（机械制造及其自动化专业论文）数控滚齿智能编程系统及其热误差补偿技术的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 齿轮机床是机床工业公认的工作母机中技术含量最高、零部件最多、结构最 复杂的产品之一。国际上只有美国、日本、德国等少数发达国家能够生产高端齿 轮机床，我国的高端齿轮机床市场绝大部分被境外生产商所占有。如今中国齿轮 行业呈现出设计信息化、装备智能化、流程自动化、管理现代化的发展趋势。中 国齿轮企业正在从规模速度型转变为创新效益型，转入科学发展的新阶段。 为了适应这一需要，本文提出了基于西门子数控系统的数控滚齿智能编程系 统，并在系统中实现了热误差的在线补偿。此系统的开发不仅简化数控滚齿的编 程过程，提高数控滚齿加工的效率，更重要的是通过数控系统本身实现了热误差 变形的实时补偿，提高了滚齿加工的精度。 本课题主要完成的研究工作包括： 研究数控滚齿智能编程共性和特性规律。在揭示滚齿3 n q - 共性规律的基础 上，研究不同加工对象、不同滚齿机、不同刀具和不同工艺的复杂环境下滚齿特 性问题，为数控滚齿智能编程理论建模奠定基础。 建立数控滚齿智能编程n c 程序框架。利用西门子提供的灵活的编程技术， 完成主程序对子程序的调用及子程序和子程序之间的嵌套，从而完成复杂n c 代码 的生成。 基于西门子8 4 0 d 开放式数控系统，进行高精度、通用型、多功能数控滚 齿机智能编程系统的开发，实现在不同加工对象、不同滚齿机、不同刀具和不同 工艺的复杂环境下，仅需根据工艺要求输入或根据工艺知识库推荐选择工件、刀 具和工艺参数，经检验自动生成数控程序。 对滚齿机进行热源和热变形分析，并寻找出引起热变形最大的特征点，通 过检测特征点的温度进行热误差补偿模型的建模，实现基于“智能编程 技术的 滚齿机热变形自动补偿系统的开发。 关键词：滚齿加工、数控系统、智能编程系统、热误差补偿 a b s t r a c t g e a rm a c h i n ei st h em o s tc o m p l e xs t r u c t u r e ，m o s tp a r t sa n dh i g h e s tt e c h n o l o g yo f m em a c h 西et o o l si nt h i sw o r l d ，w h i c ha r er e c o g n i z e db y t h em a c h i n ei n d u s t r y t h e r e a r eo n l vaf e wd e v e l o p e dc o u n t r i e ss u c ha su s a ，j a p a n ，g e r m a n y , w h i c h a r ec a p a b l eo t p r o d u c i n gg e a rm a c h i n e t h em a j o rm a r k e to f t h eg e a rm a c h i n et o o ll so c c u p l e db y o v e r s e a sm a n u f a c t u r e r si nc h i n a n o w a d a y s ，t h eg e a ri n d u s t r yo f c h i n ai ss h o w i n gt h e d e v e l o p m e n tt r e n d so fi n f o r m a t i o nd e s i g n ，i n t e l l i g e n te q u i p m e n t ，p r o c e s s a u t o m a t l o n a n dm o d e mm 狃a g 锄e n t t h eg e a re n t e r p r i s e so fc h i n a a r ec h a n g i n gf r o ms c a l m g 肌d s p e e d i n gm o d e li n t ot h em o d e lo f i n n o v a t i o na n de f f i c i e n c y , w h i c hg o e st oan e ws t a g e o fs c i e n t i f i cd e v e l o p m e n t i no r d e rt oa d a p tt ot h i sn e e d ，t h i sp a p e rp r o p o s e d a l li n t e l l i g e n tp r o 野锄m m g s v s t e mo fc n cg e a rh d b b i n gm a c h i n e b a s e do nt h es i e m e n sn cs y s t e m ，w h i c hc a na l s o p r o v i d et h eo n l i n ec o m p e n s a t i o no f t h e r m a le r r o r s t h ed e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mn o t o n l vs i m p l i f i e st h ep r o g r a m m i n go f t h en cg e a rh o b b i n gp r o c e s s ，w h i c ha l s o 眦p r o v e s t h ee 衔c i e n c yo fn cg e a rh o b b i n g m o r ei m p o r t a n t ，i ti m p r o v e st h ea c c u r a c yo fg e 缸 h o b b i n g 俯o u g ht h en cs y s t e mw h i c ha c h i e v e sr e a l - t i m ec o m p e n s a t i o n o tt h e r m a le r r o r d i s t o r t i o n t h i ss u b j e c tm a i n l yc o m p l e t e st h ef o l l o w i n g r e s e a r c hw o r k s ： t h el a w so fs i m i l a r i t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s f o rt h ei n t e l l i g e n tp r o g r 锄m l n g s v s t e r no fc n cg e a rm a c h i n e a r er e s e a r c h e d t h ep r o b l e m so fg e a rh o b b i n g c h a r a c t e d s t i c si nt h ec o m p l e xe n v i r o n m e n tu n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s i n go b j e c t s ，d i 啦e r e n t h o b b i n gm a c h i n e ，d i f ：f 打e n tt o o l s a n dd i f f e r e n tp r o c e s s e sa r ev e r i f i e d ，w h i c hb a s e do n m er e v e a l i n go fc o m m o nl a w so fg e a rh o b b i n gp r o c e s s t h i s i st h ef u n d a m e n to f m o d e l i n gf o rt h ei n t e l l i g e n tp r o g r a m m i n gs y s t e mo f n cg e a rm a c h i n e ( 萄t h e 矗锄eo fn cp r o g r a mf o rt h ei n t e l l i g e n tp r o g r a m m i n gs y s t e mo fn c g e a r m a c h i n ei se s t a b l i s h e d u s i n gt h ef l e x i b l ep r o g r a m m i n gt e c h n i q u e s ，w h i c hi so f f e r e db y s i e i l l e n sc o m p a n y t h i sw i l lh e l pt h em a i np r o g r a mt oc a l l t h es u b p r o g r a m ，a n da l s o c o m e e t et h e s u b r o u t i n en e s t i n g ，w h i c hc o m p l e t e st h eg e n e r a t m no c o m p i e xn o p r o g r a m b a s e do nt h es i e m e n s 8 4 0 d o p e n n cs y s t e m s ，t h eh i g h 。p r e c l s l o n ， g e n e r a l p u 印o s e ，m u l t i f u n c t i o ni n t e l l i g e n tp r o g r a m m i n gs y s t e m o fn cg e a rh o b b i n g m a c h i n ei sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mw i l la u t o m a t i c a l l yt e s ta n dg e n e r a t e t h en cp r o g 锄 i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 u n d e rd i f f e r e n to b je c t s ，d i f f e r e n th o b b i n gm a c h i n e s ，d i f f e r e n tt o o l sa n dd i f f e r e n t p r o c e s s e si nt h ec o m p l e xe n v i r o n m e n t ，w h i c ho n l yi n p u t st h ep a r a m e t e r so fw o r k p i e c e ， t o o la n dp r o c e s s ，o rs e l e c tw o r k p i e c e ，t o o la n dp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ed a t a b a s eo f p r o c e s sk n o w l e d g e t h i sp a p e ra n a l y z e st h et h e r m a ld e f o r m a t i o no fg e a rh o b b i n gm a c h i n e a n da l s o f i n d so u tt h em o s tc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hc a u s e dt h e r m a ld e f o r m m i o n t h em o d e lo f t h e r m a le r r o rc o m p e n s a t i o na r em o d e l e dt h r o u g h t e s t i n gt h et e m p e r a t u r eo ft h ed e t e c t e d f e a t u r ep o i n t s ，w h i c ha c h i e v e st h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cc o m p e n s a t i o no ft h e r m a l d e f o r m a t i o ni ng e a rh o b b i n gm a c h i n e ，w h i c hi sb a s e do n ”i n t e l l i g e n tp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：g e a rh o b b i n g ，n cs y s t e m s ，i n t e l l i g e n tp r o g r a m m i n gs y s t e m ，t h e r m a l e r r o rc o m p e n s a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 课题背景 齿轮机床是机床工业公认的工作母机中技术含量最高、零部件最多、结构最 复杂的产品之一。国际上只有美国、日本、德国等少数发达国家能够生产齿轮机 床，我国的齿轮机床市场绝大部分被境外生产商所占有。据不完全统计，我国高 端机床市场上的国产化占有率不足3 0 ，国外生产商占据了7 0 的市场份额。而 数控机床领域，国产化的占有率更是低于2 5 。由于进口机床价格较高，真正的 有效需求也没能完全释放出来。一方面是低端产品供给的过剩，另一方面是高端 产品供给的不足【1 1 。 2 0 0 3 年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机 床进口国。齿轮制造业是从属于主机制造业的一个配套产业，它随着主机行业的 发展而兴衰。“十五”期间，由于主机行业发展情况良好，中国齿轮制造业到2 0 0 5 年底有较大增长，中国已成为世界齿轮制造大国。齿轮制造行业的高速发展，又 反过来要求机床制造水平不断提高，以满足汽车、航空、航天等行业的发展。但 是，国内中高端数控系统被德、日垄断，我国进口的数控系统基本为德国西门子 ( s i e m e n s ) 和日本发那科( f a mt c ) 两家公司所垄断，这两家公司在世界市场 的占有率超过8 0 【2 】。图1 为西门子数控系统。 图1 1 西门子数控系统 f i g 1 1s i e m e n sn cs y s t e m s 国外数控系统自动化水平高、功能强大，但多数知名企业使用的都是自己研 发的硬件和软件平台且他们的技术都是不公开的。国产数控系统的性能和可靠性 虽然已经有了很大的提高，但是由于系统技术含量低、产生的附加值少、不具备 重庆大学硕士学位论文1 绪论 与进口系统进行全面抗衡的能力，只在低端市场占有一席之地，与国外相比还有 不小的差距。同时，国内专门针对于数控齿轮加工的数控系统软件开发较少，且 功能比较单一。有些研究通过在计算机上开发软件，直接调用图形软件的内核或 已有数据，然后自动生成n c 加工代码；或通过对a u t o c a d 、p r o 等图形软件进 行二次开发实现，现在计算机上利用绘图软件建模得到齿轮的三维模型，然后利 用二次开发的后续软件提取齿轮三维模型的信息并自动生成n c 程序。可以将计 算机与机床联网，把n c 代码传输到机床的数控系统中。以上这几种方法都是基 于专用图形软件进行开发或直接调用了绘图软件的信息开发的，并且只能在计算 机上实现。另外，这类软件对操作人员的职业门槛也比较高，要求操作人员掌握 a u t o c a d 、p r o e 等专业软件。 我国作为世界上机床产量最大的国家，在国际市场竞争中仍处于较低水平； 大量高档机床依赖进口，已连续七年成为世界第一机床进口大国。齿轮机床作为 机床中技术含量最高、零部件最多、结构最复杂的产品之一，国内高端市场绝大 部分被国外美国g l e a s o n 、德国l i e b h e r r 等公司占据。究其原因，一方面国内市场 对高档数控机床有大量需求；而另一方面国内企业由于技术限制和落后，不能生 产能满足高端市场需求的产品，导致高档数控机床长期被西方发达国家垄断。在 数控自动编程领域，世界上主流机床企业通过自主开发数控系统或二次开发数控 系统，无需额外添加设备，直接在机床上集成编程系统，实现数控程序自动生成 功能。目前国内在数控齿轮加工自动编程方面做了一些研究，但研究成果与国外 同类产品相比，在稳定性、精度性、功能化、智能化上还有较大差距，尚处于研 究阶段，还未进入应用阶段，远不能满足国内高端市场的需求。图1 1 为g l e a s o n 公司g p 2 0 0 滚齿机。 图1 2g l e a s o ng p 2 0 0 数控滚齿机 f i g 1 2g p 2 0 0n cg e a rh o b b i n gm a c h i n eo fg l e a s o nc o m p a n y 2 0 0 8 中国齿轮专业协会年会报告中指出中国制造业正处于战略转型期，必须加 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 速产业结构调整与产业升级。中央指出，大力推进信息化与工业化融合，走新型 工业化道路，是中国加快现代化建设的战略选择。齿轮行业随着工业化与信息化 的融合，现代齿轮传动信息化与机电一体化的特征愈加明显。中国齿轮行业呈现 出设计信息化、装备智能化、流程自动化、管理现代化的发展趋势。中国齿轮企 业正在从规模速度型转变为创新效益型，转入科学发展的新阶段。在2 0 0 9 年第十 一届中国国际机床展览会上，美国h u r c o 自主开发的数控系统和软件w i n m a x 、 日本m a z a k 研制的m a z a t r o l 对话式程序、奥地利岍l 车铣中心数控系统等 都展示了新一代数控系统的信息化和智能化水平【3 。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 热误差补偿国内外研究现状 近几十年，国内外学者在数控滚齿机的热误差补偿方面投入了大量的精力， 也取得了许多不错的成果。 1 9 3 3 年，瑞士通过对坐标镗床进行测量分析后发现机床热变形是影响定位精 度的主要因素，这也是世界对热误差变形研究走出的第一步。在随后的几十年里 各国学者对机床的热误差变形做了更加深入的研究。1 9 8 6 年，f e r r e i r a 和l i u 4 】提 出了一种基于刚体运动学和小角度误差假设的二轴机床几何误差的解析二次型模 型。使用这种二次型模型的优点在十机床的主要误差可以直接表达为参数形式。 随后，日本学者进行了液体静压主轴热变形在线补偿的研究工作 5 】，a n j a n a p p a 研 究开发了一种运动学模型可以合成立式车削中心的所有几何误差【6 。 1 9 9 3 年，在热误差建模中运用到了大量的神经网络理论【7 ，这些新理论的引 入，大大提高了热误差模型的精度，使得机床的热误差补偿有了很大程度的提高。 岗田康明研究了检测热位移量进行自动补偿来实现长时间的高精度3 n q - 8 1 。日本学 者樱庭肇提出了检出热变形信号作为伺服轴的轴向延伸量来补偿行程指令【9 。日本 大阪机工公司( o k k ) ) 的t d c f u z z y 主轴头热误差补偿控制器利用模糊控制理 论控制主轴头的热误差。这种补偿方法能将1 天内的热误差有效的控制在0 0 2 m m 以内 1 0 o2 0 0 2 年，j i n h y e o nl e e 1 1 提出了基于关联组合和连续线性回归分析的热 误差模型，利用其中的判断函数可以有效地选择模型变量，改善共线性问题和减 少了计算时间，提高了模型精度。 我国对于热误差补偿的研究相对起步较晚，直到7 0 年代末，有关机床热变形 及误差补偿技术的研究工作才在一些高校和研究单位展开。 1 9 8 0 年，上海交通大学通过对机床热特性测定、分析和研究，得出了机床温 度场分布图。并开始进行了一系列误差补偿研究工作【1 2 。1 钔。1 9 8 7 年，浙江大学根 据热弹性理论推导了刀具的热变形计算公式。由十对车刀热变形误差进行了微机 重庆大学硕士学位论文1 绪论 补偿，取得了良好的效果，并建立了精密机械热模态理论。随后又以“热敏感度” 和“热祸合度”新概念和定量分析，描述了复杂的机床热系统 ”】。南京理工大学 和南京航空航天大学提出了一种模糊自学习误差补偿方法【1 6 】根据伺服机构的位置 误差和位置的变化率，利用模糊规则和推理得出位置误差初始校正值，采用自学 习、自校正技术生成位置误差校正表。该方法成功应用十开环数控系统的位置误 差补偿。 2 0 0 5 年，上海交通大学将由机床热变形引起的、决定工件加工误差的工件与 刀具间相对位移通过机床数控系统的外部机床坐标系偏置来实现实时补偿，并研 制开发了高精度、低成本的热误差实时补偿控制器【1 7 18 1 。随后上海交通大学通过 借鉴气体流动传热学理论去模拟计算机床主轴表面的热交换参数，对机床主轴温 度场和热误差进行了有限元分析，得出了机床热误差鲁棒建模的关键测点，热误 差模型在数控加工中心上进行了模拟验证，试验结果具有深远意义。 1 2 2 数控自动编程国内外研究现状 在数控自动编程领域，一般采用c a d c a m 集成系统数控编程【1 9 ，即以待加 工零件的c a d 模型为基础进行几何造型，采用m a s t e r c a m 、u g 、p r o e n 舀n e e r 等软件通过参数设置、刀具和加工参数选择，自动生成刀具路径，生成数控加工 代码，完成仿真1 j n - r ，实现数控自动编程。由于这种自动编程方法，依赖于计算 机，只能人工提取c a d 模型的工艺特征，操作繁琐，影响了编程质量与效率；同 时要求编程人员具备工艺规划、工程制图、几何造型、优化设计和数控编程等多 门基础知识，提高了操作人员职业门槛和编程系统普及难度。此外，也有在计算 机上自行开发软件，直接调用图形软件的内核或已有数据，实现自动生成n c 代码； 或通过对a u t o c a d 、p r o e 等图形软件进行二次开发【2 0 。2 到，提取工件三维模型的信 息，实现自动生成n c 程序。上述方法都是基于专用图形软件或直接调用了绘图软 件的信息实现编程的，且只能在计算机上实现，因此应用受环境、人力、成本和 时间限制，具有较大局限性。 随着微电子技术和数控系统的迅速发展，世界上主流机床企业通过自主开发 数控系统或二次开发数控系统，实现了无需额外添加计算机或嵌入式设备，直接 在机床上配置和集成编程系统或其他智能化软件。例如美国赫克( h u r c o ) 机床 的数控系统软硬件都是自主研发的，在微处理机和对话式编程软件开发等方面处 于同行业领先地位；其编程系统为对话式编程，能编辑、执行标准的n c 程序，运 用大量的图像和数据计算软件，能接受多种类型的输入方式，编制加工程序，并 用三维动画模拟实际加工中的刀具切削效果。图1 2 为美国h u r c o 公司自行研发 数控系统的h m i 。 4 重鏖奎兰堡主堂垡笙銮1 绪论 一- = ：= 图1 3h u r c o 公司数控系统人机界面 f i g 1 3n c s y s t e m sh m i o fh u r c o c o m p a n y 日本山崎马扎克( m a z a k ) 机床的数控系统是在日本三菱电机公司硬件平台 上，自主研发软件的，因而其运动控制性能和信息化、智能化功能居于世界领先 地位；其编程系统融入了m a z a k 公司7 0 余年加工经验的智能化专家系统，使得 编程更加容易。美国g l e a s o n 下属的格里森普发特齿轮加工机床和德国k a p p 和 n i l e s 磨齿机等基于西门子开放式数控系统进行二次开发，针对齿轮加工参数有 限和固定这一特殊性，研发了齿轮加工编程系统，实现便捷地输入齿轮数据即可 完成齿轮齿向任意修正和程序自动生成。这种嵌入数控机床的编程系统的实现， 得益于新一代数控系统向p c 化和开放式体系结构发展的总体趋势。随着实时智能 控制技术的发展，世界一流的高档数控机床除了具有自动编程功能，还具有自动 诊断和控制、检测与补偿、网络制造、刀具监控与管理、语音提示和防碰撞等功 能。 我国机床行业经过几十年的发展，形成了具有一定生产规模和技术水平的产业 体系，使国产n c 系统产业发展迅速，在质和量上都取得了飞跃。特别是国产高档 n c 系统开发成功，打破了国外技术封锁，中高档n c 系统大部分仍采用s i e m e n s 和 f a n u c 产品。国内n c 系统基本占领了低端n c 系统的市场，中高档n c 系统的 研发和应用也取得了一定的成绩。据美国权威咨询机构a r c 分析，中国n c 机床 的需求开始趋向高速度、高精度和高效率，因此中国对中档n c 系统的需求将有较 快地增长。 在我国，重庆大学【2 3 】、华中科技大学例和兰州理工大学【2 5 】等高校也在数控齿 轮加工自动编程方面做了一些研究。如重庆大学研发的数控滚齿零编程系统；以 及兰州理工大学研发的齿轮加工图形参数化自动编程系统，为研发与国际接轨的 高精度、通用型、多功能齿轮加工自动编程软件提高了理论基础和技术支持。其 中以华中科技大学技术支撑的华中数控有限责任公司，是目前在数控系统方面做 重庆大学硕士学位论文1 绪论 得较为成功的国内公司。但是目前国内所有高校及公司的研究成果与国外同类产 品相比，在稳定性、精度性、功能化、智能化上还有较大差距，尚处于研究阶段， 还未进入应用阶段，远不能满足国内高端市场的需求。 1 3 课题来源及意义 本课题主要来源于国家重大科技专项“模块化高速、高精度、大型数控滚齿 机”( 2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 8 1 ) ，国家杰出青年科学基金“制造自动化”( 5 0 9 2 5 5 1 8 ) ，重庆 科技攻关项目“大型双柱立式数控滚齿机热变形预估及加工误差补偿技术的研究” ( c s t c 2 0 11 a b 3 0 5 5 ) 。 目前在智能编程领域主要存在着几个问题：1 ) 大多数采用c a d c a m 集成系 统数控编程，这种编程方法，过于依赖于计算机，且对操作人员有很高技术要求， 从而影响了编程质量与效率；2 ) 大多数热误差补偿技术，都不是基于西门子数控 系统本身的，而是采用外加一些硬件设备来实现误差补偿；3 ) 重庆大学、合肥 工业大学和兰州理工大学等高校开发的自动化编程技术与国外同类产品相比，在 稳定性、精度性、功能化、智能化上还有较大差距，还未进入应用阶段。 针对以上提出的关于智能编程领域的问题，本课题开发了一套带有热误差补 偿的数控滚齿智能编程系统。该系统利用西门子数控系统自身强大的计算能力， 在不添加其他上位机的前提下，不仅实现了滚齿n c 代码的自动生成，而且还实现 了热误差的在线实时补偿。整个智能编程系统的核心技术共分为两部分，一个是 n c 代码的自动生成，利用西门子提供的灵活的编程技术，完成主程序对子程序的 调用及子程序和子程序之间的嵌套，从而完成复杂n c 代码的生成；另一个是在线 的热误差补偿，智能编程系统通过温度传感器对温度的采集，在系统中建模从而 实现热误差的在线补偿。 数控滚齿智能编程系统的开发，实现了热误差的在线补偿，从而提高数控滚 齿加工质量稳定性，其开放的程序架构也缩短数控滚齿加工时间。本系统能替代 同类进口产品，提升我国高档数控滚齿机的智能化水平和国际市场竞争力，打破 国外对高档数控滚齿机的垄断，为我国的“十二五”规划打下坚实的基础。 1 4 课题主要研究内容及论文结构 1 4 1 主要研究的内容 本课题的主要研究内容如下： 研究数控滚齿智能编程共性和特性规律。在揭示滚齿加工共性规律的基础 上，研究不同加工对象、不同滚齿机、不同刀具和不同工艺的复杂环境下滚齿特 性问题，为数控滚齿智能编程理论建模奠定基础。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 建立数控滚齿智能编程n c 程序框架。利用西门子提供的灵活的编程技术， 完成主程序对子程序的调用及子程序和子程序之间的嵌套，从而完成复杂n c 代码 的生成。 基于西门子8 4 0 d 开放式数控系统，进行高精度、通用型、多功能数控滚 齿机智能编程系统的开发，实现在不同加工对象、不同滚齿机、不同刀具和不同 工艺的复杂环境下，仅需根据工艺要求输入或根据工艺知识库推荐选择工件、刀 具和工艺参数，经检验自动生成数控程序。 对滚齿机进行热源和热变形分析，并寻找出引起热变形最大的特征点，通 过检测特征点的温度进行热误差补偿模型的建模，实现基于“智能编程”技术的 滚齿机热变形自动补偿系统的开发。 1 4 2 论文结构 根据课题的来源，在研究有关国内外发展现状的基础上，指出了目前研究的 缺陷，确定了本论文的主要研究内容。论文各章节的主要具体内容如下： 第一章：指出了课题提出的背景，并分别介绍了热误差补偿和数控自动编程 的国内外研究现状，紧接着论述了整个课题的来源及研究意义以及整个课题的主 要研究内容。 第二章：介绍了西门子8 4 0 d 数控系统的软件和硬件的组成；紧接着又介绍了 西门子人机界面h m i 的组成和功能以及o e m 开发软件在整个系统开发过程中所 起的作用；最后介绍了数控滚齿智能编程系统的整体框架，并着重描述了热误差 补偿模块。 第三章：首先对整个数控滚齿机的热误差源进行了分析；通过加权灰色关联 度的最优测温点筛选法来选取了最佳的测温点；依靠最佳测温点的温度，运用多 元回归一最小二乘法理论进行热误差补偿模型的建立；最后对几种热误差补偿方案 进行了比较。 第四章：主要介绍了在数控滚齿智能编程系统开发中的一些关键技术，如灵 活的n c 的编程、参数化编程、滚齿关键点坐标的计算、热误差模块的开发设计、 以及其它一些关键技术。 第五章：主要介绍了数控滚齿智能编程系统在数控滚齿机床上的应用，并且 介绍了各个界面所能实现的功能，如加工设置、d n t 预览及补偿等功能，最后给 出了加工实例。 第六章：对全文进行总结，概括了论文的主要研究内容，并指出本课题有待 进一步完善的方面。 1 5 本章小结 重庆大学硕士学位论文1 绪论 本章是作为全篇论文的绪论。在这章中，首先介绍了“数控滚齿热误差补偿 与智能编程系统的设计与开发”这个研究课题提出的背景：接着描述了热误差补 偿技术以及数控自动编程技术的国内外研究现状；紧接着论述了整个课题的来源 及研究意义；在本章的最后，介绍了整个课题的主要研究内容以及整个论文的大 体结构。 重庆大学硕士学位论文 2 数控滚齿智能编程系统基础及其架构 2 数控滚齿智能编程系统基础及其架构 2 1 西门子8 4 0 d 数控系统 2 1 1 西门子数控系统硬件组成 s i n u m e r i k8 4 0 d 数字n c ( n u m e r i cc o n t r 0 1 ) 系统用于各种复杂d h - r ，它在复 杂的系统平台上，通过系统设定而适于各种控制技术【2 6 1 。8 4 0 d 与s i n u m e r i k6 1 1 数字驱动系统和s i m a t i c 7 可编程控制器一起，构成全数字控制系统，它适于各种 复杂加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。 s i n u m e r i k8 4 0 d 系统的硬件由数字控制单元n c u ( n u m e r i c a lc o n t r o l u n i t ) 、人机通信中央处理单元m m c c p u ( m a n m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n ) 、操作 员面板o p 0 3 1 、机床操作面板m c p 、i r f 主电源模块及驱动系统这六个部分组成。 其硬件结构如图2 1 所示： 图2 1s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统硬件组成 f i g 2 1h a r d w a r ef r a l l l eo fs i n u m e r i k8 4 0 d 其中数字控制单元n c u 和人机通信中央处理单元m m c c p u 是整个数控系统 的核心部分。n u c 作为数控系统的控制及信息处理中心，主要负责p l c 的算术和 逻辑运算，以及数控系统的各种轨迹运算与控制。m m c c p u 主要负责整个数控 系统各部分之间及数控机床与外部设备的数据通信。由于m m c - c p u 相当于一个 独立的p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) ，所以它还拥有储存系统程序及各种参数的功能。 2 1 2 西门子数控系统软件组成 西门子8 4 0 d 数控系统的软件部分主要由以下三个部分组成： 9 重庆大学硕士学位论文 2 数控滚齿智能编程系统基础及其架构 n c 软件系统： n c k ( n u m e r i cc o n t r o lk e r n a l ) 作为n c 软件系统的主要部分，主要功能有：n c 系统的数据管理、加工过程中的插补运算、连接伺服驱动单元实现位置控制以及 加工程序的预处理。 m m c ( m a n m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n ) 软件系统： m m c 作为机床和外部设备的交流媒体，它的功能相对较为繁杂，如：c n c 系统的自诊断，开发和修改零件程序、执行零件程序、手动控制、读入读出零件 程序和数据、编辑程序数据、整个系统的操作、显示及与外部的数据交换、报警 显示和取消报警、编辑机床数据、模拟加工显示及其他服务。 p l c ( p r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r ) 软件系统： p l c 是整个软件系统的另一关键部分，其功能主要是，通过运行用户按使用 要求编制的控制程序来实现c n c 系统、伺服系统与机床的联机，以完成机床的操 作显示、运行控制，监控机床故障等功能。 图2 2 为西门子8 4 0 d 的详细软件结构： 图2 2s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统软件结构 f i g 2 2s o f t w a r ef r a m eo fs 1 n u m e r i k8 4 0 d 2 2h m i 与o e m 软件 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 数控滚齿智能编程系统基础及其架构 2 2 1 人机界面h m l 人机界面h m i ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) ，又被称为人机接口【2 7 】。h m i 一般 是指操作人员与p l c 或计算机等设备进行信息交换的设备。在比较特殊的领域， 如控制，h m i 又被定义为用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的设 备。人机界面的功能主要有： 报警显示：当系统出现临界状态时就会自动开启报警，如当所赋值的变量 数据类型不匹配时。 过程的监测：可以在人机界面上查看系统的各种动态参数。 系统的操作：操作员可以通过h m i 来对系统进行各种操作。如，操作员 可以通过h m i 来修改或输入控制系统的各种参数。 记录功能：用户可以通过h m i 来检索以前顺序记录过程值和报警信息。 参数管理功能：h m i 可以储存多种参数，并可以一次性的将全部数据传输 到p l c 中，从而改变系统功能。 数据输出功能：h m i 可以输出各种过程值和报警记录。 西门子h m i 的开放性软件构架为我们对其进行二次开发，提供了基础。其软 件框架如图2 3 ： 数据、报警h m i 顺序控 用户程序 管理 制 l 。 - - 0n c d d e 服务 j 器 一 1r 其它应用程序 r e g i e 管理程序 i tt m p i 驱动1 w i l i d o w s2 0 0 0 x p 底层软件层 m m c 硬件 硬件层 m p i b u s n c k 硬件p l c 硬件6 1 1 d 硬件 图2 3h m i 软件框图 f i g 2 3s o f t w a r ef r a m e o fh m i 从图中我们可以看出，通过正确的配置，我们可以将已写成的执行程序，嵌 重庆大学硕士学位论文 2 数控滚齿智能编程系统基础及其架构 入到西门子数控系统中去，从而达到为不同用户开发不同系统的目的。 2 2 20 e m 软件 为了能实对西门子数控系统进行二次开发，西门子公司专门为第三方用户及机 床制造商提供了o e m 开发软件【2 8 1 。o e m 软件允许用户自己开发相关的o e m 应 用程序，而且这些程序都能在西门子数控系统上应用。一个完整的o e m 的程序必 需包括o e m e x e 、o e m i n i 、o e mc h d l l 、o e m m d i 、o e m z u s 这五个基本 文件。 o e m 应用程序在执行的时候必需有相应的动态链接库r e g i e d l l 。当o e m 程 序通过r e g i e 启动时，o e m 程序就可以调用系统的初始化文件m m c i n i ，这个文 件就包含了完成m m c 任务的相关顺序控制。为了让o e m 应用程序能更好的为用 户所用，o e m 为用户提供了六个功能：读取n c u 和m m c 中的文件；访问n c u 中刀偏、零值、轴坐标值等变量；访问r 参数；定义人机界面的水平和垂直软件； 访问p l c 中的变量；v b 、c + + 等软件可以对人机应用界面进行设计。o e m 程序 的硬件嵌入图如图2 4 ： o e m 程序 i i d d e 服务器n i c ) e 服务器 1 0 ， 人机接口n c 控 制器 n c k n 眦 伺服传 p l c 驱动感 器器 强电电路 上上 数控机床 卜_ 2 4o e m 程序硬件嵌入图 2 4h a r d w a r ee m b e d m e n to fo e m p r o g r a m 将o e m 软件安装到个人电脑之后，通过h m ip a c k a g ep r o g r a m m i n g 说明书的 指导，就可以开始开发用户自己需要的o e m 程序。利用v i s u a lb a s i c 完成界面的 1 2 重庆大学硕士学位论文2 数控滚齿智能编程系统基础及其架构 设计以和数据读取及数据计算。在设计界面时需要注意，西门子h m i a d v a n c e d 在 v b 开发平台中会给我们提供很多标准的控件及模块。一些v b 自带的窗体和模块 是不能在h i m a d v a n c e d 的环境下使用的，所以西门子提供的这些标准模块就是我 们开发的基础。在开发工程中，我们并不需要再建立新的窗体或者模块，而直接 调用o e m 软件自带标准窗体，这样不仅节省了前期预调的时间，也保证了所开发 o e m 程序的稳定性。 由于西门子数控系统的官方预装语言为英文和德文，所以当我们用o e m 软件 开发相应的应用程序时需要重新编译中文语言包o e m d l l ，否则在数控系统的人 机界面上就会显示乱码。我们首先要将文本需要输入到r c 文件中，然后通过v i s u a l c + + 将其转换成d l l 文件【2 9 1 。r c 文件编写规则的节选： s t r i n g t a b l e b e g i n 0 “1 0 ”水平软键文本的起始索引号 1 “1 0 0 0 ”垂直软键文本的起始索引号 2 “2 0 0 0 ”文本，消息，错误提示的起始索引号 e n d 一一水平软键 s t r i n g t a b l e b e g i n 1 0 “” 1 1 “w o r k - p i e c e ”t w ol i n et e x t s 12 g l o b a ls p c o m p l e t es e q u e n c eo ft h et e x ti n d i c e s 1 3 “m a c r o s ” e n d 一垂直软键 s t r i n g t a b l eb e g i n 1 0 0 0 “” 1 0 0 1“s h o wgc o d e s ” 10 0 2s h o wa u x i l i a r yf u n c t i o n s 10 0 3 “s p i n d l e s ” e n d 一般的文本，消息，错误提示一 一组织成几个列表形式方便阅读 重庆大学硕士学位论文2 数控滚齿智能编程系统基础及其架构 2 3 智能编程系统整体框架 整个数控滚齿智能编程系统一共由七个部分的模块组成。这七个个模块分别 是：机床预设值模块、参数输入模块、加工设置模块、系统预警模块、数据输出 模块、系统信息管理模块以及热误差补偿模块。这七个模块各自拥有不同的功能， 通过相互之间的配合，最终实现了整个数控滚齿智能编程系统的各种功能。其系 统框架图如图2 5 ： 2 5 智能编程系统系统框架图 f i g 2 5t h ef r a m e w o r ko fi n t e l l i g e n tp r o g r a m m i n gs y s t e m 为了对整个数控滚齿智能编程系统有一个更加深入的认识，下面我们会对智 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 数控滚齿智能编程系统基础及其架构 能编程系统的各个模块的功能一一进行介绍： 机床预设置模块 由于数控滚齿智能编程系统可以应用于各种型号的数控滚齿机，所以我们在 系统中设计了一个机床预设置模块。在这个模块中，我们可以输入数控滚齿机床 的相关基本信息。比如，此数控滚齿机的加工范围( 可加工齿轮的模数范围、