齿轮加工数控系统体系结构的研究

    传统齿轮加工机床运动关系复杂，以滚齿机(或蜗杆砂轮磨齿机)为例，在齿轮机床中存在着展成分度链、差动链、进给传动链等，如图1所示。调整既复杂又费时。快速趋近、工进、快退的位置和距离都需精心调整或试切才能完成，且需要的辅件多。

图1 传统的齿轮加工机床传动链示意图

    为了提高齿轮加工精度和加工效率，到了20世纪80年代以后，国内外开始对齿轮加工机床进行数控化改造和生产数控齿轮加工机床。特别是近年来，由于微电子技术的迅速发展和以现代控制理论为基础的高精度、高速响应交流伺服系统的出现，为齿轮加工数控系统的发展提供了良好的条件和机遇。

    我们将齿轮加工数控系统分为全功能和非全功能两大类。

    1、非全功能齿轮加工数控系统的结构

    配这类数控系统的机床进给轴为数控轴，多采用伺服系统。由于80年代齿轮加工数控化刚开始起步，当时数控技术无法满足齿轮加工机床展成分度链的高同步性的要求，因此展成分度链和差动链仍为传统的机械传动(图2)。如南京第二机床厂的YKS3120滚齿机、重庆机床厂的YKX3132滚齿机、天津第一机床厂的YK520插齿机等，都是2～3轴数控齿轮加工机床。这种数控加工方式，调整比机械式齿轮加工机床要方便得多。它们可以通过几个坐标轴的联动来实现齿向修形齿轮的加工，省去了传统加工修形齿轮所需的靠模等装置，提高了生产率和加工精度。但这类齿轮加工数控系统属经济型数控系统，由于其展成分度链和差动链仍为传统的机械式，齿轮加工精度取决于机械传动链的精度。目前这种齿轮加工数控系统多用于对现有机械式齿轮加工机床的数控改造。

图2 非全功能数控齿轮加工机床传动链示意图

    2、全功能齿轮加工数控系统结构

    近年来，由于计算机技术的迅猛发展和高精度、高速响应的伺服系统的出现，全功能数控齿轮加工机床已成为国际市场上的主流产品。全功能数控指不仅齿轮机床的各轴进给运动是数控的，而且机床的展成运动和差动运动也是数控的。目前展成分度链和差动链的数控处理方法不尽相同，有基于软件插补以及基于硬件控制的两种类型。

    (1) 基于软件插补的齿轮加工数控系统

    这类数控系统的刀具主轴一般采用变频装置控制，工件主轴通过数控指令经伺服电动机直接驱动(图3)。目前国产数控齿轮加工机床所配置的数控系统大多为国外知名品牌的通用数控系统，因而都是采用这种基于软件插补的数控加工方式。

图3 基于软件插补的齿轮机床数控系统结构

    根据齿轮加工过程中的参数确定刀具与工件之间的运动关系，如在滚齿机上加工圆柱齿轮时应满足：

         (1)

    式中：n_B，n_C——分别为机床刀具主轴(B轴)和工件主轴(C轴)的转速，r/min
          z_B，z_C——分别为机床刀具齿数(头数)和工件齿轮的齿数

    在用“有差法”加工斜齿轮时，采用对角线进给走刀的切齿时，蜗杆砂轮磨齿机深切缓进磨齿过程中等，机床工件主轴与刀具主轴之间不仅需要实现严格的展成分齿运动，还需完成与Z、Y轴或者Z轴和Y轴进给有关的附加合成运动。其运动关系式为

        (2)

    式中：v_Y、v_Z——分别为Y、Z轴的移动速度，mm/min 
          ——分别为斜齿轮和刀具的安装角
          m_n——为齿轮的法面模数，mm

    基于软件插补方法的优点是工件主轴的转速完全由数控系统的软件控制，因此，可以通过编制适当的软件，用通用的刀具来高精度快速地加工非圆齿轮、修形齿轮，且加工精度远高于传统的机械靠模加工方法。如合肥工业大学CIMS研究所为重庆机床厂YK3480CNC非圆滚齿机研制的STAR-930E数控系统，就是采用软件插补的方法，成功地实现了非圆齿轮的高速高精度滚齿加工和插齿加工。

    目前，由于控制精度、动态响应等方面的原因，基于软件插补的齿轮加工数控系统还不能胜任高速高精度磨齿机的要求。随着计算机速度的不断提高、新控制方法的出现和控制精度的提高，这种方法的应用面会越来越广。

    (2) 基于硬件控制的齿轮加工数控系统

    在传统齿轮机床的展成分度链中，刀具和工件是由同一个电动机来拖动的，传动链很长，并常需要采用精度不易提高的传动元件(如锥齿轮、万向联轴节等)，所以提高机床精度受到限制。

    目前多采用光电盘脉冲分频分度传动链。砂轮主轴以固定转速旋转，并带动发信元件(如光电盘)，光电盘信号经数字分频后，控制工件轴伺服电动机以一定的转速旋转以实现精确分度传动关系。同时把机床的差动链也纳入控制系统，系统结构如图4所示。IPC负责控制刀具主轴的转速和工件各进给轴的运动，而工件主轴完全由硬件控制。控制电路实现分度与差动运动，即实现式(2)，其中控制电路中的差动系数和展成分度比是可调的，由IPC进行修改。

图4 基于硬件控制的齿轮机床数控系统结构

    齿轮切削加工时，工件的回转运动与刀具的回转运动和进给轴间运动关系严格按式(2)描述。把转速换算成各轴脉冲频率，代入式(2)得各轴脉冲频率间关系为

         (3)

    式中：N_C、N_C——分别为B、C轴每转所反馈的脉冲数
          N_Y、N_Z——分别为Y、Z轴每移动1mm所反馈的脉冲数。

    式(3)由锁相伺服系统来实现，其结构如图5所示。

图5 锁相伺服系统

    基于硬件控制的齿轮加工数控系统的优点：采用硬件控制，特别是采用高同步精度的锁相伺服控制时，精度高，响应速度快。缺点：结构上比较复杂，比软件插补的方式多一个硬件控制电路部分。硬件控制的电子齿轮比[差动系数、主传动比，即式(3)中的有关系数目前还不能做到实时修改，即不能实时改变工件主轴的转速，因而不能用于加工非圆齿轮等。目前国外知名品牌的齿轮加工数控机床如Gleason、Reishauer、Pfauter等基本都采用这种控制系统。

    3、结论与展望

    非全功能数控系统由于加工精度取决于机械传动链，仍然存在交换挂轮，操作较繁，已较少使用，目前多用于现有机械式齿轮加工机床的数控化改造；基于软件插补的齿轮加工数控系统具有柔性大的优点，可以很方便地通过程序控制，能加工非圆齿轮和各种修形齿轮，因而在加工精度不高的滚齿机和插齿机中有广泛应用；基于硬件控制的齿轮加工数控系统，由于展成运动是直接采用硬件控制，特别是采用跟踪精度极高的锁相伺服技术时，能很好地保证齿轮机床差动和展成运动精度，响应速度快，但柔性差，适于加工精度要求高的磨齿机等。
 
    目前全功能的齿轮加工数控系统在国际上已是主流产品，也必将在国内成为主流产品。全功能数控齿轮加工机床的展成分度链的发展方向是软硬结合，即锁相伺服系统的电子齿轮比可以由软件实时修改，这样既有软件插补的柔性，可以加工非圆齿轮和各种修形齿轮，又保持硬件控制的高精度调速响应的优点。这将是我们下一步的研究方向。