對已有的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、電機相位等參數由PEWIN執行程序來設置,從而實現了實時控制部件的參數化。

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十分典型,并且需要多次循環,故對這些固定循環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位置環伺服濾波器、陷波濾波器或擴展濾波器,并設置其控制參數;用戶也可以定制自己的伺服算法,實現個性化的伺服控制。由于滾齒加工屬于斷續切削,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,用常規的控制器整定方法已不能獲得滿意的機床性能,故系統中除了采用在線可編程的數字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的開關量的邏輯控制。開發者需要根據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視模擬輸入和數字輸入、命令運動停止/起動等作業,以5～10ms甚至更高的循環速度對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,也可經編譯后執行。

這里有必要提一下雙CPU的通訊程序,由于其開發工作量大,也很具有技巧性。利用DeltaTau公司提供的Pcomm32動態連接庫和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自己的CNC系統應用程序。

4.結束語

根據數控系統的發展趨勢和滾齒加工特點,在開放式數控系統的3種開發策略中,以通用工業控制機為基礎,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控系統開發方法。能夠實現軟件管理和實時控制兩個級別的開放度,具有專業性強、開發靈活及周期短、易于技術實現、成本低廉等優點。