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基於嵌入式齒輪加工數控係統的探討

2019-5-23 來源：中（zhōng）山（shān）邁雷特智能裝備有限（xiàn）公司作者：林守金

摘要:伴隨著社會經（jīng）濟的快速發展，齒輪的生產對於社會經濟發（fā）展有著顯著的影響。對此，為了更好的優化齒輪的加工效果，本文提出了一種關於嵌入式係統的齒輪加工數控係統（tǒng），並簡（jiǎn）單分（fèn）析係統的整（zhěng）體結構，同時對該係統進行任務的（de）劃分，設計多（duō）個工作（zuò）的具體功能模塊。希望能夠借助本文所提供的嵌入式（shì）齒輪加工數控係統（tǒng），改進今後齒（chǐ）輪加工效益。

【關鍵詞】嵌入式（shì）；齒輪加工（gōng）；數控係統；探討

引言

製造領域是我國經濟的支撐性產業，對於我國國民經濟的增長有著顯著意義，同時也是我（wǒ）國綜合實力的一（yī）種展現，對於國家發展有著明顯的推動作用。近年來隨著數控加工技術不斷發展，其應用的作用以及效果也顯得越發明（míng）顯。

高效率的數控加工（gōng）技術能夠展現優質、低成本、高效率、綠化等工業製造的產業效（xiào）果。對此，探討嵌入式的齒輪加工數控係統具備顯著意義。

1 、嵌入式係統（tǒng）的特點

本（běn）文所探討的齒輪加工數（shù）控係統（tǒng）是嵌入式係（xì）統，這裏所（suǒ）指的嵌入式係統主要是（shì）指以（yǐ）生產和應用（yòng）為核心的專（zhuān）用型計算機係統，這一係統能夠按照用戶的實（shí）際需求對硬件設備、軟件資（zī）源等進（jìn）行（háng）針對性的定製和調整，從而促使產品的成本、性能、可靠（kào）性以及體積、功耗等獲（huò）得保障。

嵌入式設備的組成一般是包括嵌入式 CPU、外圍硬件、操作係統以（yǐ）及針對用戶需（xū）求的專（zhuān）用型應用程序等，主要是應用（yòng）在對於設備的控（kòng）製以及監控場景當（dāng）中。

嵌入（rù）式係統的（de）特點（diǎn）有以下幾點：

①嵌入式係統所應用的 CPU 一（yī）般都是特定的，所以（yǐ）具備功耗低（dī）、體積小以（yǐ）及高集成度等優勢，同時還可以通用 CPU 中板卡實現（xiàn）功能集成到某一（yī）個處理器芯片當（dāng）中，進而實現移動性的工作能力；

②一般情況下，嵌入式係統的應用軟件並不是單獨儲存在某一個載（zǎi）體上的，而是固（gù）定在某一個內存儲存（cún）器的芯片當中的，這一種特點顯著提升了軟件的運行速度及其可靠性；

③嵌入式係統和特殊的（de）應用相結合，能夠麵對更為廣泛的用戶，升級和轉型也相對及時，所以使用（yòng）周期比較長；

④對（duì）於用戶而言，嵌入式係統具備較高（gāo）的透明度，用戶需要了解內部的（de）設計細節以及編程操作，隻需要根據相應的步（bù）驟便可以完成嵌入式係統的（de）編程；

⑤嵌入式係統的實用性非常高（gāo），嵌入式係統和大多數工業（yè）生產之間有著（zhe）較高的關聯性，普（pǔ）遍都（dōu）是將嵌入式係統當做實時控製係統來（lái）應用（yòng）。

2 、嵌入式齒輪加工數控係統的整體設計

2.1 、嵌入式齒輪加工數控係統的硬件設計

因為 windows ces 操作係統非（fēi）常簡單，具（jù）備較高的開放性以及（jí）較高的穩定性等優（yōu）勢，所以數控（kòng）係統選擇在 Win CE6.0 操作平台當中進行研發，係統主要由 DSP 以及 FPGA 組成。

其中，ARM 微處理器主要負責完成關於人機交互的任務模塊，例如加（jiā）工參數的輸入顯示以及（jí）儲存等功能。

除（chú）此之外，還需要負責一些借助網絡通（tōng）信模塊（kuài）傳輸工作信息的任務；DSP 則是負責（zé）處理數（shù）控係統的信息預算任務，例如插（chā）補處理以及（jí）伺（sì）服位（wèi）置的（de）控（kòng）製等，同時將（jiāng）人機交互模塊以及運動控（kòng）製模塊進行獨（dú）立的管理，一方麵促使軟件的研發以及調整更具靈活（huó）性和（hé）模塊化（huà），同時還能夠（gòu）更好的優（yōu）化控製的性（xìng）能、效（xiào）率以及齒（chǐ）輪加工時的（de）精度；FPGA 則是采用並行（háng）總（zǒng）線（xiàn）的運行方式，主要完成機床方麵 I/O 的信息傳（chuán）遞。

2.2 嵌入式齒輪加工數控係統的軟件設計

根（gēn）據齒（chǐ）輪加（jiā）工數控係統對於可擴展性以及可移植性的需求，考慮到模塊之間繁瑣（suǒ）的數據交換以及程序在運行過程中的效率需求、開發難度等，結合齒輪加（jiā）工的特點，本係統的軟件主要劃分為三個模塊，分別為 ARM 的界麵管理（lǐ）模塊（kuài）、DSP的數值運算模塊以及機床的 I/O 控製模塊。

齒輪數控加工的特點（diǎn）以及軟件功能模塊的劃分原則，設計係統軟件框架較為複雜，其主（zhǔ）要是（shì）由顯示接口、網絡控製板、機（jī）床 I/O 等多個結構構成。齒（chǐ）輪加工數控係統在 ARM 上完成主要的參數設置、代碼（mǎ）編碼、自動（dòng）編程以及加工狀態的監控等非（fēi）及時（shí）性的任（rèn）務，而在 DSP 上則是完成一些關於 NC 代碼的指令分析、插補計（jì）算以及伺服位置控製等及時性的任務。

其中，ARM 可以進行（háng）代碼的翻譯和處（chù）理，並生成 DSP 能夠計算的數據結構，同（tóng）時儲存在 G 指令包當中。

與此同（tóng）時，所編譯的 PLC 程序也需要借（jiè）助相應的轉化之後存放在 PLC 指令當中。

除此之外，在 ARM 上輸（shū）入的 DSP 初始化參（cān）數、顯（xiǎn）示（shì）編碼參數以（yǐ）及螺距補償（cháng）等參（cān）數，都可以以（yǐ）動態或（huò）靜態的參數（shù）儲存在之前設計的結（jié）構體當中，這一些指令報以及參數的結構體在數控係統當中運行以及開啟時，可以借助相應的通信形式發（fā）放到 DSP 當中，DSP 便可以（yǐ）進行控製（zhì）和運算。

3 、嵌入式齒輪加工數控係統的功能（néng）模塊設計

嵌入式齒輪加工數控係統需要根據任務劃（huá）分的（de）工作特（tè）點，從任務以及功能兩個方麵進行區分

，任務的區分不僅能夠讓功能模塊之間的通信更（gèng）加合理和（hé）快速，同時軟件的結構也更加簡單明了（le），並且還可以促使係統設計更具擴展性以及開放性。

借助對齒輪加工（gōng）數控係統的（de）功能要求（qiú）分析，可以（yǐ）發現本係統應當具備控（kòng）製以及管理兩個方麵的（de）任務。控製任務主要是翻譯編碼，機床 I/O 控製、位置的顯（xiǎn）示（shì）與控（kòng）製、電子齒輪（lún）箱以及插補處理等（děng）。

管理任務則（zé）可以劃分成為自動編程、界麵管理、文（wén）件管理以及加工監控等等。控（kòng）製（zhì）任務和齒輪的加工有著密切的關聯性，將會直接決定加工（gōng）的精度（dù）以及效（xiào）率。對此，對於控製任（rèn）務的及時性以及準確性要求相對較為苛刻。管理任務則（zé）是負責（zé）齒輪加工的整體（tǐ）支撐，所以子任務並沒有較（jiào）高的及時性以及準（zhǔn）確性需求。

3.1 自動編程模塊（kuài）

因為（wéi）齒輪的結構具備（bèi）較高的相似性，所（suǒ）以在齒輪數控加工（gōng）當中，主要（yào）的參數（shù）隻有三個，分別為齒輪的參數、刀具的參數以及工藝的（de）參數。從機床操（cāo）作界（jiè）麵可（kě）以直（zhí）接輸入上述三相參數，然後自動編程模塊便（biàn）會（huì）根據輸入的參數進行計算和處理（lǐ），並獲得刀具的具體運行軌跡，之後生成數控（kòng）加工的代碼,形成 DSP 能（néng）夠（gòu）理解的數據信息，從而達到機床（chuáng）的控（kòng）製目的，完成齒輪自動加工任務。

3.2 電子齒輪箱模塊

電子齒輪箱模塊主要是以軟件、電路的（de）形式（shì）替代傳統的機械式傳動鏈（liàn），從而完成多個數目的，根據定向的運動關係（xì）計算，從而保障每一個軸之間的運動關係保持同步性（xìng）。除此之外，為了確保工件軸和刀具軸之間的運動速度保持協調性，工作軸的速度需要由刀具軸、其他進給（gěi）軸（zhóu）等速度進（jìn）行聯合控製。

3.3 通信功（gōng）能模塊

通信功能模塊的主要任務是將 ARM 當中的數（shù）據（jù）通過轉換之後發放給 DSP。例如，PLC 程序數（shù）據、NC 程序數據以及動靜態參數等的（de）信息傳（chuán）輸。

與（yǔ）此同時，通信模塊還需（xū）要負責把DSP 當中的編碼器信息數（shù）據進行反（fǎn）饋，並借助 PLC 進行執行，檢測執行狀（zhuàng）況，並根據執行狀況以及報警參數等對信息數據進行及時處理（lǐ）。

3.4 加工監控模塊

加工監控模塊主要可以劃分為加工圖形監控、報警信息監（jiān）控以及機床狀態監控三種。加（jiā）工圖形監控主要是包含對坐（zuò）標數據、每一個數控軸的工作（zuò）誤差等進行監控。報警信息監控則是包括報警信息、報警之後的自（zì）我（wǒ）診斷（duàn）以及曆（lì）史報警信息的查詢等。機床狀態監控是對機床及其附件環節的項目監控（kòng）。

4 、嵌（qiàn）入式齒（chǐ）輪加工數控係統的編程探討

齒（chǐ）輪加工當中滾（gǔn）齒加工是最為常見且常用的一種方（fāng）式，有著徑向（xiàng）、軸向、徑向軸向（xiàng）、切向以及對角等多種加工方式。其中，軸（zhóu）向滾切的方（fāng）式主要是應用在加工圓柱齒輪以及圓錐齒輪等外齒輪當中，所以後續以軸向滾切的方式作（zuò）為案例（lì）進（jìn）行探討。

①建立數學模型。明確滾齒的對刀點。為（wéi）了保障（zhàng）工（gōng）件的加工精確度，規（guī）避切入時間和空行程時間過長（zhǎng）等問題，對於對刀（dāo）有著方便、準確的要求。在加工過程中，需要將滾刀（dāo）對準齒胚上的頂麵，然後在 Z 方向的位置（zhì）明確 X 軸（zhóu）的具體方向和位置。在對刀的過程中，在滾刀進到齒胚的時候，需要先讓齒胚運動一周之後再進行進（jìn）刀，從而確保運動的（de）正確性；

②明確滾刀的加工軌跡以及計算具體坐標。以軸向（xiàng）滾切法為例，運動軌跡見圖 1。從（cóng）圖 1 可以直接（jiē）發現，滾刀的運動軌跡是根據 0、1、2、3、

4、1 的方式進行

滾（gǔn）刀的起點位置在機床的零點，之後快速移動到 1，並切除全齒寬 2，滾刀軸向運（yùn）動位置到 3；②退刀位置到 4，一次性進給刀完成（chéng）加工。對此，可以發現軌跡位置（zhì）主要有 5 個。但是，在實際加（jiā）工過（guò）程中，會因為加工齒輪類型的不同，在關鍵位置及（jí）其數量也會存在明顯的差異

，需要按照實際情況選擇。

圖 1 軸向滾切法的滾刀運動軌跡

一般情況下，需要在加工之前對滾（gǔn）齒加工過程中（zhōng）的功能需求進行（háng）分析和總（zǒng）結，基本明確（què）編程模塊的主要參數、參數（shù）檢查以及參數處理等過程。首先，需要建立齒輪參數的輸入界麵、滾刀參數輸入界（jiè）麵（miàn）以及工藝參（cān）數界麵等信息的準確性，以便於（yú）操作人員能夠及時對齒輪（lún）參數進行核對。為了確保輸入的參數能夠滿足齒輪加（jiā）工的需求，自動編成編程模塊可以在操作者輸（shū）入參數之後自動檢查參數是否（fǒu）存在錯誤，並且這一功（gōng）能模塊還（hái）能夠及時提醒用（yòng）戶數據是否存在錯誤以及錯誤的原因，直到操作者能（néng）夠輸入正確的參數為（wéi）止。

參數的處理主要是滾刀加工（gōng）軌跡以（yǐ）及加工（gōng）關鍵點的（de）處理以及分析，並將處理的結果生成數控代碼，同時對程序的代碼進行（háng）翻譯，生成能夠應用（yòng）到 DSP 的信息數據，並借助通信模塊翻譯之後發送到DSP 的緩存區，為（wéi）後續的刀具運行提供準備（bèi）。

5 、結語（yǔ）

綜上所述，嵌（qiàn）入式的齒輪加工數控係統具備非常多的優勢，其在製造業的應用中能（néng）夠展現許多的（de）特點，可以實現降低材（cái）料的去除（chú）率、降低加工時間以及控製加工成本等效果。在實際的應用中，嵌入（rù）式的齒輪加工數（shù）控係統仍然可能因為各（gè）種因素而（ér）遭受影響（xiǎng），例如在滾齒自動編程方麵需（xū）要持續改進，將自動（dòng）編程技術真（zhēn）正應用到滾齒的加工環節當中，為今後（hòu）齒輪加工控（kòng）製係統的精（jīng）度提供相應基礎。

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