CN110968042B - 一种基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，包括以下步骤：设定机床参数、齿轮参数、刀具参数、加工参数；根据输入基本参数计算剩余参数；根据输入与计算所得参数对加工齿形进行数值仿真；将基本参数输入，自动生成加工代码，运行加工程序实现倒角加工。本发明可实现直接驱动机床加工，免去转成G代码和NC程序的步骤。可以有效提高齿轮倒角加工的效率并保证加工质量。

Description

一种基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法

技术领域

本发明属于自动化倒角加工技术领域，具体涉及一种基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法。

背景技术

齿轮倒角广泛应用于汽车、摩托车、农机等行业的变速箱换挡齿轮，由于国内齿轮倒角数控加工的研究开发较少，数控齿轮倒角机加工的调整参数较为复杂，因此严重影响齿轮倒角加工的效率。目前，市场上对数控系统不仅要在成本上有优势，更要在功能多样性上有需求。开放式数控系统是一个可以在各种平台上运行，与其他控制单元交换信息并为用户提供统一操作风格的系统。系统的每个部分都是一个独立的功能模块，可以被其他功能类似的模块替换。根据特殊应用，用户可以选择不同的功能模块来形成，改变或扩展系统的功能以满足应用需求。因此，开放式CNC具有互操作性，可配置和互补的特点。

对于齿轮倒角加工，其加工程序复杂，若采用手工编程耗时长，易出错，对操作人员技能要求高的问题。而借助CAD/CAM技术，在编程时需另外配备计算机及相关软件，对于加工对象单一的专用数控设备而言，成本增高，编程操作复杂，不能实现高效率、高质量、低成本的最优化目标。自动编程可以降低编程难度，可以大幅提高编程效率且代码准确率高。在数控系统中，开放式结构面向软件配置，可由用户定义接口和软件平台，不断将功能集成到控制系统中。开放式系统允许用户构造或集成自己的模块到人机控制接口(HMI)中。传统的数控齿轮倒角加工过程中，进给运动具有高速间歇性，合理的加减速能够减少冲击、失步、超程、振动等不良的现象出现。

发明内容

为解决现有技术存在的齿轮加工编程耗时长、易出错、质量难以保证、以及操作难的缺陷，本发明提供一种基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，该方法结合齿轮倒角加工要具有实时性、运算量少、足够的柔性等特点，选择了固高运动控制卡。基于开放式数控系统平台的数控齿轮倒角自动编程技术，操作者通过输入齿轮参数、刀具参数、工艺参数等，通过调用固高运动控制卡的动态链接库，整合处理相关的参数，结合相应的插补算法，生成高速脉冲指令，驱动机床完成倒角加工。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，包括以下步骤：步骤(1)设置参数：

设置参数模块中，包括机床参数设置、齿轮参数设置、刀具参数设置和加工参数设置，参数设定选择为加工记录，或添加新的参数记录；

步骤(2)数值仿真：

根据输入的参数，进行数值仿真，绘制出加工齿形；

步骤(3)带入NURBS曲线插补算法：

步骤(4)生成加工程序：

由机床参数确定各轴偏置参数，由输入齿轮基本参数确定其余齿轮参数，由齿轮参数和刀具参数带入加工模型计算出的走到轨迹的四个关键点，由加工参数和刀具齿坯运动数学模型确定刀具、工件转速、粗精切进给量与走刀数目；

由操作人员检查在显示屏上检查生成的数控程序，选择修改或保存入系统进行加工。

所述步骤(3)带入NURBS曲线插补算法具体包括如下步骤：

插补过程中带入了自己设计的非均匀有理B样条曲线插补算法，考虑到运动卡的内存问题，将曲线分段分块插补；参数计算过程中直接约束误差得到参数的增量，在将插补步长转成参数增量过程中采用四阶龙格-库塔的算法去计算结果。利用反差法代替求导过程，大大减少了计算量，完成将轨迹空间中的进给步长Δl转化为一维空间的增量Δ(u_i)，参数增量可由下式推导出：

在进行插补轨迹路线计算时，首先用矩阵的形式将NURBS曲线表示出来，然后将得到的增量带入到矩阵中进行计算；对于任意一个NURBS曲线块，可由矩阵表示为：

其中：

则上式(2)可重写为：

上式(3)中所有的系数都可以由给出的权重因子、控制点和节点矢量确定出来；因此它可以在插补前计算出所有的系数，节省计算时间，更高效的完成插补轨迹的计算；

在进行速度处理时基于弦高误差和机床的加速度去约束进给过程中的刀具进给速度，得到一个最合理的进给速度；在每一个插补周期内，弦高误差均可表示为：

由于Δl_i＝v_iT(T为插补周期)，则上式为：

可以得到基于弦高误差的速度处理方法：

在曲线插补过程中，加速度过大会降低机床相应零部件的使用寿命，因此进给速度的处理也要考虑到加速度；由相关物理学知识可得：

结合等式(5)，可得：

假设机床设定的最大安全进给加速度为a_max，则

因此在实际生产生产中，弦高误差既要满足等式(4)又要满足于式(9)；因此根据式(9)和机床最大弦高误差δ_max选定一个最大允许的弦高误差值δ_max,i，则进给速度V_i为

/>

所述机床参数包括机床型号、机床各轴偏置参数；

齿轮参数包括齿轮名称、齿轮类型、螺旋角类型、模数、齿数、压力角、变位系数、顶高系数、顶隙系数、螺旋角、允许误差、齿顶圆半径、齿根圆半径、齿轮宽度。

所述刀具参数包括刀具名称、距离长度、外径(D)、圆弧半径(R)、顶部直径(d1)、角度、线速度、刀具刃数、每齿进给量。

所述加工参数包括法向刀具偏移、轴向切入深度、轴向实际切入深度、上端面试倒、下端面试倒、上下端面试倒。

所述倒角参数包括倒角起始齿槽编号、倒角齿槽数、下端面齿廓单独调整量。

本发明具有以下优点与益处：

(1)输入基本机床参数，齿轮参数，刀具参数与加工参数，自动生成倒角加工程序，实现参数化编制倒角加工程序，缩短了倒家加工编程时间，降低了其工作难度；

(2)省去了生成G代码和NC代码的流程，生成的加工程序可以直接驱动机床进行加工运动。

附图说明

图1为NURBS曲线算法插补流程图。

图2为本发明生成数控程序流程图。

图3为数控倒角自动编程系统功能模块图。

图4为开发软件的主界面截图

图5为数据库管理界面的截图

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

如图1至图5，本发明基于固高运动控制卡嵌入工控机搭建的开放式数控平台，具备用户管理、数据库管理、机床管理、刀具管理、工件管理、参数设定、任务单管理、数值仿真、程序测试功能，通过基于本发明编写的程序控制自动生成倒角加工程序。

一种基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，包括以下步骤：

步骤(1)设置参数：

设置参数模块中，包括机床参数设置、齿轮参数设置、刀具参数设置和加工参数设置，参数设定选择为加工记录，或添加新的参数记录；

步骤(2)数值仿真：

根据输入的参数，进行数值仿真，绘制出加工齿形；

步骤(3)带入NURBS曲线插补算法：

步骤(4)生成加工程序：

由机床参数确定各轴偏置参数，由输入齿轮基本参数确定其余齿轮参数，由齿轮参数和刀具参数带入加工模型计算出的走到轨迹的四个关键点，由加工参数和刀具齿坯运动数学模型确定刀具、工件转速、粗精切进给量与走刀数目；

由操作人员检查在显示屏上检查生成的数控程序，选择修改或保存入系统进行加工。

所述步骤(3)带入NURBS曲线插补算法具体包括如下步骤：

插补过程中带入了自己设计的非均匀有理B样条曲线插补算法，考虑到运动卡的内存问题，将曲线分段分块插补；参数计算过程中直接约束误差得到参数的增量，在将插补步长转成参数增量过程中采用四阶龙格-库塔的算法去计算结果。利用反差法代替求导过程，大大减少了计算量，完成将轨迹空间中的进给步长Δl转化为一维空间的增量Δ(u_i)，参数增量可由下式推导出：

在进行插补轨迹路线计算时，首先用矩阵的形式将NURBS曲线表示出来，然后将得到的增量带入到矩阵中进行计算；对于任意一个NURBS曲线块，可由矩阵表示为：

其中：

则上式(2)可重写为：

上式(3)中所有的系数都可以由给出的权重因子、控制点和节点矢量确定出来；因此它可以在插补前计算出所有的系数，节省计算时间，更高效的完成插补轨迹的计算；

在进行速度处理时基于弦高误差和机床的加速度去约束进给过程中的刀具进给速度，得到一个最合理的进给速度；在每一个插补周期内，弦高误差均可表示为：

由于Δl_i＝v_iT(T为插补周期)，则上式为：

可以得到基于弦高误差的速度处理方法：

在曲线插补过程中，加速度过大会降低机床相应零部件的使用寿命，因此进给速度的处理也要考虑到加速度；由相关物理学知识可得：

结合等式(5)，可得：

假设机床设定的最大安全进给加速度为a_max，则

因此在实际生产生产中，弦高误差既要满足等式(4)又要满足于式(9)；因此根据式(9)和机床最大弦高误差δ_max选定一个最大允许的弦高误差值δ_max,i，则进给速度V_i为

所述机床参数包括机床型号、机床各轴偏置参数；

齿轮参数包括齿轮名称、齿轮类型、螺旋角类型、模数、齿数、压力角、变位系数、顶高系数、顶隙系数、螺旋角、允许误差、齿顶圆半径、齿根圆半径、齿轮宽度。

所述刀具参数包括刀具名称、距离长度、外径(D)、圆弧半径(R)、顶部直径(d1)、角度、线速度、刀具刃数、每齿进给量。

所述加工参数包括法向刀具偏移、轴向切入深度、轴向实际切入深度、上端面试倒、下端面试倒、上下端面试倒。

所述倒角参数包括倒角起始齿槽编号、倒角齿槽数、下端面齿廓单独调整量。

本发明提供一种基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，该方法包括以下步骤：

(1)进入软件

本发明利用固高三维平台，通过Qt对加工软件的界面设计和C++对控件后台进行程序的编写，软件入口位于标准操作面板登录键；

(2)设置基本参数

从软件主界面第二个软键“数据库管理”，进入参数设置界面；从当前界面的“机床管理”软键进入到机床管理界面，在机床管理界面中可以设置机床的相关参数；返回到主界面，从界面的“刀具管理”软键可以进入到刀具管理界面，在刀具管理界面中可以设置刀具的相关参数；返回到主界面，从界面的“工件管理”软键可以进入到工件管理界面，在工件管理中可以设置工件齿轮的相关参数。

1)设置机床参数，包括设置X、Y、Z、A、C轴的偏置；

2)设置齿轮名称、齿轮类型、螺旋角类型、模数、齿数、压力角、变位系数、顶高系数、顶隙系数、螺旋角、允许误差、齿顶圆半径、齿根圆半径、齿轮宽度；

3)设置刀具名称、距离长度、外径(D)、圆弧半径(R)、顶部直径(d1)、角度、线速度、刀具刃数、每齿进给量

4)设置加工参数包括法向刀具偏移、轴向切入深度、轴向实际切入深度、上端面试倒、下端面试倒、上下端面试倒；

5)设置倒角参数包括倒角起始齿槽编号、倒角齿槽数、下端面齿廓单独调整量。

(2)数值仿真

根据输入的参数，进行数值仿真，绘制出加工齿形；

(3)将基本参数代入到NURBS曲线插补算法中，计算出关键点。

(4)生成数控加工程序

在任务单界面中进行加工的设定，机床的选择、刀具的选择、工件齿轮的选择和加工工艺参数的设置等，最后结合运动卡提供的DLL文件，生成加工参数。由操作人员检查在显示屏上检查生成的加工程序，选择修改或保存入系统进行加工。以上步骤流程图如附图2所示。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)设置参数：

设置参数模块中，包括机床参数设置、齿轮参数设置、刀具参数设置和加工参数设置，参数设定选择为加工记录，或添加新的参数记录；

步骤(2)数值仿真：

根据输入的参数，进行数值仿真，绘制出加工齿形；

步骤(3)带入NURBS曲线插补算法：

步骤(4)生成加工程序：

由机床参数确定各轴偏置参数，由输入齿轮基本参数确定其余齿轮参数，由齿轮参数和刀具参数带入加工模型计算出的走到轨迹的四个关键点，由加工参数和刀具齿坯运动数学模型确定刀具、工件转速、粗精切进给量与走刀数目；

由操作人员检查在显示屏上检查生成的数控程序，选择修改或保存入系统进行加工；所述步骤(3)带入NURBS曲线插补算法具体包括如下步骤：

插补过程中带入了自己设计的非均匀有理B样条曲线插补算法，考虑到运动卡的内存问题，将曲线分段分块插补；参数计算过程中直接约束误差得到参数的增量，再将插补步长转成参数增量过程中采用四阶龙格-库塔的算法去计算结果；利用反差法代替求导过程，大大减少了计算量，完成将轨迹空间中的进给步长Δl转化为一维空间的增量Δ(u_i)，参数增量可由下式推导出：

在进行插补轨迹路线计算时，首先用矩阵的形式将NURBS曲线表示出来，然后将得到的增量带入到矩阵中进行计算；对于任意一个NURBS曲线块，可由矩阵表示为：

其中：

/>

则上式(2)可重写为：

上式(3)中所有的系数都可以由给出的权重因子、控制点和节点矢量确定出来；因此它可以在插补前计算出所有的系数，节省计算时间，更高效的完成插补轨迹的计算；

在进行速度处理时基于弦高误差和机床的加速度去约束进给过程中的刀具进给速度，得到一个最合理的进给速度；在每一个插补周期内，弦高误差均可表示为：

由于Δl_i＝v_iT(T为插补周期)，则上式为：

可以得到基于弦高误差的速度处理方法：

在曲线插补过程中，加速度过大会降低机床相应零部件的使用寿命，因此进给速度的处理也要考虑到加速度；由相关物理学知识可得：

结合等式(5)，可得：

假设机床设定的最大安全进给加速度为a_max，则

因此在实际生产生产中，弦高误差既要满足等式(4)又要满足于式(9)；因此根据式(9)和机床最大弦高误差δ_max选定一个最大允许的弦高误差值δ_max,i，则进给速度V_i为

2.根据权利要求1所述的基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，其特征在于所述机床参数包括机床型号、机床各轴偏置参数；

齿轮参数包括齿轮名称、齿轮类型、螺旋角类型、模数、齿数、压力角、变位系数、顶高系数、顶隙系数、螺旋角、允许误差、齿顶圆半径、齿根圆半径、齿轮宽度。

3.根据权利要求1所述的基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，其特征在于所述刀具参数包括刀具名称、距离长度、外径(D)、圆弧半径(R)、顶部直径(d1)、角度、线速度、刀具刃数、每齿进给量。

4.根据权利要求1所述的基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，其特征在于所述加工参数包括法向刀具偏移、轴向切入深度、轴向实际切入深度、上端面试倒、下端面试倒、上下端面试倒。

5.根据权利要求1所述的基于运动卡的数控倒角参数化编程加工方法，其特征在于所述倒角参数包括倒角起始齿槽编号、倒角齿槽数、下端面齿廓单独调整量。

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