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齒輪加工數控係統監控技術的研究

2019-2-13 來源：河南工學院機械工（gōng）程係作者：刁修慧，陳韻

摘要: 在齒輪加工（gōng）的過程中，為（wéi）了便於操作者實時了解機床運行（háng）狀況，對齒（chǐ）輪加工的監控係統（tǒng）進行了研究。分析齒輪加工數控係統監控模塊（kuài）的總體框（kuàng）架，將監控係統（tǒng）劃分為以下 3 個（gè）模塊: 在齒輪（lún）加（jiā）工圖形（xíng）監控模塊中，從（cóng）軌跡仿（fǎng）真和跟隨（suí）誤差監控方麵進（jìn）行分（fèn）析和實現（xiàn）; 在報警信息監控模（mó）塊中（zhōng），對報警信息監控設計、實（shí）現和（hé）自診斷進行分析和實（shí）現; 在機床（chuáng）狀態監控模塊中，詳細分析了其實現（xiàn）流程。

關鍵詞: 齒輪加工; 數控係統; 監控技術

齒輪是機械（xiè）領域（yù）常用的重（chóng）要傳動零（líng）件，在工業領域起（qǐ）著至關（guān）重要的作（zuò）用。在齒（chǐ）輪加工的（de）過程中，為了便於操作者實時（shí）了解機床運行信息和正確（què）使用機床，進而加工出滿足使用要求的齒輪，文中對齒輪加工的監控係統進行了研究。在此研究中，將齒輪數（shù）控（kòng）加（jiā）工監控係統分為加工圖形監控模塊（kuài）、報警信息監控模塊和機床狀態監控模塊。

1 、齒輪加（jiā）工數控監控係統的（de）總體設計（jì）

機床狀態的（de）監控是通過檢測、測量和監視以及係統曆史信息，對機（jī）床的運行狀態進行測評，進而判斷（duàn）它是否正常運行，若有異常（cháng），監控係統做警報處（chù）理，另外（wài），測（cè）評數據也（yě）可（kě）作為故障（zhàng）分析診斷的部分依（yī）據。為了對機床工作狀態中的數據進行（háng）采集，這（zhè）裏采用了不同形式和不同精度的傳感（gǎn）器（qì），來測量（liàng）加工中的相關數據，並對這些（xiē）數據進（jìn）行處理，然後傳至數控係統。此監（jiān）控係統是基於 AＲM、DSP 和 FPGA 實現的，如圖1 所示。

DSP 負責實時監控任務，AＲM 負責管理（lǐ）和顯示，FPGA 負責對機床 I/O 信息進（jìn）行采集。在此係統中，FPGA 采集開關量信號，並將其傳至 DSP 進行處理，然後將信息（xī）發給 AＲM 顯示。而溫度和壓力等模擬信號則由 AＲM 從傳感器緩存中直（zhí）接讀取（qǔ），並在AＲM 中計算，判斷它們是否超出標準（zhǔn）範圍，若超出（chū）標準範（fàn）圍，就要通知 DSP 完成報警動作並顯示，若未超出，則在 AＲM

上顯示（shì）其正常狀態。

2 、齒輪加工圖形監（jiān）控模塊

為了便於實時觀察刀（dāo）具的（de）運動軌跡，設計了加工圖形仿真這一模塊，可（kě）以直（zhí）觀（guān）方便地（dì）觀察刀具（jù）是否有少切、過切或者（zhě）撞（zhuàng）刀現象。在開發圖形界麵時，選用Open GL 圖形開發工具，它功能強大（dà）且調用方（fāng）便，和C 語言密切關聯（lián），具有很好的移植性和圖形渲染力（lì）。

另外，此係統是嵌入式係統，因此選擇了 Open GL ES來（lái）開發（fā）。為了能夠順利使用 Open GL ES

進行圖形開發，需要對一係列庫文件進行正確的路徑設置和配（pèi）置工作，還需要在 VS2005 的編譯環（huán）境中進行一係列設置。完成上述設置便可以進入程序（xù）開發，首先對Open GL ES 進行初始化操作。

2. 1 軌跡仿真設計

加工（gōng）軌（guǐ）跡仿真是（shì）指在坐標係中繪製出刀具的運行軌跡。此係統采用機床坐（zuò）標來繪製刀具軌跡，當機床空運行時，采（cǎi）用程序（xù）坐標值來繪製。

2. 1. 1 建立坐（zuò）標係

若將（jiāng） DSP 中的程序坐標和機床坐標數據直接用於加工圖（tú）形的繪製，則會出（chū）現坐標值過大，超出屏幕（mù）範圍（wéi）。因此，可考慮將程序坐標（biāo）和機床坐標數值（zhí）映射為紋理（lǐ）坐標（biāo），也就是說，要建立坐標係。文中以數控插（chā）齒為例。如（rú）圖 2 所示，把工作（zuò）台的中心設置成圖（tú）形坐標係的原點，根據屏幕上圖形顯示範（fàn）圍來恰當確定機床零點（diǎn）位置，並計算其紋理（lǐ）坐標值。

計算方法（fǎ）如下: 首先開啟機（jī）床並回零，測量工作（zuò）台中心和零點的距離，利用線性（xìng）插（chā）值法把刀具的（de）軌跡（jì）坐標值轉換成紋理坐（zuò）標值，如公式 ( 1) 所示：

式中: XM是紋理坐標值; XW是機床零點位置對應的紋理坐標值; X 是刀具軌跡（jì）坐標值（zhí）; L0是工作台中心和機床零點的距離。

2. 1. 2 加工（gōng）軌跡監控仿（fǎng）真

為了保證能（néng）夠實時地讀取機床（chuáng）坐標和程序坐標數據，要（yào）設置一個定時器，將機床坐標或程序坐標值賦給坐標顯示控件的變量，並（bìng）把相應代碼放在（zài）定時器的（de）函數中，這樣在執行程序的（de）過程中，會（huì）不斷刷（shuā）新圖形界麵的絕對（duì）坐標和相對坐標，在預定窗口上繪（huì）製出加工軌跡圖。

2. 2 跟隨誤差監（jiān）測實現（xiàn）

由於數控加工精度（dù）要求較（jiào）高（gāo），因此，操作者需要實時了解（jiě）加工誤差的變化情況，並以此來適當調（diào）整控製參數以（yǐ）達（dá）到減小加工誤差的目的。

在此係統中，建立了示波器模型來（lái）顯示每個軸的隨機誤差，然後每隔0. 01 s 從 DSP 中讀取其誤差值，並將其轉化為紋理坐標值（zhí），並設置一個數組用以存儲一個周期的誤差值;在下一個周期，將其賦給上一周期，不斷循環。用戶可（kě）以通過（guò）操（cāo）作麵板來調取並顯示軸的跟隨誤差曲線，以（yǐ）判斷誤差情況。

3 、報警信息監控模塊（kuài）

3. 1 報警信息監控設計

在加工過程中，通常需要對（duì）機床進行監控，當出現異常情況時發出警報聲音和屏幕顯示。同（tóng）時，為了對報警信息進行診斷，還需將報（bào）警信息（xī）存儲下來。在此監控係統中，主要對機床、PLC 和預處理指令 3 個方麵進行監控和報警分析，具體內容如圖 3 所示。

3. 2 報警信息監（jiān）控實現

3. 2. 1 底層

首先，如圖 3 所示，將報警內容分為三大類; 然後，為了標（biāo）誌特定的報警內容需要在 DSP 中分配固定地（dì）址，地址中（zhōng）的每（měi）一位（wèi）分別標誌一個報警內容，當出現報警後，對應位置為 1，另外，需用一變量來保存當前報警號，並將此變量存儲在 DSP 特定的地址中（zhōng）。

液壓是否（fǒu）正常和掃描電（diàn）機是否過載等非緊急報警代（dài）碼，在（zài）背景程序中進行編寫; 而（ér）掃描急（jí）停、急退和限（xiàn）位報警燈緊急報警代碼，在插補程序中進行編寫，還要上傳（chuán）緊急報警號。除（chú）此之外，若是急停報警，則需將所有伺服關閉; 若是限位報警，則對應軸的伺服需要關閉，防止（zhǐ）意（yì）外的發生。

3. 2. 2 上層

為了（le）實時（shí）讀取 DSP 中的報警號，可在主界麵的源文件中設置一個定時（shí）器。若出（chū）現報警號，主界麵的特定位置會顯示並報（bào）警。但是，當界（jiè）麵上有報警時，屏幕上（shàng）顯示報警號，若是用戶想查看詳細的（de）報警內容、時間等更多信（xìn）息，需將界麵（miàn）切換到信息界麵來。

3. 3 自診（zhěn）斷

在此設計中，采用故障樹分析法對報警（jǐng）信息進行診斷。其過程 ( 見圖 4) 是: 將出現的報警信息作為頂事件，即分析目標; 然後，逐層分析、查找其中（zhōng）間事件和間接事件，即（jí）直接原因和間接（jiē）原因; 最後，用恰當的邏輯連接詞（cí）將（jiāng）頂事件、中間事件和間接事件聯係起（qǐ）來，進而構成故障樹。

當出現（xiàn）報警信息時，用戶將界麵切換到 “信息”界（jiè）麵（miàn），點擊 “當前報警”會顯示出機床所有故障（zhàng）信息，而且以 TXT 文（wén）件格式存儲詳細的報警（jǐng）信息，比如報警號（hào）、原因、內容、時間等。

4 、機床狀態監控模塊

在此設計中，底層控製程序負責響應機（jī）場操作麵板，上層（céng）負責顯示。具（jù）體實現流程如圖 5 所示。

當按下機床麵板上的相應鍵時，向（xiàng）控製係統發送X 信號，底層控製程序將接收到的 X 信號變為

G 信號，然後將相應的變（biàn）量設置為 1。並在固定地址中相應位設置為 1，表示狀態有效，然後由

AＲM 讀取此變量（liàng）並對其進行運算分析，根據分析情況確定顯示控件是否標亮，標（biāo）亮表示狀態有效。

5 、結論

首先分析了齒輪加（jiā）工數控係統監控模塊的總體框架（jià），接下來對係統進行了模塊（kuài）劃分、研究和實現

。在齒（chǐ）輪加工圖形監控模塊中，從（cóng）軌跡仿真和（hé）跟隨誤差（chà）監控方麵進行（háng）研究和實現; 在報警信息監控模（mó）塊中，對報（bào）警信息監控設計、實現和自診（zhěn）斷進行（háng）了研究和實現; 在機床狀（zhuàng）態監控模塊中，詳細分析了其實（shí）現（xiàn）流程。

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