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基于w i n d o w s 插齿机数控系统的设计研究 摘要 本文综述了目前国内外数控插齿机及插齿机数控系统的发展现状与趋势， 讨论了数控插齿机的工作原理、机械结构以及齿轮插齿加工的工艺过程，详细 说明了s t a r 一0 3 g 插齿机数控系统的软硬件结构。在此基础上研究并解决了 如下几个关键技术：插齿加工工艺数据库的建立与计算机的自动检索，用户不 需要人工确定加工工艺。而由计算机完成，使得系统简单易用；通过对齿轮参 数与加工工艺参数之间关系的分析，归纳出插齿加工的工艺过程与工艺模式， 详细推导和计算出加工控制参数；通过p c 机上的p m a c ( 多轴运动控制器) 实现对插齿机运动的控制，构建开放式插齿机数控系统，大大缩短整个系统的 开发时间，并且易于用户进行二次开发。最后，文章对插齿机数控系统的改进 与完善提出了详细的建议。 关键词：数控插齿机开放式数控系统 插齿加工可编程多轴运动控制器( p m a c ) 工艺数据库 d e v e l o p m e n to fc n cs y s t e mb a s e do n w i n d o w sp l a t f o r m f o rg e a r s h a p i n g m a c h i n e a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h ec u r r e n ts t a t ea n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fc n cs y s t e m a n dc n c g e a rs h a p i n g m a c h i n ei nd o m e s t i ca n da b r o a da r ei n v e s t i g a t e d t h ew o r k p r i n c i p l e o fc n cg e a r s h a p i n g m a c h i n e ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e a n dt e c h n i c s p r o c e s so fg e a rm a k i n ga r ed i s c u s s e d t h es t r u c t u r eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f s t a r - 0 3 gc n c s y s t e mf o rg e a rs h a p i n gm a c h i n ea r em e n t i o n e di nd e t a i l t h e f o l l o w i n gk e y i n gp r o b l e m sa r es o l v e d ：u s e rn e e d n tm a tt e c h n i c sp a r a m e t e r ， t h et e c h n i c sp a r a m e t e ra n dp r o c e s sc a r lb ei n d e x e db yc o m p u t e rb a s e do nt h e t e c h n i c sd a t a b a s e a sar e s u l t ，t h es y s t e mi s s i m p l ea n de a s yt o u s e t h e t e c h n i c s p r o c e s s a n dt e c h n i c sm o d eo fg e a r m a k i n gs h a p i n g i sd e d u c e db y a n a l y z i n gt h er e l a t i o no fg e a rp a r a m e t e ra n dt e c h n i c sp a r a m e t e ra n dp a r a m e t e r s u s e di nm a k ea n dc o n t r o lp r o c e s sa r ed e d u c e da n dc a l c u l a t e di nd e t a i l t ob u i l d t h eo p e n i n gc n c s y s t e m ，t h ec o n t r o lo f m o v e m e n to fg e a rs h a p i n gm a c h i n ei si n t h ec h a r g eo fp m a co nt h ep c ，a sar e s u l t ，t h a tr e d u c e sg r e a t l yt h es t u d i n gt i m e a n di se a s yf o ru s e rt od e v e l o ps e c o n d l ya tt h ee n do ft h et h e s i s ，t h ef u t u r es t u d y a n di m p r o v e m e n to ft h eg e a rs h a p i n gm a c h i n ec n c s y s t e mi s d i s c u s s e da n d s u g g e s t e d k e y w o r d s ：c n c g e a rs h a p i n gm a c h i n e ；o p e n i n g n c s y s t e m ； g e a r s h a p i n gm a k i n g ；p r o g r a m m a b l em u l t i - a x l e c o n t r o l l e r ： t e e h n i c sd a t a b a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆至些盔堂或其他教育机构的学位或 证二s 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：训 签字日期易哆年6 月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叠起王些鑫堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒胆王些友堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期i2 l 哆年6 月2 f 日 7 l 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 名：磷c 。 签字日期： 吗年6 月吖日 电话 邮编 一父 ，、 m 致谢 论文是在导师韩江副教授的悉心指导和亲切关怀下完成的，在此，谨表示 诚挚的敬意和衷心的感谢! 韩老师充沛的精力、豪爽的性格、卓越的学识、严 谨求实的治学态度以及诲人不倦的工作作风，给我留下了深刻的印象。导师的 循循善诱、谆谆教导使我的知识和技能水平都得到了很大提高，令我终生受益! 衷心感谢c i m s 所王治森教授、杜晓荣教授对我的关怀与教诲。衷心感谢 何凯老师、徐万斌老师对我的帮助。 非常感谢我的同学郭志成、汤阳，使得我能够在平时学习过程中与他们互 相交流、互相帮助、不断提高。 非常感谢我的师弟谭平、何高清在这次答辩会准备过程中给予我的帮助。 衷心感谢和祝福所有支持或帮助过我的亲人、老师、同学和朋友们! 我将永远怀念在台肥工业大学c i m s 研究所的学习时光，祝愿她的明天更 加美好! 作者：刘俊 2 0 0 3 年6 月 第一章绪论 齿轮是机械产品的重要基础零件。齿轮传动是传递机器动力和运动的一种 主要形式，与皮带轮，摩擦轮，链轮等机械传动相比，它具有传动功率范围大， 传动效率高，传动比准确，使用寿命长，安全可靠，结构紧凑等优点，广泛应 用于汽车，航空，造船，军工等行业领域。齿轮传动正朝着高效，高精度和实 现特殊传动的方向不断发展。为了适应齿轮传动的上述要求和发展趋势，齿轮 加工将由传统的机械加工向数控加工方向发展，充分发挥数控加工的精度高、 加工质量稳定的特点。相应地，齿轮加工机床的数控化是必然趋势。 1 1齿轮加工的方法与插齿加工的特点 在现代加工工业中，齿轮的加工方法多种多样，随着对齿轮精度要求的不 断提高，新的齿轮加工方法不断出现。目前传统的齿轮加工方法有切齿法，铸 造法，冷扎法，热扎法，冲压法，模锻法，粉末冶金法等，其中最常用的方法 是切齿法。齿轮切制的主要方法有：滚齿，插齿，剃齿，磨齿，珩齿，研齿， 铣齿等。 插齿是一种广为采用的切齿方法，特别适合于加工一些用滚齿加工不出来 或不太适合加工的齿形，譬如象内齿轮、多联齿轮及带内凹的各种非圆齿轮等。 采用插齿加工齿轮。方法简单，操作简便，对操作者的技术和文化水平要求不 是太高。 目前，随着工业生产对齿轮精度和质量的要求不断提高，在现代技术不断 的发展下，特别是电子，计算机技术的飞跃发展，使得插齿加工技术也在不断 提高。这主要表现在如下几个方面【l 】： 1 高速化 因为新型工艺，以及新材料插齿刀的使用，高速插齿将得到更为广泛的应 用，它极大地提高了插齿效率，而且还可以得到更高的表面光洁度和加工精度。 2 智能化 根据机床的应力应变和温升情况，动态调整机床切削工艺参数，从而提高 齿轮加工精度和生产效率。如将应力应变传感器或热电偶放置于机床的控制要 点，将采集的数据输入机床的数学模型后经过频繁校正，可大大提高插齿机的 应变或热变型的误差补偿效果，达到提高齿轮精度的目的。 3 数控化 数控化是插齿机加工技术最重要的发展方向。数控插齿机可大幅度提高齿 轮的加工精度、生产效率和柔性。插齿机的数控化有如下显著特点： ( 1 ) 数控插齿机的机械传动链大大缩短，机床刚性增强，切削用量加大。 由于不需要挂轮和行程挡块，机床的调整时间显著缩短，一次安装下不经调整 即可加工多联齿轮，齿轮的生产效率得到了极大的提高。 ( 2 ) 提高了齿轮的加工精度。机械传动链缩短或被取代，机床的运动精 度和定位精度极大提高。计算机技术快速发展，伺服驱动系统的脉冲当量不断 减小，新的智能控制算法的应用，刀具磨损和热变形的自动补偿等等，使齿轮 的加工精度明显提高。 ( 3 ) 加强了齿轮加工的柔性。数控技术的采用，可实现任意的齿轮加工 循环，便于实现小批量多品种的齿轮加工，使数控插齿机易于与其他种类的机 床组成柔性生产线。 ( 4 ) 数控技术可随意控制插齿机各轴的运动关系，通过对z 轴、b 轴、c 轴、x 轴等四坐标进行不同的控制，从而加工出各种非圆齿轮和修形齿轮。 1 2 国内外数控插齿机的发展动态 1 数控插齿机床的发展 1 8 9 7 年，美国的费洛斯制成了世界上第一台插齿机，经过一个多世纪的 发展，目前国外插齿机机床制造商主要集中在以下三个集团1 2 1 。 ( 1 ) g l e a s o n p f a u t e r h u r t h 集团 h u r t h 于1 9 9 5 年、p f a u t e r 于1 9 9 7 年先后加入g l e a s o n 公司，成为世界最 大的齿轮机床制造商。该集团除不供应齿轮测量中心、刀具刃磨床和蜗杆，螺 纹机床外，可供应圆柱、圆锥齿轮的全部制造设备。以1 9 9 6 年全世界的齿轮 机床销售金额计算：圆柱齿轮机床全世界总销售额5 5 亿美元，其中p f a u t e r 为1 7 5 亿美元，g l e a s o n 和h u r t h 为1 1 6 亿美元，合计2 9 1 亿美元，占世界市 场份额的5 2 9 。圆锥齿轮机床全世界销售额为1 7 5 亿美元，其中g l e a s o n 为 1 4 亿美元，站世界市场份额的8 0 。 ( 2 ) s i g m a p o o l 销售集团 由k l i n g e l n b e r g 、l o r e n z 、l i e b h e r 、o e r l i k o n 、h o l l e r 5 大公司组成。其产 品的覆盖面比g l e a s o n 集团还要广但两者组织结构有所不同。g l e a s o n 集团 的产权已一体化，而后者则是5 家独立的公司，只是组成联合销售集团。该集 团的主要传统市场仍在欧洲，没有确切的数据说明该集团占有世界市场的 份额，据估计约在2 0 左右( 约2 亿美元) 。 ( 3 ) k a p p n i l e s 集团 n i l e s 公司于1 9 9 7 年正式并入k a p p 公司。该集团以圆柱齿轮磨齿机 为主导产品兼供c b n 和金刚石砂轮、滚轮。占有世界齿轮机床市场份额的 约1 0 ( 1 亿美元左右) 。其余均为独立的齿轮机床制造商。包括中国在内的 这批制造商( 总数不超过8 0 家) ，占有世界市场的总份额为3 0 左右( 约3 亿美元) 。目前，这些齿轮机床制造集团生产的插齿机大部分为数控插齿机， 而且技术水平高，代表着当今插齿技术发展的最新潮流。 五十年代，我国就开始制造和使用齿轮插齿机，到了7 0 年代初期，我国 研制成功数控非圆齿轮插齿机等多种型号的数控插齿机，当时的主机是在普通 的机床上加以改装的，加工精度较低。8 0 年代初、中期，采用计算机数控的 插齿机研制成功，控制系统采用日本的f a n u c 3 m 系统，执行机构采用直流 伺服电动机驱动，加工精度可达6 级【3 】。8 0 年代末，9 0 年代初，随着计算机 技术的迅速发展和以现代控制理论为基础的高精度，高速响应数字交流伺服系 统的出现，特别是国家对数控技术和数控机床发展的重视，通过引进技术和科 技攻关，使得一批具有自主知识产权的插齿机数控系统的开发成功。我国数控 齿轮加工机床的研制和生产发展极为迅速，与发达国家的数控齿轮加工机床生 产水平差距不断缩小。 我国主要的齿轮机床厂分别是重庆机床厂、秦川机床厂、天津第一机床 厂、南京第二机床厂，上海机床厂、上海第一机床厂，长江机床厂，汉江机 床厂和青海第二机床厂。年产包括插齿机在内的各种齿轮加工机床共约1 5 0 0 台。从数量上我国是仅次于德国的齿轮机床生产大国。我国在8 万台齿轮机床 中做到了国产化率9 4 。但是齿轮机床数控化率极低，大约只占l ，而且2 0 年以上役龄的齿轮机床占据5 3 ，因此我国齿轮机床的数控化任务非常迫切和 繁重。 我国目前在高性能( 高速、高效、高精度，高寿命、数控) 齿轮机床方面 与西方名牌产品还有较大差距。近1 0 年间( 1 9 9 1 2 0 0 0 ) 进口高档和我国尚 属空白的数控齿轮加工机床耗资2 亿多美元( 数量约5 0 0 台左右，每台进口价 格3 0 3 0 0 万美元) ，年均进口额2 0 0 0 多万美元。如果我国齿轮机床厂产品 今后可完全替代进口，则每个厂可平均增加年销售额2 0 0 0 - - 3 0 0 0 万元。不断 地发展高性能的数控齿轮加工机床，是我国齿轮机床厂今后的努力方向【2 1 。 2 插齿机数控系统的发展 ( 1 )国外插齿机数控系统的发展现状 插齿机数控系统目前有两种发展趋势，一种是以日本f a n u c 公司为代表 的插齿数控系统，该系统不是通过输入参数，进行参数化编程加工，而是通过 g 、m 代码加工程序进行加工，后台对加工程序编译运行，这种加工方法功能 全面，使用灵活，但加工人员必须学习该系统的加工语言，不够方便。另一种 是以法国n u m 公司为代表的插齿数控系统，该系统通过输入参数，进行参数 化编程加工，方便易用。当前在国外，以日本、德国等为代表的发达国家，插 齿机数控系统己发展的非常稳定、可靠、成熟，在世界市场上占有大部分的份 额，国内的数控插齿机大部分采用的是国外的数控系统。 ( 2 )国内插齿机数控系统的研发与应用状况 八、九十年代，国内在插齿机数控系统的研究方面也取得的很大的成果， 这主要有华中理工大学齿扇插齿机数控系统( 与长江机床厂合作) ，合肥工业 大学c i m s 研究所在八十年代后期研制了基于s t d 总线的s t a r - 3 g 、 s t a r - 9 2 0 g 数控系统应用于天津第一机床厂、南京第二机床厂插齿机数控机 床，解决了合肥仪表总厂在非圆齿轮加工中的难题，都取得了较好的效果。但 总体来说，目前我国插齿机数控系统存在着系统不稳定，故障率高等缺点，市 场占有率不高，与国外同类产品相比，还有较大的差距。 1 3 插齿机数控系统的发展趋势 1 向开放式数控系统发展 开放式数控系统要求具有友好的人机界面和开发平台。用户通过这个界面 和平台能自由地执行或表达自己的思路，还可以在该开放系统平台上增加一定 的硬件或软件模块来构成自己的系统。 将插齿机数控系统建立在通用的高性能工业p c 机的软硬件开发平台上， 使我国数控技术的开发和应用与世界先进国家处于同一起跑线，为我们缩小与 世界先进水平的差距提供了不可多得的机遇，因为就采用计算机技术发展新成 果的能力而言，我们与世昴上最先进的数控系统厂家的差距不大或者基本是等 同的。这种开放式的数控系统有如下特点： ( 1 ) 有很强的通用性。 通用的p c 机软硬件平台为数控系统的开发研究提供了丰富的软硬件资 源，节省了许多人力和物力，加快了研制速度。 ( 2 ) 有很强的灵活性。 利用面向对象技术，根据具体机床的需要增删相应的功能模块，满足不同 用户的要求，可以使用由第三方开发的，提供标准接口的功能模块，而不需要 知道核心技术，可以获得更为广泛的图形和数据库的支持，拓展数控系统功能。 2 向具有高速和高精度加工能力的数控系统发展 ( 1 ) 采用高速c p u 或多c p u 结构 3 2 位或6 4 位高速c p u 和r i s c 的采用，缩短了采样周期和程序处理时间， 大大地提高了数据处理和数据传输速度；多c p u 结构使得各c p u 可并行处理 数控系统与p l c 的通讯，系统调度，伺服控制，提高齿轮加工效率。 ( 2 ) 采用直线伺服系统驱动 9 0 年代才出现的直线电机，电磁力直接作用于移动元件而无需机械连接。 由于消除了机械滞后和螺距周期误差，加工精度将显著提高；采用全数字伺服 驱动，刚性高，频响好，可获得每分钟数十米甚至上百米的高速运动。 ( 3 ) 智能化自适应控制 以数控齿轮加工机床的状态( 包括温度，应力，应变等) 作为反馈，实时 调整机床的切削用量，以保证更高的可靠性和加工精度：增加热变形误差，应 力误差等误差自动补偿功能提高加工精度。 3 向体现齿轮加工专业化，个性化，灵活性的数控系统发展 ( 1 ) 齿轮加工是具有很强专业特点的领域 这要求插齿机数控系统具有非常友好的操作界面和强大的自动编程功能， 如图形化的用户界面，可提供在线帮助及优化工艺参数的强大齿轮加工工艺数 据库，参数化的自动编程功能。 ( 2 ) 软硬结合的展成运动 将展成运动的定传动比和变传动比结合起来，既保持了软件插补控制柔 性，能加工圆柱，非圆齿轮和任意修形的齿轮，又具有硬件控制的高速响应的 特点。 4 向网络化的数控系统发展 国内齿轮生产企业尤其是汽车齿轮生产企业，不仅急需数控齿轮加工机 床，而且对齿轮加工成套设备和柔性生产线的需求日益迫切。因此需要尽快开 发和提供基于现代网络信息技术( 现场总线，局域网，i n t e m e t i n t r a n e t 等) 的 新型柔性制造系统或准柔性制造系统，实现网络化分布制造，异地或跨国制造， 远程培训，远程诊断等功能，从而促进齿轮制造业的跨越式高速发展。 1 4 课题研究的背景、内容及意义 该课题是国家“九五”重点科技攻关项目“圆柱齿轮( 轴) 准柔性自动生 产线的研究开发”的延伸和扩展，也是合肥工业大学c i m s 研究所长期的科研 方向。目前，我国的绝大部分齿轮仍采用普通齿轮加工机床加工，其精度等级 和生产效率难以满足要求，严重制约了我国制齿行业和相关行业的发展。我国 齿轮加工机床的数控化率相当低，据有关资料显示，到1 9 9 5 年底，我国拥有 的8 万余台齿轮加工机床中，仅有数控齿轮加工机床4 0 0 多台，数控化率不足 1 ，而工业发达国家的齿轮加工机床已全丽走向数控化，如日本1 9 9 6 年的齿 轮机床数控化率达到5 9 。由于齿轮质量达不到技术要求，致使整机质量受到 严重影响，这一点在汽车行业尤其表现突出。而且既使是数控插齿机，由于不 是建立在开放式数控系统上，硬件和软件都由厂家专门制造，具有封闭性，不 利于用户的灵活使用和再开发。 本课题主要研究内容是： 1 开放式数控系统的特点及类型。 2 插齿加工的原理、加工工艺及其插齿加工工艺数据库的建立。 3 p m a c ( 可编程运动控制器) 的特点及在开放式数控系统中的作用。 4 基于p c 机+ p m a c ( 可编程运动控制器) 的硬件结构与软件结构分析。 5 插齿加工的参数化编程与插齿自动加工的计算与控制。 目前国外数控插齿技术的研究已达到了很高的水平，数控插齿机床的使用 非常普遍。相对而言，我国数控插齿技术研究还比较落后，生产数控插齿机床 的厂家不多，插齿数控系统更是大多从国外购买，生产出的产品在品种、质量 等方面与国外有较大的差距，远远满足不了国民经济迅速发展的需要。合肥工 业大学c i m s 所长期以来一直从事数控技术方面的研究，特别在齿轮数控加工 领域积累了较丰富的第一手资料，取得了比较好的实际成果。本论文所论述的 基于w i n d o w s 的开放式插齿机数控系统进一步弥补和完善国内在插齿机数控 系统的研究，与数控系统当前的发展趋势相一致，具有一定的先进性。 第二章数控插齿机的工作原理及插齿工艺 2 1 数控插齿机简介 1 插齿原理 两圆柱齿轮啮合滚动时，遵循包络线原理【4 j ： f 1 ) 两啮合齿轮的渐开线轮齿齿形都是包络线。 ( 2 ) 当已知一个齿轮的齿形是渐开线及已知两个节圆直径时，在两个节圆 作纯滚动时，另一个相啮合的齿轮的轮齿齿形就是一族己知渐开线齿形的包络 线，这条包络线一定是渐开线。包络线原理示意图如图2 1 。 插齿机的插齿刀在加工齿轮时，就是利用圆柱齿轮的啮合原理进行的。所 以，用插齿刀在齿坯上切出渐开线轮齿显然也是按包络线原理进行的。当插齿 刀作上下的往复运动时，插齿刀的节圆与被切齿轮的假想节圆作纯滚动。在每 一瞬时，插齿刀就在被切齿轮的齿槽间切下一层金属层，在连续展成切削过程 中，插齿刀的刀齿就把齿槽中间的金属层一刀一刀地切掉，丽形成渐开线轮齿。 图2 1包络线原理示意圈 线渐开线 2 插齿机分类及适用范围 插齿机按其工件轴线的空问位置方式，分为立式插齿机和卧式插齿机两 类。 ( 1 ) 立式插齿机插齿机的工作轴线与插齿刀轴线均为垂直布置。在此 种类型中，有些插齿机工作台固定，立柱与刀架同时作径向移动，而有的插齿 机则立柱固定，工作台作径向移动。当前c n c 型插齿机多为立式。工作台固 定的插齿机有利于上下工件和清除切屑。 ( 2 ) 卧式插齿机其工件轴线为水平布置。此种布局多为大型插齿机所 采用，以便加工大型人字齿轮，轴齿轮等工件。当前c n c 型卧式插齿机尚不 多见。图2 2 为立式插齿机的型式，图2 3 为卧式插齿机型式。 数控插齿机的加工范围比普通插齿机大得多。采用计算机数字控制装置， 通过数字代码形式的程序指令，控制插齿机的分度展成运动和各种进给运动， 实现柔性自动加工。除能加工内、外齿圆柱直齿轮和斜齿轮外，使用特殊刀具， 还可加工各种轮廓工件，可成批生产非圆齿轮，变速比齿扇和多边形状的工件 等，加工精度比普通插齿机可提高l 级；还可加工各种腰形轮和凸轮等异形轮 廓工件。用数控插齿机加工出的凸轮，其径向误差可保证不超过o 0 2 0 0 3 m m 。 我国数控插齿机的出厂精度均按加工圆柱直齿轮来考核，加工精度可达6 级， 最高可达5 级，表面粗糙度不大于r a3 2 u m 。 3 数控插齿机的加工柔性 数控插齿机机械传动结构大为简化，传动链短，机床刚度高，采用闭环或 半闭环控制，以提高传动精度。同时，可通过各坐标运动很小的脉冲当量来提 高编程精度。数控插齿机般为四轴数控，即刀轴回转、工作台回转、工作台 移动( 或立柱移动) 、刀轴上下主切削运动四个坐标运动采用数控。数控插齿 机通常采用展成法加工，故数控插齿机加工时的各个运动与一般插齿机相同， 只是刀轴回转、工作台回转、工作台移动( 或立柱移动) 以及刀轴主切削运动 四者之间无机械上的传动联系，而是通过数控系统和加工程序控制四者之间的 内在联系。加工时的切削用量，如刀具冲程数、圆周进给量、径向进给量、切 入深度和切入次数，以及粗、精插切削用量的自动变换，均由预先编好的程序 来控制。加工过程中的一些辅助运动，如工作台的快速趋近和退出，工件夹紧 和松开切削液供给和刀具往复运动的起动和停止，也均由程序控制。此外， 还可由手动、点动按钮进行点动或连续控制各数控坐标轴的快慢速运动，以满 足加工调整的需要【5 1 。 4 数控插齿机传动链 国内外数控插齿机的传动链大同小异，主要有如下几个部分组成。 ( 1 ) 主运动为插齿刀刀轴的上下往复运动其运动由伺服电机经v 带 轮，滑移齿轮，曲柄轴，经球连杆机构使插齿刀刀轴作上下往复运动。 ( 2 ) 让刀运动机床采用让刀凸轮和让刀斜铁实现让刀运动当曲柄盘 转动时，经齿轮副，锥齿轮副将运动传至让刀凸轮，让刀凸轮推动让刀楔铁以 实现让刀运动。 ( 3 ) 展成运动为联接工件到插齿刀的传动链，又称分齿传动链或内传动 链。由于数控插齿机床采用电机单独驱动工件和刀具回转。其滚切比的大小与 控制两个伺服电机的坐标量有关。由于输入的坐标量的比例可任意改变，故不 论工件和插齿机的齿数为多少均可加工。 图2 2 工作台径向移动的立式插齿机的型式 b 轴( j - 脚：f- c 轴 、 lh x 轴f 图2 3卧式插齿机的型式 ( 4 ) 径向进给运动插齿时，工件或插齿刀需作径向移动，以实现切削 运动。其运动由伺服电机直接带动滚珠丝杆副，使工作台作径向童线移动。调 整伺服电机的转速便可得到各自不同的移动速度量。径向进给量常以插齿刀刀 轴每一往复行程中，工作台径向移动量计算。整个传动链如图2 4 所示。 5 数控插齿机的结构特点数控插齿机与传统的插齿机在结构上有特殊 的区别： ( 1 ) 传动链传统的插齿机，其滚切、径向进给、圆周进给及让刀等运 动均与插齿刀刀轴的往复行程运动有关，大多由一个电动机传动，用若干中间 传动元件相联系，而c n c 插齿机其主要运动如圆周进给运动、径向进给运动、 刀具的回转运动及工作台回转运动，则分别由电机各自驱动而与主运动的关系 解脱，因之大量的中间传动元件被取消，从而使各自的传动链变短，相对传动 精度提高。 ( 2 ) 刀架和工作台传统的插齿机，刀具回转蜗轮副与工作台回转蜗轮 广 广 l 一一一j 图2 4数控插齿机传动链示意图 副之间的传动关系( 展成运动) 由机械传动相联系，用分度挂轮等元件以实现 滚切运动。这些中间传动元件，在数控插齿机中已被“电子联结”所替代，且 简化了机构，为提高刀架和工作台的刚度提供了条件。刚度的提高有利于提高 插齿机的生产效率和精度。 ( 3 ) 立柱和床身由于数控插齿机的传动链都很短，结构变为简单，因 此可以广选方案，设计出刚度极佳的立柱和床身，避免热变形和提高稳定性， 从而进一步提高机床的加工精度和可靠性。 2 2 数控插齿机加工齿轮的工艺 2 2 1 插齿刀精度和插齿工艺参数选用 1 插齿刀精度的选用 插齿刀分三种形式和三种精度等级。 三利t 形式为： i 型盘形直齿插齿刀 i i 型碗形直齿插齿刀 i i i 型锥柄直齿插齿刀 三种精度等级为i6 】：a a 、a 、b 级，分别用于加工6 8 级精度的圆柱齿轮。 加工6 级精度的齿轮，选用a a 级精度的插齿刀，加工7 级和8 级精度的齿轮， 分别选用a 级和b 级精度的插齿刀。盘形插齿刀应用最为普遍，碗形插齿刀 适合于塔形或带凸肩的齿轮，锥柄插齿刀适合加工内齿轮。 2 切削速度的选择 切削速度的选择取决于机床性能状态，齿轮材料，插齿刀材料，精度要求 以及切齿所用切削液的性能等。切削速度还必须与圆周进给量的大小相适应， 后者又与齿轮模数大小有关。高速钢插齿刀切削速度一般为1 4 2 8 m m i n ，插 齿刀切削速度v ( r n m i n ) 是根据每分钟冲程数r t 和插齿刀的冲程长度l 计算。 即 v 2 n l ：些 1 0 0 0 5 0 0 一般切削速度取值如下表【7 1 圆周进给 切削速度( 州m i n ) 量 实体齿坯粗、精插齿开槽后精插齿 模数( m m l f c ( m m d s t ) 246 81 0 1 22 1 2 0 1 04 l3 32 82 52 32 1 o ，1 33 62 92 42 22 01 9 0 1 63 22 62 22 01 81 74 4 0 2 02 92 32 01 81 71 63 9 0 f 2 62 52 11 71 61 51 43 4 0 3 22 31 81 51 41 31 33 1 0 4 22 01 61 41 31 21 22 5 0 5 2181 41 21 11 01 0 刀粗 57 具插 耐 5 用 精 4 插 度 表2 1 切削速度取值表 3 插齿刀冲程长度 根据工件齿宽b 及超越量确定，即 l = b + x 4 插齿走刀次数按下表选取 插削钢质( 2 2 0 h b ) 齿轮的走刀次数 模数走刀此数 ( m m )粗切半精切精切合计 2 31 1 4 6112 7 1 2l11 3 1 4 2 02114 2 0 3 03115 表2 2 走刀次数取值表 5 插齿刀每分钟的冲程次数n ，是根据插齿刀行程长度l 和切削速度v 决 定的。 n = 1 0 0 0 v 2 l ( d s v m i n ) ，d s t 为插齿刀的一个冲程 6 圆周进给量速率按下表：( 工件材质：碳素钢1 9 0 h b ，铸铁1 7 0 2 0 7 h b ) 加工性模数 机床传动功率( k w ) 5 0 质( m m ) 圆周进给量速率f c ( m m s 1 2 4o 3 50 4 5 5o 2 50 4 0 粗 6o 2 00 3 50 4 5 插 齿 80 - 3 50 4 5 1 0o 2 5o 3 5 1 2o 1 5o 2 5 精插齿2 1 20 2 5 0 3 5 表2 3圆周进给量速率取值表 材料硬度改变时。圆周进给量速率的修正系数如下： i 材质硬度 1 9 0 2 2 0 2 4 0 2 9 0 1 9 0 lh b2 2 02 4 02 9 03 2 0 | 修正系数 10 9o 8o 70 6 表2 4圆周进给量速率修正表 7 径向进给量速率按下式计算： f r = ( o 1 o 3 ) f o ( m m s ) 2 2 2 插齿的调整计算 1 插齿刀的安装调整 插齿刀具安装除了要保证刀具行程长度的要求外，在插齿刀安装夹紧后， 应转动插齿机主轴，检验插齿刀外圆跳动量和前刀面跳动量，使之在规定的范 围内。 2 心轴，夹具及工件的安装调整。 3 插齿刀相对于齿坯的初始位置。 安装插齿刀时，应使插齿刀齿顶与齿坯接触，这样可保证切入齿坯深度的 准确性。 4 插齿刀往复行程的调整 插齿刀每分钟的往复行程数与插齿刀行程长度l 和切削速度v 有关。一 般插齿刀的超程量取1 5 m m l 3 o m m 5 插齿刀切入深度的调整 插齿刀切入深度与齿轮的模数，材料，硬度，精度等级和插齿刀材料有关。 首先确定自动循环的次数，然后根据被加工齿轮的全齿面来分配余量。 6 刀具齿数的选择 在齿轮结构和设备允许的情况下，选用齿数较多的刀具，对于加工齿轮齿 数较少时，为避免根切，应按照有关的资料来选择插齿刀最小齿数。 2 2 3 插齿的加工过程 插齿的加工过程包括径向圆周加工和切向圆周加工两种加工过程。径向圆 周加工是先使刀具沿径向加工到一定齿深，再沿圆周展成加工出全部轮齿，一 次加工循环完成，然后再根据加工工艺确定是否进行第二次、第三次进刀加工 循环。切向圆周加工是刀具一边沿径向加工一边沿圆周切向展成加工，在1 n 圆周处达到要求的齿深，径向移动停止，刀具再继续沿圆周运动把剩下的轮齿 加工出来，一次加工循环完成，然后再根据加工工艺确定是否进行第二次、第 三次进刀加工循环。一般大部分插齿加工均采用切向圆周加工，只有在加工小 模数齿轮时才考虑用径向加工。在数控插齿机中，采用切向圆周加工时，当加 工l n 圆周段，进行三轴控制，即刀具与工件的转动量以及径向进给量。在接 下来的一个圆周段，进行两轴控制，即刀具与工件的转动量控制。下图2 5 为两种加工过程的示意图。 x 加工刀具- j 渊 x 齿轮 a 切向切入后再滚切 x 、c 轴 加工刀兵、：! 歹一， x b 、c 轴展成运动 b 径向切入后再滚切 b 、c 轴展成运动 图2 5加工模式示意图 4 第三章开放式数腔系统及开放式数控系统中盼运事撼十号 3 1开放式数控系统 3 1 1 开放式数控系统的发展现状 当前世界上的c n c 控制器制造商生产的c n c 系统，大多是专用设备，在 结构上提供给用户有限的选择，用户无法对现有数控设各的功能进行修改以满 足自己特殊需求；各种厂商提供给用户系统的操作方式各不相同，用户在培训 人员、设备维护等方面要投入大量的时间与资金；当今的c n c 处于d n c 和 f m s 环境中，同时还与c a d c a m c a p p 等系统实现通信，过去的封闭式c n c 系统，没有共同的编程语言，缺乏标准的人机接口。上述这些问题都严重阻碍 了c n c 制造商、系统集成者和用户采用快速丽有创造性地解决当今制造环境 中数控加工和系统集成的问题。c n c 制造商、系统集成者、用户都希望“开 放化的控制器”，能够自由地选择c n c 装置、驱动装置、伺服电机、应用软件 等数控系统的各个构成要素，并能够采用规范的、简便的方法将这些构成要素 组合起来捧j 。 欧洲、美国、日本为了适应开放式数控系统发展的要求，一些研究机构和 生产厂商先后开展了开放式数控的研究。各自成立了开放式数控的研究机构， 发展计划的代号分别为欧洲的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l w i t h i na u t o m a t i o n ) 、美国的o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 、 日本的o s e ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n t ) 。目前，国际上与开放式数控相关的 项目比较多，但是最具影响力的仍是o s a c a 、o m a c 、o s e ，因而这3 个计 划的发展现状基本上代表了开放式数控的发展现状。 o s a c a 自1 9 9 2 年5 月正式启动，目前已进入第三阶段，主要取得下述 成果： 1 定义了中性的( 即不依附于任何厂家的) 开放式数控系统的基本规范。 2 拟订了中性的可适用于数控系统、机器人、可编程逻辑控制器和单元 控制器的统一的参考结构。 3 开发了第一批示范性的应用软件模块( o s a c a a p i ) 。 o m a c 自1 9 9 4 年1 2 月由c h r y s l e r 、f o r d 和g e n e r a lm o t o r s 公布了“开 放的模块化结构控制器( o m a c ) 在汽车工业中的需求”的文件，1 9 9 7 年2 月1 4 日，g e n e r a lm o t o r sp o w e r t r a i ng r o u p ( g m p t g ) 建议成立了o m a c 。目 前已经具有8 0 多家研究机构、9 家o e m ，1 6 家用户参与该组织，主要取得以 f 成就： 1 定义了标准化的o m a ca p i ，使得用户可以充分发挥自己的主动性， 装入自己的所需的特殊功能。 2 利用w i n d o wo s ，可以充分利用现有的个人计算机资源。 3 以实时操作系统为核心，提供高性能的控制功能。 4 利用实时数据库，可实现数据的高效、便携化。 o s e 自1 9 9 4 年1 2 月由6 家企业发起，如今己发展成为具有1 8 家企业和 1 个团体的具有较大影响力的组织 8 j 。1 9 9 5 年o s e 公布了“o s e c i ”，1 9 9 6 年公布了“o s e c i i ”，同时还展示了3 台验证系统。主要取得以下成就 9 1 ： 1 提出了开放式数控系统的参照模型，并将其具体化。 2 开发了基于p c 的人机接口系统。 3 提出并开发了新的n c 语言o s e l 。 4 开发了用于机床控制的接口( o s e ca p i ) 及语言处理器。 这些组织在本国或本地区都鼓励企业参与研究与决策工作，并且推出了一 系列示范性的产品。 我国的数控技术，在“八五”攻关中，不失时机地提出了以自主版权为目 标，以平台为基础的发展战略，而且在攻关过程中，瞄准或调整到以p c 机为 基础的发展路线上，并以此形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中华 中i 型和中华i 型是将数控专用模板嵌入通用p c 机构成的单机数控系统，航 天i 型和兰天i 型是将p c 机嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成典型 的前后台型结构，国内其它单位也都先后开发了基于p c 的数控系统，如合肥 工业大学c i m s 研究所的s t a r 系列数控系统。然而就总体而论，还仅仅处于 开始阶段，虽然各个系统都向p c 平台方向发展，但在具体的实麓开发中仍然 存在一些问题。最大的问题即是开放性不够、开发环境和支持手段不足，要作 为用户方便地进行二次开发的开放程度还远未达到，只是具有相当技术力量的 开发单位刁。能使用，而作为能够普及到般用户的程度则还远远不够。利用 p c 机设计数控系统使得c n c 的重点由硬件转向软件，为我国的数控发展消除 了硬件上的“瓶颈”制约，从而可能加快生产出实用产品。而且基于p c 数控 系统毕竟使c n c 向开放性体系结构迈出了一大步i l 们。 3 1 2 开放式数控系统的特点 人们越来越希望能够自由地选择c n c 装置、伺服放大器、执行单元、传 感器、p l c 等外部设备，而且能够具有与外部信息高度的通讯功能，使c n c 装冠能够灵活运用在综合化的生产环境中。所谓开放数控，就是指机床制造厂 ( c n c 的中间用户) 和机床用户( c n c 的最终用户) 能够更改、添加c n c 6 装置的功能，并能够实现整个装景价格的廉价化。 目前对于开放数控的具体定义还存在争论，一般丽言，开放数控应该具有 以下特点j ： 1 由一系列逻辑上独立的构成要素组成，各要素应是模块化的；系统应 具有“连续升级”的能力。 2 全方位的开放式结构，提供系统各个构成要素与系统之间接口的完善 的规范和标准，来自不同厂商的符合规范的构成要素能够构成一个完整的数控 系统：无论是上位机程序还是下位机程序需要改进或扩充，都能保证相对的独 立性，只要相互遵守或建立一定的协议即可，数控功能的实现完全取决软件的 编制和硬件的配置：系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”； 其开放级别应可分三级： 程序员级一向数控系统厂商开放，允许不同数控厂商将自己开发的应用模块 联入系统。 系统级向机床厂商开放，提供环境以方便机床厂商作二次开发。 用户级向最终用户开放，提供工具且允许最终用户作二次开发。 3 能够实现与其它自动化系统或软件模块的互操作。 4 能够提供一致性好的人机界面( m m i ) 。 5 可以实现远程制造。由于网络技术的利用，使得远程控制成为可能。如 在w i n 9 x n t 开放式数控系统中，上位机与下位机的距离可以很大，上位机位 于环境优雅的办公室，下位机位于生产现场。甚至于由工作站或远程设计的产 品可以通过网络传给上位机，进行制造，当然，这种模式可以有多种方式。 3 1 3 开放数控系统技术的思想及原理 当数控机床进入分布式控s t j ( d n c ) 和柔性制造系统f f m s ) 环境，甚至要求 与c a d c a p p c a m 等信息系统通信后，原有的以单机服务为对象的c n c 装置 就显得不够用了，新的环境要求c n c 装置进一步向开放式数控系统转化。开放 式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的 应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点，即系统 组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化【l “。开放式c n c 的产生源 于微机系统技术的发展，在p c 系统中，作为主流操作系统之一的m s d o s 提 供了一个实时性很强的操作平台，而且微软正着手将w i n d o w sc e 操作系统转 变为实时操作系统。w i n d o w s9 x n t 以其一致的图形界面风格、完善的内存 管理、友善直观的操作方式被广泛接受。随着计算机软、硬件升级换代步伐的 加快和控制系统的多样化，封闭式数控系统的弊端越来越明显。所以，美国、欧 洲、日本等都在进行数控系统开放性研究，各大数控系统制造商都在致力于推 出以p c 机作为硬件平台、w i n d o w s9 x n t 作为软件开发平台的开放武数控系 统。新的开放系统主要体现以下思路l i ”： 1 最大限度地利用p c 软硬件 数控控制的p c 化是实现开放式数控的比较现实的途径。p c 从产生到现 在，可靠性和计算能力飞速增长，硬件已完全实现标准化，这些使得它更加适 合于在工业环境下使用。p c 具有充足的的支持软件来改