(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

變速箱是機械設備的重要基礎部件，廣泛用于船舶，汽車，飛機，農(nóng)業(yè)設備，工程機械，采礦設備和電力設備等。變速箱對加工精度要求較高，通常使用數(shù)控機床實現(xiàn)對變速箱的高精度加工。數(shù)控機床的多軸同步運動的控制精度是影響變速箱加工精度的主要因素[1- 3]。傳統(tǒng)的數(shù)控機床都使用機械傳動鏈來控制直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，以實現(xiàn)運動軸的準確跟隨運動[4- 6]。因此傳動鏈上每個部件的磨損、熱偏轉(zhuǎn)、參數(shù)設置誤差都會降低連續(xù)運動精度[7- 8]。

一些研究成果表明，利用嵌入式系統(tǒng)的巨大運算能力能夠有效補償機床動態(tài)誤差，提高數(shù)控機床的控制精度。文獻[8]中提出了一種基于關(guān)鍵實時任務輸出抖動的模糊反饋調(diào)度算法，以解決嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)中,由系統(tǒng)資源和處理器使用限制引起的不確定性因素。文獻[9]將可重構(gòu)邏輯被應用在高速CNC數(shù)字控制器中，以滿足數(shù)控機床中伺服回路的實時性要求。文獻[10]在CNC中利用以太網(wǎng)Powerlink通信總線實現(xiàn)了控制組件接口在實時操作系統(tǒng)下運行。文獻[11]針對不同的應用領域，基于嵌入式技術(shù)引入了一些專用數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)。該研究表明，與通用機床相比，專用機床對齒輪等特殊部件的加工具有效率高和精度好的優(yōu)點。

基于上述研究，在傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中引入嵌入式硬件平臺，開發(fā)了變速箱加工專用數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于變速箱齒輪加工工藝的特點，設計出具有柔性加工功能的電子齒輪箱(EGB)功能模塊，以充分適應不同變速箱齒輪加工工藝的要求。該系統(tǒng)通過參數(shù)化自動編程，實現(xiàn)自動生成加工數(shù)控程序的功能。并利用專家數(shù)據(jù)優(yōu)化加工參數(shù)，提高數(shù)控程序的可靠性。最后通過實驗對所設計的數(shù)控系統(tǒng)的有效性進行驗證。

1 硬件平臺和軟件框架

對于高性能嵌入式數(shù)控系統(tǒng)而言，數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)人員可以將新技術(shù)集成起來，具有很強的適用性和開放性，用戶可以輕松地進行二次開發(fā)，擴展系統(tǒng)的功能。根據(jù)實際加工要求，可以將結(jié)構(gòu)切割成各種齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)[12- 14]。

本文的ARM和DSP組成的數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。2個芯片的型號分別為ARMEP9315和DSPTMS320C6713。DSP芯片完成復雜的數(shù)學運算和實時任務，包括位置控制，插值計算和PLC控制。ARM芯片完成人機交互和界面管理，如代碼編程，參數(shù)設置和狀態(tài)顯示。系統(tǒng)前臺ARM與后臺DSP之間的數(shù)據(jù)交換通過HPI實現(xiàn)。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)平臺的硬件結(jié)構(gòu)

完整的數(shù)控系統(tǒng)包括各種類型的任務：周期性的實時任務，如位置控制、插補計算和PLC控制；非周期性的實時任務，如系統(tǒng)狀態(tài)顯示、報警檢測和數(shù)據(jù)交換；非實時任務，如參數(shù)管理、代碼編譯和文件管理。實時任務具有并發(fā)性特征，并且同時執(zhí)行。因此，需要一個實時操作系統(tǒng)(RTOS)來管理和調(diào)度多任務環(huán)境中的實時任務[15- 16]。為了完成數(shù)控系統(tǒng)，除了硬件結(jié)構(gòu)之外，還應該設計軟件。

圖2所示的軟件分為前臺系統(tǒng)軟件和后臺軟件2部分，運行在具有不同工作頻率和不同處理器的內(nèi)存上。通過使用不同的芯片可以充分發(fā)揮其優(yōu)點，從而獲得高性能。將WinCE操作系統(tǒng)移植到具有強大事務管理能力的ARM內(nèi)核。ARM芯片上運行的應用軟件包括參數(shù)管理、文件管理、狀態(tài)和報警信息顯示、自動編程和圖形模擬功能。內(nèi)核層實時控制軟件運行在DSP(TMS320C6713)上，BIOS部署在DSP內(nèi)核上，以獲得較高的控制精度。 控制軟件主要由3個周期性實時任務：位置控制；插補和PLC控制組成，其運行周期分別設置為0.25 ms，1 ms和10 ms。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

2 參數(shù)化自動編程

參數(shù)化智能自動編程功能模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。用戶只需設置齒輪參數(shù)(如齒輪類型，齒輪特征參數(shù))，刀具參數(shù)(如刀具類型，刀具特征參數(shù) )和切削循環(huán)參數(shù)。然后通過自動編程模塊獲取加工程序，通過圖形仿真驗證NC代碼的正確性。齒輪可以加工包括圓柱齒輪，鼓齒輪，小錐齒輪，非圓齒輪，螺旋錐齒輪和齒條。特征參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、螺旋角和齒寬等。不同齒輪對象的刀具參數(shù)不同。

生成并通過動態(tài)驗證后，加工代碼將通過HPI下載到指令緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可由DSP識別。這些代碼將在DSP中得到執(zhí)行。通過編譯預處理，加減速實時處理，插補實時計算得到用于控制機床軸運動的實時位置控制數(shù)據(jù)。根據(jù)插補數(shù)據(jù)，齒輪輪廓將被加工。

在獲得加工代碼之前，可以通過手動模式或自動查詢模式輸入切削參數(shù)。在過程數(shù)據(jù)庫的支持下，可以自動選擇切削參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)速、進給速率和切削方式。對于具有不同力學性能的各種齒輪，使用專家知識選擇的參數(shù)將是最佳的，并且它們將提供最理想的精度和效率。

圖3 智能自動編程模塊的軟件體系結(jié)構(gòu)

3 變速箱加工工藝專家數(shù)據(jù)庫

齒輪加工過程數(shù)據(jù)庫是一個數(shù)據(jù)管理軟件，包括齒輪刀具信息，齒輪零件信息和切削過程信息。它具有數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析等功能，為齒輪加工提供幫助。該數(shù)據(jù)庫主要由用戶前臺操作界面和后臺數(shù)據(jù)操作功能組成，作為功能模塊內(nèi)置于數(shù)控系統(tǒng)軟件中。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 變速箱加工工藝專家數(shù)據(jù)庫功能模塊

數(shù)據(jù)和模型是專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的2個重要組成部分。數(shù)據(jù)是變速箱加工的基礎信息，數(shù)據(jù)模型是獲得最佳切削工藝參數(shù)的分析方法。在數(shù)據(jù)庫中，通過加工過程手冊，實驗和實際生產(chǎn)收集數(shù)據(jù)。采用關(guān)系模型分析齒輪、刀具、機床和切削工藝參數(shù)的相關(guān)性。與網(wǎng)絡模型和層次模型相比，關(guān)系模型的結(jié)構(gòu)簡單，并且使用二維關(guān)系表來描述實體之間的關(guān)系。它基于嚴格的數(shù)學基礎，每個屬性又是不可分割的，因此可以更好地保證數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)的一致性。

變速箱加工過程數(shù)據(jù)庫設計工作主要包括需求分析，概念設計，結(jié)構(gòu)設計和物理設計。根據(jù)齒輪加工應用要求，首先要建立齒輪特征信息表，切削刃特征信息表，切削過程參數(shù)表，機床信息表。主要特征需要包含在這些表格中，以便獲得最佳結(jié)果。物理設計是在系統(tǒng)資源的限制下，開發(fā)適合嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)和方法。

對于所提出的硬件結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫是通過基于SQLite3的Visual Studio VC ++編程環(huán)境進行設計和開發(fā)的。如前所述，CNC內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫可以支持自動編程模塊以獲得最佳加工程序。此外，還可以用來為技術(shù)人員提供一個獨立模塊的指導。對于用戶來說，它可以帶來足夠的便利來保存、管理和優(yōu)化加工參數(shù)。同樣，系統(tǒng)也可以通過積累加工大數(shù)據(jù)來實現(xiàn)智能化數(shù)控加工。

4 高精度軟件電子變速箱

電子齒輪箱(EGB)通過高性能微處理器取代了機械傳動鏈，大大提高了機械系統(tǒng)的靈活性和傳動精度。EGB軟件是用來取代復雜的硬件邏輯電路，任何傳動率都可以在理論上被EGB所實現(xiàn)。值得注意的是，數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靜態(tài)誤差并沒有在EGB中得到有效解決。

對于變速箱加工，變速齒輪形狀可以通過刀具主軸、工件主軸和進給軸的同步運動形成。變速箱齒輪加工精度主要取決于同步精度。為了實現(xiàn)多軸同步，采用了復合結(jié)構(gòu)EGB。在EGB中，根據(jù)安裝在刀軸上的編碼器的反饋數(shù)據(jù)和其他進給軸的指令數(shù)據(jù)，計算出從動軸的下列位置和速度指令。 然后，所有軸的實時指令被發(fā)送到位置控制器以驅(qū)動這些軸。 每種齒輪加工方法都對應于EGB結(jié)構(gòu)。 提出了適用于齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的齒輪銑削，成型、滾銑、磨削和研磨加工過程的EGB。在此，將闡述用于變速箱滾齒的EGB。

滾齒機的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 滾齒機的整體結(jié)構(gòu)

圖5中，滾刀主軸B、工件主軸C和軸向進給軸Z是最上面的成形運動軸。Y是用于更換刀片的滾刀末端軸。X是實現(xiàn)全齒深切的徑向進給軸。A是滾刀安裝角度調(diào)整軸，它是具有不同螺旋角度的齒輪的變體。C軸主要跟隨滾刀軸B的運動，B與C之間的關(guān)系滿足：

(1)

nB為滾刀主軸B的速度；nC為工件主軸C的跟隨速度；ZB為滾刀的螺紋數(shù)；ZC為工件齒輪的齒數(shù)；KB的值是根據(jù)旋轉(zhuǎn)滾刀主軸的方向來確定。

當變速箱齒輪達到設計齒寬時，滾刀需要沿進給軸Z移動，此時在C軸上增加一個額外的運動，可以根據(jù)Z軸的行程距離獲得附加的值。類似地，當采用對角線滾邊加工方法時，Y軸引起附加的運動。在C軸上的附加運動值為：

(2)

ΔθC是由Z軸和Y軸引起的附加移動；Δz是Z軸的移動距離；Δy是Y軸的移動距離；ZC是齒輪齒數(shù)；β為加工齒輪的螺旋角；λ為滾刀安裝角度；KZ和KY的值根據(jù)β，Δz和Δy分別取“+1”或“-1”。

結(jié)合式(1)和式(2)，滾刀EGB同步關(guān)系為：

(3)

θC，θB，z和y分別表示C軸的跟隨角度位置、滾刀主軸的移動角度位置、Z軸的移動距離和Y軸的移動距離。

θB，z和y的值可以從插值結(jié)果中獲得，因此只需要定義ZB，ZC，mn，β和λ的指令在內(nèi)的指令即可通知CNC系統(tǒng)，并且θC可以是自動獲得。特殊代碼G81定義為打開EGB并限制所有機床軸的運動關(guān)系。G80被定義為關(guān)閉EGB并取消同步約束。當EGB有效時，C軸隨動Y軸、Z軸和B軸的運動，其關(guān)系符合式(3)。如果G81無效，C軸將是一個通用軸。因此，變速箱數(shù)控加工系統(tǒng)也可以作為傳統(tǒng)的通用數(shù)控系統(tǒng)，如車床、銑床和加工中心。

EGB的實現(xiàn)過程如圖6所示。

圖6 EGB的實現(xiàn)過程

當檢測到EGB指令時，同步數(shù)據(jù)信息被存儲在環(huán)形指令緩沖器中。最終的位置控制數(shù)據(jù)被發(fā)送到位置控制器以驅(qū)動機床，在預見計數(shù)過程，加速/減速控制，粗略插補和精細插補之后。

5 性能驗證

所提出的關(guān)鍵技術(shù)在水平六軸滾齒機的滾齒試驗中得到驗證。該滾齒機采用內(nèi)部開放式嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)，采用“ARM + DSP”硬件結(jié)構(gòu)。

滾齒機實驗平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 實驗平臺的整體結(jié)構(gòu)

所有軸均由交流伺服電機驅(qū)動，其控制方式為速度控制方式。數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)在前一節(jié)中介紹。數(shù)控系統(tǒng)的主要功能是精確控制機床完成滾齒，包括加工程序生成、信息管理、機床監(jiān)控狀態(tài)顯示、發(fā)送運動控制指令、接收反饋信息控制滾齒機。表1總結(jié)了伺服電機參數(shù)以及每個機床軸的機床結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 每個機床軸的伺服電機和結(jié)構(gòu)參數(shù)

進給和主軸伺服編碼器分別產(chǎn)生20 000和10 000個脈沖，而編碼器信號通過四倍頻電路進行細分。

數(shù)控系統(tǒng)基于使用右向滾刀加工右軸齒輪進行性能測試。對變速箱齒輪進行機械加工時，主軸轉(zhuǎn)速達到1 000 r / min，并分別以10 mm/min和5 mm/min的軸向和徑向進給速度進行切削。表2給出了待加工變速箱齒輪的參數(shù)和相應使用的滾刀參數(shù)。

表2 實驗齒輪和刀具參數(shù)

5.1 空氣切割實驗

在自動編程功能模塊中輸入這些參數(shù)后，將自動生成加工代碼。采用軸向滾齒加工方法來驗證變速箱齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的有效性。

在測試過程中，記錄和比較關(guān)節(jié)軸所需的指令信號和編碼器反饋信號。X軸、Z軸和C軸的理論和實際輪廓分別如圖8和圖9所示。

對圖8和圖9中的實驗加工結(jié)果進行分析，可以看出，所有的理論位置和實際位置都略有不同，但是每個軸都能夠精確地跟隨位置指令。實驗中工件的測量值滿足式(1)和式(2)的同步控制要求。

實驗中X軸和Y軸的編碼器的脈沖分辨率為0.25 μm，C軸編碼器的脈沖分辨率為0.006°。整個軸向滾齒加工過程數(shù)控系統(tǒng)的X軸和Z軸平均跟蹤誤差都小于0.75 μm，C軸平均跟蹤誤差為0.015 3°，這些誤差都分別小于對應的編碼器脈沖。很顯然，實驗數(shù)控平臺能夠滿足變速箱加工的精度要求，可以用來實現(xiàn)變速箱的齒輪高精度加工。

圖8 X- Z平面參考與實際輪廓

圖9 C軸理論與實際位置

對于用于變速箱加工的多軸輪廓控制系統(tǒng)，輪廓誤差都是評估控制系統(tǒng)性能的重要評估指標。輪廓誤差有螺旋偏差和螺距偏差2方面。

由圖10可知，螺旋誤差的最大值為9.5 μm，平均螺旋誤差為1.8 μm，可以達到變速箱加工的要求。

從圖10可以清楚地看到，參與切削過程的各軸跟蹤誤差足夠小，可以證明實驗數(shù)控平臺的跟蹤控制性能。因為齒輪螺旋線是由Z軸進給，工件主軸C軸和滾刀主軸B軸使用軸向滾齒方法同步運動而產(chǎn)生的。因此，齒輪加工精度不僅取決于C軸的跟蹤性能，而且還取決于所有軸的同步輪廓控制性能。圖11和圖12分別分析了變速箱齒輪加工的節(jié)距誤差和螺旋誤差。圖11中分析的螺旋誤差可以滿足變速箱齒輪切削的精度要求。下一步將通過變速箱齒輪加工實驗進一步說明數(shù)控系統(tǒng)的性能。

圖10 螺旋誤差

圖11 Z軸位置誤差/mm

圖12 X軸位置誤差/mm

5.2 變速箱齒輪加工測試

在加工測試之前，嵌入式變速箱齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的性能通過前面提到的軸向滾齒方式進行驗證。在變速箱齒輪加工之前，由于滾齒機采用了半閉環(huán)位置控制模式，因此使用激光干涉儀檢測位置精度，并通過數(shù)控系統(tǒng)的螺距誤差和齒隙補償功能進行補償。圖11和圖12中顯示了2個主直軸的位置誤差測量結(jié)果。結(jié)果表明，機床位置誤差完全滿足要求并且范圍較小。

參數(shù)如表2的齒輪和刀具用于加工實驗。 40Cr工件以4.5 mm的切削深度一次切削循環(huán)切削。切割后，使用齒輪精度測試中心測量螺距誤差和螺旋誤差。從測試結(jié)果來看，左齒面的最大誤差為6.3 μm，右齒面的最大誤差為5.1 μm，滿足設計要求。

6 結(jié)束語

提出了一個具有可重構(gòu)參數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)。變速箱齒輪數(shù)控加工系統(tǒng)可以通過簡單的參數(shù)設置用于不同的加工機床。介紹了應用于變速箱加工數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)包括參數(shù)化智能自動編程、專家數(shù)據(jù)庫和高精度EGB。該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)是在“ARM + DSP”硬件平臺上構(gòu)建和實現(xiàn)的。為了驗證這些功能的有效性，實驗在具有內(nèi)部嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的六軸臥式滾齒機上進行了空氣切割狀態(tài)和實際加工測試。實驗結(jié)果證明了系統(tǒng)能夠有效地應用于變速箱的加工。

雖然所提出變速箱齒輪數(shù)控系統(tǒng)可以滿足變速箱齒輪加工的要求，但齒輪的每個齒輪的輪廓誤差存在一定的波動范圍。由于輪廓誤差可以通過實時預補償解決方案加以提高，因此下一步的研究是基于預補償控制算法進一步提高數(shù)控系統(tǒng)的加工性能。