滾齒機(jī)床是通過展成對齒輪進(jìn)行加工，主要通過6 根轉(zhuǎn)動(dòng)軸的相互配合形成加工軌跡，完成齒輪加工。隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代滾齒機(jī)床各轉(zhuǎn)動(dòng)軸均由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，采用所謂電子齒輪技術(shù)，這對數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)提出了新的要求。i5 數(shù)控系統(tǒng)是沈陽機(jī)床廠自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠進(jìn)行切削、銑削等加工，但該系統(tǒng)目前尚不支持滾齒加工控制，本文將進(jìn)行滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。Virtuos 軟件是 ISG 公司最新推出的硬件在環(huán)仿真軟件，國內(nèi)尚無學(xué)者對其進(jìn)行介紹和運(yùn)用。由于沈陽機(jī)床廠目前尚無滾齒機(jī)物理機(jī)床，為了節(jié)約企業(yè)開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，本文將利用 Virtuos 軟件運(yùn)用硬件在環(huán)仿真技術(shù)進(jìn)行滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。

1 基于虛擬樣機(jī)的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)流程

　　基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬制造( Virtual Manufacturing) 技術(shù)在統(tǒng)一模型之下對設(shè)計(jì)和制造等過程進(jìn)行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動(dòng)態(tài)的數(shù)字模型之上。現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅是運(yùn)動(dòng)、功能和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，還必須考慮所設(shè)計(jì)的機(jī)床動(dòng)態(tài)性能如何，甚至在機(jī)床沒有制造出來以前就能夠進(jìn)行虛擬加工，預(yù)測其動(dòng)態(tài)性能，這就要借助虛擬機(jī)床來進(jìn)行仿真。利用數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床和加工過程三者的協(xié)同仿真模型，可以預(yù)測機(jī)床在當(dāng)前加工條件下的工件表面質(zhì)量和加工過程的穩(wěn)定性。目前市面上的虛擬機(jī)床仿真解決方案需要在多個(gè)軟件中進(jìn)行處理，要花費(fèi)大量時(shí)間建立模型和處理轉(zhuǎn)換工作，建立起的虛擬機(jī)床也不能直接和真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合建立起 HIL 仿真環(huán)境。德國斯圖加特大學(xué)機(jī)床與控制技術(shù)研究所( ISW) 及其工業(yè)控制技術(shù)公司( ISG) 開發(fā)的 Virtuos 虛擬機(jī)床仿真軟件，是在一個(gè)平臺下建立包含機(jī)電耦合的虛擬機(jī)床，具備實(shí)時(shí)仿真性能，并能方便地和真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行連接。Virtuos 仿真系統(tǒng)硬件由仿真計(jì)算機(jī)和安裝在其上的總線從站組成，從站模擬伺服和 I/O，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)中的虛擬機(jī)床與真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)的交互。在該仿真系統(tǒng)當(dāng)中可以建立虛擬樣機(jī)的控制模型和可視化模型，并能進(jìn)行仿真操作，如圖 1 所示。

圖 1 Virtuos 軟件系統(tǒng)組成

　　基于虛擬樣機(jī)的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)流程如圖 2 所示。首先分析滾齒機(jī)控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，明確滾齒機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù); 其次根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)制定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并制定出規(guī)范的設(shè)計(jì)開發(fā)文檔供后期詳細(xì)開發(fā)使用。此步驟完成后，將進(jìn)行的開發(fā)工作包括兩方面: 軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。本文在 i5 數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，其功能模塊主要包括算法和數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面、位置控制、PLC 控制等，設(shè)計(jì)過程中需要考慮機(jī)床操作者的使用習(xí)慣及企業(yè)的其他相關(guān)要求。軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)完成后均需要對其進(jìn)行測試，若無問題則將二者合成在一起。系統(tǒng)合成之后可以利用三維設(shè)計(jì)軟件建立滾齒機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，使用硬件在環(huán)軟件 Virtuos 建立運(yùn)動(dòng)控制模型，并將這 2 個(gè)模型與滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)連接進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試，測試包括滾齒機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)特性分析和數(shù)控系統(tǒng)兼容性測試。經(jīng)硬件在環(huán)仿真分析無誤后，可對數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，若無問題則可投入使用。

圖 2 基于虛擬樣機(jī)的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)流程

2 滾齒機(jī)虛擬樣機(jī)及控制模型的建立

　　本文采用 SolidWorks 軟件對滾齒機(jī)核心部件進(jìn)行建模。為了提高仿真效率，建模過程中省略掉其他一些不必要的部件。滾齒機(jī)模型如圖 3 所示。該滾齒機(jī)床有 X，Y，Z，A，B，C 軸，其中 X，Y，Z 3 軸可實(shí)現(xiàn)平動(dòng)，A，B，C 3 軸可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖 3 滾齒機(jī)床三維模型圖

　　Virtuos 軟件本身提供了豐富的控制模型庫和機(jī)床三維模型庫，可直接用于構(gòu)建虛擬機(jī)床，當(dāng)然機(jī)床的三維模型也可通過其他 CAD 軟件建立然后導(dǎo)入，比如 MATLAB/Simulink 文件建立的虛擬機(jī)床模型。SolidWorks 和 Virtuos 都支持 vrml 格式文件，故將上述 SolidWorks 所創(chuàng)建的滾齒機(jī)三維模型保存為 vrml 格式文件，然后將文件導(dǎo)入到 VirtuosV( 該模塊可建立機(jī)器的三維可視化模型，也可從其他軟件中導(dǎo)入模型，可查看三維模型的運(yùn)動(dòng))中進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真。

　　在完成機(jī)構(gòu)仿真后進(jìn)行 VirtuosM( Virtuos 軟件中支持圖形人機(jī)界面的仿真核心模塊，用戶可在其中建立機(jī)器的控制模型并查看各參數(shù)圖表) 仿真工作。首先根據(jù)機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)情況定義各個(gè)運(yùn)動(dòng)傳遞環(huán)節(jié)傳動(dòng)鏈。根據(jù)圖3 中滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)所示，滾齒機(jī)中的 X軸帶動(dòng)Z軸，Z軸帶動(dòng)A軸，A軸帶動(dòng)Y軸，Y 軸帶動(dòng)B軸，通過五軸聯(lián)動(dòng)形成復(fù)合展成運(yùn)動(dòng)，C 軸以固定速率帶動(dòng)齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)齒輪的加工。根據(jù)以上運(yùn)動(dòng)，建立如圖4 所示的運(yùn)動(dòng)鏈圖。

圖 4 滾齒機(jī)床控制模型運(yùn)動(dòng)鏈圖

　　然后在 VirtuosM 中定義接口模塊，建立與總線接口之間的連接。本文選用的 i5 數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器的接口為 EtherCAT，Sercos 協(xié)議。因?yàn)?Vir-tuosV 中的滾齒機(jī)三維模型的 6 根軸將按照 Virtu-osM 中對各軸的輸入?yún)��?shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此圖 4 中的傳動(dòng)鏈信號輸入接口均與 VirtuosM 中各軸的輸入輸出信號接口相互對應(yīng)。以 Y 軸為例，其 Sercos 接口如圖 5 所示。通過 Sercos 總線接口，控制模型可以接收滾齒機(jī) CNC 發(fā)出的驅(qū)動(dòng)指令。

圖 5 滾齒機(jī)床 Y 軸 Sercos 接口示意圖

　　此外，需要將 VirtuosV 導(dǎo)入的運(yùn)動(dòng)型模型和VirtuosM 中的控制學(xué)模型進(jìn)行連接。VirtuosM 和VirtuosV 之間的連接是通過公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu) ( Common Object Request Broker Architecture，CORBA) 服務(wù)器( Server) 進(jìn)行，CORBA 是一種用于在不同程序設(shè)備間通訊的面向?qū)ο蟮闹薪�，�?shù)據(jù)通過 TCP/IP 傳輸。

3 滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)及硬件在環(huán)仿真分析

　　i5 數(shù)控系統(tǒng)平臺是基于 Linux 操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，使用 Visual C + + 作為開發(fā)工具，是基于總線技術(shù)高度開放的系統(tǒng)，允許用戶對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和修改，以實(shí)現(xiàn)對人機(jī)界面和 CNC 的客戶化和智能化定制。

　　本文基于 i5 數(shù)控系統(tǒng)建立了支持自動(dòng)編程功能的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。在 Linux 環(huán)境下采用C + +語言對系統(tǒng)中各功能界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中參考西門子 840D 和 FANAC 等數(shù)控系統(tǒng)的編程格式及人機(jī)界面，以簡潔實(shí)用為指導(dǎo)思想對滾齒機(jī)人機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

　　本系統(tǒng)人機(jī)界面包括用戶輸入、系統(tǒng)輸出、加工仿真、系統(tǒng)管理 4 大模塊。用戶輸入模塊可設(shè)置加工計(jì)劃、齒輪參數(shù)、滾刀參數(shù)、工件參數(shù)和工藝流程等信息。系統(tǒng)輸出主要包括機(jī)床信息、編程代碼及仿真結(jié)果、報(bào)警信息、系統(tǒng)日志等信息。加工仿真模塊可以在生成 CNC 程序代碼后進(jìn)行圖像化模擬仿真。系統(tǒng)管理模塊中包含了文件管理、工藝支持庫和運(yùn)算庫管理、生產(chǎn)管理和機(jī)床信息管理，在該模塊中可以添加、刪除、查看、轉(zhuǎn)發(fā)各種相關(guān)信息，系統(tǒng)還設(shè)置了密碼保護(hù)裝置，根據(jù)權(quán)限不同能執(zhí)行不同級別的指令。操作人員只需在系統(tǒng)中輸入齒輪的相關(guān)參數(shù)、工件參數(shù)、滾刀參數(shù)等信息，系統(tǒng)將會自動(dòng)根據(jù)用戶選擇的工藝路線( 工藝庫也提供工藝支持) 迅速生成工件的 CNC 加工代碼，代碼生成之后可在系統(tǒng)中查看其仿真加工軌跡。在 Virtuos 軟件中完成了三維模型及控制模型的建立與連接之后，將 i5 數(shù)控系統(tǒng)與 Virtuos 軟件建立連接并實(shí)施硬件在環(huán)仿真分析。本文采用德國 Beckhoff 公司生產(chǎn)的 PCI － FC9002 組件作為相互之間的連接橋梁，如圖 6 所示。

圖 6 i5 數(shù)控系統(tǒng)與 Virtuos 連接圖

　　以加工一個(gè)斜齒圓柱齒輪為例，齒輪法面模數(shù)為 16mm，齒數(shù)為 92，螺旋角 28°，齒寬為 240mm，材料為 20CrNi2MoA，驗(yàn)證本系統(tǒng)的自動(dòng)編程功能。在將待加工齒輪各相關(guān)參數(shù)輸入滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之后，系統(tǒng)將自動(dòng)生成加工齒輪的 G 代碼，如圖 7中所示。以下為系統(tǒng)生成的部分代碼:

圖 7 滾齒機(jī)自動(dòng)編程系統(tǒng)界面

　　PROC HOBBING( VAR REAL R60，VAR RE-
　　AL R61，VAR REAL R62) / / 定義單個(gè)零件加工子程序
　　R40 = 15 / / 滾刀安裝角
　　R21 = 45 / / 竄刀量
　　R22 = 640 / / 竄刀極限
　　G00 X 869，Y － 436，Z 1690
　　A 15
　　EGCNL( C)
　　EGDLT( C)
　　EGNEW( C，B，1，Y，1，Z，1)
　　EGSRT ( C，" PRECISE " ，B，2，92，Y，5．
　　4051，92，Z，3． 3623，92)
　　F 55

　　滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的 CNC 組件將數(shù)控指令傳送到 Virtuos 軟件中，VirtuosV 中的虛擬樣機(jī)模型根據(jù)收到的指令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，i5 數(shù)控系統(tǒng)控制面板上顯示齒輪的加工情況，如剩余加工齒輪的個(gè)數(shù)等情況。在 VirtuosM 中可以通過監(jiān)控界面查看滾齒機(jī)虛擬樣機(jī)中各軸的運(yùn)動(dòng)情況并能查看其硬件在環(huán)仿真的結(jié)果。由于滾齒機(jī)床構(gòu)造比較特殊，且滾刀是多刃刀具，加工時(shí)依靠各軸相互配合方可完成，需要對系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡及干涉的問題進(jìn)行驗(yàn)證。以滾齒機(jī)中的 Y 軸為例，該軸被施加一組階躍信號，其仿真結(jié)果如圖 8 所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，每一格為 0． 01s，縱坐標(biāo)為 Y 軸位移的大小。仿真結(jié)果顯示 Y 軸的位移曲線在 0． 03s 后達(dá)到理想狀態(tài)，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，且后期運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

圖 8 Y 軸硬件在環(huán)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

　　本文所開發(fā)的自動(dòng)編程系統(tǒng)經(jīng)仿真表明具有較好的穩(wěn)定性，能夠完成對滾齒機(jī)的正確控制，通過自動(dòng)編程系統(tǒng)生成的 G 代碼，能夠?qū)崿F(xiàn)齒輪的正確加工。今后將圍繞優(yōu)化仿真分析，對整機(jī)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行全面仿真，同時(shí)對滾齒機(jī)的模型進(jìn)行不斷完善，以得到更優(yōu)的控制參數(shù)。

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本文標(biāo)題：基于硬件在環(huán)的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)

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