齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究

摘要：對齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進行了深入研究，分析了非全功能齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)、基于軟件插補的全功能齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)和基于硬件控制的全功能齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、特點及其適用范圍，最后，分析了齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。

    傳統(tǒng)齒輪加工機床運動關(guān)系復(fù)雜，以滾齒機(或蝸桿砂輪磨齒機)為例，在齒輪機床中存在著展成分度鏈、差動鏈、進給傳動鏈等，如圖1所示。調(diào)整既復(fù)雜又費時�？焖仝吔�、工進、快退的位置和距離都需精心調(diào)整或試切才能完成，且需要的輔件多。

圖1 傳統(tǒng)的齒輪加工機床傳動鏈示意圖

    為了提高齒輪加工精度和加工效率，到了20世紀80年代以后，國內(nèi)外開始對齒輪加工機床進行數(shù)控化改造和生產(chǎn)數(shù)控齒輪加工機床。特別是近年來，由于微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的高精度、高速響應(yīng)交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，為齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的條件和機遇。

我們將齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)分為全功能和非全功能兩大類。

1 非全功能齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

    配這類數(shù)控系統(tǒng)的機床進給軸為數(shù)控軸，多采用伺服系統(tǒng)。由于80年代齒輪加工數(shù)控化剛開始起步，當時數(shù)控技術(shù)無法滿足齒輪加工機床展成分度鏈的高同步性的要求，因此展成分度鏈和差動鏈仍為傳統(tǒng)的機械傳動(圖2)。如南京第二機床廠的YKS3120滾齒機、重慶機床廠的YKX3132滾齒機、天津第一機床廠的YK520插齒機等，都是2～3軸數(shù)控齒輪加工機床。這種數(shù)控加工方式，調(diào)整比機械式齒輪加工機床要方便得多。它們可以通過幾個坐標軸的聯(lián)動來實現(xiàn)齒向修形齒輪的加工，省去了傳統(tǒng)加工修形齒輪所需的靠模等裝置，提高了生產(chǎn)率和加工精度。但這類齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)屬經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，由于其展成分度鏈和差動鏈仍為傳統(tǒng)的機械式，齒輪加工精度取決于機械傳動鏈的精度。目前這種齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)多用于對現(xiàn)有機械式齒輪加工機床的數(shù)控改造。

圖2 非全功能數(shù)控齒輪加工機床傳動鏈示意圖

2 全功能齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    近年來，由于計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和高精度、高速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，全功能數(shù)控齒輪加工機床已成為國際市場上的主流產(chǎn)品。全功能數(shù)控指不僅齒輪機床的各軸進給運動是數(shù)控的，而且機床的展成運動和差動運動也是數(shù)控的。目前展成分度鏈和差動鏈的數(shù)控處理方法不盡相同，有基于軟件插補以及基于硬件控制的兩種類型。

1) 基于軟件插補的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)

    這類數(shù)控系統(tǒng)的刀具主軸一般采用變頻裝置控制，工件主軸通過數(shù)控指令經(jīng)伺服電動機直接驅(qū)動(圖3)。目前國產(chǎn)數(shù)控齒輪加工機床所配置的數(shù)控系統(tǒng)大多為國外知名品牌的通用數(shù)控系統(tǒng)，因而都是采用這種基于軟件插補的數(shù)控加工方式。

圖3 基于軟件插補的齒輪機床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)齒輪加工過程中的參數(shù)確定刀具與工件之間的運動關(guān)系，如在滾齒機上加工圓柱齒輪時應(yīng)滿足：

式中：nB，nC——分別為機床刀具主軸(B軸)和工件主軸(C軸)的轉(zhuǎn)速，r/min

zB，zC——分別為機床刀具齒數(shù)(頭數(shù))和工件齒輪的齒數(shù)

    在用“有差法”加工斜齒輪時，采用對角線進給走刀的切齒時，蝸桿砂輪磨齒機深切緩進磨齒過程中等，機床工件主軸與刀具主軸之間不僅需要實現(xiàn)嚴格的展成分齒運動，還需完成與Z、Y軸或者Z軸和Y軸進給有關(guān)的附加合成運動。其運動關(guān)系式為

>式中：v_Y、v_Z——分別為Y、Z軸的移動速度，mm/min

b、l——分別為斜齒輪和刀具的安裝角

m_n—為齒輪的法面模數(shù)，mm

    基于軟件插補方法的優(yōu)點是工件主軸的轉(zhuǎn)速完全由數(shù)控系統(tǒng)的軟件控制，因此，可以通過編制適當?shù)能浖�，用通用的刀具來高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪，且加工精度遠高于傳統(tǒng)的機械靠模加工方法。如合肥工業(yè)大學CIMS研究所為重慶機床廠YK3480CNC非圓滾齒機研制的STAR-930E數(shù)控系統(tǒng)，就是采用軟件插補的方法，成功地實現(xiàn)了非圓齒輪的高速高精度滾齒加工和插齒加工。

    目前，由于控制精度、動態(tài)響應(yīng)等方面的原因，基于軟件插補的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)還不能勝任高速高精度磨齒機的要求。隨著計算機速度的不斷提高、新控制方法的出現(xiàn)和控制精度的提高，這種方法的應(yīng)用面會越來越廣。

2) 基于硬件控制的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)

    在傳統(tǒng)齒輪機床的展成分度鏈中，刀具和工件是由同一個電動機來拖動的，傳動鏈很長，并常需要采用精度不易提高的傳動元件(如錐齒輪、萬向聯(lián)軸節(jié)等)，所以提高機床精度受到限制。

    目前多采用光電盤脈沖分頻分度傳動鏈。砂輪主軸以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并帶動發(fā)信元件(如光電盤)，光電盤信號經(jīng)數(shù)字分頻后，控制工件軸伺服電動機以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)精確分度傳動關(guān)系。同時把機床的差動鏈也納入控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。IPC負責控制刀具主軸的轉(zhuǎn)速和工件各進給軸的運動，而工件主軸完全由硬件控制。控制電路實現(xiàn)分度與差動運動，即實現(xiàn)式(2)，其中控制電路中的差動系數(shù)和展成分度比是可調(diào)的，由IPC進行修改。

圖4 基于硬件控制的齒輪機床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    齒輪切削加工時，工件的回轉(zhuǎn)運動與刀具的回轉(zhuǎn)運動和進給軸間運動關(guān)系嚴格按式(2)描述。把轉(zhuǎn)速換算成各軸脈沖頻率，代入式(2)得各軸脈沖頻率間關(guān)系為

式中：NC、NC——分別為B、C軸每轉(zhuǎn)所反饋的脈沖數(shù)

NY、NZ——分別為Y、Z軸每移動1mm所反饋的脈沖數(shù)。

式(3)由鎖相伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 鎖相伺服系統(tǒng)

    基于硬件控制的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點：采用硬件控制，特別是采用高同步精度的鎖相伺服控制時，精度高，響應(yīng)速度快。缺點：結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，比軟件插補的方式多一個硬件控制電路部分。硬件控制的電子齒輪比[差動系數(shù)、主傳動比，即式(3)中的有關(guān)系數(shù)]目前還不能做到實時修改，即不能實時改變工件主軸的轉(zhuǎn)速，因而不能用于加工非圓齒輪等。目前國外知名品牌的齒輪加工數(shù)控機床如Gleason、Reishauer、Pfauter等基本都采用這種控制系統(tǒng)。

3 結(jié)論與展望

    非全功能數(shù)控系統(tǒng)由于加工精度取決于機械傳動鏈，仍然存在交換掛輪，操作較繁，已較少使用，目前多用于現(xiàn)有機械式齒輪加工機床的數(shù)控化改造；基于軟件插補的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)具有柔性大的優(yōu)點，可以很方便地通過程序控制，能加工非圓齒輪和各種修形齒輪，因而在加工精度不高的滾齒機和插齒機中有廣泛應(yīng)用；基于硬件控制的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)，由于展成運動是直接采用硬件控制，特別是采用跟蹤精度極高的鎖相伺服技術(shù)時，能很好地保證齒輪機床差動和展成運動精度，響應(yīng)速度快，但柔性差，適于加工精度要求高的磨齒機等。

    目前全功能的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)在國際上已是主流產(chǎn)品，也必將在國內(nèi)成為主流產(chǎn)品。全功能數(shù)控齒輪加工機床的展成分度鏈的發(fā)展方向是軟硬結(jié)合，即鎖相伺服系統(tǒng)的電子齒輪比可以由軟件實時修改，這樣既有軟件插補的柔性，可以加工非圓齒輪和各種修形齒輪，又保持硬件控制的高精度調(diào)速響應(yīng)的優(yōu)點。這將是我們下一步的研究方向。