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數控滾齒加工自動編程技（jì）術的研究

2018-7-27 來源（yuán）：河南工學院機械工（gōng）程係作者（zhě）：刁修慧李進波

摘要為了（le）提高齒輪加工的工作效率，提出了一種數控滾齒加工自動編程係統。首先，建立了數控滾齒（chǐ）－軸向滾切法（fǎ）的數學模型; 然後，建立數（shù）控滾齒加工（gōng）自動編程係統的硬（yìng）件平台，對係統進行了（le）功能模塊劃分和軟件頁麵集設計; 最後，對係統開發中的麵向對象軟件編程技術、通信技術、多線程技術、譯碼技術等做了（le）分析。該技術為今後（hòu）齒輪滾齒數控加工的（de）便利提供了一些參考和經驗。

關鍵詞滾齒自動編程數控

0 引言

數控滾齒加工是齒（chǐ）輪製造業中應用最（zuì）為廣泛（fàn）的齒輪加工方法。齒輪加工數控機床大多采用手工編程的（de）方法，其弊端是: 需要編程人員具備一（yī）定的專業知識和職業技能，花費大量時間編程（chéng）; 另外，編程環（huán）節一旦出錯，會影響加工質量，造成生產周期延長、工作效（xiào）率低下。

自動編程是利用計算機編寫成機床可以識別的加工代碼，大部分工作由計算機完成，這樣（yàng）做將大大縮短（duǎn）生產（chǎn）周期，對操作人員的技能也（yě）沒（méi）有太高的要（yào）求。因此，數控滾齒加工自動編程技術的研（yán）究對齒輪數控加工的發展（zhǎn）具有現實（shí）意義（yì）。

1 、數控滾齒加工自動編程係統的數學模型

1. 1 確定對刀點

對刀時要遵循使 NC 代碼簡單、使加工精度高和方便（biàn）在滾齒機上找正的原則，為了確保滾刀與齒坯之間（jiān）有正確的位置關係，須保證滾刀和齒坯剛好（hǎo）接觸（chù），並（bìng）使滾刀的外徑（jìng）和吃刀（dāo）深度線 AP 相切。

1. 2 確定滾刀加工軌跡和計算關鍵（jiàn）坐標點

以軸向滾切一（yī）次循環逆滾為例，如圖 1 所示，滾刀的運動軌跡是 1→2→3→4。

滾刀由參考零點位置快速進刀到位置 1; 接下來，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（wèi）置 3，一次進給加工完畢，然後（hòu），滾刀退刀至位置 4，再退回（huí）位置 1。由此可見（jiàn），1、2、3 和 4 這（zhè） 4 個關（guān）鍵點非常重要（yào）。

各個關鍵點坐標值如圖 1 所（suǒ）示，關鍵點 1 的位置為

圖 1 軸向滾切法滾刀的軌跡圖

式中，r 為（wéi）滾刀半徑; 3 為（wéi）空行程; δ1為切入（rù）行程，是滾（gǔn）刀開始和齒坯接觸時滾刀中心與齒（chǐ）坯上端（duān）麵的間距。關鍵點 2 的位置為

1. 3 滾刀和齒坯的運動關係

2 、數控滾齒加工自動編程係統

2. 1 數控（kòng）滾齒加工係統的硬件平台

嵌入式係統是一種專用的（de）計算機係統（tǒng），常用於對其（qí）他設備的控製和管理。本自動編程係統是一個基於AＲM + DSP + FPGA 的嵌入（rù）式（shì）平台，是基於 WindowsCE 6. 0 開發的，采（cǎi）用（yòng） VC + + 模塊作為開發工具（jù）［2］。

AＲM9 主要負責用戶信息的輸入、存儲和顯示，是自動編程係統的（de）人（rén）機接口; 另外（wài），基於 WindowsCE 6. 0 操作（zuò）係統，負責（zé）將工（gōng）作信息通過（guò）網（wǎng）絡傳送到遠程服務器。DSP( DSP6713) 負責處理（lǐ）自動編程係統的複雜運算和實（shí）時控製（zhì），同時，為了充分發揮 AＲM、DSP 的優勢和得到更快（kuài）的處理速度、更優控製性能和更高的加工精度，也為了軟件開發的方（fāng）便和靈活，把係統的人機交互界麵和（hé）運動控製分割開，由 AＲM負（fù）責（zé）人機交互，DSP 負責運動控（kòng）製。AＲM 和 DSP是通過 HPI 總線進行數據交接的，由 CPLD 負責完成HPI 接口邏輯以協調兩者之間的通信。FPGA 是現場總線的接口層，實（shí）現了 DSP 和從機節點間的信息傳輸和接（jiē）收。

2. 2 數控滾（gǔn）齒加工自動編程係統的軟件設計

2. 2. 1 自動編程係統架構和模塊劃分

根據數控滾（gǔn）齒加（jiā）工自動編程係統的功能需求，對本係統進行了模塊劃分［4］，包括自動編程模塊、位置模塊、設置模塊、係統模（mó）塊、圖形仿（fǎng）真（zhēn）模塊以及一些子模塊。滾齒加工自動編（biān）程係統是一個複雜的多任務係統，根據繁多的任務劃分出如圖 2 所（suǒ）示的（de）功能模塊（kuài）。

從時間上來講，各個模塊有著（zhe）時序配合問題（tí）; 從邏輯上講，雖然每個模塊都承擔著不同的任務，但是各個（gè）模塊之（zhī）間存在耦（ǒu）合關係（xì）。因此，本係統采取並行處理多任務調度機製。

圖 2 自動編程係統模塊劃分圖

2. 2. 2 自動編程係統軟件頁麵集設計

在對自動編程係統進行頁麵集設計的時候，可以參考模塊劃分的方法，共設計了 6 個主頁麵，分別是: 自動編（biān）程主頁麵、圖形主頁麵、位置主頁麵、信息主頁麵、係（xì）統主（zhǔ）頁麵和設置主頁（yè）麵，這 6 個主頁麵既相對獨立（lì）又相互聯係。

另外，根據功能設計的要求，把係統需求的（de）各項功能合理地分布到這 6個主頁麵上，所以這 6 個主（zhǔ）頁麵中的每一個頁麵都包含一個或者多個子頁麵，子頁麵的個數要根據該

主頁麵（miàn）所需實現的功能而設置。如（rú）圖 3 所示，以位（wèi）置主頁麵為例來進（jìn）行說（shuō）明［5］

圖 3 自動編程係統頁麵集

3 、數控滾齒加（jiā）工自動編（biān）程（chéng）係統開發的關鍵技術

3. 1 麵向（xiàng）對（duì）象軟件（jiàn）編（biān）程（chéng）技術（shù）

本數控滾齒加工自動編程係統采用了麵向對象的設計思想和方法，麵（miàn）向對象編程技術（shù）是一種（zhǒng）分析問題、解決問題的新方（fāng）法，其是以對象（xiàng）和類為基礎的。在麵（miàn）向對象編程方法中，齒輪的重要參數，比如齒數、模（mó）數、壓力角（jiǎo）等就是齒（chǐ）輪對（duì）象的屬性（xìng）集合，當齒輪擁有了自身的屬（shǔ）性後，同時也具有了操作這些屬性的方法，然後對其進行封裝，此時，齒輪才成為麵向對象中的一個具（jù）體（tǐ）對（duì）象。

本係統應用了 VS 2005 中的 VC ++ 模塊，該模塊集成了 MFC 類庫（kù），包含了大量（liàng）的 C ++ 類庫，應用MFC 開（kāi）發應用程序非常符合麵（miàn）向對象的設計思想。

3. 2 通信技術

通信模塊負（fù）責將上層 AＲM 的數據通（tōng）過 HPI 通道準確（què）又（yòu）迅速的發送到底（dǐ）層 DSP，以供（gòng）程序調用; 還負（fù）責（zé）接（jiē）收 DSP 的（de）各種信息。首先，要在驅動層定義讀與寫操作代碼，在應用層，僅需打開驅動調用通道，就可以直接對 HPI 讀寫。上層向下層發送數（shù）據的原理如圖 4 所示。

圖 4 上層向下層發送數據原理圖（tú）

3. 3 多線程技術

為了確保係統可以實（shí）時多任務管理，須采用多任務並（bìng）行處（chù）理的方式，即多線程技術。在本滾（gǔn）齒自動編（biān）程係統中采用了三線程並行處理方式，分別（bié）是（shì）用戶界麵主線程、數據發送線程、數據接（jiē）收線程。有了此三線程處理方式，既保證了實時發送數據控製機（jī）床運動，又保證（zhèng）了實時接收數據（jù）以顯示機床運（yùn）行（háng）狀況，同時也實現了界麵管理功（gōng）能。

3. 4 譯碼技術

在自動編（biān）程模塊（kuài），有兩種途徑能夠生產 NC 代碼。其一，在人機（jī）交互界（jiè）麵輸入齒輪（lún）參數、工藝參數和刀具參數，然（rán）後通過自（zì）動編（biān）程模塊處理生成 NC代碼（mǎ）; 其二（èr），在人（rén）機交互界麵，用戶輸入 NC 代碼，然後係統（tǒng）對 NC 代碼進（jìn）行檢查無誤後，對（duì）其（qí）進行保（bǎo）存。

以（yǐ）上兩種方式生（shēng）成 NC 代碼，接下來經過編譯模塊，對其（qí）進行坐標處理和數據處理（lǐ），生成規定的數據結構，此數據結構將存儲在刀補處理模塊的刀（dāo）補緩衝區（qū），經由通信模塊傳送給下層 DSP，最後，DSP根據接收到的數據內容執行插補和位控等處理。

4 、結束（shù）語

在（zài）研究了數（shù）控滾齒加工自動編程算法後，建立了自動編程係統的數學模型，在基於 AＲM + DSP + FPGA的嵌入式平台上，在基於 windows ces 6. 0 開（kāi）發係統上（shàng），采（cǎi）用 VC ++

模塊作為（wéi）開發工具。對自動（dòng）編程係統進（jìn）行（háng）了架構設計、模（mó）塊劃分（fèn）和頁麵（miàn）集設計並對本係統開發的關鍵技術做了詳細分析，開發了滾齒加工自動編程係統，最終能夠實現隻需輸入齒輪、刀具（jù）、工（gōng）藝參數就可以生成 NC 代碼，大大縮短了齒輪的生成周期，降低（dī）了操作（zuò）難（nán）度，提高了工作效率。

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