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異形螺杆的車床數控係統開發

2019-6-14 來源：河南科技（jì）大學機電工（gōng）程學院作者：庫祥臣，薛留偉，梁怡

摘要:為了（le）加（jiā）工具有複雜（zá）結構的異形螺杆零件，設計了一個專用於異形螺杆加工的開放式車床數控係統。該係統硬件以工控機IPC為基礎，以運動控製器GTS-800為核心，確立了IPC+GTS運動控製器的體係結構，能同時完成插補計算、伺服控製（zhì）、係統管理等任務。係統軟件采用麵向對象和模塊化編程技術，以Visual Studio 2012為編程環境開發人機交互界麵。整個係統（tǒng）軟硬件功能實現模塊化劃分，能對多種不同型線的螺杆進行車削加（jiā）工。實驗結果表明:該係統人（rén）機（jī）界麵友好（hǎo），能夠長期（qī）可靠工（gōng）作，可（kě）以（yǐ）滿（mǎn）足加工螺杆的數控車床係統（tǒng）的控製要求（qiú）。

關鍵詞:異形螺杆;運動控製器;車床數控係統;人機交互界麵

前言

螺杆是重要的工業基礎零件，被廣泛用於石油、化工、製冷、橡塑機械等（děng）眾多工業領域（yù）中。由於使用環境和功能不同，使得螺杆的形狀（zhuàng）和大小差（chà）別懸殊，形成多種多樣形狀複雜的異形螺杆（gǎn）。異形螺杆的型線多為變螺距、變槽深、變螺棱寬、變底徑及變螺紋前後角中的一種或是多種的組合。隨著（zhe）螺旋（xuán）曲麵螺杆（gǎn）應用範（fàn）圍（wéi）的不斷（duàn）增加，異形螺杆的應用目的也不盡相同，螺旋曲麵成形機製各異，螺杆型線也（yě）複雜多樣，這給異形螺杆的加工帶來很大的困難，尤其是在提高異形螺杆的加工精度方麵。目前（qián）大多數螺（luó）杆製（zhì）造企業加工工藝落後，螺杆加（jiā）工（gōng）多采用（yòng）普通車（chē）床（chuáng）、銑床配以專用成形刀具和簡易數控（kòng）機床為主，但是在實際加工過程中（zhōng）切削狀態不穩定，刀具磨損嚴重，加工成本較高，表麵精度達不到要求。發現國內外異形螺杆（gǎn）數控車削目前應用（yòng）極少，研究開發異形螺杆專用車床數控係統，為加工異形螺杆提供了一個新的思路，在保證加工質量的同時提高了生產效率（lǜ），極具研究價（jià）值。

1、異（yì）形螺杆的數學模型

根據異形螺杆的（de）形狀特點建立螺旋線的數學模型。一般螺旋線(即等螺距等底徑螺旋線)的方程在笛卡爾坐標係（xì）下為

其中，X軸為螺杆的軸向（xiàng）方向。

1.1 異形螺杆（gǎn）槽底螺旋線方程

(1) 變底徑等螺距螺杆槽底螺旋線

(2) 變螺（luó）距等底徑螺杆槽底螺旋線

(3) 變螺距變（biàn）底徑（jìng）螺杆槽底螺旋線

1.2 異形螺杆槽頂螺（luó）旋線方程

(1) 等螺距（jù）螺杆槽頂螺（luó）旋線（xiàn）

(2) 變螺距變底徑螺（luó）杆槽頂螺旋線

2、異形螺杆的加工原理

普通異形螺杆一般分為3段，即（jí）加（jiā）料段（duàn）、壓縮段和計量（liàng）段，加料段為固體輸送（sòng）段（duàn），底徑較小（xiǎo），采用等螺距螺旋線;壓縮段為過渡段，底徑是變化的，采用變螺距變槽深（shēn）螺旋線;計量段（duàn）為溶體輸送（sòng）段，螺槽較小，采用（yòng）等螺距螺（luó）旋線（xiàn）。其中壓縮段（duàn）螺杆是數控車床加工的難點（diǎn）。依據異形螺杆的結構和特點，螺杆數控車床（chuáng）應具（jù）備（bèi）3個坐標軸，如圖1所示，包括:工件的旋轉(C軸)、車（chē）刀沿工件（jiàn）的（de）軸（zhóu）向運動(Z軸)和車刀沿工件的徑向運動(X軸)，3個運動必須由數控計算機（jī）同時控製，才能加工出上述各類型的螺杆。由於螺（luó）杆作為核心部件要求同軸（zhóu）度較高，在加（jiā）工的時（shí）候（hòu）采取兩頂尖裝夾一次加工成型。係統采用半閉環控製方式，雖然控製精度比閉環控製（zhì）方式低（dī），但加工成本低、整體結構簡單、易於調整，並且（qiě）隨著速度檢測元件和絲杆螺距精度的提高以及各種補償功能（néng）的實現，故仍可得到相當（dāng）高（gāo）的（de）控製精度。

圖1 螺杆數（shù）控車床的受控坐標軸

異形螺杆的加工需要滿足下列幾個條件:(1)機床主軸（zhóu）與刀具之間必須保持（chí）嚴格的運動關係，即主（zhǔ）軸旋轉時刀具沿其軸向（xiàng）按預先設定的螺旋線變化曲線運動規律走刀，並且要與主軸的轉速相關聯（lián）。(2)由於異形螺杆的齒（chǐ）形曲線不能夠一刀車出，需要多次（cì）按同一規（guī）律走刀後方可切削出符合曲線要求的齒形輪廓（kuò），特別注意刀具的軌跡必須與前一次的（de）軌跡（jì）重合，不能產（chǎn）生“亂扣”現象。(3)異形螺杆幾何形狀參數化。

3、數控車床係統硬件構成（chéng）

係統的硬件（jiàn）結構如圖2所示。圖2係統硬件結

圖2 係統硬件（jiàn）結構圖

工控機選用研華AWS-8259，主板為PCA-6186LV-00B2E，CPU為PIV-2.8G，內存256 M，硬盤80 G，機箱為AWS8259TP6002E-T，主要完成各軸（zhóu）的運動參數設定和數據的存儲以及人機界麵交互功（gōng）能;運動控製卡選用深圳固高科技公司的GTS-800-PG控製卡，其核心處理器是由DSP和FPGA組成，可（kě）以（yǐ）同步（bù）控製8個運動軸，能實現複雜的多軸協調運動。運動控製器以插卡形式嵌（qiàn）入工控（kòng）機中，它們之間（jiān）通過PCI總線通信，隻需要調用動態鏈接庫gts.dll就（jiù）可實（shí）現兩者間的（de）實時通信。其主要功能說明如表1。

4、數控車床係統軟件（jiàn）設計

該係統的軟件設計采用了模塊化的設（shè）計方法，運動控製器提供C#等函數（shù）庫和Windows動態鏈接庫，在Windows環境下（xià）以Visual Studio 2012為編譯環境進行人機交互界（jiè）麵的開發。係統軟件包括控製軟件和管理軟件，控製軟件完成刀具補償（cháng）、位置和速度控製、插補運算、軌跡規（guī）劃等任務;管理軟件完成螺杆加工（gōng）程序（xù）的輸入（rù）輸出、係統信息的（de）顯示以及係（xì）統故障診斷等功（gōng）能。通訊模（mó）塊實現運動控製器程序與人機界麵應用（yòng）程序之間的通訊。

圖3 係統軟件結構圖（tú）

4.1 Windows係統（tǒng）下動態鏈接庫的使用

在Windows係統下使用GTS運動控製器，首先安裝驅動程序，然後可以使用（yòng）支持動態鏈接庫的開發工具來開發（fā）應用程序。下麵（miàn）說明（míng）在Visual Studio 2012的使用:(1)啟動Visual Studio 2012，建立（lì）C#工程;(2)將動態鏈接庫gts.dll和函數（shù）聲明文件拷貝到工程文件夾“．．\bin”中的debug或者release中;(3)選擇“Project”菜單下（xià）的“Add existing Item”菜單項，選擇函數聲明文件gts.cs，將（jiāng）其添加到工程中;(4)在using指（zhǐ）令（lìng）集中加入using gts。到此，就可以在C#模塊中通過mc．函數名的方（fāng）式調用庫中的任（rèn）何函數。若建立通訊失敗，運行軟件時會（huì）有消息框提（tí）示，方便用戶（hù）查找原因。

4.2 係統人（rén）機界麵的設計

係統人機界麵包括登錄界麵（miàn）、主界麵、螺杆（gǎn）設置界麵、程序編輯界麵、輸入輸出界麵等（děng）。其中主界麵（miàn）實時顯示各加工軸的當前位置、係統狀態、係統時間以（yǐ）及加工程序執行區。螺杆（gǎn）設（shè）置界麵包括螺杆的總體信息和基本參數設置，總體信息顯（xiǎn）示螺杆名稱、材料名稱、技術要求等;螺杆參數（shù）設置可以輸入螺杆的長度、導程、槽深、螺棱寬度等參數，能實時打開和保存當前信息。主（zhǔ）界麵如圖4所示，螺杆設置界（jiè）麵如圖（tú）5所示。

圖4 主界麵

圖5 螺杆設置界麵

在程序編輯界麵中，可以手工編寫加工程序，也可以直接打開現有的加（jiā）工程序或者直接將程序下載到GTS運動（dòng）控製器中。在輸入輸出界麵（miàn）中，顯示相應的狀（zhuàng）態信息，輸入主要包（bāo）括工作方式、液壓係統、運動狀態、驅動器狀態（tài）、伺服使（shǐ）能等信息;輸出主要包括加工軸、報警燈、變（biàn）頻器等信息，正常時（shí）指示器為綠色（sè），出現故障時指示器會變成紅色。程序編輯界麵如圖6所示，輸入輸出界麵如圖7所示。

圖6 程序編輯界麵

圖（tú）7 輸入輸（shū）出界麵（miàn）

當係統發生故障時，報警信息消息框會自（zì）動彈出來，提（tí）示（shì）操作者發生故障的位置和類型並保存在故障曆史記錄中，並向控（kòng）製部（bù）分發（fā）出急停指令，幫助維修人員（yuán）及時排除故（gù）障，大大提高了生產效率。

4.3 通訊模塊

通訊模塊是建立運動控製器與（yǔ）上位機（jī）對話的通道，能把底層（céng）的GTS控製程序與上位機IPC控製程序（xù）在邏輯上連接起來（lái），GTS提供了一套DLL和Vx D，協助用戶（hù）完成穩定可靠的通訊。建立通（tōng）訊後，用（yòng）戶設計軟件時可（kě）以使用固高公司提供的gts.dll動態鏈接庫，其中（zhōng）包含近200個（gè）函數可以調用。主要函數如（rú）下（xià）:

GT_Open();//打開運動控製（zhì）器和運動控製（zhì）器建立通（tōng）訊

GT_Close();//當程序運行結束後，關閉運動控製器

GT_Ｒeset();//複位運動控製器，使（shǐ）所有的寄存器恢複到默認狀態

GT_Ctrl Mode();//軸（zhóu）控製模式，參數設為0，即模擬量輸出閉環控製;參數設（shè）為1，即脈衝量輸出開環控製

GT_Step Dir();//將脈衝輸出通道的脈（mò）衝輸出（chū）模式設置為”“脈衝+方向”

GT_Download();//下載運動程序到運動控製器

關鍵部分程序：

{

//初始化程序（xù）

{

short sＲtn;//指令返回值變量

sＲtn=mc．GT_Open(0，1);

sＲtn=mc．GT_Ｒeset();

sＲtn=mc．GT_Load Config(“GT800_test．cfg”);//下載配（pèi）置信息到控製器，其中GT800_test．cf是配置文件

sＲtn=mc．GT_Clr Sts(1，8);//清除1—8軸的軸狀態

for(short i=1;i＜=8;++i)

{sＲtn=mc．GT_Axis On(i);}//使能運（yùn）動軸

commandhander(“指令”，sＲtn);//指令返（fǎn）回值校驗

}

……//定時器函（hán）數事件，設置采樣間隔100ms

private void timer_Tick(object sender，Event Args e){……

sＲtn=mc．GT_Get Axis Enc Pos(axis，out p Value，count，out p Clock);//讀取運動軸實際（jì）位置sＲtn=mc．GT_Get Axis Enc Vel(axis，out p Value，count，out p Clock);//讀取運動軸實際速度sＲtn=mc．GT_Crd Status(crd，out run，out segment，fifo);//讀取坐標係運動狀態（tài）sＲtn=mc．GT_Get Di(mc．MC_GPI，out l Gpi Val-ue);//讀取數字IO輸（shū）入狀（zhuàng）態sＲtn=mc．GT_Get Do(mc．MC_GPO，out OG-po Value);//讀取（qǔ）數字IO輸出（chū）狀態

}

5、實驗結果與分析（xī）

實驗采用勻加速曲線變化規律的壓縮段螺杆，螺杆參數界麵設置起始螺距s1為17 mm，終止螺距s3為18.8 mm，長（zhǎng）度（dù）L2為180 mm，起始底徑D1為88.4 mm，終止底徑D3為83.0 mm，螺（luó）棱寬度e為8.8 mm，根據上麵設置參數計（jì）算出該段（duàn）螺杆（gǎn）的總圈數Im為10，導程增量P0為0.094 736 mm，測得實際壓縮段螺杆參數如表2所示。

依據設定的參數，從表2的5組實驗數據可以看出實際尺寸和設定的參數總體相差很小，但終止螺距相對波動較大，與設定值偏差最大處達到了1.1 mm，產生這些誤差（chà）的主要（yào）原因是工況頻繁發生變化而引起的刀具磨損程（chéng）度時刻（kè）變化，因此，在今後對該（gāi）係（xì）統的改進完善過程中需（xū）要加強對刀具補償分析，以便設置更加合（hé）理的螺杆加（jiā）工參數。

6、結論

在對具有複雜空（kōng）間形狀的異形螺杆研究的基礎上（shàng），分析了異形螺（luó）杆的加工原理，設（shè）計了一套專用於（yú）異形螺杆（gǎn）加工的車床數（shù）控係統。該係統充分發揮了IPC強（qiáng）大的後台管理能力和GTS良好（hǎo）的實時運動（dòng）控製能力，實現了運動控製卡參數設定、螺杆加工參數設置、自診斷、係統狀態顯示等主（zhǔ）要功能。運用該係統進行了異形螺杆的加工實驗，實驗表明該係統在控製性能、可靠性、加工精度（dù）等方麵達到了預期目標，具有一定的應用價值。

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