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基於（yú）西門子（zǐ） 840Dsl 係統的數控強力刮齒加工軟件開發

2019-11-7 來源：南（nán）京工業大學機械與動力工程學院等作者：劉晟洪榮晶孫小敏

SINUMERIK 840Dsl 數控係統是西門子公司開發的一款開放、靈活、強大的高端數控（kòng）機床係統，其憑（píng）借強大的數控性能，以及獨一無二的靈活性與開放性，收到越來越多的機床（chuáng）廠商（shāng）青睞。然而目（mù）前大多數的西門子（zǐ）數（shù）控係統的應用僅僅局限於其（qí）標準數控係統，沒（méi）有完全發揮其開放、可二次開發的特點，也無法滿足複雜加工的個性化需求。隨著齒輪切削技術向著高精（jīng）度、高（gāo）效率的方向發展，傳（chuán）統的滾齒插齒、銑齒越（yuè）來越（yuè）難以滿足生產加工的要求。一種新型的齒輪加工（gōng）技術———強力刮齒，逐漸（jiàn）走入了（le）人們（men）的視（shì）野。數控強力刮齒（chǐ）加工是一種不同（tóng）於滾齒插齒等傳統齒輪加工方法的（de）全新的切齒加工概念（niàn）。刮齒也可稱為車（chē）齒，剮齒等。其具（jù）有加工精度（dù）高（gāo），刀具耐用度好和經濟效益好等優點，尤其在加工非（fēi）貫通、無退刀槽內齒輪方麵具（jù）有無可比擬的優勢。1985 年美國 Gleason 公司首次提（tí）出（chū）了強力刮齒( powerskiving) 的概念，並開發出了配套（tào）於其強力刮齒機床的CAM 軟（ruǎn）件，但是並未詳細介紹刮齒關鍵技術，且 PC端軟件需要人工拷貝數控（kòng）代碼至數控係統，編程加工效（xiào）率較低。重慶大學王時龍等以滾齒加工為研究對象，針對 840D 數控係統開發了一種滾齒自動編程係統。劉倩等利用西門子 840Dsl 二次開發接口，提（tí）出了一種（zhǒng）凸輪加工嵌入式解決方案（àn）。而目前刮齒加工（gōng）編程具有耗時長、易出錯、加（jiā）工質量（liàng）難（nán）以保證以及對操作（zuò）人（rén）員技能要求高的問題等缺（quē）點，尚缺乏有效的（de）解決方案，阻礙了刮齒加工的進一步發（fā）展推廣。利用西門840Dsl 數控係統的優勢，應（yīng）用（yòng）SINUMERIK Operate 編程包（bāo）對（duì）數（shù）控係統進行二次（cì）開發，設計開發數控強力刮齒加工軟件，可以有效提高刮齒加工效率保證加工質量。

1、西（xī）門子 840sl HMI 二次開發技術

Sinumerik 840Dsl 係統具有極好的開放性、柔性與加工適應性（xìng），主要是（shì）因為其良（liáng）好便捷（jié）的二次開發功能，允許用戶根據自身的使用需求，開發（fā）更適合（hé）自（zì）己（jǐ）的加工（gōng）軟件或加工界麵嵌入數控係統中，實現通用係統難以完成的加工工藝任務。

1. 1 係統構架

為了（le）實現對 Sinumerik 840Dsl 數控係統的二次開（kāi）發，關鍵在於將 Sinumerik Operate 軟件集成嵌入到 Si-numerik 840Dsl 控製（zhì）係統中。圖 1 展示了 HMI ( 人（rén）機界麵) 與 PLC( 可編程控製器) 、NCK( 控（kòng）製設備) 和驅（qū）動單元的通（tōng）訊方（fāng）式，以及 Sinumerik 840Dsl HMI 二次開發的係統構（gòu）架。如圖（tú）所示，軟總線聯接了 HMI 與NCK、PLC 和驅動器，在 S7 通訊協（xié）議（yì）下實現了各組件之間的通訊，該總線的功能與（yǔ） PLC 的（de） K 總線類似。外部接入的 HMI 與係統內部的 HMI 都可以通過通訊處理（lǐ）器( CP) 來訪問係統內的 NCK、PLC 和驅動器（qì）。通一個所謂的薄型客戶單元（yuán）( Thin－Client－Unit，簡稱TCU) 可以實現操作界麵的可視化( 輸入 / 輸出) 。TCU實際上是（shì）一個單獨的操作設（shè）備，通過以太網（wǎng）與 NCU 進行通訊。圖 1 中（zhōng）標為“TCU”的組件包（bāo）含了 TCU 運行所（suǒ）需的服務器 ( 即 VNC 服務器 ) 和 TCU 在SINUMERIK 係統環境下運行所（suǒ）需的其他必要功能。

1. 2 開發方（fāng）案選擇

SINUMEＲIK Operate 提供了多種開發接口。可以通過（guò） Easy Screen、Wincc 對人機界麵進行修改（gǎi），好處（chù）是（shì）開發周期短，但是開發功能比（bǐ）較（jiào）羸弱。而基於 SINU-MERIK Operate 編程包開發方式更（gèng）加靈（líng）活，功（gōng）能更加強大。通（tōng）過 cpp 接口，可以實現應用軟件與數控係統（tǒng）的通訊。也允許用戶使用 C #或 VB. NET 創建標（biāo）Windos 窗體作為用戶界麵。但是（shì）上述開發（fā）方案具有界麵開發（fā）效率（lǜ）低、開發（fā）局限性大、無法跨平台（tái）的缺陷。

通過 C++GUI 類庫 Qt，可以實現源文件的平台通用（yòng）性。Qt/Windows 主要基於 Windows 窗（chuāng）口係統以及Windows GDI( 圖形設備接口) 以輸出圖形（xíng）基。Qt / Em-bedded 具有單獨的窗口係（xì）統，直接使用 Linux 幀緩（huǎn）衝（chōng）。源文件借助 Windows 和 Linux 專用的編譯程序與（yǔ）鏈接程序分別轉化為各係統（tǒng）可執行的文件。強力刮齒加工軟件選擇利用（yòng） Qt 與（yǔ） C++的編寫源文件，數控係（xì）統選擇（zé）PCU+NCU 形式，在Windows 平台下編譯生成文件嵌入數控係統中（zhōng）。軟件具有開發周期短，嵌入性好，可跨平台的優勢。

2、數控強力刮齒軟件開發

2. 1 840Dsl 二次開發基本流程（chéng）

基（jī）於 SINUMERIK Operate 編程包開（kāi）發首先需要對開發環境進（jìn）行配置，在（zài） VS2008 菜單欄工具菜單下增加 HMI 啟動選項。數控強力刮齒軟件（jiàn）采用（yòng） Qt 圖形框架（jià）在 Qt Designer 中進（jìn）行人機界麵設（shè）計，在 Visual 2008開發環（huán）境下利用 C + + 編寫後台（tái）程序（xù）。安裝SINUMERIK Operate 編程包後，可以 VS2008 中創建“”HMI Project”模板（bǎn），項目（mù）配置完成後一般包含以下項（xiàng）目文件夾:Scource files 包含（hán）實現項目功能的源代碼文件( * . cpp)Header files 包含項目頭文件( * . h) :Reasource file 包含對話框配置文件 ( * . XML ) 、語言翻譯文件( . ts) ;Generated 包含（hán）預處理文件文件 ( MOC － . CPP ) 、UI 界麵的頭( UI－. h) ;Forms 包含項目的窗體界麵文（wén）件( * . ui) ;systemconfiguration. ini HMI 操作區域組成（chéng）結構初始化（huà）文件（jiàn）。啟動調試項目源文件，XML 文件會編譯轉換為 .hmi 人機界麵文件。項目程序文件會編譯（yì）轉換為 . dll文件，可以在 PCU+NCU 的 840Dsl 係統下實現邏輯運算功能。語（yǔ）言翻譯文（wén）件 . qm 根（gēn）據（jù） ts 文件中定義的索引關係實現語言（yán）切換功能（néng）。為了將軟件嵌入數控數（shù）控係統，需（xū）要（yào）複製項目目錄中 “systemconfiguration. ini”初始化配置文件至 . /hmisl/siemens/ sinumerik /hmi/cfg 路徑下，安裝 dll 文件與（yǔ） hmi 文件至 . / hmisl /siemens / sinumerik / hmi / appl 路徑下，在 . / hmisl / sie-mens / sinumerik / hmi / lng 路徑（jìng）下加入 qm 語言文件。完成文（wén）件配置安裝後，啟動數控係統，可以從自定義的入口按鈕處進入二次開發（fā）軟件（jiàn）界麵。

2. 2 數控強力刮齒軟件人機（jī）界麵開發

SINUMERIK Operate 具（jù）有一種以組件為導向的架構。其組件分為 GUI 組件和 HMI 服務兩大類。其中，GUI 組件是組成人（rén）機界麵的主（zhǔ）要部分（fèn），主要用（yòng）於實現係統與（yǔ）用戶即時交互。通過（guò） GUI 組件與 HMI 服（fú）務靈活配合，可以創建出滿足我們（men）需求的 HMI 係統。SINUMERIK 數控係統操作界麵（miàn）按功能劃分由若幹操作（zuò）區域組成，通常一個操作區域隻有一個對話框。一個對話框可以分為多個屏幕，一塊屏（píng）幕包含消息欄（lán）、水平軟（ruǎn）件、垂直軟（ruǎn）件和窗體（tǐ）。窗體是我們實（shí）現輸入操作的載體，軟鍵是觸發函數功能（néng）的（de）媒介。在配置文件“systemconfiguration. ini”中確定 HMI操作區域的組成（chéng）結（jié）構和係統的 HMI 對話框（kuàng），通過 XML文件定義了 HMI 對話框的屏幕布局，所包含的屏（píng）幕，界麵軟鍵以及各屏幕（mù）的（de）切換（huàn）關（guān）係。軟件主（zhǔ）頁麵部分XML 源文件如下:＜SCＲEEN implementation = " powersiking. homescreen" name = " home-screen" ＞ / / 屏幕定義與命名＜ FOＲiMimplementation = " powersiking. homeform " name = "homeform" formpanel = " Full Form" / ＞/ / 屏幕內窗體定義＜MENU name = " homehu"softkeybar = " hu" ＞ / / 底部軟鍵欄定義＜SOFTKEY position = " 1" ＞ / / 底部第一個軟鍵定（dìng）義＜PＲOPEＲTY name = " text ID" type = " QString" ＞usermanagement＜ / PＲOPEＲTY＞ / / 定義軟件名稱＜NAVIGATION target = " screen" ＞ / / 點擊軟鍵，跳轉到目標屏幕（mù）＜SCＲEEN name = " managementscreen" / ＞＜ / NAVIGATION＞＜FUNCTION name = " donothing" args = " / " / ＞ / / 點擊軟鍵觸發函數＜ / SOFTKEY＞……窗體（tǐ）設計采用 QtDesigner 中（zhōng） HMI－solutionline 組件搭建圖形化用戶界麵。對 vs2008 調（diào）試環境進行配置，修改係統配置文件，運行源程序後生成人機界麵hmi 文件、後台邏輯動態鏈接庫 dll 文件以及語言翻譯ts 文件，生成文件會自動導（dǎo）入數控係統相應文件夾路徑下，實現將數控強（qiáng）力加工軟件嵌（qiàn）入 SINUMERIK840Dsl 數控係統中。我們的 HMI 係統入（rù）口為標準操作界麵主頁上預留的第七個軟鍵（jiàn），啟（qǐ）動數控係統點擊軟鍵即可啟動數控強力刮齒加工（gōng）軟件，在軟件不同（tóng）功能模塊下實現所需的功能業務（wù）。如圖 2 為數控強力刮齒加工（gōng）軟件主頁（yè）麵。

2. 3 數（shù）控強力刮齒（chǐ）軟件主要功能模塊

根據數控強力刮齒的（de）加工要求，可知（zhī），係統結構（gòu）模型輸入是製造信息( 工件信息，工具（jù）信息，工（gōng）藝信息等) ，要求獲得的輸出是產品信息( 加工參數，NC 代碼等) 。分析軟件功能構架，對（duì）軟件進行模（mó）塊劃分，包含以下模（mó）塊: 用戶管（guǎn）理模塊，機床管理模塊，數（shù）據庫管理模塊，參數設定模塊，任務單記錄模塊，繪圖模塊，再對各模塊子功能進行劃分。係統主要（yào）功能模塊如圖 3。

進入軟件主（zhǔ）頁麵需要首先進行（háng）登陸操作，預留初始（shǐ）用戶名（míng）和（hé）密碼（mǎ），登陸係統後可以在軟件主頁麵用戶管（guǎn）理窗體下添加或刪（shān）除用戶。

數控強力刮齒軟件數據庫功能采用 QSqlite 輕量級數據庫作為數據支撐，包括用戶數據庫、機（jī）床數據庫、工件數據（jù）庫、刀具數據庫和加工記錄數據庫，數據庫參（cān）數添加刪除查詢等功能分別在（zài）各自窗體完成。參數（shù）輸入模塊中可以從數據（jù）庫中（zhōng）讀取所（suǒ）需參數，將加工（gōng）參數帶入強力刮齒加工數學模型進行運算，輸出數控程（chéng）序。

2. 4 代（dài）碼生成功能實（shí）現

SINUMERIK 840Dsl 二次開發軟件中通過點擊軟鍵（jiàn）觸發屏幕內的（de）某一項任務，實現不同模塊功能（néng）。在XML 文件中定義軟鍵 FUNCTION 功能函數名（míng）為“pro-duce“，該窗體文件的 CPP 文件的 on Function 函數中添加代碼 if( “produce”= =rs Function) { ……} ，連接界麵軟鍵與代碼生（shēng）成業務邏輯。自動生成（chéng）數控程（chéng）序是（shì）數控強力刮齒軟件（jiàn）主要的（de）功能模塊，圖 4 為軟件代碼生成功能流程圖。本模塊通過設定齒輪參數（shù）、刀具參（cān）數、機床參數和（hé）工（gōng）藝參數，輸出數控程序，實現數控強力（lì）刮齒加工參數化編程。

軟件從工件數據庫加載工件參數，包括齒輪類型、旋向、齒數、法（fǎ）麵模數、螺旋角、壓力角、齒寬、齒頂高係數，頂隙係數和變（biàn）位係數。從刀具數據庫（kù）中加載刀具模數、刀齒數、刀具厚（hòu）度、刀具螺旋、安裝角、刀具變位係數和刀具主前角、主後角。機床參數為 X、Y、Z、A、C 各軸對（duì）刀值。工藝參數包括走刀數（shù）目、主軸與工件轉速、粗切進給量、精切進給量、每刀切深、總切深和加工時間。根據齒輪（lún）模數，軟件自動分配走刀數目（mù），以及每刀切深。通過（guò）設定粗精進（jìn）給量，根據加工數學模型，可（kě）以計算出（chū）加工時間。每次生成數控程序後軟件會自動保存任務單記錄（lù），通過選定曆史（shǐ）加工參數可以加載（zǎi）加（jiā）工記錄信（xìn）息，完（wán）成（chéng）加工參數設定。圖 5 為軟件參數設定模塊界（jiè）麵。

3 結語

( 1) 介紹了采用（yòng） Qt 圖形框架與（yǔ） C++編程語言，在PCU+ NCU 構架下對 SINUMERIK 840Dsl 數控係統進行二次開發的一般步驟。

( 2) 在開放式數控係統 SINUMERIK 840Dsl 下，對其（qí） HMI 界麵進行（háng）二次開發，嵌（qiàn）入了數控強力刮齒加工軟件，實現了參數化編製（zhì）刮齒加工數控程序。軟件人機界麵友（yǒu）好，參數輸入便捷，操作難度低。縮（suō）短了刮齒加（jiā）工編程時間，減（jiǎn）輕了操作員工作強度，對於推廣刮（guā）齒加工具（jù）有積（jī）極意義，為進（jìn）一步研究（jiū）強力（lì）刮齒加工提供了條件。

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