平面二包蜗杆自动编程及仿真系统的研究

彭 琳，吴 暐

（1. 江西中医学院 南昌 330004；2. 江西蓝天学院 南昌 330000）

0 引言

平面二次包络环面蜗杆副这种优良的传动形式一直不能得到广泛应用的原因就在于其设计参数多、加工工艺复杂，并且对误差很敏感。保证该型蜗杆副啮合型面高精度、高质量的关键是将啮合型面以适合于计算机表达的、全数字的形式描述，并在此基础上实现对蜗杆副的数字制造。目前加工常采用的图形交互式数控系统，比如时下流行的UG、Pro/E等自动编程软件是离线编程，需要先画出零件图形，然后根据图形生成加工程序，即使是简单的零件图形，经过后置处理得到的加工程序容量也是非常大的，同时在加工精度和加工效率方面很难得到统一。在推导出的数学公式的基础上编写自动编程软件，可以获得准确的轮齿表面，加工过程中不需要频繁的更换刀具，工序比较简单，在保证加工精度的同时也提高了生产率，经过实际生产检验效果良好。

1 在线自动编程系统的功能设计

按照要求，该软件的总体模块结构设计如图1所示。软件主要实现以下三部分工作。

1.1 加工对象文件管理

这部分主要实现加工对象文件（该文件内容包括加工对象的各种参数、加工刀具参数、工艺参数等信息）的新建、调入、保存，加工对象的显示、加工过程中的刀具中心轨迹的显示等。为了方便用户对所显示信息的观察，可以实现对图形进行放大、缩小、平移、旋转处理等功能，使用户可以从各个角度对加工对象和加工轨迹进行观察。

1.2 对有关算法进行加工仿真

根据要求，在设置好有关加工对象的参数后，通过显示控制模块显示所要求加工的对象，确定加工对象正确时，在完成对工艺参数的设置后便可以实现对该对象的加工仿真。

加工仿真模块实现的功能主要有：

1）刀具中心轨迹的显示；

2）仿真加工后可以自动生成针对该加工对象的零件加工程序；

图1 在线自动编程软件总体模块结构

3）可以实现在该对象加工完成后，对插补步长变化情况及误差进行分析。

1.3 数控机床验证

在计算机上通过加工轨迹的图形显示及误差分析可较直观地对相关算法进行验证，为了更进一步地对仿真软件所生成的零件加工程序进行校验，软件增加了一个通信模块，该模块可以实现串行通信。通过该模块，可以将零件加工程序传送到数控机床上的数控系统，这样便可在数控机床上通过数控系统验证该零件加工程序的语法、格式及结构是否正确。若为PC平台的计算机，数控装置则可直接仿真。

2 数控程序中的相关数据结构

在编写在线自动编程软件时首先必须对相关的参数进行定义，这里要定义的参数主要通过数据结构来定义的，主要的数据结构如下：

2.1 刀具轨迹数据结构

刀具轨迹的生成和编辑需要将刀具轨迹中的所有数据有规则地存放在一个数据结构中，该数据结构的设计是否合理，直接影响到刀具轨迹的生成和编辑。

2.2 数控加工程序数据结构

因为加工程序段为文字地址程序段的格式，该格式可以采用数据结构的形式把它规范成一个变量。首先数控代码段用一个字符串变量来定义(char* LineStr)，输出口数据定义为一个包含各种信息量的结构。

2.3 仿真软件的程序设计

在多文档中绘制OpenGL图形，相对来说比较复杂，其主要步骤与关键技术是：

1）由于多文档中有多个窗口需要绘制，而当前的OpenGL绘制描述表只能有一个，因此，在窗口的图形绘制完成后，必须将OpenGL绘制描述表释放，以备其他窗口使用。

2）在视图类中对Windows设备描述表和OpenGL的绘制描述表进行管理，而应用程序中的其他各视图均从该类中派生。

3）定义一个OpenGL绘图的函数，在视图类中进行重载，也就可以在应用程序中的视图类中直接调用OpenGL命令绘图。

3 在线自动编程系统原理介绍

3.1 参数设置

参数设定模块提供了比较方便的人机交互方式，用户可根据界面，输入对应的数据。系统为每一个参数数据设计了存储单元，用规定的格式存入，形成了数据文件。

3.2 数据计算

软件的编写基础为平面二包蜗杆的齿面方程。软件根据设置的参数，运用方程计算得到数据点组。再根据加工精度，设定加工步长，离散化以上曲线数据点，得到最终的符合G代码指令的NC图形数据。

3.3 三维图形显示

经过数据运算处理模块后得到的NC图形数据，三维图形显示模块会利用这些数据，自动生成刀具与工件的相对运动轨迹，利用该轨迹得到描述转向蜗杆几何形状的几何参数，再利用OpenGL实现高品质、交互式的三维转向蜗杆图形显示。

OpenGL的流程框图如下：

其中，转向蜗杆螺旋面的最终显示是用每三个点就组成一个三角形面片，分别求出每个面片的法向量，这个法向量决定该面片接受光的强度。最后调用OpenGL函数逐一将这些面片绘出，由这些面片逼近出转向蜗杆螺旋面，得到转向蜗杆的三维图形。

3.4 三维仿真

该模块的工作原理是：当执行该模块时，首先对编辑控件内的数控源代码逐行扫描。如果有分号或回车符，认为该行结束，并计算行数；如果没有行结束符，则提示用户修正。逐行扫描以后，对每行进行单词分解，查找出预先设定的参数数值。识别出功能代码后，转到相应的程序，进行编号识别，例如识别出是G代码后，要判断随后的数字，并将这些数字存储到程序中设定的参数中。模块接着根据读到的数字，执行各功能代码，转移到具体指令执行程序，如画圆和直线等。比如G00 X100 Y100，仿真时则把刀具快速移动到坐标是X100 Y100的点。

该模块最终根据读到的数字，模拟加工显示刀具实时的轨迹。

3.5 后置处理

系统采用的后置处理方法是一种较普遍的专用化形式，根据不同的数控系统的编码写出风格给出了具体的数控代码接口程序。即由NC图形数据得到在线加工转向蜗杆的数控加工程序，并通过该模块的通讯接口子模块，完成将NC代码发送到数控铣床。

4 应用举例

4.1 参数设置

从加工对象菜单或工具图标栏中选择所要创建的加工对象，在设置完对话框中的参数之后，便可以在视图区显示所要加工的对象。

在参数设置对话框中设置在计算中的基本数据：中心距、传动比、蜗轮齿数、压力角、母平面倾角和蜗杆分度圆直径系数。然后在视图区会显示蜗杆的曲线模型。同时，在信息显示菜单中，可以得到《平面二次包络环面蜗杆副属性.txt》的文件，便于后续设计改进。

图2 蜗杆副属性

4.2 加工仿真

在设置了“机床品牌”、“机床参数”和“刀具参数”后，可以生成数控加工程序，同时也生成了“ 加工信息.txt ”文件，便于操作者了解对参数的设置是否正确。

4.3 加工程序

在图形显示区会实时的显示图形精度，设置好加工余量后，生成加工路线，得到程序文件，之后可采用软盘方式或串行通讯的方式送入加工设备。

图 3 加工信息

通过本系统生成的平面二包蜗杆数控加工代码通过系统的后置处理模块输送到了我校的MCV-1250加工中心中进行实际加工，得到了完全合格的产品。

5 结束语

利用VC和OpenGL开发的基于Windows的平面二包蜗杆数控在线自动系统，是采用面向对象程序设计方法，使所开发的程序具有封装、继承、多态等优点，减少了程序的数据污染，增加了程序的易开发性、可读性和可维护性，大大提高了系统的编程效率，本系统界面友好，操作易学，通过与MCV-1250数控加工中心结合使用效果良好。同时通过该加工中心试用该系统表明：可以生成较为正确，实用的数控加工代码；数控代码仿真能动态、直观地显示出刀具切削运动轨迹，及时、准确地发现错误代码，实现了非实际切削加工中的数控程序验正。

[1] 罗良玲.转向蜗杆的等间距法编程[J].南昌大学学报(工科版),1997 .

[1] 杜厚金,江有渝.平面二次包络环面蜗杆传动制造工艺[M].四川科学技术出版社,1988.

[1] 王德发.基于Windows数控仿真系统的研究与开发[J].沈阳工业大学学报,2004.05.