滾齒機床是通過展成對齒輪進行加工，主要通過6 根轉(zhuǎn)動軸的相互配合形成加工軌跡，完成齒輪加工。隨著電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代滾齒機床各轉(zhuǎn)動軸均由伺服電機直接驅(qū)動，采用所謂電子齒輪技術(shù)，這對數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)提出了新的要求。i5 數(shù)控系統(tǒng)是沈陽機床廠自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠進行切削、銑削等加工，但該系統(tǒng)目前尚不支持滾齒加工控制，本文將進行滾齒機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。Virtuos 軟件是 ISG 公司最新推出的硬件在環(huán)仿真軟件，國內(nèi)尚無學者對其進行介紹和運用。由于沈陽機床廠目前尚無滾齒機物理機床，為了節(jié)約企業(yè)開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，本文將利用 Virtuos 軟件運用硬件在環(huán)仿真技術(shù)進行滾齒機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。
1 基于虛擬樣機的滾齒機數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)流程
基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬制造( Virtual Manufacturing) 技術(shù)在統(tǒng)一模型之下對設(shè)計和制造等過程進行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動態(tài)的數(shù)字模型之上�，F(xiàn)代機床設(shè)計已經(jīng)不僅僅是運動、功能和強度的設(shè)計，還必須考慮所設(shè)計的機床動態(tài)性能如何，甚至在機床沒有制造出來以前就能夠進行虛擬加工，預測其動態(tài)性能，這就要借助虛擬機床來進行仿真。利用數(shù)控系統(tǒng)、機床和加工過程三者的協(xié)同仿真模型，可以預測機床在當前加工條件下的工件表面質(zhì)量和加工過程的穩(wěn)定性。目前市面上的虛擬機床仿真解決方案需要在多個軟件中進行處理，要花費大量時間建立模型和處理轉(zhuǎn)換工作，建立起的虛擬機床也不能直接和真實數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合建立起 HIL 仿真環(huán)境。德國斯圖加特大學機床與控制技術(shù)研究所( ISW) 及其工業(yè)控制技術(shù)公司( ISG) 開發(fā)的 Virtuos 虛擬機床仿真軟件，是在一個平臺下建立包含機電耦合的虛擬機床，具備實時仿真性能，并能方便地和真實數(shù)控系統(tǒng)進行連接。Virtuos 仿真系統(tǒng)硬件由仿真計算機和安裝在其上的總線從站組成，從站模擬伺服和 I/O，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)中的虛擬機床與真實數(shù)控系統(tǒng)的交互。在該仿真系統(tǒng)當中可以建立虛擬樣機的控制模型和可視化模型，并能進行仿真操作，如圖 1 所示。
圖 1 Virtuos 軟件系統(tǒng)組成
基于虛擬樣機的滾齒機數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)流程如圖 2 所示。首先分析滾齒機控制系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能，明確滾齒機控制系統(tǒng)的任務(wù); 其次根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)制定系統(tǒng)總體設(shè)計方案，并制定出規(guī)范的設(shè)計開發(fā)文檔供后期詳細開發(fā)使用。此步驟完成后，將進行的開發(fā)工作包括兩方面: 軟件設(shè)計和硬件設(shè)計。本文在 i5 數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)滾齒機數(shù)控系統(tǒng)，其功能模塊主要包括算法和數(shù)據(jù)處理、人機界面、位置控制、PLC 控制等，設(shè)計過程中需要考慮機床操作者的使用習慣及企業(yè)的其他相關(guān)要求。軟件設(shè)計和硬件設(shè)計完成后均需要對其進行測試，若無問題則將二者合成在一起。系統(tǒng)合成之后可以利用三維設(shè)計軟件建立滾齒機的虛擬樣機模型，使用硬件在環(huán)軟件 Virtuos 建立運動控制模型，并將這 2 個模型與滾齒機數(shù)控系統(tǒng)連接進行硬件在環(huán)仿真測試，測試包括滾齒機運動學分析、動力學特性分析和數(shù)控系統(tǒng)兼容性測試。經(jīng)硬件在環(huán)仿真分析無誤后，可對數(shù)控系統(tǒng)進行聯(lián)機調(diào)試，若無問題則可投入使用。
圖 2 基于虛擬樣機的滾齒機數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)流程
2 滾齒機虛擬樣機及控制模型的建立
本文采用 SolidWorks 軟件對滾齒機核心部件進行建模。為了提高仿真效率，建模過程中省略掉其他一些不必要的部件。滾齒機模型如圖 3 所示。該滾齒機床有 X，Y，Z，A，B，C 軸，其中 X，Y，Z 3 軸可實現(xiàn)平動，A，B，C 3 軸可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。
圖 3 滾齒機床三維模型圖
Virtuos 軟件本身提供了豐富的控制模型庫和機床三維模型庫，可直接用于構(gòu)建虛擬機床，當然機床的三維模型也可通過其他 CAD 軟件建立然后導入，比如 MATLAB/Simulink 文件建立的虛擬機床模型。SolidWorks 和 Virtuos 都支持 vrml 格式文件，故將上述 SolidWorks 所創(chuàng)建的滾齒機三維模型保存為 vrml 格式文件，然后將文件導入到 VirtuosV( 該模塊可建立機器的三維可視化模型，也可從其他軟件中導入模型，可查看三維模型的運動)中進行機構(gòu)仿真。
在完成機構(gòu)仿真后進行 VirtuosM( Virtuos 軟件中支持圖形人機界面的仿真核心模塊，用戶可在其中建立機器的控制模型并查看各參數(shù)圖表) 仿真工作。首先根據(jù)機床各軸的運動情況定義各個運動傳遞環(huán)節(jié)傳動鏈。根據(jù)圖3 中滾齒機結(jié)構(gòu)所示，滾齒機中的 X軸帶動Z軸，Z軸帶動A軸，A軸帶動Y軸，Y 軸帶動B軸，通過五軸聯(lián)動形成復合展成運動，C 軸以固定速率帶動齒輪進行轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)齒輪的加工。根據(jù)以上運動，建立如圖4 所示的運動鏈圖。
圖 4 滾齒機床控制模型運動鏈圖
然后在 VirtuosM 中定義接口模塊，建立與總線接口之間的連接。本文選用的 i5 數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動器的接口為 EtherCAT，Sercos 協(xié)議。因為 Vir-tuosV 中的滾齒機三維模型的 6 根軸將按照 Virtu-osM 中對各軸的輸入?yún)?shù)進行運動，因此圖 4 中的傳動鏈信號輸入接口均與 VirtuosM 中各軸的輸入輸出信號接口相互對應。以 Y 軸為例，其 Sercos 接口如圖 5 所示。通過 Sercos 總線接口，控制模型可以接收滾齒機 CNC 發(fā)出的驅(qū)動指令。
圖 5 滾齒機床 Y 軸 Sercos 接口示意圖
此外，需要將 VirtuosV 導入的運動型模型和VirtuosM 中的控制學模型進行連接。VirtuosM 和VirtuosV 之間的連接是通過公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu) ( Common Object Request Broker Architecture，CORBA) 服務(wù)器( Server) 進行，CORBA 是一種用于在不同程序設(shè)備間通訊的面向?qū)ο蟮闹薪椋瑪?shù)據(jù)通過 TCP/IP 傳輸。
3 滾齒機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)及硬件在環(huán)仿真分析
i5 數(shù)控系統(tǒng)平臺是基于 Linux 操作系統(tǒng)的應用軟件，使用 Visual C + + 作為開發(fā)工具，是基于總線技術(shù)高度開放的系統(tǒng)，允許用戶對系統(tǒng)進行擴展和修改，以實現(xiàn)對人機界面和 CNC 的客戶化和智能化定制。
本文基于 i5 數(shù)控系統(tǒng)建立了支持自動編程功能的滾齒機數(shù)控系統(tǒng)。在 Linux 環(huán)境下采用C + +語言對系統(tǒng)中各功能界面進行設(shè)計。設(shè)計過程中參考西門子 840D 和 FANAC 等數(shù)控系統(tǒng)的編程格式及人機界面，以簡潔實用為指導思想對滾齒機人機界面進行了設(shè)計。
本系統(tǒng)人機界面包括用戶輸入、系統(tǒng)輸出、加工仿真、系統(tǒng)管理 4 大模塊。用戶輸入模塊可設(shè)置加工計劃、齒輪參數(shù)、滾刀參數(shù)、工件參數(shù)和工藝流程等信息。系統(tǒng)輸出主要包括機床信息、編程代碼及仿真結(jié)果、報警信息、系統(tǒng)日志等信息。加工仿真模塊可以在生成 CNC 程序代碼后進行圖像化模擬仿真。系統(tǒng)管理模塊中包含了文件管理、工藝支持庫和運算庫管理、生產(chǎn)管理和機床信息管理，在該模塊中可以添加、刪除、查看、轉(zhuǎn)發(fā)各種相關(guān)信息，系統(tǒng)還設(shè)置了密碼保護裝置，根據(jù)權(quán)限不同能執(zhí)行不同級別的指令。操作人員只需在系統(tǒng)中輸入齒輪的相關(guān)參數(shù)、工件參數(shù)、滾刀參數(shù)等信息，系統(tǒng)將會自動根據(jù)用戶選擇的工藝路線( 工藝庫也提供工藝支持) 迅速生成工件的 CNC 加工代碼，代碼生成之后可在系統(tǒng)中查看其仿真加工軌跡。在 Virtuos 軟件中完成了三維模型及控制模型的建立與連接之后，將 i5 數(shù)控系統(tǒng)與 Virtuos 軟件建立連接并實施硬件在環(huán)仿真分析。本文采用德國 Beckhoff 公司生產(chǎn)的 PCI － FC9002 組件作為相互之間的連接橋梁，如圖 6 所示。
圖 6 i5 數(shù)控系統(tǒng)與 Virtuos 連接圖
以加工一個斜齒圓柱齒輪為例，齒輪法面模數(shù)為 16mm，齒數(shù)為 92，螺旋角 28°，齒寬為 240mm，材料為 20CrNi2MoA，驗證本系統(tǒng)的自動編程功能。在將待加工齒輪各相關(guān)參數(shù)輸入滾齒機數(shù)控系統(tǒng)之后，系統(tǒng)將自動生成加工齒輪的 G 代碼，如圖 7中所示。以下為系統(tǒng)生成的部分代碼:
圖 7 滾齒機自動編程系統(tǒng)界面
PROC HOBBING( VAR REAL R60，VAR RE-
AL R61，VAR REAL R62) / / 定義單個零件加工子程序
R40 = 15 / / 滾刀安裝角
R21 = 45 / / 竄刀量
R22 = 640 / / 竄刀極限
G00 X 869，Y － 436，Z 1690
A 15
EGCNL( C)
EGDLT( C)
EGNEW( C，B，1，Y，1，Z，1)
EGSRT ( C，" PRECISE " ，B，2，92，Y，5．
4051，92，Z，3． 3623，92)
F 55
滾齒機數(shù)控系統(tǒng)的 CNC 組件將數(shù)控指令傳送到 Virtuos 軟件中，VirtuosV 中的虛擬樣機模型根據(jù)收到的指令進行相應的運動，i5 數(shù)控系統(tǒng)控制面板上顯示齒輪的加工情況，如剩余加工齒輪的個數(shù)等情況。在 VirtuosM 中可以通過監(jiān)控界面查看滾齒機虛擬樣機中各軸的運動情況并能查看其硬件在環(huán)仿真的結(jié)果。由于滾齒機床構(gòu)造比較特殊，且滾刀是多刃刀具，加工時依靠各軸相互配合方可完成，需要對系統(tǒng)的運動軌跡及干涉的問題進行驗證。以滾齒機中的 Y 軸為例，該軸被施加一組階躍信號，其仿真結(jié)果如圖 8 所示，圖中橫坐標為時間軸，每一格為 0． 01s，縱坐標為 Y 軸位移的大小。仿真結(jié)果顯示 Y 軸的位移曲線在 0． 03s 后達到理想狀態(tài)，具有較好的動態(tài)響應特性，且后期運動平穩(wěn)，具有很強的穩(wěn)定性。
圖 8 Y 軸硬件在環(huán)運動仿真結(jié)果
4 結(jié)束語
本文所開發(fā)的自動編程系統(tǒng)經(jīng)仿真表明具有較好的穩(wěn)定性，能夠完成對滾齒機的正確控制，通過自動編程系統(tǒng)生成的 G 代碼，能夠?qū)崿F(xiàn)齒輪的正確加工。今后將圍繞優(yōu)化仿真分析，對整機動態(tài)特性進行全面仿真，同時對滾齒機的模型進行不斷完善，以得到更優(yōu)的控制參數(shù)。
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本文標題：基于硬件在環(huán)的滾齒機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)
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