基于開放式運動控制器的數控滾齒系統(tǒng)的研究

摘要:討論了一種基于開放式運動控制器的數控滾齒體系結構，通過對其進行深入的研究，在國內首次提出了電子差動
齒輪箱的概念，開發(fā)出相應的數控滾齒軟件，給出了運動控制系統(tǒng)軟件的基本模塊，以及該數控系統(tǒng)成功用于YG6132B
機械滾齒機數控改造的實例。
序詞:數控 滾齒機床 運動控制
中圖分類號:TG659
前言
齒輪被廣泛地應用于機械設備的傳動系統(tǒng)中，滾齒是應用最廣的切齒方法〔１ 〕，傳統(tǒng)的機械滾齒機床機械結構非常復雜，一臺主電機不僅要驅動展成分度傳動鏈，還要驅動差動和進給傳動鏈，各傳動鏈中的每一個傳動元件本身的加工誤差都會影響被加工齒輪的加工精度，同時為加工不同齒輪，還需要更換各種掛輪調整起來復雜費時[2]，大大降低了勞動生產率。
以德國西門子、日本發(fā)那科公司數控系統(tǒng)為主流的數控滾齒機的出現，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數控滾齒機的只有２－３個廠家，且使用的多是德國西門子數控系統(tǒng)，加工中模數齒輪，沒有自主產權的核心技術，缺少國際競爭力。
注意到以上問題，并根據近來數控技術，尤其是開放式運動控制器飛速發(fā)展的現狀，本文針對小模數、少齒數、大螺旋角斜齒輪滾齒加工迫切要求數控化的實際需求，進行了深入的研究，成功地開發(fā)了了一套基于開放式運動控制器的數控滾齒系統(tǒng)并用于實際生產。
１ 基于開放式運動控制器的數控體系結構
該體系結構的核心是一塊具有PC104 總線并且自帶高速DSP 芯片的開放式多軸運動控制卡，與嵌入式PC 主機構成多處理器結構，提供４路16 位D/A 模擬電壓（＋/－10Ｖ）控制信號，４路４倍頻差動式光電編碼器反饋信號接口，輸入信號頻率最高可達８ＭＨＺ，32 路光電隔離輸入輸出接口?？删幊虜底諴ID+速度前饋+加速度前饋濾波方式，卡上自帶DSP 芯片以實現實時高速插補、計算功能，可完成空間直線、圓弧插補，大大減輕了主機負擔，還提供了程序緩沖區(qū)，降低了對主機通訊速度的要求[３]。該運動控制卡通過PC104 總線和計算機通訊，一方面將從各控制軸采集到的數據送給主機進行計算，另一方面，將主機根據工藝及數學模型進行運算生成的運動控制指令經過進一步處理送各軸伺服驅動器，完成各軸的運動控制，加工出滿足工藝要求的合格零件。由于使用標準的PC104 型工控機作
為主機，采用標準化接口，可靈活地選用電機、驅動裝置和反饋元件，支持包括乙太網甚至是Internet 網在內的多種網絡協議及拓撲結構，可方便地實現遠程控制，組網技術十分靈活而且技術成熟[４]。適應網絡化數控的未來發(fā)展要求，系統(tǒng)硬件控制部分結構如圖1 所示。

圖１基于開放式運動控制器的數控系統(tǒng)結構
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、準確的時鐘中斷管理及其良好的穩(wěn)定性，為工業(yè)化生產提供了可靠的保證。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，控制器濾波參數的整定等；系統(tǒng)診斷模塊的作用是監(jiān)控各被控軸的運動狀態(tài)，如：各軸有無運動誤差超限、伺服報警、運動完成、限位開關動作等；實時控制模塊，由中斷服務程序實現，它在每個時鐘中斷周期內讀入各軸位置，根據加工對象的加工工藝要求計算出新的運動控制指令送運動器解釋執(zhí)行。
３基于電子齒輪箱的數控滾齒系統(tǒng)
齒輪加工的關鍵在于實現滾刀和工件之間的展成分度運動關系，也就是要準確地滿足兩者之間的速比關系，即滾刀轉過一轉，工件轉過K/zc 轉，如下式(1)所示：
c b
c
z
K
n
n
= (1)
式中b c n n , －分別為工件軸轉速和滾刀軸轉速
k zc , －分別為工件齒數和滾刀頭數
而在加工斜齒輪和蝸輪時，要求在完成分齒運動的同時，還要完成Ｚ軸或Ｙ軸的附加運動，其運動學方程式如下：
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。
由式(2)可見，在加工斜齒輪和蝸輪時，輸入和輸出的關系已不再是一個簡單的單輸入、單輸出的定比傳動問題，而是一個多輸入、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，電子差動齒輪箱是指：對于任何一個通過機械差動變速機構將兩個以上（含兩個）不同運動，按一定的速比傳動關系
合成輸出的運動軸，都可以改由計算機控制的交、直流伺服電機單獨驅動，去掉原有的機械差動傳動鏈，通過計算機讀取安裝在各輸入軸上傳感器反饋回來的運動參數（如轉速，進給量等），用軟件編程的方法實時計算合成輸出軸的運動，實現機械差動傳動鏈的功能。
４應用實例
上述數控滾齒系統(tǒng)已成功地應用到一臺寧江機床廠生產的小模數機械滾齒機YG3612B的改造中，改造前該滾齒機用于批量生產模數１，齒數４，螺旋角20 度以上的斜齒輪軸加工，由于我國尚無適應這種小模數、少齒數工件的數控滾齒機，對這種類型工件，該機械滾齒機是目前加工精度最高的滾齒設備，但是由它加工出來的零件成品率僅達80%左
右，造成了巨大的浪費，同時在更換加工品種時需要繁瑣地更換各種掛輪，使生產效率大為降低。為此生產廠家強烈要求進行數控改造以便提高加工精度，提高生產效率。經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件之間各傳動元件的加工、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進給軸兩末端傳動件之間各傳動元件的加工誤差直接影響了被加工工件螺旋角的準確性
（３）由于是加工４個齒的斜齒輪，單頭滾刀每轉１轉工件要轉過90 度，這就決定了滾刀到工件之間的末端傳動副不能像通常的滾齒機那樣使用大降速比的蝸輪－蝸桿傳動副，以便大大降低前面?zhèn)鲃痈钡恼`差對展成分度的影響〔５ 〕（如采用大降速比的蝸輪－蝸桿傳動副作末端傳動副，蝸桿的高速轉動將造成其迅速磨損而失去精度），因此該機床采用了一對19/76=1/4 的空間相交軸傳動的螺旋齒輪副作末端傳動副，從而使得上述(1)、(2)兩點成為影響被加工齒輪軸精度的關鍵。
針對以上問題，同時考慮生產廠家擔心改造后一旦不成功將造成機床報廢的顧慮，本文把以最少的改動、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
工藝參數修改
系統(tǒng)診斷
主控模塊
實時中斷控制
各軸坐標顯示
PID 參數修改
指令隊列各軸位置反饋
3
數、少齒數、大螺旋角斜齒輪作為目標，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、工件軸和進給軸之間原有的機械傳動聯系，除去原有的差動傳動鏈
（２）保留滾刀軸至工件軸之間19/76 的末端傳動副，在工件軸的上一級傳動軸上直接安裝交流伺服電機，單獨驅動工件軸
（３）滾刀轉動和Ｚ軸進給仍采用原來普通電機帶動
（４）沿Ｚ軸絲桿進給方向加裝高分辨率光柵尺Ａ，直接從末端件提供進給量反饋，從而排除了進給傳動鏈誤差對工件螺旋角的影響
（５）在滾刀軸的上一級飛輪軸上加裝高分辨率的光電編碼盤Ｂ，提供滾刀轉速反饋改造后的機械結構如圖３所示，本數控系統(tǒng)通過實時中斷讀取光電編碼盤Ｂ和光柵尺Ａ的讀數，由電子差動齒輪箱自動進行合成、數據處理后，經
運動控制卡發(fā)出指令，控制伺服電機的運轉，最終加工出滿足精度要求的齒輪軸，并使產品合格率達到96％以上。
對以上改造的加工小模數、少齒數、大螺旋角數控滾齒機的進一步完善，應從以下幾個方面著手：
（１）在滾刀軸的上一級Ｂ軸上加裝直流或交流主軸電機，以滿足輸出功率大，調速范圍寬，進一步穩(wěn)定轉速的加工要求〔６〕
（２）工件伺服驅動電機軸與工件軸之間，滾刀驅動電機軸與滾刀軸之間都只保留一對高精度降速齒輪傳動，這兩對齒輪傳動副要進行消隙處理，如采用兩薄片齒輪彈簧消隙裝置
（３）將軸向進給Ｚ軸上的普通絲杠換成具有預緊、消隙功能的滾珠絲杠，并用交流伺服電機直接驅動滾珠絲杠實現勻速進給，消除進給爬行
（４）如需進一步提高該滾齒機的加工能力（加工鼓形齒、非園齒輪等），進一步提高生產效率，降低勞動強度的話，可對徑向進給Ｘ軸，切向進給Ｙ軸和滾刀刀盤搬角度Ａ軸，都采用單獨的伺服電機控制，但這些已不存在原理和技術上的難點，用戶只需根據需求和成本進行取舍。
５結論
（１）本數控系統(tǒng)經小模數機械滾齒機YG3612B改造證明是成功的實用系統(tǒng)，且該系統(tǒng)操作簡單，運行可靠
（２）本系統(tǒng)在國內首先提出了區(qū)別于電子齒輪的電子差動齒輪箱概念
（３）本系統(tǒng)采用國產開放式運動控制卡擺脫了國外進口的限制
（４）充分發(fā)揮了PC 平臺上的軟硬件優(yōu)勢，豐富和改善了開發(fā)環(huán)境。
（５）支持數控機床進一步向的智能化、集成化、網絡化方向發(fā)展。