減速機(jī)信息網(wǎng)
齒輪是工業(yè)生產(chǎn)中的重要基礎(chǔ)零件，其加工技師和加工能力反映一個(gè)國家的工業(yè)水平。實(shí)現(xiàn)齒輪加工數(shù)控傾和自動(dòng)化、加工和檢測(cè)的一體化是目前齒輪加工的發(fā)展趨勢(shì)。
基于開放式運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控滾齒系統(tǒng)的研究
摘要:討論了一種基于開放式運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控滾齒體系結(jié)構(gòu)，通過對(duì)其進(jìn)行深入的研究，在國內(nèi)首次提出了電子差動(dòng)
齒輪箱的概念，開發(fā)出相應(yīng)的數(shù)控滾齒軟件，給出了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的基本模塊，以及該數(shù)控系統(tǒng)成功用于YG6132B
機(jī)械滾齒機(jī)數(shù)控改造的實(shí)例。
序詞:數(shù)控 滾齒機(jī)床 運(yùn)動(dòng)控制
中圖分類號(hào):TG659
前言
齒輪被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中，滾齒是應(yīng)用最廣的切齒方法〔1 〕，傳統(tǒng)的機(jī)械滾齒機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一臺(tái)主電機(jī)不僅要驅(qū)動(dòng)展成分度傳動(dòng)鏈，還要驅(qū)動(dòng)差動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)鏈，各傳動(dòng)鏈中的每一個(gè)傳動(dòng)元件本身的加工誤差都會(huì)影響被加工齒輪的加工精度，同時(shí)為加工不同齒輪，還需要更換各種掛輪調(diào)整起來復(fù)雜費(fèi)時(shí)[2]，大大降低了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
以德國西門子、日本發(fā)那科公司數(shù)控系統(tǒng)為主流的數(shù)控滾齒機(jī)的出現(xiàn)，大大提高了齒輪加工能力和加工效率。我國目前真正能夠生產(chǎn)數(shù)控滾齒機(jī)的只有2－3個(gè)廠家，且使用的多是德國西門子數(shù)控系統(tǒng)，加工中模數(shù)齒輪，沒有自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，缺少國際競(jìng)爭(zhēng)力。
注意到以上問題，并根據(jù)近來數(shù)控技術(shù)，尤其是開放式運(yùn)動(dòng)控制器飛速發(fā)展的現(xiàn)狀，本文針對(duì)小模數(shù)、少齒數(shù)、大螺旋角斜齒輪滾齒加工迫切要求數(shù)控化的實(shí)際需求，進(jìn)行了深入的研究，成功地開發(fā)了了一套基于開放式運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控滾齒系統(tǒng)并用于實(shí)際生產(chǎn)。
1 基于開放式運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控體系結(jié)構(gòu)
該體系結(jié)構(gòu)的核心是一塊具有PC104 總線并且自帶高速DSP 芯片的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，與嵌入式PC 主機(jī)構(gòu)成多處理器結(jié)構(gòu)，提供4路16 位D/A 模擬電壓（＋/－10V）控制信號(hào)，4路4倍頻差動(dòng)式光電編碼器反饋信號(hào)接口，輸入信號(hào)頻率最高可達(dá)8MHZ，32 路光電隔離輸入輸出接口。可編程數(shù)字PID+速度前饋+加速度前饋濾波方式，卡上自帶DSP 芯片以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速插補(bǔ)、計(jì)算功能，可完成空間直線、圓弧插補(bǔ)，大大減輕了主機(jī)負(fù)擔(dān)，還提供了程序緩沖區(qū)，降低了對(duì)主機(jī)通訊速度的要求[3]。該運(yùn)動(dòng)控制卡通過PC104 總線和計(jì)算機(jī)通訊，一方面將從各控制軸采集到的數(shù)據(jù)送給主機(jī)進(jìn)行計(jì)算，另一方面，將主機(jī)根據(jù)工藝及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算生成的運(yùn)動(dòng)控制指令經(jīng)過進(jìn)一步處理送各軸伺服驅(qū)動(dòng)器，完成各軸的運(yùn)動(dòng)控制，加工出滿足工藝要求的合格零件。由于使用標(biāo)準(zhǔn)的PC104 型工控機(jī)作
為主機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，可靈活地選用電機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置和反饋元件，支持包括乙太網(wǎng)甚至是Internet 網(wǎng)在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，組網(wǎng)技術(shù)十分靈活而且技術(shù)成熟[4]。適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控的未來發(fā)展要求，系統(tǒng)硬件控制部分結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1基于開放式運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2
2系統(tǒng)控制軟件
本系統(tǒng)控制軟件是在純DOS 下用C 語言開發(fā)的，DOS 系統(tǒng)的開放性、單任務(wù)、準(zhǔn)確的時(shí)鐘中斷管理及其良好的穩(wěn)定性，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了可靠的保證。軟件框圖如圖2 所示。其中系統(tǒng)初始化包括自制小漢字字模的裝入，顯示器圖形方式的初始化，控制器濾波參數(shù)的整定等；系統(tǒng)診斷模塊的作用是監(jiān)控各被控軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如：各軸有無運(yùn)動(dòng)誤差超限、伺服報(bào)警、運(yùn)動(dòng)完成、限位開關(guān)動(dòng)作等；實(shí)時(shí)控制模塊，由中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，它在每個(gè)時(shí)鐘中斷周期內(nèi)讀入各軸位置，根據(jù)加工對(duì)象的加工工藝要求計(jì)算出新的運(yùn)動(dòng)控制指令送運(yùn)動(dòng)器解釋執(zhí)行。
3基于電子齒輪箱的數(shù)控滾齒系統(tǒng)
齒輪加工的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)滾刀和工件之間的展成分度運(yùn)動(dòng)關(guān)系，也就是要準(zhǔn)確地滿足兩者之間的速比關(guān)系，即滾刀轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，工件轉(zhuǎn)過K/zc 轉(zhuǎn)，如下式(1)所示：
c b
c
z
K
n
n
= (1)
式中b c n n , －分別為工件軸轉(zhuǎn)速和滾刀軸轉(zhuǎn)速
k zc , －分別為工件齒數(shù)和滾刀頭數(shù)
而在加工斜齒輪和蝸輪時(shí)，要求在完成分齒運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還要完成Z軸或Y軸的附加運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式如下：
p
l
p
b
c n
r
c n
z b
c
c z m
f
z m
f n
z
K
n
cos sin
± ± = (2)
式中r z f f , －分別為Z、Y軸的進(jìn)給量
l b, －分別為斜齒輪的螺旋角和刀具安裝角
n m －為斜齒輪法面模數(shù)。
由式(2)可見，在加工斜齒輪和蝸輪時(shí)，輸入和輸出的關(guān)系已不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的單輸入、單輸出的定比傳動(dòng)問題，而是一個(gè)多輸入、單輸出的問題。一般的電子齒輪方式無法解決這類問題，為此本系統(tǒng)成功地開發(fā)了電子齒輪箱功能，電子差動(dòng)齒輪箱是指：對(duì)于任何一個(gè)通過機(jī)械差動(dòng)變速機(jī)構(gòu)將兩個(gè)以上（含兩個(gè)）不同運(yùn)動(dòng)，按一定的速比傳動(dòng)關(guān)系
合成輸出的運(yùn)動(dòng)軸，都可以改由計(jì)算機(jī)控制的交、直流伺服電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，去掉原有的機(jī)械差動(dòng)傳動(dòng)鏈，通過計(jì)算機(jī)讀取安裝在各輸入軸上傳感器反饋回來的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（如轉(zhuǎn)速，進(jìn)給量等），用軟件編程的方法實(shí)時(shí)計(jì)算合成輸出軸的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械差動(dòng)傳動(dòng)鏈的功能。
4應(yīng)用實(shí)例
上述數(shù)控滾齒系統(tǒng)已成功地應(yīng)用到一臺(tái)寧江機(jī)床廠生產(chǎn)的小模數(shù)機(jī)械滾齒機(jī)YG3612B的改造中，改造前該滾齒機(jī)用于批量生產(chǎn)模數(shù)1，齒數(shù)4，螺旋角20 度以上的斜齒輪軸加工，由于我國尚無適應(yīng)這種小模數(shù)、少齒數(shù)工件的數(shù)控滾齒機(jī)，對(duì)這種類型工件，該機(jī)械滾齒機(jī)是目前加工精度最高的滾齒設(shè)備，但是由它加工出來的零件成品率僅達(dá)80%左
右，造成了巨大的浪費(fèi)，同時(shí)在更換加工品種時(shí)需要繁瑣地更換各種掛輪，使生產(chǎn)效率大為降低。為此生產(chǎn)廠家強(qiáng)烈要求進(jìn)行數(shù)控改造以便提高加工精度，提高生產(chǎn)效率。經(jīng)分析造成零件加工精度低的主要原因如下：
（1）滾刀至工件兩末端傳動(dòng)件之間各傳動(dòng)元件的加工、裝配誤差直接影響了展成分度的精度，從而影響工件的加工精度
（2）工件至Z進(jìn)給軸兩末端傳動(dòng)件之間各傳動(dòng)元件的加工誤差直接影響了被加工工件螺旋角的準(zhǔn)確性
（3）由于是加工4個(gè)齒的斜齒輪，單頭滾刀每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)工件要轉(zhuǎn)過90 度，這就決定了滾刀到工件之間的末端傳動(dòng)副不能像通常的滾齒機(jī)那樣使用大降速比的蝸輪－蝸桿傳動(dòng)副，以便大大降低前面?zhèn)鲃?dòng)副的誤差對(duì)展成分度的影響〔5 〕（如采用大降速比的蝸輪－蝸桿傳動(dòng)副作末端傳動(dòng)副，蝸桿的高速轉(zhuǎn)動(dòng)將造成其迅速磨損而失去精度），因此該機(jī)床采用了一對(duì)19/76=1/4 的空間相交軸傳動(dòng)的螺旋齒輪副作末端傳動(dòng)副，從而使得上述(1)、(2)兩點(diǎn)成為影響被加工齒輪軸精度的關(guān)鍵。
針對(duì)以上問題，同時(shí)考慮生產(chǎn)廠家擔(dān)心改造后一旦不成功將造成機(jī)床報(bào)廢的顧慮，本文把以最少的改動(dòng)、最小的投入加工出滿足精度要求的小模
圖2 控制軟件框圖
系統(tǒng)初始化
工藝參數(shù)修改
系統(tǒng)診斷
主控模塊
實(shí)時(shí)中斷控制
各軸坐標(biāo)顯示
PID 參數(shù)修改
指令隊(duì)列各軸位置反饋
3
數(shù)、少齒數(shù)、大螺旋角斜齒輪作為目標(biāo)，創(chuàng)造性地建立了如下的改造方案：
（1）徹底斷開工件軸和滾刀軸、工件軸和進(jìn)給軸之間原有的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系，除去原有的差動(dòng)傳動(dòng)鏈
（2）保留滾刀軸至工件軸之間19/76 的末端傳動(dòng)副，在工件軸的上一級(jí)傳動(dòng)軸上直接安裝交流伺服電機(jī)，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)工件軸
（3）滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)和Z軸進(jìn)給仍采用原來普通電機(jī)帶動(dòng)
（4）沿Z軸絲桿進(jìn)給方向加裝高分辨率光柵尺A，直接從末端件提供進(jìn)給量反饋，從而排除了進(jìn)給傳動(dòng)鏈誤差對(duì)工件螺旋角的影響
（5）在滾刀軸的上一級(jí)飛輪軸上加裝高分辨率的光電編碼盤B，提供滾刀轉(zhuǎn)速反饋改造后的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，本數(shù)控系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)中斷讀取光電編碼盤B和光柵尺A的讀數(shù)，由電子差動(dòng)齒輪箱自動(dòng)進(jìn)行合成、數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)
運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出指令，控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，最終加工出滿足精度要求的齒輪軸，并使產(chǎn)品合格率達(dá)到96％以上。
對(duì)以上改造的加工小模數(shù)、少齒數(shù)、大螺旋角數(shù)控滾齒機(jī)的進(jìn)一步完善，應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：
（1）在滾刀軸的上一級(jí)B軸上加裝直流或交流主軸電機(jī)，以滿足輸出功率大，調(diào)速范圍寬，進(jìn)一步穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的加工要求〔6〕
（2）工件伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸與工件軸之間，滾刀驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸與滾刀軸之間都只保留一對(duì)高精度降速齒輪傳動(dòng)，這兩對(duì)齒輪傳動(dòng)副要進(jìn)行消隙處理，如采用兩薄片齒輪彈簧消隙裝置
（3）將軸向進(jìn)給Z軸上的普通絲杠換成具有預(yù)緊、消隙功能的滾珠絲杠，并用交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)勻速進(jìn)給，消除進(jìn)給爬行
（4）如需進(jìn)一步提高該滾齒機(jī)的加工能力（加工鼓形齒、非園齒輪等），進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的話，可對(duì)徑向進(jìn)給X軸，切向進(jìn)給Y軸和滾刀刀盤搬角度A軸，都采用單獨(dú)的伺服電機(jī)控制，但這些已不存在原理和技術(shù)上的難點(diǎn)，用戶只需根據(jù)需求和成本進(jìn)行取舍。
5結(jié)論
（1）本數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)小模數(shù)機(jī)械滾齒機(jī)YG3612B改造證明是成功的實(shí)用系統(tǒng)，且該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠
（2）本系統(tǒng)在國內(nèi)首先提出了區(qū)別于電子齒輪的電子差動(dòng)齒輪箱概念
（3）本系統(tǒng)采用國產(chǎn)開放式運(yùn)動(dòng)控制卡擺脫了國外進(jìn)口的限制
（4）充分發(fā)揮了PC 平臺(tái)上的軟硬件優(yōu)勢(shì)，豐富和改善了開發(fā)環(huán)境。
（5）支持?jǐn)?shù)控機(jī)床進(jìn)一步向的智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
1 齒輪制造手冊(cè)編輯委員會(huì).齒輪制造手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社. 1997
2 韓彥成.金屬切削機(jī)床構(gòu)造與設(shè)計(jì). 國防工業(yè)出版社.1991
3 固高公司.GT-400-SV 四軸運(yùn)動(dòng)控制器用戶手冊(cè)，2001
4 毛軍紅. 機(jī)床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系. 機(jī)械工程學(xué)報(bào).2000.36(7):48-51
5 會(huì)田俊夫〔日〕.圓柱齒輪的制造.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社.北京.1984
6 孫漢卿.數(shù)控機(jī)床原理與維修.中國第一汽車集團(tuán)公司.1998
A STUDY ON NUMERICAL CONTROL Gear HOBBING
SYSTEM BASED ON OPEN MOTION CONTROLLER
Du Jianming WuXutang
(Xi’an Jiaotong University)
Wu Hong
(Luo yang Institute of Technology)
Abstract: A numerical control gear Hobbing
圖3 機(jī)床改造后的結(jié)構(gòu)
4
architecture system based on open motion controller is discussed. Through study deeply on it, an idea of electronic differential gearbox is put forward primarily in our country. The umerical control gear Hobbing software is developed. Basic software modules for motion control system and a successful instance that YG3612B model gear Hobbing machine tools is changed by the numerical control system are given.
Key word: Numerical control Gear Hobbing
machine tools Motion control
作者簡(jiǎn)介：杜建銘，男，1963 年出生，高級(jí)工程師，博士研究生，中國第一拖拉機(jī)集團(tuán)公司優(yōu)秀專家，主要從事數(shù)控技術(shù)、高精度位置伺服控制和復(fù)雜曲面的研究工作 |
