基于硬件在环的滚齿机数控系统的开发

　　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。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。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