基于嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的探討
2019-5-23 來源： 中山邁雷特智能裝備有限公司 作者：林守金
摘 要:伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，齒輪的生產(chǎn)對于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著顯著的影響。對此，為了更好的優(yōu)化齒輪的加工效果，本文提出了一種關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)，并簡單分析系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，同時對該系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)的劃分，設(shè)計(jì)多個工作的具體功能模塊。希望能夠借助本文所提供的嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)，改進(jìn)今后齒輪加工效益。
【關(guān)鍵詞】嵌入式；齒輪加工；數(shù)控系統(tǒng)；探討
引 言
制造領(lǐng)域是我國經(jīng)濟(jì)的支撐性產(chǎn)業(yè)， 對于我國國民經(jīng)濟(jì)的增長有著顯著意義，同時也是我國綜合實(shí)力的一種展現(xiàn)，對于國家發(fā)展有著明顯的推動作用。 近年來隨著數(shù)控加工技術(shù)不斷發(fā)展，其應(yīng)用的作用以及效果也顯得越發(fā)明顯。
高效率的數(shù)控加工技術(shù)能夠展現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低成本、高效率、綠化等工業(yè)制造的產(chǎn)業(yè)效果。 對此，探討嵌入式的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)具備顯著意義。
1 、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)
本文所探討的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)， 這里所指的嵌入式系統(tǒng)主要是指以生產(chǎn)和應(yīng)用為核心的專用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)能夠按照用戶的實(shí)際需求對硬件設(shè)備、軟件資源等進(jìn)行針對性的定制和調(diào)整， 從而促使產(chǎn)品的成本、性能、可靠性以及體積、功耗等獲得保障。
嵌入式設(shè)備的組成一般是包括嵌入式 CPU、外圍硬件、操作系統(tǒng)以及針對用戶需求的專用型應(yīng)用程序等， 主要是應(yīng)用在對于設(shè)備的控制以及監(jiān)控場景當(dāng)中。
嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：
①嵌入式系統(tǒng)所應(yīng)用的 CPU 一般都是特定的，所以具備功耗低、體積小以及高集成度等優(yōu)勢，同時還可以通用 CPU 中板卡實(shí)現(xiàn)功能集成到某一個處理器芯片當(dāng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動性的工作能力；
②一般情況下， 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件并不是單獨(dú)儲存在某一個載體上的，而是固定在某一個內(nèi)存儲存器的芯片當(dāng)中的，這一種特點(diǎn)顯著提升了軟件的運(yùn)行速度及其可靠性；
③嵌入式系統(tǒng)和特殊的應(yīng)用相結(jié)合，能夠面對更為廣泛的用戶，升級和轉(zhuǎn)型也相對及時，所以使用周期比較長；
④對于用戶而言，嵌入式系統(tǒng)具備較高的透明度， 用戶需要了解內(nèi)部的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及編程操作， 只需要根據(jù)相應(yīng)的步驟便可以完成嵌入式系統(tǒng)的編程；
⑤嵌入式系統(tǒng)的實(shí)用性非常高，嵌入式系統(tǒng)和大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)之間有著較高的關(guān)聯(lián)性， 普遍都是將嵌入式系統(tǒng)當(dāng)做實(shí)時控制系統(tǒng)來應(yīng)用。
2 、嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
2.1 、嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
因?yàn)?Windows CE 操作系統(tǒng)非常簡單，具備較高的開放性以及較高的穩(wěn)定性等優(yōu)勢，所以數(shù)控系統(tǒng)選擇在 Win CE6.0 操作平臺當(dāng)中進(jìn)行研發(fā)，系統(tǒng)主要由 DSP 以及 FPGA 組成。
其中，ARM 微處理器主要負(fù)責(zé)完成關(guān)于人機(jī)交互的任務(wù)模塊，例如加工參數(shù)的輸入顯示以及儲存等功能。
除此之外，還需要負(fù)責(zé)一些借助網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳輸工作信息的任務(wù)；DSP 則是負(fù)責(zé)處理數(shù)控系統(tǒng)的信息預(yù)算任務(wù)， 例如插補(bǔ)處理以及伺服位置的控制等， 同時將人機(jī)交互模塊以及運(yùn)動控制模塊進(jìn)行獨(dú)立的管理， 一方面促使軟件的研發(fā)以及調(diào)整更具靈活性和模塊化，同時還能夠更好的優(yōu)化控制的性能、效率以及齒輪加工時的精度；FPGA 則是采用并行總線的運(yùn)行方式， 主要完成機(jī)床方面 I/O 的信息傳遞。
2.2 嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)對于可擴(kuò)展性以及可移植性的需求， 考慮到模塊之間繁瑣的數(shù)據(jù)交換以及程序在運(yùn)行過程中的效率需求、開發(fā)難度等，結(jié)合齒輪加工的特點(diǎn)，本系統(tǒng)的軟件主要劃分為三個模塊， 分別為 ARM 的界面管理模塊、DSP的數(shù)值運(yùn)算模塊以及機(jī)床的 I/O 控制模塊。
齒輪數(shù)控加工的特點(diǎn)以及軟件功能模塊的劃分原則，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件框架較為復(fù)雜， 其主要是由顯示接口、 網(wǎng)絡(luò)控制板、機(jī)床 I/O 等多個結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)在 ARM 上完成主要的參數(shù)設(shè)置、代碼編碼、自動編程以及加工狀態(tài)的監(jiān)控等非及時性的任務(wù)， 而在 DSP 上則是完成一些關(guān)于 NC 代碼的指令分析、插補(bǔ)計(jì)算以及伺服位置控制等及時性的任務(wù)。
其中，ARM 可以進(jìn)行代碼的翻譯和處理， 并生成 DSP 能夠計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時儲存在 G 指令包當(dāng)中。
與此同時，所編譯的 PLC 程序也需要借助相應(yīng)的轉(zhuǎn)化之后存放在 PLC 指令當(dāng)中。
除此之外，在 ARM 上輸入的 DSP 初始化參數(shù)、顯示編碼參數(shù)以及螺距補(bǔ)償?shù)葏?shù)， 都可以以動態(tài)或靜態(tài)的參數(shù)儲存在之前設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體當(dāng)中， 這一些指令報以及參數(shù)的結(jié)構(gòu)體在數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中運(yùn)行以及開啟時， 可以借助相應(yīng)的通信形式發(fā)放到 DSP 當(dāng)中，DSP 便可以進(jìn)行控制和運(yùn)算。
3 、嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)
嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)需要根據(jù)任務(wù)劃分的工作特點(diǎn)，從任務(wù)以及功能兩個方面進(jìn)行區(qū)分
，任務(wù)的區(qū)分不僅能夠讓功能模塊之間的通信更加合理和快速， 同時軟件的結(jié)構(gòu)也更加簡單明了， 并且還可以促使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具擴(kuò)展性以及開放性。
借助對齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的功能要求分析，可以發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備控制以及管理兩個方面的任務(wù)。 控制任務(wù)主要是翻譯編碼，機(jī)床 I/O 控制、位置的顯示與控制、電子齒輪箱以及插補(bǔ)處理等。
管理任務(wù)則可以劃分成為自動編程、界面管理、文件管理以及加工監(jiān)控等等。 控制任務(wù)和齒輪的加工有著密切的關(guān)聯(lián)性，將會直接決定加工的精度以及效率。 對此，對于控制任務(wù)的及時性以及準(zhǔn)確性要求相對較為苛刻。 管理任務(wù)則是負(fù)責(zé)齒輪加工的整體支撐， 所以子任務(wù)并沒有較高的及時性以及準(zhǔn)確性需求。
3.1 自動編程模塊
因?yàn)辇X輪的結(jié)構(gòu)具備較高的相似性， 所以在齒輪數(shù)控加工當(dāng)中，主要的參數(shù)只有三個，分別為齒輪的參數(shù)、刀具的參數(shù)以及工藝的參數(shù)。 從機(jī)床操作界面可以直接輸入上述三相參數(shù)， 然后自動編程模塊便會根據(jù)輸入的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和處理，并獲得刀具的具體運(yùn)行軌跡，之后生成數(shù)控加工的代碼,形成 DSP 能夠理解的數(shù)據(jù)信息，從而達(dá)到機(jī)床的控制目的，完成齒輪自動加工任務(wù)。
3.2 電子齒輪箱模塊
電子齒輪箱模塊主要是以軟件、 電路的形式替代傳統(tǒng)的機(jī)械式傳動鏈，從而完成多個數(shù)目的，根據(jù)定向的運(yùn)動關(guān)系計(jì)算，從而保障每一個軸之間的運(yùn)動關(guān)系保持同步性。 除此之外，為了確保工件軸和刀具軸之間的運(yùn)動速度保持協(xié)調(diào)性，工作軸的速度需要由刀具軸、其他進(jìn)給軸等速度進(jìn)行聯(lián)合控制。
3.3 通信功能模塊
通信功能模塊的主要任務(wù)是將 ARM 當(dāng)中的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換之后發(fā)放給 DSP。 例如，PLC 程序數(shù)據(jù)、NC 程序數(shù)據(jù)以及動靜態(tài)參數(shù)等的信息傳輸。
與此同時， 通信模塊還需要負(fù)責(zé)把DSP 當(dāng)中的編碼器信息數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋 ，并借助 PLC 進(jìn) 行執(zhí)行 ，檢測執(zhí)行狀況， 并根據(jù)執(zhí)行狀況以及報警參數(shù)等對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行及時處理。
3.4 加工監(jiān)控模塊
加工監(jiān)控模塊主要可以劃分為加工圖形監(jiān)控、 報警信息監(jiān)控以及機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控三種。 加工圖形監(jiān)控主要是包含對坐標(biāo)數(shù)據(jù)、每一個數(shù)控軸的工作誤差等進(jìn)行監(jiān)控。 報警信息監(jiān)控則是包括報警信息、 報警之后的自我診斷以及歷史報警信息的查詢等。 機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控是對機(jī)床及其附件環(huán)節(jié)的項(xiàng)目監(jiān)控。
4 、嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的編程探討
齒輪加工當(dāng)中滾齒加工是最為常見且常用的一種方式，有著徑向、軸向、徑向軸向、切向以及對角等多種加工方式。 其中， 軸向滾切的方式主要是應(yīng)用在加工圓柱齒輪以及圓錐齒輪等外齒輪當(dāng)中， 所以后續(xù)以軸向滾切的方式作為案例進(jìn)行探討。
①建立數(shù)學(xué)模型。 明確滾齒的對刀點(diǎn)。 為了保障工件的加工精確度，規(guī)避切入時間和空行程時間過長等問題，對于對刀有著方便、準(zhǔn)確的要求。 在加工過程中，需要將滾刀對準(zhǔn)齒胚上的頂面，然后在 Z 方向的位置明確 X 軸的具體方向和位置。在對刀的過程中，在滾刀進(jìn)到齒胚的時候，需要先讓齒胚運(yùn)動一周之后再進(jìn)行進(jìn)刀，從而確保運(yùn)動的正確性；
②明確滾刀的加工軌跡以及計(jì)算具體坐標(biāo)。 以軸向滾切法為例，運(yùn)動軌跡見圖 1。 從圖 1 可以直接發(fā)現(xiàn)，滾刀的運(yùn)動軌跡是根據(jù) 0、1、2、3、
4、1 的方式進(jìn)行
滾刀的起點(diǎn)位置在機(jī)床的零點(diǎn) ，之后快速移動到 1，并切除全齒寬 2，滾刀軸向運(yùn)動位置到 3；②退刀位置到 4，一次性進(jìn)給刀完成加工。 對此，可以發(fā)現(xiàn)軌跡位置主要有 5 個。 但是，在實(shí)際加工過程中，會因?yàn)榧庸X輪類型的不同，在關(guān)鍵位置及其數(shù)量也會存在明顯的差異
，需要按照實(shí)際情況選擇。
圖 1 軸向滾切法的滾刀運(yùn)動軌跡
一般情況下， 需要在加工之前對滾齒加工過程中的功能需求進(jìn)行分析和總結(jié)，基本明確編程模塊的主要參數(shù)、參數(shù)檢查以及參數(shù)處理等過程。 首先， 需要建立齒輪參數(shù)的輸入界面、滾刀參數(shù)輸入界面以及工藝參數(shù)界面等信息的準(zhǔn)確性，以便于操作人員能夠及時對齒輪參數(shù)進(jìn)行核對。 為了確保輸入的參數(shù)能夠滿足齒輪加工的需求， 自動編成編程模塊可以在操作者輸入?yún)?shù)之后自動檢查參數(shù)是否存在錯誤， 并且這一功能模塊還能夠及時提醒用戶數(shù)據(jù)是否存在錯誤以及錯誤的原因，直到操作者能夠輸入正確的參數(shù)為止。
參數(shù)的處理主要是滾刀加工軌跡以及加工關(guān)鍵點(diǎn)的處理以及分析， 并將處理的結(jié)果生成數(shù)控代碼，同時對程序的代碼進(jìn)行翻譯，生成能夠應(yīng)用到 DSP 的信息數(shù)據(jù)， 并借助通信模塊翻譯之后發(fā)送到DSP 的緩存區(qū) ，為后續(xù)的刀具運(yùn)行提供準(zhǔn)備 。
5 、結(jié) 語
綜上所述， 嵌入式的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)具備非常多的優(yōu)勢，其在制造業(yè)的應(yīng)用中能夠展現(xiàn)許多的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)降低材料的去除率、降低加工時間以及控制加工成本等效果。 在實(shí)際的應(yīng)用中， 嵌入式的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)仍然可能因?yàn)楦鞣N因素而遭受影響，例如在滾齒自動編程方面需要持續(xù)改進(jìn)，將自動編程技術(shù)真正應(yīng)用到滾齒的加工環(huán)節(jié)當(dāng)中， 為今后齒輪加工控制系統(tǒng)的精度提供相應(yīng)基礎(chǔ)。
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