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, 用常规的控制器整定方法已不能获得满意的机床性能, 故系统中除了采用在线可编程的数字PID 整定外, 还应增加速度前馈、加速度前馈滤波方式。
PLC控制模块用于机床系统的开关量的逻辑控制。开发者需要根据自身控制面板要求和机床控制逻辑进行编制。当运动程序在前台有序运行时, PMAC可以在后台运行多达32个异步PLC程序。PLC程序可以以极高的采样速率监视模拟输入和数字输入、命令运动停止/起动等作业, 以5 ～10ms甚至更高的循环速度对PLC 程序进行反复扫描。PLC 程序采用PMAC提供的命令语言编写, 可以直接运行, 也可经编译后执行。
这里有必要提一下双CPU的通讯程序, 由于其开发工作量大, 也很具有技巧性。利用DeltaTau公司提供的Pcomm32 动态连接库和PTALKT控件是一个明智的选择。它囊括了同PMAC通讯的所有方式, 而且将其主要函数进行分类、封装, 最终形成一种用户应用程序友好界面, 使用户从32 位驱动库中解脱出来, 将全部精力用于定义和开发自己的CNC系统应用程序。
4.结束语
根据数控系统的发展趋势和滚齿加工特点, 在开放式数控系统的3种开发策略中, 以通用工业控制机为基础, 采用功能强大的运动控制器PMAC承担插补计算、位置控制、速度控制等实时任务是一种较为理想的滚齿机数控系统开发方法。能够实现软件管理和实时控制两个级别的开放度, 具有专业性强、开发灵活及周期短、易于技术实现、成本低廉等优点。
