齒輪加工數控系統監控技術的研究
2019-2-13 來源： 河南工學院機械工程系 作者：刁修慧，陳韻
摘要: 在齒輪加工的過程中，為了便于操作者實時了解機床運行狀況，對齒輪加工的監控系統進行了研究。分析齒輪加工數控系統監控模塊的總體框架，將監控系統劃分為以下 3 個模塊: 在齒輪加工圖形監控模塊中，從軌跡仿真和跟隨誤差監控方面進行分析和實現; 在報警信息監控模塊中，對報警信息監控設計、實現和自診斷進行分析和實現; 在機床狀態監控模塊中，詳細分析了其實現流程。
關鍵詞: 齒輪加工; 數控系統; 監控技術
齒輪是機械領域常用的重要傳動零件，在工業領域起著至關重要的作用。在齒輪加工的過程中，為了便于操作者實時了解機床運行信息和正確使用機床，進而加工出滿足使用要求的齒輪，文中對齒輪加工的監控系統進行了研究。在此研究中，將齒輪數控加工監控系統分為加工圖形監控模塊、報警信息監控模塊和機床狀態監控模塊。
1 、齒輪加工數控監控系統的總體設計
機床狀態的監控是通過檢測、測量和監視以及系統歷史信息，對機床的運行狀態進行測評，進而判斷它是否正常運行，若有異常，監控系統做警報處理，另外，測評數據也可作為故障分析診斷的部分依據。為了對機床工作狀態中的數據進行采集，這里采用了不同形式和不同精度的傳感器，來測量加工中的相關數據，并對這些數據進行處理，然后傳至數控系統。此監控系統是基于 AＲM、DSP 和 FPGA 實現的，如圖1 所示。
DSP 負責實時監控任務，AＲM 負責管理和顯示，FPGA 負責對機床 I/O 信息進行采集。在此系統中，FPGA 采集開關量信號，并將其傳至 DSP 進行處理，然后將信息發給 AＲM 顯示。而溫度和壓力等模擬信號則由 AＲM 從傳感器緩存中直接讀取，并在AＲM 中計算，判斷它們是否超出標準范圍，若超出標準范圍，就要通知 DSP 完成報警動作并顯示，若未超出，則在 AＲM
上顯示其正常狀態。
2 、齒輪加工圖形監控模塊
為了便于實時觀察刀具的運動軌跡，設計了加工圖形仿真這一模塊，可以直觀方便地觀察刀具是否有少切、過切或者撞刀現象。在開發圖形界面時，選用Open GL 圖形開發工具，它功能強大且調用方便，和C 語言密切關聯，具有很好的移植性和圖形渲染力。
另外，此系統是嵌入式系統，因此選擇了 Open GL ES來開發。為了能夠順利使用 Open GL ES
進行圖形開發，需要對一系列庫文件進行正確的路徑設置和配置工作，還需要在 VS2005 的編譯環境中進行一系列設置。完成上述設置便可以 進入 程 序 開 發，首 先 對Open GL ES 進行初始化操作。
2. 1 軌跡仿真設計
加工軌跡仿真是指在坐標系中繪制出刀具的運行軌跡。此系統采用機床坐標來繪制刀具軌跡，當機床空運行時，采用程序坐標值來繪制。
2. 1. 1 建立坐標系
若將 DSP 中的程序坐標和機床坐標數據直接用于加工圖形的繪制，則會出現坐標值過大，超出屏幕范圍。因此，可考慮將程序坐標和機床坐標數值映射為紋理坐標，也就是說，要建立坐標系。文中以數控插齒為例。如圖 2 所示，把工作臺的中心設置成圖形坐標系的原點，根據屏幕上圖形顯示范圍來恰當確定機床零點位置，并計算其紋理坐標值。
計算方法如下: 首先開啟機床并回零，測量工作臺中心和零點的距離，利用線性插值法把刀具的軌跡坐標值轉換成紋理坐標值，如公式 ( 1) 所示：
式中: XM是紋理坐標值; XW是機床零點位置對應的紋理坐標值; X 是刀具軌跡坐標值; L0是工作臺中心和機床零點的距離。
2. 1. 2 加工軌跡監控仿真
為了保證能夠實時地讀取機床坐標和程序坐標數據，要設置一個定時器，將機床坐標或程序坐標值賦給坐標顯示控件的變量，并把相應代碼放在定時器的函數中，這樣在執行程序的過程中，會不斷刷新圖形界面的絕對坐標和相對坐標，在預定窗口上繪制出加工軌跡圖。
2. 2 跟隨誤差監測實現
由于數控加工精度要求較高，因此，操作者需要實時了解加工誤差的變化情況，并以此來適當調整控制參數以達到減小加工誤差的目的。
在此系統中，建立了示波器模型來顯示每個軸的隨機誤差，然后每隔0. 01 s 從 DSP 中讀取其誤差值，并將其轉化為紋理坐標值，并設置一個數組用以存儲一個周期的誤差值;在下一個周期，將其賦給上一周期，不斷循環。用戶可以通過操作面板來調取并顯示軸的跟隨誤差曲線，以判斷誤差情況。
3 、報警信息監控模塊
3. 1 報警信息監控設計
在加工過程中，通常需要對機床進行監控，當出現異常情況時發出警報聲音和屏幕顯示。同時，為了對報警信息進行診斷，還需將報警信息存儲下來。在此監控系統中，主要對機床、PLC 和預處理指令 3 個方面進行監控和報警分析，具體內容如圖 3 所示。
3. 2 報警信息監控實現
3. 2. 1 底層
首先，如圖 3 所示，將報警內容分為三大類; 然后，為了標志特定的報警內容需要在 DSP 中分配固定地址，地址中的每一位分別標志一個報警內容，當出現報警后，對應位置為 1，另外，需用一變量來保存當前報警號，并將此變量存儲在 DSP 特定的地址中。
液壓是否正常和掃描電機是否過載等非緊急報警代碼，在背景程序中進行編寫; 而掃描急停、急退和限位報警燈緊急報警代碼，在插補程序中進行編寫，還要上傳緊急報警號。除此之外，若是急停報警，則需將所有伺服關閉; 若是限位報警，則對應軸的伺服需要關閉，防止意外的發生。
3. 2. 2 上層
為了實時讀取 DSP 中的報警號，可在主界面的源文件中設置一個定時器。若出現報警號，主界面的特定位置會顯示并報警。但是，當界面上有報警時，屏幕上顯示報警號，若是用戶想查看詳細的報警內容、時間等更多信息，需將界面切換到信息界面來。
3. 3 自診斷
在此設計中，采用故障樹分析法對報警信息進行診斷。其過程 ( 見圖 4) 是: 將出現的報警信息作為頂事件，即分析目標; 然后，逐層分析、查找其中間事件和間接事件，即直接原因和間接原因; 最后，用恰當的邏輯連接詞將頂事件、中間事件和間接事件聯系起來，進而構成故障樹。
當出現報警信息時，用戶將界面切換到 “信息”界面，點擊 “當前報警”會顯示出機床所有故障信息，而且以 TXT 文件格式存儲詳細的報警信息，比如報警號、原因、內容、時間等。
4 、機床狀態監控模塊
在此設計中，底層控制程序負責響應機場操作面板，上層負責顯示。具體實現流程如圖 5 所示。
當按下機床面板上的相應鍵時，向控制系統發送X 信號，底層控制程序將接收到的 X 信號變為
G 信號，然后將相應的變量設置為 1。并在固定地址中相應位設置為 1，表示狀態有效，然后由
AＲM 讀取此變量并對其進行運算分析，根據分析情況確定顯示控件是否標亮，標亮表示狀態有效。
5 、結論
首先分析了齒輪加工數控系統監控模塊的總體框架，接下來對系統進行了模塊劃分、研究和實現
。在齒輪加工圖形監控模塊中，從軌跡仿真和跟隨誤差監控方面進行研究和實現; 在報警信息監控模塊中，對報警信息監控設計、實現和自診斷進行了研究和實現; 在機床狀態 監控模 塊中，詳 細 分 析 了 其 實 現流程。
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