基于華中 8 型數控系統的蝸輪加工軟件開發
2021-2-23 來源：湖北工業大學機械工程學院等 作者：丁國龍，程鋮，曾令萬，楊燦輝，汪浩勇
摘要: 為改變國內針對蝸輪滾削加工的研發大多基于國外數控系統的局面，在國產數控系統上建立相應的蝸輪滾切加工系統軟件。在分析六軸四聯動數控滾齒機齒輪滾切加工工藝的基礎上，建立滾刀軸和各進給軸運動關系模型; 基于華中HNC-848 數控系統開放的上下位機體系結構，利用開放的 APP 接口函數進行蝸輪加工專用軟件界面及功能二次開發; 設計用戶宏變量，編制蝸輪滾切加工宏程序，實現了蝸輪徑向和切向滾切加工，蝸輪加工精度達到國標 3 級。結果表明: 基于國產數控系統開發的蝸輪加工軟件，操作簡便、適用性強，滿足數控蝸輪加工機床需求，為國產數控系統二次開發提供了一套實用的方法。
關鍵詞: 蝸輪滾切; HNC-848 數控系統; 二次開發; 宏程序
0、前言
隨著機械加工行業的迅速發展，具有封閉式結構體系的傳統數控系統已經不能夠滿足現代制造技術的需要，開放式數控系統應運而生。數控系統的開放為用戶對系統進行重新配置、修改和擴充原有功能提供了可能性。目前，與國外 SIMENS、FANUC 等高檔數控系統具有成熟的二次開發方案相比，國產數控系統在二次開發應用方面還存在較大差距。
開放式數控系統具有可互操作性、可移植性、可擴展性、可伸縮性以及可互換性等基本特征。數控系統二次開發的方式和層次取決于數控系統自身的開放層次，數控系統的開放形式主要有開放人機控制接口、開放系統核心接口和開放體系結構 3 種。王照亮等建立了適用于 840Dsl 數控系統的電氣調試軟件。劉倩等人采用 SINUMEＲIK Operate 編程包提供的 Qt Designer 設計界面，開發了凸輪軸和曲軸磨削軟件。張露等人基于西門子 840Dsl 數控系統，創建了適用于數控凸輪軸磨床的磨削工藝數據庫。封光磊等基于 840Dsl 數控系統實現了 PLC 程序的模塊化復用。常有明等利用 FANUC PICTUＲE 軟件，實現了使用一臺伺服電動機控制三軸位置的技術。孔德紅等利用 FANUC PICTUＲE 軟件開發出了操作簡單、快捷的數控機床人機界面。張輝等人利用FANUC-0MD 系統實現了塑窗型材柔性鋸銑加工中心數控系統的開發。吳艷花和雷俊杰、劉晟等人、孫曉基于西門子 840D 數控系統分別開發了鉆銑類機床的專用操作界面、數控強力刮齒加工軟件、三維激光切割工藝軟件。丁國龍等基于華中HNC-808 數控系統，開發了數控插齒機專機系統。
上述對數控系統二次開發的研究普遍基于進口數控系統，針對國內數控系統的研究及應用較少。本文作者基于國產華中 8 型數控系統，開發了適用于蝸輪加工的系統軟件，并在車間現場進行了實驗加工，驗證了蝸輪加工軟件的可行性，為基于國產數控系統開發齒輪加工軟件提供了參考。
1、蝸輪滾切加工運動模型
蝸輪滾切專用機床與六軸四聯動滾齒機結構相似，如圖 1 所示，其中 X 軸為滾刀徑向進給軸，即立柱的移動軸; Y 軸為滾刀切向進給軸，可滿足滾刀的竄動; Z 軸為滾刀沿工件軸的軸向進給軸，即滑板的移動軸; B 軸為滾刀主軸，是伺服主軸; A 軸為回轉軸，用于調整合適的滾刀與工件齒輪的嚙合角度; C軸為工作臺回轉軸，保證加工過程中工件的分度運動。
圖1：六軸四聯動滾齒機結構示意
滾齒機運動主要由 4 種運動組成: 切削主運動、各軸進給運動、分齒運動以及差動傳動。加工不同類型的齒輪時產生的附加運動不同，各坐標軸與 C 軸之間的嚙合關系也不相同。滾齒加工中跟隨軸 C 軸與其他各引導軸間的耦合方程為：
式中: kB、ky、kz為與齒輪旋向有關的系數; nc、nB為工件軸和刀具軸的轉速，r/min; vy、vz為 Y 軸、Z軸移動速度，mm/min; ZB、Zc為刀具頭數和工件齒數; β、γ 分別為工件螺旋角和滾刀的螺旋升角。
利用六軸四聯動數控機床加工蝸輪時，共有 2 種滾切工藝。
( 1) 徑向加工蝸輪時，刀具軸 B 在速度模式下運行，工件軸 C 根據式 ( 2) 對 B 軸進行跟隨:
徑向加工蝸輪切削循環路徑為 P1→ P2→ P3→P2→P1，如圖 2 所示。其中，P1為滾刀安全點，P2為滾切加工運動起點，P3為滾切加工運動終點; 點P1處 M3 主軸開啟正轉，同時開啟電子齒輪箱建立同步運動，P2處 M8 開啟冷卻液，點 P3處 M9 關閉冷卻液保持同步關系，點 P1處 M5 停止主軸運動。
圖2：徑向加工蝸輪循環路徑
( 2) 切向加工蝸輪時，刀具軸 B 在速度模式下運行，切向進給軸 Y 產生附加運動，工件軸 C 根據式( 3) 對 B 軸和 Y 軸進行跟隨:
切向加工蝸輪切削循環路徑為 P1→ P2→ P3→P4→P5→P1，如圖 3 所示。其中，P1為滾刀安全點，P2為開始同步點，P3為滾切加工運動 Y 軸起點，P4為滾切加工運動起點，P5為滾切加工運動終點; 點P2處 M3 主軸開啟正轉，同時開啟電子齒輪箱建立同步運動，點 P4處 M8 開啟冷卻液，點 P5處M9 關閉冷卻液，點 P1處 M5 停止主軸運動。
圖3：切向加工蝸輪循環
通過分析蝸輪加工工藝以及建立的蝸輪滾切加工模型，確定蝸輪加工軟件開發中所需的參數并完成加工宏程序的編寫。
2、蝸輪加工軟件開發
2. 1、華中 8 型二次開發體系
華中 8 型二次開發軟件從架構上劃分，可分為圖4 所示的組成上位機的 HMI 層、組成下位機的 API 層和 NCU 層。
HMI 層為人機交互界面，用戶通過 HMI 完成數控機床的操作; API 層為接口層，為 HMI 提供訪問NC 功能及其他功能的接口; NCU 為數控核心層，實現 NC 各種控制功能。3 個層次之間的信息交互通過系統內置接口完成。
圖4：華中 8 型軟件架構
蝸輪加工軟件界面開發在上位機 HMI 層進行，利用 API 層提供的接口，用 Qt 與 C++編寫軟件源文件，在 Windows 平臺下編譯生成可獨立運行的軟件，通過華中數控提供的適配器軟件實現與數控系統之間的通信。軟件具有開發周期短、嵌入性好、可跨平臺的優勢，其二次開發流程如圖 5 所示。
圖5：HNC-8 數控系統二次開發流程
2. 2、蝸輪加工軟件需求分析
根據蝸輪加工工藝流程，數控滾齒機結構特性以及 HNC-8 型數控系統特點，蝸輪加工軟件的開發采用模塊化編程。在 Qt 平臺完成人機交互界面的開發，主要包括刀具參數、工件參數以及切削參數等加工參數的輸入、保 存和讀取等功能。開發需要用到的NCAPI 主要接口模塊如表 1 所示。
表1：開發所需主要接口模塊
蝸輪加工軟件操作流程如圖 6 所示。
圖6：蝸輪加工軟件操作流程
進入蝸輪加工軟件界面后，用戶可以采用 2 種形式進行加工: ( 1) 新建參數文件、輸入相關參數并保存至系統，然后啟動加工程序進行加工; ( 2) 調用已輸入并保存的參數文件，啟動程序進行加工。
2 種加工方式的組合選用，降低了參數輸入有誤的可能性，簡化了加工程序輸入的操作流程，減輕了操作人員的工作強度。在蝸輪加工軟件界面輸入的所有參數都能保存至用戶自定義的宏變量中，用戶編寫加工程序時調用宏變量表中的對應參數值即可完成蝸輪加工的相關參數的計算等。
2. 3、蝸輪加工軟件界面開發
根據蝸輪滾切加工工藝需求及對電子齒輪箱控制模塊運動模型分析可知，滾齒機加工模塊界面需要輸入的參數可以分為 4 種: 刀具參數、工件參數、切削參數、電子齒輪箱 ( EGB) 參數。
蝸輪加工軟件界面的設計基于這 4 種參數，每 1種參數對應 1 個界面，這種模塊化的設計方法使最終完成的軟件具有清晰明確、操作方便的特點。軟件界面如圖 7 所示 。
圖7：蝸輪加工軟件界面
2. 4、蝸輪加工軟件功能模塊
分析軟件功能架構，將軟件分為系統菜單、參數輸入和功能菜單 3 個模塊。蝸輪加工軟件功能模塊如圖 8 所示。
圖8：蝸輪加工軟件功能模塊
蝸輪加工軟件與數控系統的連接和軟件的退出在系統菜單下完成。蝸輪加工中所需的參數在參數輸入區域進行輸入。蝸輪參數界面的切換，參數保存、讀取和上傳相關操作在功能菜單模塊下完成。
2. 5、蝸輪加工宏程序設計
HNC-8 型數控系統為用戶配備了類似于高級語言的宏程序功能，用戶可以使用變量進行數學運算、邏輯運算和函數的混合運算。此外，它還提供了循環、分支和子程序調用語句，適合編制各種復雜的零件加工程序。
分析蝸輪滾削加工的徑向和切向 2 種滾削方法，參照蝸輪加工軟件開發時建立的宏變量表，部分變量如表 2 所示。完成了宏程序的編寫設計，宏程序流程如圖 9 所示。
表2：宏變量對應表
圖9：宏程序運行流程
在蝸輪加工軟件人機界面上輸入參數并上傳至數控系統，調用數控系統中宏程序，按循環啟動即可完成蝸輪的徑向或者切向加工。
3、加工驗證
加工驗證機床為型號 WG37125CNC 蝸輪母機床，如圖 10 所示。
圖10：蝸輪加工機床
加工刀具和工件等主要工藝參數如表 3 所示。
表3：蝸輪加工主要工藝參數
現場蝸輪滾削加工如圖 11 所示。
圖11：蝸輪加工驗證
蝸輪加工軟件配合加工宏程序成功完成蝸輪加工，且加工的蝸輪經檢測達到國標 3 級，驗證結果表明開發的蝸輪加工軟件是可行的。
4、結論
( 1) 在分析六軸四聯動機床運動結構及蝸輪加工工藝的基礎上，建立了蝸輪滾削加工數學模型。基于華中 HNC-848 型數控系統開發了蝸輪加工軟件，完成了蝸輪滾切加工宏程序的編制。
( 2) 加工的蝸輪精度達到國標 3 級，驗證了該軟件用于蝸輪加工的可行性，為國產數控系統二次開發提供了一套實用的方法。
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