基于華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)的蝸輪加工軟件開發(fā)
2021-2-23 來源：湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院等 作者：丁國龍，程鋮，曾令萬，楊燦輝，汪浩勇
摘要: 為改變國內(nèi)針對蝸輪滾削加工的研發(fā)大多基于國外數(shù)控系統(tǒng)的局面，在國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)上建立相應(yīng)的蝸輪滾切加工系統(tǒng)軟件。在分析六軸四聯(lián)動數(shù)控滾齒機齒輪滾切加工工藝的基礎(chǔ)上，建立滾刀軸和各進給軸運動關(guān)系模型; 基于華中HNC-848 數(shù)控系統(tǒng)開放的上下位機體系結(jié)構(gòu)，利用開放的 APP 接口函數(shù)進行蝸輪加工專用軟件界面及功能二次開發(fā); 設(shè)計用戶宏變量，編制蝸輪滾切加工宏程序，實現(xiàn)了蝸輪徑向和切向滾切加工，蝸輪加工精度達到國標(biāo) 3 級。結(jié)果表明: 基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的蝸輪加工軟件，操作簡便、適用性強，滿足數(shù)控蝸輪加工機床需求，為國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)提供了一套實用的方法。
關(guān)鍵詞: 蝸輪滾切; HNC-848 數(shù)控系統(tǒng); 二次開發(fā); 宏程序
0、前言
隨著機械加工行業(yè)的迅速發(fā)展，具有封閉式結(jié)構(gòu)體系的傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代制造技術(shù)的需要，開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。數(shù)控系統(tǒng)的開放為用戶對系統(tǒng)進行重新配置、修改和擴充原有功能提供了可能性。目前，與國外 SIMENS、FANUC 等高檔數(shù)控系統(tǒng)具有成熟的二次開發(fā)方案相比，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在二次開發(fā)應(yīng)用方面還存在較大差距。
開放式數(shù)控系統(tǒng)具有可互操作性、可移植性、可擴展性、可伸縮性以及可互換性等基本特征。數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的方式和層次取決于數(shù)控系統(tǒng)自身的開放層次，數(shù)控系統(tǒng)的開放形式主要有開放人機控制接口、開放系統(tǒng)核心接口和開放體系結(jié)構(gòu) 3 種。王照亮等建立了適用于 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)的電氣調(diào)試軟件。劉倩等人采用 SINUMEＲIK Operate 編程包提供的 Qt Designer 設(shè)計界面，開發(fā)了凸輪軸和曲軸磨削軟件。張露等人基于西門子 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)，創(chuàng)建了適用于數(shù)控凸輪軸磨床的磨削工藝數(shù)據(jù)庫。封光磊等基于 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了 PLC 程序的模塊化復(fù)用。常有明等利用 FANUC PICTUＲE 軟件，實現(xiàn)了使用一臺伺服電動機控制三軸位置的技術(shù)?？椎录t等利用 FANUC PICTUＲE 軟件開發(fā)出了操作簡單、快捷的數(shù)控機床人機界面。張輝等人利用FANUC-0MD 系統(tǒng)實現(xiàn)了塑窗型材柔性鋸銑加工中心數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。吳艷花和雷俊杰、劉晟等人、孫曉基于西門子 840D 數(shù)控系統(tǒng)分別開發(fā)了鉆銑類機床的專用操作界面、數(shù)控強力刮齒加工軟件、三維激光切割工藝軟件。丁國龍等基于華中HNC-808 數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)了數(shù)控插齒機專機系統(tǒng)。
上述對數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的研究普遍基于進口數(shù)控系統(tǒng)，針對國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的研究及應(yīng)用較少。本文作者基于國產(chǎn)華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)了適用于蝸輪加工的系統(tǒng)軟件，并在車間現(xiàn)場進行了實驗加工，驗證了蝸輪加工軟件的可行性，為基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)齒輪加工軟件提供了參考。
1、蝸輪滾切加工運動模型
蝸輪滾切專用機床與六軸四聯(lián)動滾齒機結(jié)構(gòu)相似，如圖 1 所示，其中 X 軸為滾刀徑向進給軸，即立柱的移動軸; Y 軸為滾刀切向進給軸，可滿足滾刀的竄動; Z 軸為滾刀沿工件軸的軸向進給軸，即滑板的移動軸; B 軸為滾刀主軸，是伺服主軸; A 軸為回轉(zhuǎn)軸，用于調(diào)整合適的滾刀與工件齒輪的嚙合角度; C軸為工作臺回轉(zhuǎn)軸，保證加工過程中工件的分度運動。
圖1：六軸四聯(lián)動滾齒機結(jié)構(gòu)示意
滾齒機運動主要由 4 種運動組成: 切削主運動、各軸進給運動、分齒運動以及差動傳動。加工不同類型的齒輪時產(chǎn)生的附加運動不同，各坐標(biāo)軸與 C 軸之間的嚙合關(guān)系也不相同。滾齒加工中跟隨軸 C 軸與其他各引導(dǎo)軸間的耦合方程為：
式中: kB、ky、kz為與齒輪旋向有關(guān)的系數(shù); nc、nB為工件軸和刀具軸的轉(zhuǎn)速，r/min; vy、vz為 Y 軸、Z軸移動速度，mm/min; ZB、Zc為刀具頭數(shù)和工件齒數(shù); β、γ 分別為工件螺旋角和滾刀的螺旋升角。
利用六軸四聯(lián)動數(shù)控機床加工蝸輪時，共有 2 種滾切工藝。
( 1) 徑向加工蝸輪時，刀具軸 B 在速度模式下運行，工件軸 C 根據(jù)式 ( 2) 對 B 軸進行跟隨:
徑向加工蝸輪切削循環(huán)路徑為 P1→ P2→ P3→P2→P1，如圖 2 所示。其中，P1為滾刀安全點，P2為滾切加工運動起點，P3為滾切加工運動終點; 點P1處 M3 主軸開啟正轉(zhuǎn)，同時開啟電子齒輪箱建立同步運動，P2處 M8 開啟冷卻液，點 P3處 M9 關(guān)閉冷卻液保持同步關(guān)系，點 P1處 M5 停止主軸運動。
圖2：徑向加工蝸輪循環(huán)路徑
( 2) 切向加工蝸輪時，刀具軸 B 在速度模式下運行，切向進給軸 Y 產(chǎn)生附加運動，工件軸 C 根據(jù)式( 3) 對 B 軸和 Y 軸進行跟隨:
切向加工蝸輪切削循環(huán)路徑為 P1→ P2→ P3→P4→P5→P1，如圖 3 所示。其中，P1為滾刀安全點，P2為開始同步點，P3為滾切加工運動 Y 軸起點，P4為滾切加工運動起點，P5為滾切加工運動終點; 點P2處 M3 主軸開啟正轉(zhuǎn)，同時開啟電子齒輪箱建立同步運動，點 P4處 M8 開啟冷卻液，點 P5處M9 關(guān)閉冷卻液，點 P1處 M5 停止主軸運動。
圖3：切向加工蝸輪循環(huán)
通過分析蝸輪加工工藝以及建立的蝸輪滾切加工模型，確定蝸輪加工軟件開發(fā)中所需的參數(shù)并完成加工宏程序的編寫。
2、蝸輪加工軟件開發(fā)
2. 1、華中 8 型二次開發(fā)體系
華中 8 型二次開發(fā)軟件從架構(gòu)上劃分，可分為圖4 所示的組成上位機的 HMI 層、組成下位機的 API 層和 NCU 層。
HMI 層為人機交互界面，用戶通過 HMI 完成數(shù)控機床的操作; API 層為接口層，為 HMI 提供訪問NC 功能及其他功能的接口; NCU 為數(shù)控核心層，實現(xiàn) NC 各種控制功能。3 個層次之間的信息交互通過系統(tǒng)內(nèi)置接口完成。
圖4：華中 8 型軟件架構(gòu)
蝸輪加工軟件界面開發(fā)在上位機 HMI 層進行，利用 API 層提供的接口，用 Qt 與 C++編寫軟件源文件，在 Windows 平臺下編譯生成可獨立運行的軟件，通過華中數(shù)控提供的適配器軟件實現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)之間的通信。軟件具有開發(fā)周期短、嵌入性好、可跨平臺的優(yōu)勢，其二次開發(fā)流程如圖 5 所示。
圖5：HNC-8 數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)流程
2. 2、蝸輪加工軟件需求分析
根據(jù)蝸輪加工工藝流程，數(shù)控滾齒機結(jié)構(gòu)特性以及 HNC-8 型數(shù)控系統(tǒng)特點，蝸輪加工軟件的開發(fā)采用模塊化編程。在 Qt 平臺完成人機交互界面的開發(fā)，主要包括刀具參數(shù)、工件參數(shù)以及切削參數(shù)等加工參數(shù)的輸入、保 存和讀取等功能。開發(fā)需要用到的NCAPI 主要接口模塊如表 1 所示。
表1：開發(fā)所需主要接口模塊
蝸輪加工軟件操作流程如圖 6 所示。
圖6：蝸輪加工軟件操作流程
進入蝸輪加工軟件界面后，用戶可以采用 2 種形式進行加工: ( 1) 新建參數(shù)文件、輸入相關(guān)參數(shù)并保存至系統(tǒng)，然后啟動加工程序進行加工; ( 2) 調(diào)用已輸入并保存的參數(shù)文件，啟動程序進行加工。
2 種加工方式的組合選用，降低了參數(shù)輸入有誤的可能性，簡化了加工程序輸入的操作流程，減輕了操作人員的工作強度。在蝸輪加工軟件界面輸入的所有參數(shù)都能保存至用戶自定義的宏變量中，用戶編寫加工程序時調(diào)用宏變量表中的對應(yīng)參數(shù)值即可完成蝸輪加工的相關(guān)參數(shù)的計算等。
2. 3、蝸輪加工軟件界面開發(fā)
根據(jù)蝸輪滾切加工工藝需求及對電子齒輪箱控制模塊運動模型分析可知，滾齒機加工模塊界面需要輸入的參數(shù)可以分為 4 種: 刀具參數(shù)、工件參數(shù)、切削參數(shù)、電子齒輪箱 ( EGB) 參數(shù)。
蝸輪加工軟件界面的設(shè)計基于這 4 種參數(shù)，每 1種參數(shù)對應(yīng) 1 個界面，這種模塊化的設(shè)計方法使最終完成的軟件具有清晰明確、操作方便的特點。軟件界面如圖 7 所示 。
圖7：蝸輪加工軟件界面
2. 4、蝸輪加工軟件功能模塊
分析軟件功能架構(gòu)，將軟件分為系統(tǒng)菜單、參數(shù)輸入和功能菜單 3 個模塊。蝸輪加工軟件功能模塊如圖 8 所示。
圖8：蝸輪加工軟件功能模塊
蝸輪加工軟件與數(shù)控系統(tǒng)的連接和軟件的退出在系統(tǒng)菜單下完成。蝸輪加工中所需的參數(shù)在參數(shù)輸入?yún)^(qū)域進行輸入。蝸輪參數(shù)界面的切換，參數(shù)保存、讀取和上傳相關(guān)操作在功能菜單模塊下完成。
2. 5、蝸輪加工宏程序設(shè)計
HNC-8 型數(shù)控系統(tǒng)為用戶配備了類似于高級語言的宏程序功能，用戶可以使用變量進行數(shù)學(xué)運算、邏輯運算和函數(shù)的混合運算。此外，它還提供了循環(huán)、分支和子程序調(diào)用語句，適合編制各種復(fù)雜的零件加工程序。
分析蝸輪滾削加工的徑向和切向 2 種滾削方法，參照蝸輪加工軟件開發(fā)時建立的宏變量表，部分變量如表 2 所示。完成了宏程序的編寫設(shè)計，宏程序流程如圖 9 所示。
表2：宏變量對應(yīng)表
圖9：宏程序運行流程
在蝸輪加工軟件人機界面上輸入?yún)?shù)并上傳至數(shù)控系統(tǒng)，調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)中宏程序，按循環(huán)啟動即可完成蝸輪的徑向或者切向加工。
3、加工驗證
加工驗證機床為型號 WG37125CNC 蝸輪母機床，如圖 10 所示。
圖10：蝸輪加工機床
加工刀具和工件等主要工藝參數(shù)如表 3 所示。
表3：蝸輪加工主要工藝參數(shù)
現(xiàn)場蝸輪滾削加工如圖 11 所示。
圖11：蝸輪加工驗證
蝸輪加工軟件配合加工宏程序成功完成蝸輪加工，且加工的蝸輪經(jīng)檢測達到國標(biāo) 3 級，驗證結(jié)果表明開發(fā)的蝸輪加工軟件是可行的。
4、結(jié)論
( 1) 在分析六軸四聯(lián)動機床運動結(jié)構(gòu)及蝸輪加工工藝的基礎(chǔ)上，建立了蝸輪滾削加工數(shù)學(xué)模型?；谌A中 HNC-848 型數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了蝸輪加工軟件，完成了蝸輪滾切加工宏程序的編制。
( 2) 加工的蝸輪精度達到國標(biāo) 3 級，驗證了該軟件用于蝸輪加工的可行性，為國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)提供了一套實用的方法。
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