开放式滚齿机数控系统开发策略及系统结构研究

开放式滚齿机数控系统开发策略开放式滚齿机数控系统开发策略 及系统结构研究及系统结构研究 来源 开关柜无线测温 齿轮传动是传递机器运动和动力的一种主要形式 被广泛应用 于机床 汽车 航空 兵器等多个领域 滚齿加工是所有齿轮 加工方法中最主要的一种 滚齿机约占整个齿轮加工机床的 45 滚齿机数控化后使机床结构及控制发生了革命性的变化 提高了齿轮的加工精度 扩展了加工范围 实现了高度自动化 和柔性化 同时方便了新的加工工艺的使用 1 开放式模块化滚齿机数控系统与 PC PMAC 策略 对于全功能数控滚齿机 机床的各个运动轴 滚刀架旋转 A 滚刀旋转 B 工件旋转 C 轴向进给 Z 切向串刀 Y 径向 进给 X 轴 都是数控的 基于软件插补的滚齿加工数控系统的 刀具主轴一般采用变频装置控制 其它轴通过数控指令经伺服 电机直接驱动 根据被加工齿轮和使用刀具的参数以确定刀具 与工件之间特定的运动关系 即所谓的电子齿轮箱 其优点 是工件主轴的转速完全由数控系统的软件控制 因此 可以通 过编制适当的软件 用通用的刀具来高精度快速地加工非圆齿 轮 修形齿轮 且加工精度远高于传统的机械靠模加工方法 随着计算机技术的飞速发展 基于 PC 开发数控系统 可 以充分利用标准计算机高速发展所带来的众多成果 包括软 硬件 而 PC 硬件的标准化也为系统的升级换代和维修提供 了最便捷的方式 具体地说 就是鉴于 PC 总线是一种开放性 总线 所以这种系统就具有了开放性 模块化可嵌入的特点 系统生产商可以在 PC 机硬件平台和操作系统的基础上 大量 使用市场上现售的软件和硬件板卡 改善数控系统的功能 缩 短开发周期和降低成本 机床厂商和用户可以对 CNC 进行重新 设置 修改 扩充和改装 并允许模块化地集成传感器 加工 过程监控等功能 最终构造和重组出最适合的数控系统功能和 其它控制功能 与其它数控机床相比 滚齿机运动相对复杂 因此起步较 晚 尽管全功能数控系统目前在国外已占了主导地位 但大多 数仍然是普通数控系统的变形 且属于各公司的封闭式系统 而且真正体现齿轮加工专业特点的开放式系统还很少 因此 开发现代滚齿机数控系统的要求非常迫切 如 能够根据具体 控制机床的功能需要来增加或减少部件 对同一个 CNC 系统 可以通过面向功能的动 静态重构 柔性地控制滚齿机 磨齿 机 插齿机 齿轮加工单元等不同的对象或控制不同型号的同 一类齿轮加工机床 目前 基于 PC 的开放式 CNC 一般有三种 实现途径 1 PC 嵌入 CNC 将 PC 机作为传统 CNC 的前端接口 在 传统的非开放式 CNC 上插入一块专门的 开放的个人计算机模 板 PC 板与 CNC 之间通过专用总线连接 使传统 CNC 实现个 人计算机的一些特性 在这种模式下 CNC 部分与原来的 CNC 相同 进行实时控制 而 PC 部分则进行非实时控制 这一形 式主要为一些大型 CNC 控制器制造厂商所采用 其优点是原型 CNC 可以几乎不加改动地使用 且传递数据快 系统响应快 缺点是不能直接使用 PC 开放程度受到限制 代价高不适合 小型加工使用 这种模式在严格意义上不能称之为 基于 PC 的开放式 CNC 系统 2 CNC 嵌入 PC 将运动控制板或整个 CNC 单元插入到 PC 的扩展槽中 PC 作非实时处理 实时控制由 CNC 单元或运 动控制板来承担 这种结构形式使整个系统可以共享 PC 机的 硬件资源 并利用其丰富的支撑软件直接与网络和 CAD CAM 系 统连接 软件的通用性强 且编程处理灵活 代价低 对于 CNC 单元插入到 PC 的结构 其开放性只限于 PC 微机部分 专 业的数控部分仍处于封闭状态 而对于运动控制板插入到 PC 的结构 其开放性则取决于运动控制板的开放性 3 纯 PC 机型 即完全采用 PC 机的全软件形式的数控系 统 NC 系统的各项功能 如编译 解释 插补和 PLC 等 均 由软件模块来实现 并通过装在 PC 扩展槽中的接口卡对伺服 驱动进行控制 这类系统借助现有的操作平台 在应用软件的 支持下 通过对 PC 软件的适当组织 划分规范和开发 可望 实现 CNC 各个层次的开放 其优点是开放性好 编程处理相当 灵活 软件的通用性强 缺点是在通用 PC 上进行实时处理较 困难 难以利用原型 CNC 资源 其可靠性的确保也是一个有待 进一步研究的问题 齿轮传动是传递机器运动和动力的一种主要形式 被广泛 应用于机床 汽车 航空 兵器等多个领域 滚齿加工是所有 齿轮加工方法中最主要的一种 滚齿机约占整个齿轮加工机床 的45 滚齿机数控化后使机床结构及控制发生了革命性的变 化 提高了齿轮的加工精度 扩展了加工范围 实现了高度自 动化和柔性化 同时方便了新的加工工艺的使用 1 开放式模块化滚齿机数控系统与 PC PMAC 策略 对于全功能数控滚齿机 机床的各个运动轴 滚刀架旋转 A 滚刀旋转 B 工件旋转 C 轴向进给 Z 切向串刀 Y 径向 进给 X 轴 都是数控的 基于软件插补的滚齿加工数控系统的 刀具主轴一般采用变频装置控制 其它轴通过数控指令经伺服 电机直接驱动 根据被加工齿轮和使用刀具的参数以确定刀具 与工件之间特定的运动关系 即所谓的电子齿轮箱 其优点 是工件主轴的转速完全由数控系统的软件控制 因此 可以通 过编制适当的软件 用通用的刀具来高精度快速地加工非圆齿 轮 修形齿轮 且加工精度远高于传统的机械靠模加工方法 随着计算机技术的飞速发展 基于 PC 开发数控系统 可 以充分利用标准计算机高速发展所带来的众多成果 包括软 硬件 而 PC 硬件的标准化也为系统的升级换代和维修提供 了最便捷的方式 具体地说 就是鉴于 PC 总线是一种开放性 总线 所以这种系统就具有了开放性 模块化可嵌入的特点 系统生产商可以在 PC 机硬件平台和操作系统的基础上 大量 使用市场上现售的软件和硬件板卡 改善数控系统的功能 缩 短开发周期和降低成本 机床厂商和用户可以对 CNC 进行重新 设置 修改 扩充和改装 并允许模块化地集成传感器 加工 过程监控等功能 最终构造和重组出最适合的数控系统功能和 其它控制功能 与其它数控机床相比 滚齿机运动相对复杂 因此起步较 晚 尽管全功能数控系统目前在国外已占了主导地位 但大多 数仍然是普通数控系统的变形 且属于各公司的封闭式系统 而且真正体现齿轮加工专业特点的开放式系统还很少 因此 开发现代滚齿机数控系统的要求非常迫切 如 能够根据具体 控制机床的功能需要来增加或减少部件 对同一个 CNC 系统 可以通过面向功能的动 静态重构 柔性地控制滚齿机 磨齿 机 插齿机 齿轮加工单元等不同的对象或控制不同型号的同 一类齿轮加工机床 目前 基于 PC 的开放式 CNC 一般有三种 实现途径 1 PC 嵌入 CNC 将 PC 机作为传统 CNC 的前端接口 在 传统的非开放式 CNC 上插入一块专门的 开放的个人计算机模 板 PC 板与 CNC 之间通过专用总线连接 使传统 CNC 实现个 人计算机的一些特性 在这种模式下 CNC 部分与原来的 CNC 相同 进行实时控制 而 PC 部分则进行非实时控制 这一形 式主要为一些大型 CNC 控制器制造厂商所采用 其优点是原型 CNC 可以几乎不加改动地使用 且传递数据快 系统响应快 缺点是不能直接使用 PC 开放程度受到限制 代价高不适合 小型加工使用 这种模式在严格意义上不能称之为 基于 PC 的开放式 CNC 系统 2 CNC 嵌入 PC 将运动控制板或整个 CNC 单元插入到 PC 的扩展槽中 PC 作非实时处理 实时控制由 CNC 单元或运 动控制板来承担 这种结构形式使整个系统可以共享 PC 机的 硬件资源 并利用其丰富的支撑软件直接与网络和 CAD CAM 系统连接 软件的通用性强 且编程处理灵活 代价低 对于 CNC 单元插入到 PC 的结构 其开放性只限于 PC 微机部分 专 业的数控部分仍处于封闭状态 而对于运动控制板插入到 PC 的结构 其开放性则取决于运动控制板的开放性 3 纯 PC 机型 即完全采用 PC 机的全软件形式的数控系 统 NC 系统的各项功能 如编译 解释 插补和 PLC 等 均 由软件模块来实现 并通过装在 PC 扩展槽中的接口卡对伺服 驱动进行控制 这类系统借助现有的操作平台 在应用软件的 支持下 通过对 PC 软件的适当组织 划分规范和开发 可望 实现 CNC 各个层次的开放 其优点是开放性好 编程处理相当 灵活 软件的通用性强 缺点是在通用 PC 上进行实时处理较 困难 难以利用原型 CNC 资源 其可靠性的确保也是一个有待 进一步研究的问题 图1 PC PMAC 滚齿机数控系统硬件结构示意图 PMAC 与各个 伺服驱动器使用接线器以方便连接 径向 X 和轴向 Z 可 以使用编码器反馈 图1所示 的半闭环控制 也可以使用光 栅进行闭环控制 PMAC 运动控制器与主机之间的通讯采用了两种方式 一 种是总线通讯方式 即主机到指定的地址上去寻找 PMAC 其 中指定的地址是由 PMAC 的跳线确定 另一种是利用 DPRAM 进 行数据通信 PMAC 为 DPRAM 提供了许多自动存取功能 这些 自动功能以一定的周期在 PMAC 与 IPC 间传递实时的数据 而 且用户还可以用 PMAC 的 M 变量和主机的指针变量来指定 DPRAM 中没有使用的寄存器以实现自定义的通讯功能 用 DPRAM 来进行 PC 与 PMAC 间的数据通讯和命令通讯具有快速的 优点 一方面 双端口 RAM 在用于向 PMAC 写数据时 在实时 状态下能够快速地将位置数据信息或程序信息进行重复下载 另一方面 DPRAM 在用于从 PMAC 中读取数据时 可以快速地 重复地获取系统的状态信息 如交流伺服电机的状态 位置 速度 跟随误差等数据可以不停地被更新 并且能够被 PLC 或被 PMAC 自动地写入 DPRAM 由于通过 DPRAM 进行的数据存 取不需要经过通讯口发送命令和等待响应 所以响应的速度要 快得多 利用 DPRAM 进行数据的自动存取 提高了系统的响应 速度和加工精度 同时也方便了控制系统中各模块之间的快速 通讯和地址表的设定 降低了编程难度 PMAC 系统的内置 PLC 功能是经智能 I O 接口的输入输出 实现的 在控制系统中 送入 PLC 的输入信号主要有 操作面 板和机床上的控制按钮 选择开关等信号 各轴的行程开关 机械零点开关等信号 机床电器动作 限位 报警等信号 强 电柜中接触器 气动开关接触等信号 各伺服模块工作状态信 号等 这些信号通过光电隔离以后送到智能 I O 接口上 有 效地将计算机数字量通道与外部过程模拟量通道隔离起来 可 大大地减小了外部因素的干扰 提高整机系统的可靠性和稳定 性 PLC 输出的信号主要有 指示灯信号 控制继电器 接触 器 电磁阀等动作信号 伺服模块的驱动使能和速度使能信号 等 3 系统的软件结构 PC PMAC 滚齿机数控系统软件结构如图2 所示 整个软 件系统由主控模块及各个功能模块组成 主控模块是为用户提 供一个友好的系统操作界面 在此界面下 系统的各功能模块 以菜单的形式被调用 由于滚齿加工的复杂性 加工工艺参数 计算难度大 主控模块应显示滚刀和被加工齿轮的相关参数 齿轮加工固定循环 滚齿过程中的各轴坐标位置 动态加工轨 迹等信息 操作人员只需输入加工零件的齿数 高度 角度等 信息 选择相应的加工循环 数控系统就能够自动生成齿轮加 工的 NC 代码 图2 PC PMAC 滚齿机数控系统软件结构示意图 系统的功能模块可分为实时控制类功能模块和非实时管理 类模块两大类 实时控制类功能模块是控制机床当前运动和动 作的软件模块 具有毫秒级甚至更高要求的时间响应 非实时 管理类模块没有严格的时间响应要求 非实时管理类模块包括系统初始化 系统诊断 系统通讯 以及 NC 程序编辑等内容 这类软件模块可利用 PC 微机和 PMAC 所提供的计算机语言和软件工具实现 由于时间响应要 求不高 故由 PC 微机负责运行 实时控制类功能模块包括加工程序解释 伺服驱动 运动 插补 数据采集以及 PLC 等 实时控制软件的设计应充分考虑 软件的开放性和滚齿加工的专业性 用户可以根据某些具体要 求增加软件的功能模块 在这些实时控制类功能模块中 PMAC 已提供良好的软件开发功能 工具 加工程序解释模块由 G 代码解释程序 M 代码解释程序和 T 代码解释程序组成 可在 PEW IN 环境下对已有的 PMAC 解释 程序进行编辑和调试 并下载到 PMAC 固定内存中 在实际加 工时被 PMAC 自动调用 另外 伺服中断时间 电机相位等参 数由 PEW IN 执行程序来设置 从而实现了实时控制部件的参 数化 插补模块中可直接选择调用 PMAC 提供的直线插补 圆弧 插补及样条插补功能 PMAC 还提供了 PVT 位置 速度 时间 运动模式 该模式可以对轨迹图形进行直接地紧凑地控制 用 户可以对以上几种模式加以选择和组合 也可自行定义 G M T 代码 如滚齿加工中的 G64 展成运动功能 G65 滚斜齿轮 G66 滚鼓形齿 G67 滚小锥度齿 等 由 于一些滚齿加工工艺完成的动作循环十分典型 并且需要多次 循环 故对这些固定循环用某种功能代码进行定义 可大大减 少编程工作 如轴径向矩形逆铣 轴径向矩形顺铣等 伺服驱动模块可以选择 PID 位置环伺服滤波器 陷波滤波 器或扩展滤波器 并设置其控制参数 用户也可以定制自己的 伺服算法 实现个性化的伺服控制 由于滚齿加工属于断续切 削 不仅在加工过程中切削力 滚刀转速有很大的变化 工件 及工作台要承受断续的冲击力 而且在滚刀切入切出过程中工 件及工作台的受力情况也在不断变化 用