一种用于齿轮毛坯与工件一体加工的控制方法与流程

本发明涉及到齿轮数控加工控制领域，具体地说是一种用于齿轮毛坯与工件一体加工的控制方法。

背景技术：

随着工业生产水平的不断提高，人们对齿轮加工的精度及生产效率也有了更高的要求。在传统的齿轮加工方法中，以广泛应用的滚齿加工为例，其加工步骤一般是先由铣床或车床加工齿轮毛坯件，再由滚齿机将毛坯件加工成齿轮工件。在加工过程中就存在着对毛坯件的拆卸和重新装夹，不仅降低了生产效率，重复定位精度与同轴度也都难以保证，影响了最后加工出的齿轮工件的精度，增大了齿面跳动。

针对目前情况，已经有了一些解决方法，较为成熟的观点主要体现在对装夹机械结构与装夹方式的创新，以及对新的误差补偿算法的不断探究。这些方法起到了一定的作用，但实际加工效果一般，工件精度的提升程度并不十分明显，生产效率也没有明显进步，依然有很大的提升空间。

技术实现要素：

针对目前齿轮加工的发展现状及现有方法中所存在的弊端，本发明提出了一种用于齿轮毛坯与工件一体加工的控制方法，通过对加工机床双切削机构的智能控制，铣刀切削机构铣削齿轮毛坯，滚刀切削机构滚切齿轮工件，使其完成各加工阶段的不同工作任务，实现了在同一台机床上对齿轮毛坯与齿轮工件的一体加工，保证了重复定位精度和同轴度，无需对齿轮毛坯件进行拆卸和重新装夹，在有效提升齿轮加工精度、减小齿面跳动的同时，提高了生产效率，节约了生产成本。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于齿轮毛坯与工件一体加工的控制方法，包括以下步骤：

设置控制条件：通过图形编辑与尺寸标注的方式描述毛坯轮廓、通过齿轮 参数设置的方式描述工件特征、通过加工参数设置的方式描述设备信息；

对控制条件进行解析，生成相应的命令指令；

对解析出来的命令指令进行整合、修改、重新排列，生成由多个指令单元构成的有序命令集合，并添加各指令单元的派发条件，组建工艺加工队列；

建立命令派发机制，逐条判断队列中各指令单元的派发条件，完成控制指令的派发。

所述对控制条件进行解析包括两个阶段：

一次解析阶段：解析毛坯轮廓、工件特征、设备信息，规划加工轨迹，建立与外部设备的接口函数，生成相应的运动指令及相关的I/O输出指令；

二次解析阶段：根据一次解析出来的信息和工艺要求生成切削机构切换相关的运动指令，并确定不同指令的组合规则。

所述不同指令的组合规则，是指通过解析对某几个具有相同任务目标的指令进行标记，并将它们列入到相同的指令单元，不能将存在干涉或有前后关系的两条指令放入相同的指令单元。

所述组建工艺加工队列包括：

根据二次解析中确定的指令组合规则，把所有指令划分成若干个指令单元；

对每个指令单元所完成的任务以文字信息的形式加以概括，并将文字信息添加到指令单元中，使其能够在加工过程中实时显示当前加工状态；

结合加工工艺，对各指令单元进行重新排序，并将每个指令单元的派发条件添加到指令单元中。

所述建立派发机制包括：

当工艺加工队列组建完成后，从队列的第一个指令单元开始，判断是否满足该指令单元的派发条件；

如果条件不满足，就等待一个周期后再进行判断，直到条件成立后，派发该指令单元的命令；

判断队列是否已空，如果不为空，则转入对下一个指令单元的派发条件判断；

重复上述过程，直到队列流空。

所述派发条件包括对上一指令单元的任务完成情况的要求及对机床设备工作状态的要求。

所述控制指令派发完成后，采用相应的切削机构进行齿轮毛坯铣削阶段和齿轮工件滚切阶段的加工；

所述齿轮毛坯铣削阶段是用铣刀切削机构将齿轮原始棒料铣削成预设形状齿轮毛坯的过程；

所述齿轮工件滚切阶段是用滚刀切削机构将加工完成的齿轮毛坯滚切成目标齿轮工件的过程。

本发明具有以下优点：

1.齿轮加工精度提高，齿面跳动明显减小。与传统的滚齿加工方法相比，本发明实现了同一台机床上对齿轮毛坯与工件的加工，保证了重复定位精度和同轴度，加工精度与齿面跳动得到明显改善。

2.大幅提升了生产效率。本发明无需将加工完成的齿轮毛坯进行拆卸和重新装夹，使加工过程变得更加简单、高效。

3.节约了生产成本。在传统的滚齿加工方法中，其加工步骤一般是先由铣床或车床加工齿轮毛坯件，再由滚齿机将毛坯件加工成齿轮工件。而本发明则可在同一台机床完成对齿轮毛坯与工件的加工，有效地节约了成本。

4.加工过程智能、灵活。本发明可通过简单的图形编辑、参数配置完成对齿轮毛坯轮廓、工件特性的描述及对生产过程的控制。

附图说明

图1为本发明方法的控制原理图；

图2为本发明方法的控制流程图；

图3为本发明方法中组建工艺加工队列过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明适用于对圆柱齿轮、锥齿轮、鼓形齿轮等常见齿轮类型工件的一体加工。

图1从总体上概况了本发明的控制原理。

本发明中的齿轮加工过程可分为两个阶段：齿轮毛坯铣削阶段和齿轮工件滚切阶段。

齿轮毛坯铣削阶段是用铣刀切削机构将齿轮原始棒料铣削成预设形状齿轮毛坯的过程。所述铣刀切削机构与三轴铣床类似，控制电气方面包括：控制铣刀沿X、Y、Z三轴方向运动的伺服，控制铣刀做旋转切削运动的变频器，以及其他相关外部输出设备。通过对以上电气的控制，实现该阶段的加工任务，完成齿轮毛坯的加工。

齿轮工件滚切阶段是用滚刀切削机构将加工完成的齿轮毛坯滚切成目标齿轮工件的过程。所述滚刀切削机构与滚齿机类似，控制电气方面包括：控制滚刀沿X、Y、Z三轴方向运动的伺服，控制滚刀做旋转切削运动的伺服，控制滚刀做切削角度摆动的伺服，以及其他相关外部输出设备。通过对以上电气的控制，实现该阶段的加工任务，完成齿轮工件的加工。

本发明通过控制铣刀切削机构和滚刀切削机构，在各加工阶段完成不同的加工任务，并能在加工阶段改变时完成两个切削机构的自动切换，从而实现齿轮毛坯与工件的一体加工。在加工过程中的任一时刻，最多只能有一个切削机构处于工作状态。

所述一体加工，是指无需将加工完成的齿轮毛坯进行拆卸和重新装夹，通过对不同切削机构的切换控制，在同一台机床上一次性完成对齿轮毛坯与工件的加工。

从控制方法上看，为实现所述一体加工过程，可将问题转化为：如何控制铣刀切削机构的相关电气实现齿轮毛坯的铣削；如何控制滚刀切削机构的相关 电气实现齿轮工件的滚切；如何控制两个切削机构的自动切换；如何连贯整个加工过程做到真正连续的一体加工。

针对以上问题，本发明提出了一种控制方法，处理流程如图2所示。

首先，需要完成对本发明中控制条件的设置，包括以下三个方面：

①毛坯轮廓的描述

完成图形编辑与尺寸标注，描述毛坯轮廓。本发明通过铣刀切削机构完成对齿轮毛坯的加工，而铣刀切削机构相当于一个三轴铣床。与传统三轴铣床中编写G代码完成加工的方法不同，本发明提供了一种图形编辑方法，采用简单图形设计的方式描述毛坯轮廓，并对该图形进行必要的尺寸标注，而后对设定好的轮廓特征进行解析，不需要G代码编程，自动生成加工步骤，完成对齿轮毛坯的加工。

②工件特征的描述

设置齿轮参数，描述工件特征。本发明通过滚刀切削机构完成对齿轮工件的加工，而滚刀切削机构相当于一台滚齿机。本发明采用配置齿轮参数的方式对工件特征进行描述，其中齿轮参数包括齿轮类型、模数、齿数、螺旋角等齿轮的必要信息，通过对配置的齿轮参数进行解析，不需要G代码编程，自动生成加工步骤，完成对齿轮工件的加工。

③设备信息的描述

设置加工参数，描述设备信息。所述的设备信息包括加工中所需的外部I/O设备接口信息、工艺需求及铣刀与滚刀退刀位置等外部设备相关参数。通过对设备信息的解析，生成对外部输出设备的控制指令及非独立派发的设备信息指令，配合各阶段完成各自的加工任务及切削机构的切换控制。本发明可通过添加或删除接口信息的方法实现对某外部设备是否参与加工、设备I/O点位的调整与修改，不需要编写或修改PLC程序，使加工过程更加灵活。

在完成以上的控制条件设置之后，就需要对这些信息进行解析，生成相应的命令指令，实现各部分功能。

解析的过程包括两个阶段，称为一次解析阶段和二次解析阶段。

其中，一次解析阶段包括以下三个方面：

①解析毛坯轮廓

结合铣床加工工艺对己设定好的齿轮毛坯轮廓特征进行分析，规划出合理的加工轨迹，生成相应的运动指令。

②解析工件特征

结合滚齿加工工艺对已设定好的齿轮工件特征进行分析，计算出各轴的联动关系并进行轨迹规划，生成相应的运动指令。

③解析设备信息

对已设定好的设备信息进行分析，建立与外部设备的接口函数，生成相关的I/O输出指令，该步骤的作用类似于传统的PLC逻辑所实现的功能。另外，生成的指令中也包括对设备与工艺控制要求的信息描述指令，这类指令不能单独派发，通常与其他指令联合使用，组成具有完整意义的控制指令。

二次解析阶段是对一次解析出来的三方面信息进行综合分析，根据工艺要求生成切削机构切换相关的运动指令，并确定不同指令的组合规则。

所述不同指令的组合规则，是指对某几个具有相同任务目标的指令进行标记，将它们列入到相同的指令单元。需要注意的是，不能将存在干涉或有前后关系的两条指令放入到相同的指令单元。组合指令单元很有必要，因为在一次解析阶段所生成的指令有一些是不完整的，并不能直接派发完成加工任务。例如在铣削加工时，解析毛坯轮廓生成的指令中没有各轴速度相关的信息，而这些信息需要解析设备信息后才能获得，只有对指令进行组合，才能获得完整的控制指令。

通过两个阶段的解析后，还需要对这些解析出来的命令进行整合、修改以及重新排列，组建一个可实现一体加工控制功能的工艺加工队列，并制定合理的命令派发机制完成整个控制过程。

所述工艺加工队列是通过对齿轮毛坯轮廓、齿轮工件特征及外部设备相关 参数等信息的解析与整合，生成的有序命令集合，其内容包括对各轴的运动控制指令及对外部设备的输出控制指令，并将每条指令信息以文字形式显示，更直观地展现了整个加工过程。

图3展示了工艺加工队列的组建过程。

将两次解析生成的指令汇总，根据二次解析中确定的指令组合规则，把所有指令划分成若干个指令单元，并对每个指令单元所完成的任务以文字信息的形式加以概括，将这些文字信息也添加到该指令单元中，使其能够在加工过程中实时显示当前加工状态，更加直观地展示了整个加工过程。而后，结合加工工艺，对各指令单元进行重新排序，并将每个指令单元的派发条件添加到指令单元中。这样就得到了一个包含有完整控制指令、指令信息、指令派发条件的有序的指令单元集合，工艺加工队列组建完成。

在工艺加工队列组建完成后，所有的控制指令都已准备就绪，需要建立派发机制，逐条判断队列中各指令单元的派发条件，合理有序地完成控制指令的派发。

从图2的控制流程中可以看出，当工艺加工队列组建完成后，从队列的第一个指令单元开始，判断是否满足该指令单元的派发条件。所述派发条件包括对上一指令单元的任务完成情况的要求及对机床设备工作状态的要求。如果条件不满足，就等待一个周期后再进行判断，直到条件成立后，派发该指令单元的命令。然后判断队列是否已空，如果不为空，则转入对下一个指令单元的派发条件判断，重复上述控制过程，直到队列流空。当队列为空时，说明所有的指令单元均以派发完成。

最后，将派发的指令单元转化成输出脉冲数、电压值、开关量等对电气设备的控制信号，完成整个加工控制过程。