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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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?？删幊虜?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(yǔ)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(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)開放式運(yùn)動(dòng)控制卡擺脫了國(guó)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。