數控滾齒加工自動編程技術研究及系統開發

溫水房

摘 要：滾齒加工法是齒輪加工中的常用方法之一，而對自動編程技術的研究也具有十分重要的意義。簡要介紹了數控滾齒加工自動編程系統及其數學模型，分析了數控滾齒加工自動編程系統開發的關鍵技術，以期為日后數控滾齒加工工作的順利進行提供參考。

關鍵詞：數控編程；自動編程；滾齒加工；系統開發

中圖分類號：TG61+2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.024

隨著我國社會經濟的快速發展，工業和機械行業取得了極大的進步，對基礎零件的需求也日益增加。其中，齒輪是機械行業的重要基礎零件。在齒輪制造加工過程中，數控滾齒加工是應用最廣泛的加工方法，大多采用手工編程，需要人工進行工藝處理、數值計算、程序編寫、校驗等工作，效率比較低，且容易出錯。而自動編程能夠提高工作效率，所以，對其自動編程技術展開研究具有十分重要的意義。

1 自動編程系統的數學模型

1.1 確定對刀點

對刀時，要遵循NC代碼簡單、加工精度高、方便在滾齒機上找正的原則。為了確保滾刀與齒坯之間有正確的位置關系，需保證滾刀與齒坯剛好接觸，并使滾刀的外徑與吃刀深度線AP相切。

1.2 確定滾刀加工軌跡，計算關鍵坐標點

以軸向滾切一次循環逆滾為例，如圖1所示，滾刀的運動軌跡是1→2→3→4.滾刀由參考0點位置快速進刀到位置1，然后，滾刀徑向進給到位置2，工件開始加工。當滾刀軸向運動至位置3，一次進給加工完畢，之后，滾刀退刀至位置4，再退回位置1.由此可見，1，2，3，4這4個關鍵點非常重要。各個關鍵點坐標值如圖1所示。

X2＝R＋r－h.

Z2＝Z1.

式（3）中：h為吃刀深度線AP與齒坯最左素線的距離。

關鍵點3的位置為：

X3＝X2.

Z3＝H－δ2.

式（6）中：δ2為切出行程，即滾刀中心與齒坯下端面的間距。

關鍵點4的坐標值為：

X4＝X1.

Z4＝Z3.

1.3 滾刀和齒坯的運動關系

滾刀切削運動與齒坯的展成運動的轉速關系為：

Ni＝KtNt/zw.

滾刀軸向進給運動與齒坯實際運動的關系為：

Vf＝faNw.

工件的附加轉速為：

Nf＝±Vf/Pz.

工件的螺旋線導程為：

Pz＝mnπzw/sinβ.

工件的實際轉速為：

Nw＝Ni±Nf.

式（9）（10）（11）（12）（13）中：Ni為齒坯做展成運動時的轉速，r/min；Nt為滾刀轉速，r/min；Kt為滾刀頭數；zw為齒坯齒數；fa為齒坯每轉滾刀軸向進給量，mm/r；Nf為工件附加轉速，r/min；mn為齒坯的法向模數，mm；β為齒坯螺旋角，°。

逆滾加工時，滾刀與齒坯的螺旋線方向一致時，取“＋”，反之為“－”；順滾加工時，滾刀與齒坯的螺旋線方向一致時，取“－”，反之為“＋”。

2 數控滾齒加工自動編程系統

2.1 硬件平臺

嵌入式系統是一種專用的計算機系統，常用于控制和管理其他設備。該自動編程系統是一個基于ARM＋DSP＋FPGA的嵌入式平臺，是基于WindowsCE6.0開發的，采用VC++模塊作為開發工具。

ARM9主要負責用戶信息的輸入、存儲和顯示，是自動編程系統的人機接口；基于WindowsCE6.0操作系統，負責將工作信息通過網絡傳送到遠程服務器；DSP（DSP6713）負責處理自動編程系統的復雜運算和實時控制。同時，為了充分發揮ARM、DSP的優勢，得到更快的處理速度、更優的控制性能和更高的加工精度，也為了軟件開發的方便和靈活，特將系統的人機交互界面和運動控制分割開，由ARM負責人機交互，DSP負責運動控制。ARM和DSP是通過HPI總線進行數據交接的，由CPLD負責完成HPI接口邏輯，以協調兩者之間的通信。FPGA是現場總線的接口層，實現了DSP與從機節點間的信息傳輸和接收。

2.2 軟件設計

2.2.1 自動編程系統架構和模塊劃分

根據數控滾齒加工自動編程系統的功能需求，對本系統進行了模塊劃分，包括自動編程模塊、位置模塊、設置模塊、系統模塊、圖形仿真模塊和一些子模塊。

滾齒加工自動編程系統是一個復雜的多任務系統，從時間上來講，各個模塊有著時序配合問題；從邏輯上講，雖然每個模塊都承擔著不同的任務，但是，各個模塊之間存在耦合關系。因此，該系統采取并行處理多任務調度機制。

2.2.2 自動編程系統軟件頁面集設計

在對自動編程系統進行頁面集設計時，參考模塊劃分的方法，共設計了6個主頁面，分別是自動編程主頁面、圖形主頁面、位置主頁面、信息主頁面、系統主頁面和設置主頁面，這6個主頁面既相對獨立又相互聯系。另外，根據功能設計的要求，把系統需求的各項功能合理地分布到這6個主頁面上，所以，這6個主頁面中的每一個頁面都包含一個或者多個子頁面，子頁面的個數要根據該主頁面需實現的功能而設置。

3 系統開發的關鍵技術

3.1 面向對象軟件編程技術

數控滾齒加工自動編程系統采用了面向對象的設計思想和方法。面向對象編程技術是一種分析問題、解決問題的新方法，它是以對象和類為基礎的。在面向對象編程方法中，齒輪的重要參數，比如齒數、模數、壓力角等就是齒輪對象的屬性集合，當齒輪擁有了自身的屬性后，也就具有了操作這些屬性的方法，然后對其進行封裝。此時，齒輪才成為面向對象中的一個具體對象。

本系統應用了VS2005中的VC++模塊，該模塊集成了MFC類庫，包含了大量的C++類庫，應用MFC開發應用程序非常符合面向對象的設計思想。

3.2 通信技術

通信模塊負責將上層ARM的數據通過HPI通道準確、迅速地發送到底層DSP，以供程序調用，同時，它還負責接收DSP的各種信息。在工作過程中，要先在驅動層定義讀與寫操作代碼。在應用層，僅需打開驅動調用通道就可以直接讀寫HPI。

3.3 多線程技術

為了確保系統可以實時多任務管理，需采用多任務并行處理方式，即多線程技術。在滾齒自動編程系統中采用了三線程并行處理方式，分別是用戶界面主線程、數據發送線程和數據接收線程。有了三線程處理方式，既保證了實時發送數據控制機床運動，又保證了實時接收數據，以顯示機床的運行狀況，實現界面管理功能。

3.4 譯碼技術

在自動編程模塊中，有2種途徑能夠生產NC代碼：①在人機交互界面輸入齒輪參數、工藝參數和刀具參數，然后通過自動編程模塊處理生成NC代碼；②在人機交互界面，用戶輸入NC代碼，然后系統檢查NC代碼無誤后，將其保存起來。

采取上述2種方式生成NC代碼后，可經過編譯模塊對其進行坐標處理和數據處理，生成規定的數據結構。此數據結構將存儲在刀補處理模塊的刀補緩沖區，經由通信模塊傳送給下層DSP，最后，DSP根據接收到的數據內容執行插補和位控等處理。

4 結束語

綜上所述，數控滾齒加工自動編程能夠有效彌補手工編程工作效率低下、技術要求高、錯誤率高等缺點，對促進齒輪數控加工的發展有十分重要的意義。數控滾齒加工自動編程系統能夠大大提高工作效率，縮短齒輪生產周期，降低對技術人員的要求，所以，可以在齒輪制造業中推廣應用。

參考文獻

［1］張建民.數控加工自動編程系統的實現及技術分析［J］.科技創新與應用，2015（34）.

［2］黃河，劉福華，曾欣，等.滾齒加工裝備及其技術發展趨勢［J］.現代機械，2015（06）.