基于硬件在环的滚齿机数控系统的开发

李先江，樊留群，赵建华

(1．同济大学中德学院，上海 200092)

(2．沈阳机床上海研究院，上海 200433)

传统的滚齿机控制系统开发流程是将开发的系统连接到滚齿机床进行测试，故系统开发周期较长且需要投入大量的资金，同时受到周围环境的影响，难以覆盖滚齿机的全部工况。虚拟制造技术首先在设计阶段利用计算机建立三维CAD模型，对设计方案进行评价和验证，利用虚拟模型能够在制造前对产品的外观、运动学和动力学特性进行仿真。硬件在环(HIL)仿真技术可以将实际控制系统与虚拟机床模型连接在一起，对虚拟机床进行全面仿真，特别是在机电耦合方面，可对数控系统和机床的耦合问题进行仿真验证［1-2］。目前硬件在环技术主要运用于汽车电子的开发，在机床控制系统方面的应用较少，本文首次将该技术运用到滚齿机数控系统开发中。

滚齿机床是通过展成对齿轮进行加工，主要通过6根转动轴的相互配合形成加工轨迹，完成齿轮加工。随着电机驱动技术的发展，现代滚齿机床各转动轴均由伺服电机直接驱动，采用所谓电子齿轮技术，这对数控系统的开发提出了新的要求。i5数控系统是沈阳机床厂自主开发的数控系统，能够进行切削、铣削等加工，但该系统目前尚不支持滚齿加工控制，本文将进行滚齿机数控系统的开发。Virtuos软件是ISG公司最新推出的硬件在环仿真软件，国内尚无学者对其进行介绍和运用。由于沈阳机床厂目前尚无滚齿机物理机床，为了节约企业开发成本，提高开发效率，本文将利用Virtuos软件运用硬件在环仿真技术进行滚齿机数控系统的开发。

1 基于虚拟样机的滚齿机数控系统开发流程

基于虚拟现实技术的虚拟制造(Virtual Manufacturing)技术在统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的数字模型之上［3］。现代机床设计已经不仅仅是运动、功能和强度的设计，还必须考虑所设计的机床动态性能如何，甚至在机床没有制造出来以前就能够进行虚拟加工，预测其动态性能，这就要借助虚拟机床来进行仿真。利用数控系统、机床和加工过程三者的协同仿真模型，可以预测机床在当前加工条件下的工件表面质量和加工过程的稳定性。目前市面上的虚拟机床仿真解决方案需要在多个软件中进行处理，要花费大量时间建立模型和处理转换工作，建立起的虚拟机床也不能直接和真实数控系统结合建立起HIL仿真环境。德国斯图加特大学机床与控制技术研究所(ISW)及其工业控制技术公司(ISG)开发的Virtuos虚拟机床仿真软件，是在一个平台下建立包含机电耦合的虚拟机床，具备实时仿真性能，并能方便地和真实数控系统进行连接。Virtuos仿真系统硬件由仿真计算机和安装在其上的总线从站组成，从站模拟伺服和I/O，实现仿真系统中的虚拟机床与真实数控系统的交互。在该仿真系统当中可以建立虚拟样机的控制模型和可视化模型，并能进行仿真操作，如图1所示。

图1 Virtuos软件系统组成

基于虚拟样机的滚齿机数控系统开发流程如图2所示。首先分析滚齿机控制系统所需实现的功能，明确滚齿机控制系统的任务;其次根据系统任务制定系统总体设计方案，并制定出规范的设计开发文档供后期详细开发使用。此步骤完成后，将进行的开发工作包括两方面:软件设计和硬件设计。本文在i5数控系统的基础上开发滚齿机数控系统，其功能模块主要包括算法和数据处理、人机界面、位置控制、PLC控制等，设计过程中需要考虑机床操作者的使用习惯及企业的其他相关要求［4］。软件设计和硬件设计完成后均需要对其进行测试，若无问题则将二者合成在一起。系统合成之后可以利用三维设计软件建立滚齿机的虚拟样机模型，使用硬件在环软件Virtuos建立运动控制模型，并将这2个模型与滚齿机数控系统连接进行硬件在环仿真测试，测试包括滚齿机运动学分析、动力学特性分析和数控系统兼容性测试。经硬件在环仿真分析无误后，可对数控系统进行联机调试，若无问题则可投入使用。

图2 基于虚拟样机的滚齿机数控系统开发流程

2 滚齿机虚拟样机及控制模型的建立

本文采用Solid Works软件对滚齿机核心部件进行建模。为了提高仿真效率，建模过程中省略掉其他一些不必要的部件。滚齿机模型如图3所示。该滚齿机床有 X，Y，Z，A，B，C 轴，其中 X，Y，Z 3 轴可实现平动，A，B，C 3轴可实现转动。

图3 滚齿机床三维模型图

Virtuos软件本身提供了丰富的控制模型库和机床三维模型库，可直接用于构建虚拟机床，当然机床的三维模型也可通过其他CAD软件建立然后导入，比如MATLAB/Simulink文件建立的虚拟机床模型。Solid Works和Virtuos都支持vrml格式文件，故将上述Solid Works所创建的滚齿机三维模型保存为vrml格式文件，然后将文件导入到VirtuosV(该模块可建立机器的三维可视化模型，也可从其他软件中导入模型，可查看三维模型的运动)中进行机构仿真［5］。

在完成机构仿真后进行VirtuosM(Virtuos软件中支持图形人机界面的仿真核心模块，用户可在其中建立机器的控制模型并查看各参数图表)仿真工作。首先根据机床各轴的运动情况定义各个运动传递环节传动链。根据图3中滚齿机结构所示，滚齿机中的X轴带动Z轴，Z轴带动A轴，A轴带动Y轴，Y轴带动B轴，通过五轴联动形成复合展成运动，C轴以固定速率带动齿轮进行转动，从而实现齿轮的加工。根据以上运动，建立如图4所示的运动链图。

图4 滚齿机床控制模型运动链图

然后在VirtuosM中定义接口模块，建立与总线接口之间的连接。本文选用的i5数控系统伺服驱动器的接口为EtherCAT，Sercos协议。因为VirtuosV中的滚齿机三维模型的6根轴将按照VirtuosM中对各轴的输入参数进行运动，因此图4中的传动链信号输入接口均与VirtuosM中各轴的输入输出信号接口相互对应。以Y轴为例，其Sercos接口如图5所示。通过Sercos总线接口，控制模型可以接收滚齿机CNC发出的驱动指令。

图5 滚齿机床Y轴Sercos接口示意图

此外，需要将VirtuosV导入的运动型模型和VirtuosM中的控制学模型进行连接。VirtuosM和VirtuosV之间的连接是通过公共对象请求代理体系结构 (Common Object Request Broker Architecture，CORBA)服务器(Server)进行［6］，CORBA 是一种用于在不同程序设备间通讯的面向对象的中介，数据通过TCP/IP传输。

3 滚齿机数控系统的开发及硬件在环仿真分析

i5数控系统平台是基于Linux操作系统的应用软件，使用Visual C++作为开发工具，是基于总线技术高度开放的系统，允许用户对系统进行扩展和修改，以实现对人机界面和CNC的客户化和智能化定制［7］。

本文基于i5数控系统建立了支持自动编程功能的滚齿机数控系统。在Linux环境下采用C++语言对系统中各功能界面进行设计。设计过程中参考西门子840D和FANAC等数控系统的编程格式及人机界面，以简洁实用为指导思想对滚齿机人机界面进行了设计。

本系统人机界面包括用户输入、系统输出、加工仿真、系统管理4大模块。用户输入模块可设置加工计划、齿轮参数、滚刀参数、工件参数和工艺流程等信息。系统输出主要包括机床信息、编程代码及仿真结果、报警信息、系统日志等信息。加工仿真模块可以在生成CNC程序代码后进行图像化模拟仿真。系统管理模块中包含了文件管理、工艺支持库和运算库管理、生产管理和机床信息管理，在该模块中可以添加、删除、查看、转发各种相关信息，系统还设置了密码保护装置，根据权限不同能执行不同级别的指令［8］。操作人员只需在系统中输入齿轮的相关参数、工件参数、滚刀参数等信息，系统将会自动根据用户选择的工艺路线(工艺库也提供工艺支持)迅速生成工件的CNC加工代码，代码生成之后可在系统中查看其仿真加工轨迹。

在Virtuos软件中完成了三维模型及控制模型的建立与连接之后，将i5数控系统与Virtuos软件建立连接并实施硬件在环仿真分析。本文采用德国Beckhoff公司生产的PCI-FC9002组件作为相互之间的连接桥梁，如图6所示。

图6 i5数控系统与Virtuos连接图

以加工一个斜齿圆柱齿轮为例，齿轮法面模数为16mm，齿数为 92，螺旋角 28°，齿宽为 240mm，材料为20CrNi2MoA，验证本系统的自动编程功能。在将待加工齿轮各相关参数输入滚齿机数控系统之后，系统将自动生成加工齿轮的G代码，如图7中所示。以下为系统生成的部分代码:

图7 滚齿机自动编程系统界面

PROC HOBBING(VAR REAL R60，VAR REAL R61，VAR REAL R62)//定义单个零件加工子程序

R40=15 //滚刀安装角

R21=45 //窜刀量

R22=640 //窜刀极限

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

滚齿机数控系统的CNC组件将数控指令传送到Virtuos软件中，VirtuosV中的虚拟样机模型根据收到的指令进行相应的运动，i5数控系统控制面板上显示齿轮的加工情况，如剩余加工齿轮的个数等情况。在VirtuosM中可以通过监控界面查看滚齿机虚拟样机中各轴的运动情况并能查看其硬件在环仿真的结果。由于滚齿机床构造比较特殊，且滚刀是多刃刀具，加工时依靠各轴相互配合方可完成，需要对系统的运动轨迹及干涉的问题进行验证［9］。以滚齿机中的Y轴为例，该轴被施加一组阶跃信号，其仿真结果如图8所示，图中横坐标为时间轴，每一格为0．01s，纵坐标为Y轴位移的大小。仿真结果显示Y轴的位移曲线在0．03s后达到理想状态，具有较好的动态响应特性，且后期运动平稳，具有很强的稳定性。

图8 Y轴硬件在环运动仿真结果

4 结束语

本文所开发的自动编程系统经仿真表明具有较好的稳定性，能够完成对滚齿机的正确控制，通过自动编程系统生成的G代码，能够实现齿轮的正确加工。今后将围绕优化仿真分析，对整机动态特性进行全面仿真，同时对滚齿机的模型进行不断完善，以得到更优的控制参数。

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