齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究

摘要：對(duì)齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)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(bǔ)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(diǎn)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(shì)。

    傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，以滾齒機(jī)(或蝸桿砂輪磨齒機(jī))為例，在齒輪機(jī)床中存在著展成分度鏈、差動(dòng)鏈、進(jìn)給傳動(dòng)鏈等，如圖1所示。調(diào)整既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)。快速趨近、工進(jìn)、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(jī)床傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D

    為了提高齒輪加工精度和加工效率，到了20世紀(jì)80年代以后，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始對(duì)齒輪加工機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造和生產(chǎn)數(shù)控齒輪加工機(jī)床。特別是近年來(lái)，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(jī)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(jī)床進(jìn)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(kāi)始起步，當(dāng)時(shí)數(shù)控技術(shù)無(wú)法滿足齒輪加工機(jī)床展成分度鏈的高同步性的要求，因此展成分度鏈和差動(dòng)鏈仍為傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)(圖2)。如南京第二機(jī)床廠的YKS3120滾齒機(jī)、重慶機(jī)床廠的YKX3132滾齒機(jī)、天津第一機(jī)床廠的YK520插齒機(jī)等，都是2～3軸數(shù)控齒輪加工機(jī)床。這種數(shù)控加工方式，調(diào)整比機(jī)械式齒輪加工機(jī)床要方便得多。它們可以通過(guò)幾個(gè)坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)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(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，由于其展成分度鏈和差動(dòng)鏈仍為傳統(tǒng)的機(jī)械式，齒輪加工精度取決于機(jī)械傳動(dòng)鏈的精度。目前這種齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)多用于對(duì)現(xiàn)有機(jī)械式齒輪加工機(jī)床的數(shù)控改造。

圖2 非全功能數(shù)控齒輪加工機(jī)床傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D

2 全功能齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)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(jī)床已成為國(guó)際市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。全功能數(shù)控指不僅齒輪機(jī)床的各軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)控的，而且機(jī)床的展成運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)運(yùn)動(dòng)也是數(shù)控的。目前展成分度鏈和差動(dòng)鏈的數(shù)控處理方法不盡相同，有基于軟件插補(bǔ)以及基于硬件控制的兩種類型。

1) 基于軟件插補(bǔ)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(guò)數(shù)控指令經(jīng)伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)(圖3)。目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控齒輪加工機(jī)床所配置的數(shù)控系統(tǒng)大多為國(guó)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(bǔ)的數(shù)控加工方式。

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

根據(jù)齒輪加工過(guò)程中的參數(shù)確定刀具與工件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如在滾齒機(jī)上加工圓柱齒輪時(shí)應(yīng)滿足：

式中：nB，nC——分別為機(jī)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(jī)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(shí)，采用對(duì)角線進(jìn)給走刀的切齒時(shí)，蝸桿砂輪磨齒機(jī)深切緩進(jìn)磨齒過(guò)程中等，機(jī)床工件主軸與刀具主軸之間不僅需要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的展成分齒運(yùn)動(dòng)，還需完成與Z、Y軸或者Z軸和Y軸進(jìn)給有關(guān)的附加合成運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)關(guān)系式為

>式中：v_Y、v_Z——分別為Y、Z軸的移動(dòng)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(bǔ)方法的優(yōu)點(diǎn)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(guò)編制適當(dāng)?shù)能浖�，用通用的刀具�?lái)高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪，且加工精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的機(jī)械靠模加工方法。如合肥工業(yè)大學(xué)CIMS研究所為重慶機(jī)床廠YK3480CNC非圓滾齒機(jī)研制的STAR-930E數(shù)控系統(tǒng)，就是采用軟件插補(bǔ)的方法，成功地實(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的原因，基于軟件插補(bǔ)的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)還不能勝任高速高精度磨齒機(jī)的要求。隨著計(jì)算機(jī)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(huì)越來(lái)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(jī)床的展成分度鏈中，刀具和工件是由同一個(gè)電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)的，傳動(dòng)鏈很長(zhǎng)，并常需要采用精度不易提高的傳動(dòng)元件(如錐齒輪、萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)等)，所以提高機(jī)床精度受到限制。

    目前多采用光電盤脈沖分頻分度傳動(dòng)鏈。砂輪主軸以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)發(fā)信元件(如光電盤)，光電盤信號(hào)經(jīng)數(shù)字分頻后，控制工件軸伺服電動(dòng)機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)精確分度傳動(dòng)關(guān)系。同時(shí)把機(jī)床的差動(dòng)鏈也納入控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。IPC負(fù)責(zé)控制刀具主軸的轉(zhuǎn)速和工件各進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)，而工件主軸完全由硬件控制�？刂齐娐穼�(shí)現(xiàn)分度與差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)式(2)，其中控制電路中的差動(dòng)系數(shù)和展成分度比是可調(diào)的，由IPC進(jìn)行修改。

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

    齒輪切削加工時(shí)，工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與刀具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給軸間運(yùn)動(dòng)關(guān)系嚴(yán)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(dòng)1mm所反饋的脈沖數(shù)。

式(3)由鎖相伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)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(diǎn)：采用硬件控制，特別是采用高同步精度的鎖相伺服控制時(shí)，精度高，響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，比軟件插補(bǔ)的方式多一個(gè)硬件控制電路部分。硬件控制的電子齒輪比[差動(dòng)系數(shù)、主傳動(dòng)比，即式(3)中的有關(guān)系數(shù)]目前還不能做到實(shí)時(shí)修改，即不能實(shí)時(shí)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(guó)外知名品牌的齒輪加工數(shù)控機(jī)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(jī)械傳動(dòng)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(jī)械式齒輪加工機(jī)床的數(shù)控化改造；基于軟件插補(bǔ)的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)具有柔性大的優(yōu)點(diǎn)，可以很方便地通過(guò)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(jī)和插齒機(jī)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(yùn)動(dòng)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(shí)，能很好地保證齒輪機(jī)床差動(dòng)和展成運(yùn)動(dòng)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(jī)等。

    目前全功能的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)在國(guó)際上已是主流產(chǎn)品，也必將在國(guó)內(nèi)成為主流產(chǎn)品。全功能數(shù)控齒輪加工機(jī)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(shí)時(shí)修改，這樣既有軟件插補(bǔ)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(diǎn)。這將是我們下一步的研究方向。