开放式数控系统软硬件平台在数控滚齿机系统上的应用

2 数控滚齿机系统软硬件介绍

　　数控滚齿机系统基于嵌入式平台开发，选用嵌入式ARM9控制器（上位机）和32位ARM7作为核心的运动控制板（下位机）构成双CPU结构，显示单元和运动控制单元呈分体结构，通过10/100M自适应高速实时以太网总线进行通信，既具有运动控制器高性能、高可靠性、低成本的优点、又具有基于PC的开放式控制器可扩展性好、易维护、易开发的优点。

　　系统软件采用上、下位机结构模式：上位机软件基于WinCE5.0操作系统平台，用C语言开发，负责人机界面，PLC和G代码解析等非实时性任务。下位机基于ARM7硬件平台，用C语言开发多轴联动实时控制软件，完成插补运算和位控等实时性任务，是典型的实时多任务系统。下位机负责运动控制，采用ARM7为核心CPU，多级中断控制结构，位置控制周期为1ms，因此位置采集精度高、系统性能好。

　　上、下位机之间采用标准的以太网总线连接，采用UDP通讯协议，100M全双工模式，可同时接收和发送数据帧，采用CRC校验。这种结构具有很好的灵活性，配置形式非常丰富。减少了电缆的连接，提高了数控系统的稳定性，同时可以实现多台机床的联网控制，构成由多台机床组成的柔性生产线。目前，国外数控系统大都采用专用高速总线直接和专用的伺服驱动器连接通信，控制系统和交流伺服、主轴驱动系统自行配套。如Fanuc采用HSSB高速串行总线，西门子的PROFIBUS DP总线，三菱重工的CCLink总线，安川电气的Mechatrolink总线。这些公司采用的都是专用封闭的总线，其余的厂商如博世（原INDRAMAT）和海登海因的数控系统采用SERCOS标准总线，也可配置PROFIBUS DP总线。较新的EtherCAT以太网现场总线，直接和伺服驱动器上的以太网接口进行通信。这些产品的性能好，但价格非常高，性价比不高。而该产品特点是数控系统通过以太网和运动控制器连接通信，伺服驱动器是通用产品，受运动控制器控制。因此具有开放性好、性价比高、竞争力强等诸多优点。数控滚齿机系统可控制五个伺服轴（X、Y、Z、A轴+主轴），支持5路编码器反馈通道，4轴联动，可以通过CAN总线扩展通用IO和AD/DA端口，如图2所示。

图2 数控滚齿机系统软硬件示意

3 数控滚齿机关键技术研究

　　3.1 滚齿机加工原理

　　滚齿加工是按照展成法的原理来加工齿轮的。用滚刀来加工齿轮相当于一对交错的螺旋轮啮合。对于滚齿机，一般采用四轴数控系统，四轴分别为：径向进给轴 (X轴)：实现工件轴的水平运动；轴向进给轴（Z轴）：实现滚刀加工齿轮沿工件轴向的垂直运动；工作台回转轴（C轴）：实现工件的旋转运动（分齿运动）；滚刀旋转轴（B轴）：实现滚刀的旋转运动（切削运动）。

　　渐开线展开轮廓是由展成法形成的，靠滚刀的

　　旋转运动和工件的旋转运动复合而成，即B、C两轴的联动得到齿轮的齿形；为了切出整个齿宽，滚刀在自身旋转的同时，必须沿工件轴线作进给运动，即Z轴轴向进给形成齿轮的齿宽；同时，X轴径向进给形成齿轮的齿高。

　　齿轮加工的关键技术在于实现滚刀和工件之间的展成分度运动关系，也就是要准确地满足两者之间的速比关系，即滚刀转过一转，工件转过L/T转，如式1所示，B、C两轴间必须满足以下运动关系：