开放式数控系统软硬件平台在数控滚齿机系统上的应用

李亚静 上海开通数控有限公司（200233）

李亚静（1973年～），女，硕士，高级工程师，现从事数控技术研发。

0 引 言

齿轮是机械行业量大面广的基础件，因此，随着应用范围的不断扩大，对其在加工精度、效率等方面的要求也越来越高，滚齿加工是所有齿轮加工方法中最主要的一种，滚齿机约占所有齿轮加工机床的45%。齿轮加工有其复杂性和特殊性，运动关系复杂、调整因素多、影响加工精度的因素多，所以齿轮加工机床对数控系统的要求更高、更特殊。

开发数控滚齿机床是当今齿轮机床的发展方向，滚齿机数控化后使机床结构及控制发生了革命性的变化，而数控系统是其核心，数控系统正朝着开放式、网络化、智能化的方向发展，并满足对高速度和高精度数控加工的要求。目前数控领域使用的控制系统一般多为通用型，但对一些特殊的机床如专用磨床、齿轮加工机床等往往需要有专用界面以及一些特定的功能模块，这样才便于对设备进行操作和管理，更好地发挥数控系统的优势。

针对目前国内滚齿机配置的大多是国外的通用数控系统，存在着价格昂贵等诸多因素，我们对滚齿加工的特点进行了分析研究，开发了电子齿轮箱功能，在自主研发的开放式数控系统软硬件平台上开发了滚齿机数控系统并且应用于生产。

1 开放式数控系统平台架构

数控技术发展的关键是数控软件的开发，一个好的数控系统软件平台是数控技术能持续发展的基础。在总结了多年来国外先进的开放式数控系统开发经验之后，我们研究了开放式数控系统的标准规范，完全自主创新建立了基于Windows和Linux双操作系统的开放式数控系统软硬件平台，在这个平台上开发了基于总线技术的中高档数控系统，它具有很好的开放性和灵活性，能较快适应用户设备的各种个性化需求。

系统的下位机运动控制单元可以配置各种上位机，包括嵌入式数控系统显示单元、台式电脑/笔记本电脑、工业计算机等。上、下位机通过标准以太网接口（TCP/IP）进行通信，平台架构如图1所示。

图1 开放式数控系统平台架构

平台开放性主要体现在四个层次：

第一层为内核层：由于运动控制与逻辑控制任务工作在实时内核中。该平台采用编译执行的PMC与PLC编程语言，允许用户定制实时控制任务，编写复杂的轨迹插补算法。编译执行的方式确保了系统级任务的运行效率。

第二层为插件层：由于该平台采用模块化设计。用户可以使用高级语言编写插件模块运行在系统程序的后台或前台。通过高级语言，可以将操作系统外围硬件以及第三方软件的资源与控制系统无缝整合在一起，使系统功能得到充分的延伸。

第三层为组态层：该平台提供脚本语言编程接口以及基于XML的操作界面描述语言。通过这个接口，用户无需掌握专业的编程知识，就可以定制界面并可以实现基于菜单按钮的人机交互。这一层次主要面向控制系统的现场工程师和高级用户。他们往往掌握丰富的工艺经验，但是并不懂得软件编程技术。ONCASP的脚本和组态工具有效地降低了系统的二次开发的门槛。

第四层为网络层：基于以太网的Socket接口，该平台可以向网络上的远程计算机实时广播控制系统的状态，并可接收经过加密的控制指令。通过无线Wi-Fi网络，对该平台的监控可以扩展到智能移动终端。管理人员在工厂的每一个角落均可以实时了解生产设备的工作状态。

以上几个开放层次，使该平台满足了不同层次的用户需求，并能适应灵活多变的应用场合。

在工业控制中广泛使用的具有图形用户界面的操作系统主要是Windows和Linux两种。该平台能够在这两种不同的操作系统中运行，并且在不同的操作系统中，基于该平台所开发的应用软件能够表现出相似的视感和操作方法。

2 数控滚齿机系统软硬件介绍

数控滚齿机系统基于嵌入式平台开发，选用嵌入式ARM9控制器（上位机）和32位ARM7作为核心的运动控制板（下位机）构成双CPU结构，显示单元和运动控制单元呈分体结构，通过10/100M自适应高速实时以太网总线进行通信，既具有运动控制器高性能、高可靠性、低成本的优点、又具有基于PC的开放式控制器可扩展性好、易维护、易开发的优点。

系统软件采用上、下位机结构模式：上位机软件基于WinCE5.0操作系统平台，用C语言开发，负责人机界面，PLC和G代码解析等非实时性任务。下位机基于ARM7硬件平台，用C语言开发多轴联动实时控制软件，完成插补运算和位控等实时性任务，是典型的实时多任务系统。下位机负责运动控制，采用ARM7为核心CPU，多级中断控制结构，位置控制周期为1ms，因此位置采集精度高、系统性能好。

上、下位机之间采用标准的以太网总线连接，采用UDP通讯协议，100M全双工模式，可同时接收和发送数据帧，采用CRC校验。这种结构具有很好的灵活性，配置形式非常丰富。减少了电缆的连接，提高了数控系统的稳定性，同时可以实现多台机床的联网控制，构成由多台机床组成的柔性生产线。目前，国外数控系统大都采用专用高速总线直接和专用的伺服驱动器连接通信，控制系统和交流伺服、主轴驱动系统自行配套。如Fanuc采用HSSB高速串行总线，西门子的PROFIBUS DP总线，三菱重工的CCLink总线，安川电气的Mechatrolink总线。这些公司采用的都是专用封闭的总线，其余的厂商如博世（原INDRAMAT）和海登海因的数控系统采用SERCOS标准总线，也可配置PROFIBUS DP总线。较新的EtherCAT以太网现场总线，直接和伺服驱动器上的以太网接口进行通信。这些产品的性能好，但价格非常高，性价比不高。而该产品特点是数控系统通过以太网和运动控制器连接通信，伺服驱动器是通用产品，受运动控制器控制。因此具有开放性好、性价比高、竞争力强等诸多优点。

数控滚齿机系统可控制五个伺服轴（X、Y、Z、A轴+主轴），支持5路编码器反馈通道，4轴联动，可以通过CAN总线扩展通用IO和AD/DA端口，如图2所示。

图2 数控滚齿机系统软硬件示意

3 数控滚齿机关键技术研究

3.1 滚齿机加工原理

滚齿加工是按照展成法的原理来加工齿轮的。用滚刀来加工齿轮相当于一对交错的螺旋轮啮合。对于滚齿机，一般采用四轴数控系统，四轴分别为：

径向进给轴 (X轴)：实现工件轴的水平运动；

轴向进给轴（Z轴）：实现滚刀加工齿轮沿工件轴向的垂直运动；

工作台回转轴（C轴）：实现工件的旋转运动（分齿运动）；

滚刀旋转轴（B轴）：实现滚刀的旋转运动（切削运动）。

渐开线展开轮廓是由展成法形成的，靠滚刀的旋转运动和工件的旋转运动复合而成，即B、C两轴的联动得到齿轮的齿形；为了切出整个齿宽，滚刀在自身旋转的同时，必须沿工件轴线作进给运动，即Z轴轴向进给形成齿轮的齿宽；同时，X轴径向进给形成齿轮的齿高。

齿轮加工的关键技术在于实现滚刀和工件之间的展成分度运动关系，也就是要准确地满足两者之间的速比关系，即滚刀转过一转，工件转过L/T 转，如式1所示，B、C两轴间必须满足以下运动关系：

Nb、Nc分别是滚刀轴度数和工件轴度数，L、T分别为滚刀头数和工件齿数。

在加工斜齿轮时，要求在完成分齿运动的同时，工作台（C轴）还要有一个随轴向运动（Z轴）的额外附加运动，根据齿轮的螺旋角度对工件轴进行补偿，其运动关系如下：

式中，Z-Z轴移动距离 P-齿轮螺旋角 Q-齿轮模数

3.2 基于电子齿轮箱功能实现数控系统滚齿加工

机床内联动是机床传动的一种重要形式，要求传动链的首端件与末端件满足一定的传动关系，以便2个运动的合成运动满足加工表面特性的需要。内联传动链应保持传动比的准确，不能用传动比不准确的传动副。

机械内联传动链常采用的传动副有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动与滚珠丝杠传动。由于机械传动链中零件的制造和安装误差，使得内联传动链首端件和末端件不能按理想的传动关系运动，存在传动误差。这种误差是影响加工精度的主要因素，且传动链的刚度差，易产生振动和噪声，使机床的动态性能降低。

由式2可见，在加工斜齿轮时，输入和输出的关系不再是一个简单的单输入、单输出的定比传动问题，而是一个多输入、单输出的问题。一般的电子齿轮方式无法解决该类问题。电子齿轮箱能代替机械齿轮传动链，并且能实现更准确的传动关系，为此在滚齿机数控系统中开发了电子齿轮箱功能。

对于数控滚齿机, 机床的各个运动轴(滚刀旋转B轴、工件旋转C轴、轴向进给Z轴、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各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来确定刀具与工件之间特定的运动关系。采用电子齿轮箱传动简化了传动链，直接从滚刀轴和进给轴上读取反馈数据，取消大量中间传动环节，传动误差大大减少，加工精度远高于传统的加工方法，它的实现是滚齿机数控系统实现滚齿加工的核心技术。

滚齿机数控系统开发了专门用于齿轮加工的固定循环，G代码编程格式为：

G81.4 T_ (L_) (Q_) (P_)；电子齿轮箱开启同步

机床在进行滚齿加工时，要求建立C轴和滚刀B轴的同步关系。G81.4就是C轴与B轴的同步指令。

T ：工件齿数

L ：滚刀头数。通过L 的符号来指定工件轴的旋转方向。

Q ：齿轮模数或者齿距

P ：齿轮螺旋角。

G80.4 ：电子齿轮箱同步解除

3.3 参数化编程人机界面

开放式数控系统的研究目的就是要解决变化频繁的需求与封闭的控制系统结构之间的矛盾，建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统结构，以增强数控系统的功能柔性，能够快速而有效地响应新的加工需求，也是今后数控系统的重要发展方向。

由于齿轮加工机床有其复杂性和特殊性，运动关系复杂，滚齿加工时调整因素多、影响加工精度的因素多，所使用的工件参数、刀具参数和加工参数比较多，在加工不同类型的齿轮时调整起来非常繁琐，很容易出错，所以滚齿机对数控系统的要求更高、更特殊，这就需要滚齿机数控系统人机界面可根据用户需求进行定制。

在滚齿机数控系统中开发专用的用户界面，把参数直观地反映到操作界面上。利用滚齿机数控系统提供的参数编程模板编辑工具就可以满足这一需求，把繁琐的工作进行简化。

在滚齿机数控系统参数编程模板编辑工具软件中，根据用户要求及加工对象特点，建立模板文件，编制好程序，导入系统，如图3所示。

图3 滚齿机数控系统参数编程模板编辑工具软件界面

用户只要在滚齿机数控系统软件界面中调出适合自己零件加工的模板程序，输入加工件的齿数、模数和螺旋角等相关参数，启动后机床就能自动完成零件的加工，操作较为简便，如图4所示。

图4 滚齿机数控系统参数化编程人机界面

4 结语

目前该滚齿机数控系统已应用到重庆晨宇四轴数控滚齿机上，如图5所示。

图5 滚齿机数控系统应用

采用电子齿轮箱功能来实现滚齿加工，不仅简化机床的机械结构，而且在一定程度上方便调整。与普通机床相比，加工精度提高了1级，加工速度提高了30%，调整时间缩短了10%~30%。该滚齿机数控系统以其开放性、友好的人机界面受到欢迎。

图13 GME机柜温度（二次改造后）

[1] 齿轮制造手册. 齿轮制造手册编辑委员会[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2] 熊显文. 基于电子齿轮箱的数控插齿机内联传动结构[J]. 机械科学与技术，2008，27(6)：793-798.