基于西門子 840Dsl 系統(tǒng)的數(shù)控強力刮齒加工軟件開發(fā)
2019-11-7 來源：南京工業(yè)大學機械與動力工程學院 等 作者：劉 晟 洪榮晶 孫小敏
SINUMERIK 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司開發(fā)的一款開放、靈活、強大的高端數(shù)控機床系統(tǒng)，其憑借強大的數(shù)控性能，以及獨一無二的靈活性與開放性，收到越來越多的機床廠商青睞。然而目前大多數(shù)的西門子數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用僅僅局限于其標準數(shù)控系統(tǒng)，沒有完全發(fā)揮其開放、可二次開發(fā)的特點，也無法滿足復(fù)雜加工的個性化需求。隨著齒輪切削技術(shù)向著高精度、高效率的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的滾齒插齒、銑齒越來越難以滿足生產(chǎn)加工的要求。一種新型的齒輪加工技術(shù)———強力刮齒，逐漸走入了人們的視野。數(shù)控強力刮齒加工是一種不同于滾齒插齒等傳統(tǒng)齒輪加工方法的全新的切齒加工概念。刮齒也可稱為車齒，剮齒等。其具有加工精度高，刀具耐用度好和經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，尤其在加工非貫通、無退刀槽內(nèi)齒輪方面具有無可比擬的優(yōu)勢。1985 年美國 Gleason 公司首次提出了強力刮齒( powerskiving) 的概念，并開發(fā)出了配套于其強力刮齒機床的CAM 軟件，但是并未詳細介紹刮齒關(guān)鍵技術(shù)，且 PC端軟件需要人工拷貝數(shù)控代碼至數(shù)控系統(tǒng)，編程加工效率較低。重慶大學王時龍等以滾齒加工為研究對象，針對 840D 數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了一種滾齒自動編程系統(tǒng)。劉倩等利用西門子 840Dsl 二次開發(fā)接口，提出了一種凸輪加工嵌入式解決方案。而目前刮齒加工編程具有耗時長、易出錯、加工質(zhì)量難以保證以及對操作人員技能要求高的問題等缺點，尚缺乏有效的解決方案，阻礙了刮齒加工的進一步發(fā)展推廣。利用西門840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢，應(yīng)用SINUMERIK Operate 編程包對數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā)，設(shè)計開發(fā)數(shù)控強力刮齒加工軟件，可以有效提高刮齒加工效率保證加工質(zhì)量。
1、西門子 840sl HMI 二次開發(fā)技術(shù)
Sinumerik 840Dsl 系統(tǒng)具有極好的開放性、柔性與加工適應(yīng)性，主要是因為其良好便捷的二次開發(fā)功能，允許用戶根據(jù)自身的使用需求，開發(fā)更適合自己的加工軟件或加工界面嵌入數(shù)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)通用系統(tǒng)難以完成的加工工藝任務(wù)。
1. 1 系統(tǒng)構(gòu)架
為了實現(xiàn)對 Sinumerik 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)，關(guān)鍵在于將 Sinumerik Operate 軟件集成嵌入到 Si-numerik 840Dsl 控制系統(tǒng)中。圖 1 展示了 HMI ( 人機界面) 與 PLC( 可編程控制器) 、NCK( 控制設(shè)備) 和驅(qū)動單元的通訊方式，以及 Sinumerik 840Dsl HMI 二次開發(fā)的系統(tǒng)構(gòu)架。如圖所示，軟總線聯(lián)接了 HMI 與NCK、PLC 和驅(qū)動器，在 S7 通訊協(xié)議下實現(xiàn)了各組件之間的通訊，該總線的功能與 PLC 的 K 總線類似。外部接入的 HMI 與系統(tǒng)內(nèi)部的 HMI 都可以通過通訊處理器( CP) 來訪問系統(tǒng)內(nèi)的 NCK、PLC 和驅(qū)動器。通一個所謂的薄型客戶單元( Thin－Client－Unit，簡稱TCU) 可以實現(xiàn)操作界面的可視化( 輸入 / 輸出) 。TCU實際上是一個單獨的操作設(shè)備，通過以太網(wǎng)與 NCU 進行通訊。圖 1 中標為“TCU”的組件包含了 TCU 運行所 需 的 服 務(wù) 器 ( 即 VNC 服 務(wù) 器 ) 和 TCU 在SINUMERIK 系統(tǒng)環(huán)境下運行所需的其他必要功能。
1. 2 開發(fā)方案選擇
SINUMEＲIK Operate 提供了多種開發(fā)接口。可以通過 Easy Screen、Wincc 對人機界面進行修改，好處是開發(fā)周期短，但是開發(fā)功能比較羸弱。而基于 SINU-MERIK Operate 編程包開發(fā)方式更加靈活，功能更加強大。通過 cpp 接口，可以實現(xiàn)應(yīng)用軟件與數(shù)控系統(tǒng)的通訊。也允許用戶使用 C #或 VB. NET 創(chuàng)建標Windos 窗體作為用戶界面。但是上述開發(fā)方案具有界面開發(fā)效率低、開發(fā)局限性大、無法跨平臺的缺陷。
通過 C++GUI 類庫 Qt，可以實現(xiàn)源文件的平臺通用性。Qt/Windows 主要基于 Windows 窗口系統(tǒng)以及Windows GDI( 圖形設(shè)備接口) 以輸出圖形基。Qt / Em-bedded 具有單獨的窗口系統(tǒng)，直接使用 Linux 幀緩沖。源文件借助 Windows 和 Linux 專用的編譯程序與鏈接程序分別轉(zhuǎn)化為各系統(tǒng)可執(zhí)行的文件。強力刮齒加工軟件選擇利用 Qt 與 C++的編寫源文件，數(shù)控系統(tǒng)選擇PCU+NCU 形式，在Windows 平臺下編譯生成文件嵌入數(shù)控系統(tǒng)中。軟件具有開發(fā)周期短，嵌入性好，可跨平臺的優(yōu)勢。
2、數(shù)控強力刮齒軟件開發(fā)
2. 1 840Dsl 二次開發(fā)基本流程
基于 SINUMERIK Operate 編程包開發(fā)首先需要對開發(fā)環(huán)境進行配置，在 VS2008 菜單欄工具菜單下增加 HMI 啟動選項。數(shù)控強力刮齒軟件采用 Qt 圖形框架在 Qt Designer 中進行人機界面設(shè)計，在 Visual 2008開 發(fā) 環(huán) 境 下 利 用 C + + 編 寫 后 臺 程 序。 安 裝SINUMERIK Operate 編程包后，可以 VS2008 中創(chuàng)建“”HMI Project”模板，項目配置完成后一般包含以下項目文件夾:Scource files 包含實現(xiàn)項目功能的源代碼文件( * . cpp)Header files 包含項目頭文件( * . h) :Reasource file 包 含對 話 框 配 置 文 件 ( * . XML ) 、語 言 翻 譯 文 件( . ts) ;Generated 包 含 預(yù) 處 理 文 件 文 件 ( MOC － . CPP ) 、UI 界 面 的頭( UI－. h) ;Forms 包含項目的窗體界面文件( * . ui) ;systemconfiguration. ini HMI 操作區(qū)域組成結(jié)構(gòu)初始化文件。啟動調(diào)試項目源文件，XML 文件會編譯轉(zhuǎn)換為 .hmi 人機界面文件。項目程序文件會編譯轉(zhuǎn)換為 . dll文件，可以在 PCU+NCU 的 840Dsl 系統(tǒng)下實現(xiàn)邏輯運算功能。語言翻譯文件 . qm 根據(jù) ts 文件中定義的索引關(guān)系實現(xiàn)語言切換功能。為了將軟件嵌入數(shù)控數(shù)控系統(tǒng)，需要復(fù)制項目目錄中 “systemconfiguration. ini”初始化配置文件至 . /hmisl/siemens/ sinumerik /hmi/cfg 路 徑 下，安 裝 dll 文 件 與 hmi 文 件 至 . / hmisl /siemens / sinumerik / hmi / appl 路徑 下，在 . / hmisl / sie-mens / sinumerik / hmi / lng 路徑下加入 qm 語言文件。完成文件配置安裝后，啟動數(shù)控系統(tǒng)，可以從自定義的入口按鈕處進入二次開發(fā)軟件界面。
2. 2 數(shù)控強力刮齒軟件人機界面開發(fā)
SINUMERIK Operate 具有一種以組件為導(dǎo)向的架構(gòu)。其組件分為 GUI 組件和 HMI 服務(wù)兩大類。其中，GUI 組件是組成人機界面的主要部分，主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶即時交互。通過 GUI 組件與 HMI 服務(wù)靈活配合，可以創(chuàng)建出滿足我們需求的 HMI 系統(tǒng)。SINUMERIK 數(shù)控系統(tǒng)操作界面按功能劃分由若干操作區(qū)域組成，通常一個操作區(qū)域只有一個對話框。一個對話框可以分為多個屏幕，一塊屏幕包含消息欄、水平軟件、垂直軟件和窗體。窗體是我們實現(xiàn)輸入操作的載體，軟鍵是觸發(fā)函數(shù)功能的媒介。在配置文件“systemconfiguration. ini”中確定 HMI操作區(qū)域的組成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的 HMI 對話框，通過 XML文件定義了 HMI 對話框的屏幕布局，所包含的屏幕，界面軟鍵以及各屏幕的切換關(guān)系。軟件主頁面部分XML 源文件如下:＜SCＲEEN implementation = " powersiking. homescreen" name = " home-screen" ＞ / / 屏幕定義與命名＜ FOＲiMimplementation = " powersiking. homeform " name = "homeform" formpanel = " Full Form" / ＞/ / 屏幕內(nèi)窗體定義＜MENU name = " homehu"softkeybar = " hu" ＞ / / 底部軟鍵欄定義＜SOFTKEY position = " 1" ＞ / / 底部第一個軟鍵定義＜PＲOPEＲTY name = " text ID" type = " QString" ＞usermanagement＜ / PＲOPEＲTY＞ / / 定義軟件名稱＜NAVIGATION target = " screen" ＞ / / 點擊軟鍵，跳轉(zhuǎn)到目標屏幕＜SCＲEEN name = " managementscreen" / ＞＜ / NAVIGATION＞＜FUNCTION name = " donothing" args = " / " / ＞ / / 點擊軟鍵觸發(fā)函數(shù)＜ / SOFTKEY＞……窗體設(shè)計采用 QtDesigner 中 HMI－solutionline 組件搭建圖形化用戶界面。對 vs2008 調(diào)試環(huán)境進行配置，修改系統(tǒng)配置文件，運行源程序后生成人機界面hmi 文件、后臺邏輯動態(tài)鏈接庫 dll 文件以及語言翻譯ts 文件，生成文件會自動導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)文件夾路徑下，實 現(xiàn) 將 數(shù) 控 強 力 加 工 軟 件 嵌 入 SINUMERIK840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)中。我們的 HMI 系統(tǒng)入口為標準操作界面主頁上預(yù)留的第七個軟鍵，啟動數(shù)控系統(tǒng)點擊軟鍵即可啟動數(shù)控強力刮齒加工軟件，在軟件不同功能模塊下實現(xiàn)所需的功能業(yè)務(wù)。如圖 2 為數(shù)控強力刮齒加工軟件主頁面。
2. 3 數(shù)控強力刮齒軟件主要功能模塊
根據(jù)數(shù)控強力刮齒的加工要求，可知，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型輸入是制造信息( 工件信息，工具信息，工藝信息等) ，要求獲得的輸出是產(chǎn)品信息( 加工參數(shù)，NC 代碼等) 。分析軟件功能構(gòu)架，對軟件進行模塊劃分 ，包含以下模塊: 用戶管理模塊，機床管理模塊，數(shù)據(jù)庫管理模塊，參數(shù)設(shè)定模塊，任務(wù)單記錄模塊，繪圖模塊，再對各模塊子功能進行劃分。系統(tǒng)主要功能模塊如圖 3。
進入軟件主頁面需要首先進行登陸操作，預(yù)留初始用戶名和密碼，登陸系統(tǒng)后可以在軟件主頁面用戶管理窗體下添加或刪除用戶。
數(shù)控強力刮齒軟件數(shù)據(jù)庫功能采用 QSqlite 輕量級數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)支撐，包括用戶數(shù)據(jù)庫、機床數(shù)據(jù)庫、工件數(shù)據(jù)庫、刀具數(shù)據(jù)庫和加工記錄數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫參數(shù)添加刪除查詢等功能分別在各自窗體完成。參數(shù)輸入模塊中可以從數(shù)據(jù)庫中讀取所需參數(shù)，將加工參數(shù)帶入強力刮齒加工數(shù)學模型進行運算，輸出數(shù)控程序。
2. 4 代碼生成功能實現(xiàn)
SINUMERIK 840Dsl 二次開發(fā)軟件中通過點擊軟鍵觸發(fā)屏幕內(nèi)的某一項任務(wù)，實現(xiàn)不同模塊功能。在XML 文件中定義軟鍵 FUNCTION 功能函數(shù)名為“pro-duce“，該窗體文件的 CPP 文件的 on Function 函數(shù)中添加代碼 if( “produce”= =rs Function) { ……} ，連接界面軟鍵與代碼生成業(yè)務(wù)邏輯。自動生成數(shù)控程序是數(shù)控強力刮齒軟件主要的功能模塊，圖 4 為軟件代碼生成功能流程圖。本模塊通過設(shè)定齒輪參數(shù)、刀具參數(shù)、機床參數(shù)和工藝參數(shù)，輸出數(shù)控程序，實現(xiàn)數(shù)控強力刮齒加工參數(shù)化編程。
軟件從工件數(shù)據(jù)庫加載工件參數(shù)，包括齒輪類型、旋向、齒數(shù)、法面模數(shù)、螺旋角、壓力角、齒寬、齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)和變位系數(shù)。從刀具數(shù)據(jù)庫中加載刀具模數(shù)、刀齒數(shù)、刀具厚度、刀具螺旋、安裝角、刀具變位系數(shù)和刀具主前角、主后角。機床參數(shù)為 X、Y、Z、A、C 各軸對刀值。工藝參數(shù)包括走刀數(shù)目、主軸與工件轉(zhuǎn)速、粗切進給量、精切進給量、每刀切深、總切深和加工時間。根據(jù)齒輪模數(shù)，軟件自動分配走刀數(shù)目，以及每刀切深。通過設(shè)定粗精進給量，根據(jù)加工數(shù)學模型，可以計算出加工時間。每次生成數(shù)控程序后軟件會自動保存任務(wù)單記錄，通過選定歷史加工參數(shù)可以加載加工記錄信息，完成加工參數(shù)設(shè)定。圖 5 為軟件參數(shù)設(shè)定模塊界面。
3 結(jié)語
( 1) 介紹了采用 Qt 圖形框架與 C++編程語言，在PCU+ NCU 構(gòu)架下對 SINUMERIK 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā)的一般步驟。
( 2) 在開放式數(shù)控系統(tǒng) SINUMERIK 840Dsl 下，對其 HMI 界面進行二次開發(fā)，嵌入了數(shù)控強力刮齒加工軟件，實現(xiàn)了參數(shù)化編制刮齒加工數(shù)控程序。軟件人機界面友好，參數(shù)輸入便捷，操作難度低。縮短了刮齒加工編程時間，減輕了操作員工作強度，對于推廣刮齒加工具有積極意義，為進一步研究強力刮齒加工提供了條件。
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