非圆齿轮的滚齿加工数控技术研究

4 数控系统构建的关键技术

　　4.1 参数化数据库的设计

　　数控系统的应用软件中引人参数定制的思想，把根据经验、资料、计算以及实际测试所得到的数据保存在系统数据库，对优化过程中涉及的参数和约束条件进行事先定制，从而最大限度地减少参数输入。系统内置有滚齿切削参数数据库，其包含滚齿机、滚刀、工件3个子库。各子库内包含各种不同型号的滚齿机、滚刀、工件的可以预先定制的信息。如机床库中包含主轴转速范围、机床功率和效率、换刀时间、每次换刀成本、工时费用以及表面粗糙度限制等。滚刀库包含滚刀材料、内外径、头数、耐用度范围及滚刀前、后角等。工件库包含工件模数、工件材料等。从而实现滚齿机、滚刀、工件的系列化和标准化。

　　用户可以使用系统进行切削参数优化。在进行切削参数优化之前，首先根据自身需求在数据库中选择已预先定制好的滚齿机、滚刀、工件的相关参数，并输人优化所需的其他相关参数信息。然后在切削参数数据库提供的相关信息的基础上，通过调用参数计算模块得到参数优化过程中所需的一些参数值。由于该计算模块内部使用了一些经验公式以及部分从资料或实际侧试中得到的数据，考虑到这些公式和数据的局限性，其所得的参数值难免出现与实际情况不符的现象。所以系统仅将这些值作为参考值，用户可以根据实际情况酌情修改。待用户确认了各个参数值后，系统将各参数载入优化程序，并开始对滚齿切削参数进行优化处理。

　　4.2 误差补偿系统

　　诊断产生齿轮加工误差的目的是为了减小或消除齿轮加工误差，是滚齿机加工的重中之重，一般是从提高齿轮加工的原始精度和加工时采用补偿措施来提高齿轮加工的精度。

　　图4所示为数控系统的误差补偿模块，主要由嵌人式控制系统、步进电机、减速器、光电编码器等组成。系统采用测得的齿距累积误差作为补偿控制信号，经数据处理后所建立的数学模型在微机中产生相应的补偿信号，该信号与光电编码器信号、工作台零位信号在同一时刻进人嵌入式微处理系统，又经数据处理之后，通过步进电机驱动系统、步进电机、减速器再进人机床差动链、分齿链到工作台，产生补偿运动。补偿控制中，光电编码器的角位移脉冲信号经接口电路送人嵌人式系统，作为启动A/D转换的信号。在软件方面，采用逐点补偿的方法，即将测得的左右齿廓齿距累积误差换算为角度误差信号，经一系列处理后，在嵌人式系统中建立误差修正表。补偿时，每到一个补偿点，根据该点误差修正量，由控制器发出相应的修正脉冲，驱动步进电机使工作台带动工件产生附加转动，以实现对应点的补偿修正。

图4数控系统的误燕补偿模块

　　4.3 实时方案的选择

　　在数控系统的底层，采用嵌人式Linux的操作系统取代传统的单片机终端，这使得原来纷繁复杂的硬件实时电路设计转化成为对嵌人式Linux操作系统实时性能的处理。

　　根据实时性能的支持程度不同，流行的嵌人式Linux实时解决方案可以分为以下两类:

　　(1)致力于硬实时支持的方案，例如RTLinux和RTAI。它们在Linux内核之外单独实现一个精简的实时内核，两个内核同时存在，依靠优先级的不同完成不同的任务。这类方案的优点是层次清晰，对基本的实时性能支持明确，且可预测。另外在调度机制方面已经实现了基本的优先级调度。

　　(2)致力于软实时的支持方案，例如RED Linux , KURT和Hard Hat Linux，这几种方法的实现思路迥异，但都是通过直接修改Linux内核源代码，替换与时间或调度相关的代码段。这样的方式虽然也能够实现一定程度的实时工作，但却不适合具有高实时性要求的控制系统。

　　为了给嵌人式控制器选择一个合适的实时性实现方式，通过对上面几种‘nux实时化方案进行分析，最后选择RTAI作为嵌人式控制系统的实时化平台。依据如下:

　　(1) RTAI的双内核结构既可以满足实时应用对时间约束的要求，又可以利用Linnx原有内核的丰富软件资源;

　　(2) RTAI能够实现内核的可抢占性，实时中断机制，以及动态优先级调度等基本实时机制，能够满足嵌人式控制系统的实时性需求;

　　(3)相对于RTLinux,  RTAI的功能更明确，易于跟踪Linux版本的升级，可基于嵌人式Linux的开放式控制平台应用更新的Linux稳定版本;

　　(4)完全开放源码，方便针对嵌人式控制应用的内核调度机制进行改造。

　　主要实时功能模块配置方式如下:

　　工作台位置控制motor)决定机床精度和运行安全，它从插补缓冲区interpolate_fifo)计算出下一周期的实际坐标增量，输出到伺服单元驱动步进电机工作。因此将其设计成周期性RTAI线程，运行周期为4ms, 1级优先权。

　　功能控制任务control)是利用fifo从用户层向内核层传递控制命令、如点动、暂停、自动等，并实现对I/O口的控制。此任务采用实时中断策略，在接受到控制命令后，内核暂时中断位置控制任务。

　　滚刀插补任务interpolate ( )要从插补准备缓冲区prepare_fifo中取出数据，然后进行插补运算，将结果送人到interpolate_fifo( )。此任务也设计成周期性RTAI线程2级优先权，运行周期和位置控制任务频率设置成相同。

　　状态检测任务monitor)将传输到v0口的各个速度传感器、压力传感器状态保存在status_ fifo()中，同时负责对运行时电压、电流等值的状态进行判断。因为要对机床状态进行实时监控，因此设置此任务运行周期为10ms，优先级为3级。

5 系统仿真

　　系统具有参数化仿真滚齿加工过程的功能。首先输人有关齿轮的毛坯图和刀具图参数，用它们分别模拟范成对象和范成工具。然后根据CAD软件优化得到的非圆齿轮设计参数，绘制出其毛坯图。待加工齿轮的参数，也是所需刀具的参数，据此绘制刀具图。使两者按确定的啮合规律相对运动，刀具的齿形就会逐步包络出齿轮的齿形。也可通过直接输入非圆齿轮的特征参数进行仿真。

6 结论

　　该非圆齿轮滚齿加工数控系统具有模块化、参数化的特点，集成程度高，实时性和精度都能满足设计要求。其电机控制模块、误差补偿模块、实时模块都可以略加改造适用于其他的齿轮加工数控系统，同时其基于嵌人式Linux的软件设计具有完全自主的知识产权，克服了原来的单片机和DOS下数控系统的弱点，而且具有开放性、可扩展性和稳定性的特点，同时可以利用Linux的网络特性，实现数控系统的远程控制、资源共享等等。