（机械制造及其自动化专业论文）六轴数控滚齿机的研制.pdf

六轴数控滚齿机的研制 摘要 本文首先从工作轴系、运动关系、操作模式、控制原理等方面介绍了六轴 数控滚齿机y k x 3l 3 2 g 的工作原理及其对数控系统的要求，然后研究了滚齿机数 控系统的体系结构，并在此基础上研制和开发了s t a r 一2 0 0 0 c 滚齿机数控系统。 7 同时，本文对基于软件控制的滚齿机数控系统中三项关键技术进行了深入 研究：采用软件控制方法实现数控滚齿机的六轴控制五轴联动和变传动比加工； 基j 二浮点部件的插补算法，保证展成运动和差动运动中浮点数据的处理精度， 从而加工出高精度的齿轮；通过对滚刀主轴转角位置检测编码器脉冲的采样滤 波和补偿控制技术，解决了加工过程中滚刀振动、电气干扰等原因引起的脉冲 计数不准问题，使工件主轴能够准确地同步跟踪滚刀主轴。 最后，本文还提出了采用w i n d o w sc e3 0 操作系统作为开放式数控系统软 件乎台的设想，并初步探讨了基于w i n d o w sc e3 0 的开放式滚齿机数控系统的 体系结构矗一 关键词：齿轮数控滚齿机数控系统w i n d o w sc e 、 d e v e i o p i n go f s i x a x isc n ch o b b i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h et h e s i sd e a lw i t ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e mo fs i x a x i s c n ch o b b i n gm a c h i n e f i r s t ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e o fs i x a x i sc n ch o b b i n g m a c h i n ea n di t sr e q u e s t st ot h ec n c s y s t e mw a si n v e s t i g a t e df r o ma s p e c t so f w o r k a x e s 、m o v e m e n tr e l a t i o n s h i p 、o p e r a t i o nm o d ea n dc o n t r o l l i n gp r i n c i p l e ；t h e n ，b a s e d o nt h e s t u d y o nh o b b i n gc n cs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h e h o b b i n g c n cs y s t e m s t a r 一2 0 0 0 gi sd e v e l o p e d t h r e ek e yt e c h n i q u e so fs o f t w a r e c o n t r o l l e dh o b b i n gc n cs y s t e ma r cs t u d i e d a n dp r e s e n t e di nt h et h e s i st h e ya r e 1 ) t h et e c h n i q u e o f f i v e a x i s i n t e r p o l a t i o n c o n t r o la n dv a r i a b l e - t r a n s m i s s i o n r a t i o c o n t r o lo f g e a rc u t t i n g 2 ) t h et e c h n i q u eo fu s i n g f l o a tp o i n tu n i tt op r o c e s sf l o a td a t aw h i c h a p p e a r s i ni n t e r p o l a t i o n i tc a ne n s u r et h ep r e c i s i o no fc o m p l e xi n t e r p o l a t i o n 3 ) t h et e c h n i q u eo fs a m p l i n gf l i t t i n g a n dc o m p e n s a t i n gc o n t r o lo fp u l s e w h i c ha r eg e n e r a t e db ye n c o d e rl i n k e dt oh o bs p i n d l ea n dd r i v e st h ew o r k p i e c e s p i n d l et r a c k i n gh o bs p i n d l es y n c h r o n o u s l y a tl a s t ，t h ei d e ao f d e v e l o p i n gt h ew i n d o w s c e - b a s e do p e n a r c h i t e c t u r ec n c s y s t e mi sp r o p o s e d a n daw i n d o w sc eb a s e d o p e n a r c h i t e c t u r eh o b b i n gc n c s y s t e mi sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：g e a r c n c h o b b i n gm a c h i n e c n c s y s t e m w i n d o w sc e 致谢 在我的硕士学位论文完成之际，特别地向我的导师王治森教授致以最衷心 的感谢。感谢导师在我近三年的硕士阶段学习和生活中所给予的无微不至的关 怀；感谢导师在我学位论文的选题、调研、撰写、修改等过程中所给以的悉心 指导。导师严谨的治学态度、献身科研的探索精神、诲人不倦的指导作风、精 湛的学术造诣给我留下了极为深刻的印象，使我终生受益。 感谢合肥工业大学c l m s 所韩江老师、褚学宁老师、杜晓荣老师对我的关 怀与指导。 感谢合肥工业大学c i m s 所何凯老师、张勇老师对我多方面的无私的教导 和帮助。 感谢赵福民博士、吴焱明博士在我课题研制中遇到困难时所给予的热心解 答和指导。 感谢高锷博士自始至终、不厌其繁地帮助我修改和校正我的学位论文。 感谢马治堂师傅，徐万斌老师在我实验时耐心的配合和帮助。 感谢c i m s 所的所有老师、同学、工作人员对我的支持和帮助。 感谢六轴数控滚齿机y k x 3 1 3 2 g 的合作研制单位南京第二机床厂，感谢在 y k x 3 1 3 2 g 调试过程中关心和支持这个项目的所有人员，特别感谢王玉涛工程 师和张金祖工程师。 t 篷生麻中，不扶而直，庆幸遇到了这么多的好老师、好同学和好朋友，从 他们身上学到的许多东西让我受益匪浅。 作者：羽、春为l 葫 日期：2 0 0 1 4 5 7 符号清单 滚刀刀架转角 滚刀主轴 工作台主轴 工件径向 工件切向 工件轴向 展成运动展成系数 滚刀旋转角度 由滚刀旋转引起的工件主轴旋转角度 滚刀头数 加工齿轮齿数 y 轴运动差动系数 y 轴位移 y 轴运动引起的工件主轴附加转动角度 滚刀的安装角 滚刀在工件切向位移 齿轮的法面模数 齿轮的端面模数 z 轴运动差动系数 z 轴运动位移 z 轴运动引起的工件主轴附加转动角度 斜齿轮的斜角 齿轮分度圆上啮合点的位移 齿轮的分度圆直径 z 轴每个采样周期内应分配的脉冲数 z 轴的运动速度 采样频率 z 轴的脉冲当量 y 轴每个采样周期内应分配的脉冲数 y 轴的运动速度 y 轴的脉冲当量 z 轴的脉冲当量 v i b 轴编码器线数 滚刀主轴与编码器的传动比 编码器脉冲信号的倍频 c 轴每个采样周期内应分配的脉冲数 c 轴转动角度 c 轴的脉冲当量 x 轴每个采样周期内应分配的脉冲数 x 轴的运动速度 x 轴的脉冲当量 c 轴每个采样周期内应分配的脉冲数的余数 c 轴每个采样周期内应分配的脉冲数的整数 b 轴编码器的转速 b 轴编码器a 相或b 相脉冲周期 两个基准脉冲信号间b 轴编码器采样脉冲数 b 轴采样脉冲偏差值 一 一 ， 一 一 t 一 蒸辫攀 h的乳呶弧n h 图2 1 图2 2 图2 _ 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 - - 1 0 图4 1 1 图4 一1 2 表5 1 图5 1 图5 2 插图、表格清单 六轴数控滚齿机的 ：作轴系 六轴数控滚齿机y k x 3 1 3 2 g 操作面板示意图 普通滚齿机传动链示意图 三轴数控滚齿机的控制原理图 基于软件控制的六轴数控滚齿机控制原理图 基于硬件控制的六轴数控滚齿机控制原理图 s t a r 一2 0 0 0 g 的硬件结构 s t a r 。2 0 0 0 g 的软件结构 滚刀运动状态的采样示意图 左旋滚刀加工直齿轮的安装图 加工斜齿轮z 轴差动运动 工件的附加转动 五轴联动中各轴插补运算关系图 基于软件控制的五轴联动精插补的实现流程图 展成和差动运动插补运算算法流程图 基于软件控制的采样滤波和补偿控制技术 编码器的输出信号 基准脉冲触发中断连线示意图 采样滤波和补偿控制算法流程图 采样滤波和补偿控制的脉冲补偿流程图 i s r 和i s t 的延迟 生成和定制操作系统平台过程 基于w i n d o w sc e 的实时多任务数控系统的体系结构 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、摩擦、液压等机械传动相比，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 用于机床、汽车、摩托车、农业机械、建筑机械、工程机械、航空、兵器、工 具等领域。齿轮传动正在朝着高效、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，齿轮加工机床将全面走向数控化和 网络化f 2 卅。 1 1 滚齿j j n - r 技术的特点及发展趋势 1 1 1 滚齿加工技术的特点 齿轮加工方法多种多样，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【l 】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【l ，5 】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，特别适合于加工内齿轮和多联齿轮。珩 齿是一种很好的齿轮光整的加工方法，具有减小齿轮粗糙度、降低齿轮噪声等 优点。磨齿是获得高糟度齿轮最有效和最可靠的方法。剃齿主要用于滚齿或插 齿以后的未经淬硬的、不适合磨齿的精密齿轮加工。 滚齿是所有齿轮加工方法中最主要的一种。滚齿机约占整个齿轮加工机床 的4 5 。多数情况下，滚齿用来加工渐开线直齿、斜齿、人字齿轮，只要工件 的模数、压力角与滚刀一致，通过调整机床便可加工出不同齿数和螺旋角的齿 轮。实际上，只要滚刀与工件齿形共轭，也可加工出其他齿形的齿轮如圆弧齿 轮、链轮。滚齿加工技术具有如下优点： ( 1 ) 滚齿既适合于高效率的齿形粗加工，又适合于高精度齿形加工。 ( 2 ) 滚齿适合大批量的齿轮加工，也适合于小批量的齿轮加工。 ( 3 ) 滚齿可加工从直径不足l m m 、模数不足0 1 m m 到直径1 2 m 、模数 4 0 m m 以上的齿轮。 ( 4 ) 滚齿可加工应用于齿轮的各种材料，包括各种软齿面的金属材料和非 金属材料。如果使用硬质合金滚刀，滚齿还可精滚淬火的硬齿面齿轮。 1 1 2 滚齿j n r 技术的发展趋势 滚齿加工技术的发展趋势体现在不断追求加工精度、加工效率、加工柔性 的提高上，并且要求无污染，满足环保要求，具体表现在以下儿个方面【1 , 2 , 6 1 ： ( 1 ) 高速化。因为新型材料滚刀的使用，高速滚切将得到更为广泛的应用， 它极大地提高了滚齿效率，而且还可获得更高的表而光洁度和加工精度。如南 京第二机床厂生产的y s 3 1 2 0 c n c 六轴数控滚齿机及重庆机床厂生产的 y k a 3 1 3 2 六轴数控滚齿机，滚刀转速可达1 0 0 0 转每分钟，工作台转速可达2 0 0 转每分钟，径向和轴向进给可达6 米每分钟i 7 1 。 ( 2 ) 智能化i l 。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。如将热电偶或测量探头放罱于机床 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，可大大增强 滚齿机热变形的误差补偿效果，达到提高齿轮加工精度的目的。 ( 3 ) 集成化1 2 j 。一些滚齿机有集多种加工工艺于一体的趋势。如德国胡尔 特公司( h u r t h ) 的w f 3 5 0 0 滚齿机，将滚齿、插齿、磨齿和齿轮检测集于一 体，更换齿轮加工刀具，即可实现相应的齿轮加工方法，并能同时对加工中的 齿轮进行检测。合肥工业大学c i m s 与重庆机床厂合作生产的y k q 3 4 8 0 1 ”，。2 1 数控滚齿机，与南京第二机床厂合作生产的y k x 3 1 3 2 g 六轴数控滚齿机可加工 各种圆柱齿轮及非圆齿轮。 ( 4 ) 环保化1 6 l 。由于滚齿过程中使用大量的冷却液涉及到环保问题，因 而引起人们的格外关注。滚齿机要求有更密封的罩壳，以防止冷却液的飞溅及 加工过程中的雾气外泄。高速滚齿机的高压冷却液会加剧这种影响，故在防护 罩的设计和用料上将有更多的创新。另外环保化的趋势导致了干式切削趋势的 形成，即不使用或少使用冷却液。铝合金或软性会属采用干式切削没有问题， 但对于铁、钢、镍合金等材料的齿轮，则是个挑战。利波海尔( l i e b h e r ) 的l c 8 2 滚齿机1 2 】、格里森( g l e a s o n ) 公司的p h o e n i x 系列滚齿机【1 3 , 1 4 】便采用了干式滚 齿。 ( 5 ) 数控化【2 “o j 。数控化是滚齿加工技术的最重要的发展方向。数控滚齿 机可大幅度提高齿轮的加工精度、齿轮的生产效率、齿轮加工的柔性。滚齿机 的数控化有如下显著的优点： a 提高了齿轮的生产效率。数控滚齿机的机械传动链大大缩短，六轴数 控滚齿机连展成和差动链也被取消，机床刚性增强，切削用量加大。由于不需 挂轮和行程挡块，机床的调整时问显著缩短，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。 b 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。 c 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【 循环，便于实现小批量多品种的齿轮加工，使数控滚齿机易于与其他种类的机 床组成柔性生产线。数控技术可随意控制滚齿机各轴的运动关系，从而加工出 各种非圆齿轮和修形齿轮。 d 便于采用新的齿轮加工工艺1 2 j 6 】。如六轴数控滚齿机允许在齿轮1 j h j - 过 程中自动窜刀，可延长滚刀的使用寿命。 滚齿数控加工技术的发展和广泛应用为我国的制齿业的迅速发展和赶超工 业发达国家的制齿业提供了良好的条件f 7 “。 1 2 国内外滚齿数控z j n - r 技术的现状 具有现代机床基本特征的滚齿机产生于1 9 世纪末。国际上生产滚齿机的主 要国家是德国、日本、俄国、英国、美国等国家。这些国家生产的滚齿机占了 大部分的滚齿机市场。我国生产滚齿机的历史从1 9 5 3 年开始。我国目前已进入 世界滚齿机制造的主要国家行列。国产普通滚齿机品种系列齐全，可以满足国 内各种行业用户的需要，并且还有少量产品进入国际市场1 , 3 , 4 1 。 1 2 1国内外数控滚齿机生产情况 与其它数控机床相比，滚齿数控加工技术难度大，是非常专业化的领域， 因而起步较晚。直到8 0 年代以后，国外才出现商品化的全功能的数控滚齿机， 数控滚齿机开始小批量推向市场。高水平的全功能的六轴数控滚齿机现已成为 国际滚齿机市场的主流产品1 1 1 。国际上数控滚齿机制造商有三大集团 2 1 ，其数 控滚齿机总产量占世界滚齿机市场总份额的7 0 左右。它们分别是：( 1 ) g l e a s o n p f a u e r h u r t h 集团；( 2 ) s i g m a p o o l 销售集团；( 3 ) k a p p f n i l e s 集 团。包括我国在内的数控滚齿机独立制造商的产量约占总市场的3 0 。 早在7 0 年代，我国即开始研制数控齿轮加工机床，先后研制成功数控非圆 齿轮插齿机和数控非圆铣齿机【f ”。当时主机是在普通的机床上加以改装的，加 工精度较低。近年来，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，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。 国内生产数控齿轮加工机床的企业主要有 7 , 9 1 ：重庆机床厂、天津第一机床总厂、 南京第二机床厂、上海机床厂、秦川发展集团等企业。它们已形成了数控齿轮 加工机床模块化、系列化规模生产【7 i ，已经能基本上满足我国制齿行业的中低 档数控齿轮加工机床的需要，并少量出口国际市场。其中，重庆机床厂和南京 第- * j r 床厂生产的数控滚齿机占领了国内绝大部分的市场。国内的数控滚齿机 以二轴和六轴数控滚齿机为主。南京第二机床厂的y k x 3 1 3 2 和重庆机床厂的 y k x 3 1 3 2 即属于二轴数控滚齿机。南京第二机床厂生产的y s 3 1 2 0 c n c 高速六 轴数控滚齿机和重庆机床厂生产的y k a 3 1 3 2 高效型六轴四联动数控滚齿机代 表了目前国内数控滚齿机生产的最高水平，其主要性能和技术指标已接近或达 到国际先进水平【7 】，经专家鉴定，可部分完成替代进口同类机床的任务。 1 2 2 国内外滚齿机数控系统研制现状 目前国际上大的数控滚齿机生产商大多配置自行研制的专用滚齿机数控系 统，也有部分厂商在通用数控系统基础上添加齿轮加工所需的特有功能模块， 形成齿轮加工数控系统【2 】。s i m e n s 的8 4 0 c 滚齿机数控系统，即是在其普通的 加工中心数控系统的基础上加上电子齿轮和一些齿轮加工所特有的功能( 展成 运动和差动运动等) 而成为齿轮加工数控系统，它仍然采用普通数控机床的g 代码编程，没有适合于齿轮加工特点的参数化自动编程功能，因此不能反映齿 轮加工的特点。法国n u m 公司有一系列专门为齿轮加工( 包括滚齿) 开发的 数控系统【捕1 ，但是这些齿轮加工数控系统的专门化程度仍然不够，在展成运动、 分齿运动和差动运动控制方面，仍然采用硬件为主的电子齿轮方案，缺乏灵活 性，加工中不能改变传动比，不能加工非圆齿轮和变传动比齿轮，也难于实现 灵活的齿形修形，而且操作界面没有汉化，我国用户使用极不方便。全功能滚 齿机数控系统在国外占了主导地位，真正体现齿轮加工专业特点的开放式数控 系统很少。国外滚齿机数控系统价格昂贵，s i m e n s 的8 4 0 c 滚齿机数控系统 目前售价为4 0 5 0 万元人民币，而n u m 的专用滚齿机数控系统7 6 0 e 售价更高。 由于技术保密，在这些数控系统上的二次开发相当困难。这对我国的数控滚齿 机的生产和研制产生很大的消极影响。开发拥有自主知识版权的、基于高性能 工业p c 机的、开放的、跨平台的先进滚齿数控系统势在必行。 尽管我国的数控滚齿机生产发展很快，但国内的滚齿机数控系统的研制却 相对滞后，更是远远落后于国外。迄今为止，国内数控系统市场上还没出现商 品化的滚齿机数控系统。南京第二机床厂和重庆机床厂的二轴和六轴数控滚齿 机所配的滚齿机数控系统几乎全是国外研制生产的。重庆机床厂的y k a 3 1 3 2 六轴数控滚齿机配置法国n u m 公司的专用滚齿机数控系统7 6 0 e ，而南京第二 机床厂的y s 3 1 2 0 c n c 六轴数控滚齿机配置德国s i m e n s 公司的8 4 0 c 数控系 统【7 1 。其中也有极个别情况：重庆机床厂的y k q 3 4 8 0 配置合肥工业大学c i m s 所开发的s t a r 9 3 0 e 滚齿机数控系统叫2 1 ，已被合肥仪表厂用来加工非圆齿 轮；南京第二机床厂的y k x 3 1 3 2 g 六轴数控滚齿机配置本文所要研究的全功能 4 六轴数控滚齿机的数控系统s t a r 2 0 0 0 g 。 国内从事齿轮加工数控系统研制的单位有很多【2 】，如合肥工业大学c 1 m s 所、甘肃工业大学、西安交通大学等科研单位和一些数控系统生产商，已经拥 有了自主知识版权的插齿机、铣齿机等齿轮加工数控系统。但对滚齿机数控系 统进行研究的主要是合肥工业大学c i m s 所。合肥工业大学c i m s 所在c n c 齿轮加工数控技术的研究与丌发上已经积累了丰富的经验，在齿轮数控加工 自动编程和变传动比展成运动数控技术等方面进行了深入的研究并取得了实际 成果。在1 9 9 6 年，合肥工业大学c i m s 所研制开发的s t a r 。9 3 0 e 滚齿机数控 系统即通过专家鉴定，它采用四轴联动软件插补控制，将滚齿机的固定传动比 加工及变传动比加工合为一体，扩大了滚齿加工范围，可加工圆柱齿轮、斜齿 轮、鼓形齿轮和非圆齿轮 1 ”。九五期间，合肥工业大学c i m s 所又承担了国 家九五重点攻关课题，开始研制六轴数控滚齿机y k x 3 1 3 2 g 及其数控系统 s t a r 一2 0 0 0 g 。 1 3 滚齿机数控系统的发展趋势 一、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 1 9 1 。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。 将滚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1 9 j ，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，我们与世界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，节省了许多的人力和物力，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，而不需要知道其核心技术，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。 二、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【1 8 j 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。配置于南 京第二机床厂y s 3 1 2 0 c n c 六轴数控滚齿机的s i m e n s 的8 4 0 c 滚齿机数控系 统即采用多c p u 结构，使得一个双联齿轮在一分钟内即加工完毕。 ( 2 )采用直线伺服系统驱动【l ”o | 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i l 州 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。 三、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 这要求滚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 5 川。 ( 2 )软硬结合的展成运动1 2 j 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的柔 性，能加工圆柱齿轮、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。 四、向网络化的数控系统发展【2 2 】 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。自1 9 9 6 年以来，国内 用户已提出了对齿轮生产线的定货要求，如天津齿轮厂、重庆青山齿轮厂等向南 京第二机床厂定货的价值上千万的数控齿轮机床生产线。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 r n 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，从而促成齿轮制造业的跨越式高速发展。 1 4 课题来源及目的意义 本课题来源于国家九五重点攻关项目“圆柱齿轮( 轴) 准柔性自动生产线的开 发研究”。它的主要攻关任务是：针对齿轮加工行业，采用国产数控系统建成一 条全部由国产数控机床构成的圆柱齿轮( 轴) 及轴套类零件的准柔性生产线； 研制具有自主知识版权的、基于p c 开放式结构的滚齿机数控系统和国产六轴 数控滚齿机。本文的研究内容即是研制国产六轴数控滚齿机及其数控系统，它 是上述项目的重要组成部分。 6 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$ - 1 1 2 , 3 , 4 1 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 来台，数控化率不足 1 ，而工业发达国家的齿轮加工机床已全面走向数控化，如同本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图纸要求，致使整机质量受到 严重影响，这点在汽车行业表现得尤为严重。为了提高齿轮加工精度和加工效 率，1 9 9 5 年以来，我国大量进口数控齿轮加工机床，其中大部分是中小型的数 控滚齿机、插齿机、剃齿机，而国内急需的高档的、大型的数控滚齿机、数控 磨齿机等数控齿轮加工机床因价格昂贵、技术封锁等原因数量极少。进口一台 大型高档的数控滚齿机，价格达一千万元以上，中档的也需3 0 0 4 0 0 万元。多 轴控制和多轴联动的高档数控滚齿机由于技术垄断性强，被视为战略物资而受 到严密控制。根据国内专家和主要齿轮加工机床厂预测，十五期问我国的齿轮 加工机床数控化率将达到5 0 以上。占有齿轮加工机床总数4 5 以上的滚齿机 的数控化将首当其冲。因此，研制和开发高水平的数控滚齿机和高档的滚齿机 数控系统，意义重大。在这种背景下，九五期间国家提出了研制高档全功能六 轴数控滚齿机和拥有自主知识版权的高档滚齿机数控系统的重要任务。 本文所要研究的全功能六轴数控滚齿机y k x 3 1 3 2 g 将配置自行研制、拥有 自主知识版权、打破国外垄断的高档滚齿机数控系统s t a r 2 0 0 0 g ，它具有六 轴五联动功能，可加工直齿、斜齿、锥齿、鼓型齿、双联齿和多联齿，同时还 可实现高效率的对角线滚齿和变传动比加工，并可加工任意修形的齿轮和非圆 齿轮，而且可实现d n c 和远程诊断，与局域网或i n t r a n e t i n t e m e t 相联。 y k x 3 1 3 2 g 和s t a r 2 0 0 0 g 研制成功后，将填补国内空白，并极大降低全功 能六轴数控滚齿机的价格，提高齿轮加工精度等级和生产效率。研究数控滚齿机 的数控技术，对提高齿轮的加工精度、效率和柔性以及促进我国制齿业和相关行 业的发展，具有重大的理论意义和实际价值。 1 5 论文的内容安排 论文以理论与实际结合作为出发点，对六轴数控滚齿机的数控技术进行了深 入的研究。论文的第二章分析了六轴数控滚齿机的工作原理及其对数控系统的要 求，接着第三章讨论了滚齿机数控系统的体系结构，第四章对基于软件控制的滚 齿机数控系统的三项关键数控技术：六轴五联动技术、浮点数据处理技术、采样 滤波和补偿控制技术进行了深入研究并在s t a r 。2 0 0 0 g 中实现。论文的第五章提 出了研制基于w i n d o w sc e 的丌放式滚齿机数控系统的设想。论文最后一章对研 究的成果进行了总结，并对今后的研究作了进一步的展望。 第二章六轴数控滚齿机y k x 3 13 2 g 的工作原理 y k x 3 1 3 2 g 是南京第二机床厂在高效滚齿机基础上丌发出来的六轴数控滚 齿机。它配置合肥工业大学c i m s 所研制的滚齿机数控系统s t a r 2 0 0 0 g ，足 国家九五重点攻关项目“圆柱齿轮( 轴) 准柔性生产线丌发研究”的重要机床 设备，用来完成圆柱齿轮准柔性生产线的齿形加工。 2 1六轴数控滚齿机y k x 313 2 g 的工作轴系 按工件主轴轴线在空间位置的布置方式的不同，滚齿机可分为立式和卧式 两大类【1 7 l 。卧式滚齿机工件主轴轴线水平布置，多用于加工仪表齿轮。立式滚 齿机工件主轴轴线垂直布嚣，因便于工件装夹多用于大中型齿轮加工。六轴数 控滚齿机y k x 3 1 3 2 g 即属于立轴移动的立式数控滚齿机。 六轴数控滚齿机y k x 3 1 3 2 g 的工作轴系 1 6 , 1 7 l 可由图2 1 所示。 r s 为六轴数控滚齿机y k x 3 1 3 2 g 的径向滑座，a s 为其轴向滑座，t s 为 其切向滑座，f k 为其滚刀架，w t 为其工作台。六轴数控滚齿机的运动坐标按 a 、b 、c 、x 、y 、z 标定为六个轴向。 b 轴为滚刀旋转轴，c 轴为工作台w t 的旋转轴，b 轴和c 轴构成展成运 动，得到齿轮的齿形。为了在齿坯上切出完整的齿轮，滚刀与工件之间还有相 对的工件轴向和径向的进给运动，x 轴为径向滑座r s 的运动轴，x 轴运动即 是工件的径向进给运动；z 轴为轴向滑座a s 的运动轴，z 轴运动是工件的轴向 进给运动。加工过程中，滚刀沿x 轴径向进给得到齿高，滚刀沿z 轴轴向进给 得到齿宽。 为加工不同斜角的斜齿轮，滚刀应扳到相应的角度与之配合，故全功能的 六轴数控滚齿机还应有a 轴运动，a 轴是指滚刀架f k 的转动轴，通过调整滚 刀在a 轴方向上的位置，便可加工出不同角度的斜齿轮。因为滚齿时滚刀的每 个刀齿的切削负荷不同，各刀齿的磨损程度不同，为了充分利用每个刀齿，使 磨损均匀，提高滚刀使用寿命，滚齿机应具有自动窜刀功能y 轴运动。y 轴是指切向滑座t s 的运动轴，滚刀沿y 轴窜刀的次数、大小、方向可以任意 选择。另外，当用对角滚齿滚刀滚切齿轮或用变齿厚涡轮滚刀加工涡轮时，滚 刀也必须沿图2 1 中所示y 轴方向窜刀。 图2 1六轴数控滚齿机的工作轴系 2 2六轴数控滚齿机y k x 3 13 2 g 的各轴运动及相互关系 六轴数控滚齿机各向运动轴能单独动作，也能联动。在滚切齿轮过程中， 由加工程序控制，根据加工齿轮的要求。滚刀的运动轨迹可相对于工作台回转 中心线作往复轴向直线运动，可作倾斜运动，也可作弧形运动。因此，六轴数 控滚齿机具有运动灵活、到位准确、切削精度高、效率高，可完成普通滚齿机 所不能完成的滚切运动，能加工出复杂的齿轮【1 7 j 。 1 六轴数控滚齿机y k x 3 13 2 g 的传动系统f l 6 】 机床主运动( b 轴) ：由y v p 一1 6 0 m 4 型变频电机经三角皮带及齿轮副 传到滚刀主轴。滚刀主轴转角位置检测元件为5 0 0 0 线的旋转编码器，并经1 ： 3 的倍频处理。 工作台回转运动( c 轴) ：由s g m g - - 5 5 a 2 a 型数字交流电机经齿轮和蜗轮 蜗杆副传到工作台主轴。 径向进给运动( x 轴) ：由s g m c - - 3 0 a 2 a b 型数字交流电机经齿轮及滚珠 9 丝杠传到立柱，带动滚刀径向进给，得到齿轮齿高。 轴向进给运动( z 轴) ：由s g m g 3 0 a 2 a a f 型数字交流电机经蜗轮蜗杆 副及滚珠丝杠副传到刀架滑板，带动滚刀轴向进给，得到齿轮齿宽。 切向进给运动( y 轴) ：由s g m g - - 0 9 a 2 a b 型数字交流电机经蜗轮蜗杆剐 及滚珠丝杠副传到刀架，带动滚刀窜刀或对角加工齿轮。 刀架转角运动( a 轴) ：由s g m g 0 9 a 2 a b 型数字交流电机经两对蜗轮蜗 杆副传到刀架，调整滚刀角度，可以加工直齿轮或不同螺旋角的斜齿轮。 2 六轴数控滚齿机y k x 3 1 3 2 g 的各轴间的联动关系 ( 1 ) 展成运动( b c ) 滚齿机使用螺旋滚刀按展成法加工。加工渐丌线齿轮滚刀，理论上相当于 一个法向直廓的蜗杆，经丌槽和铲背后形成切削刃。这些切削刃在滚齿过程中 相当于基本齿条与被加工齿轮相啮合。随着滚刀旋转，分布在螺旋面上的切削 刃沿着工件切向移动。当滚刀( b 轴) 与工件( c 轴) 转速比等于工件齿数与 滚刀头数比、转向合拍，切削刃所形成的切向移动速度等于工件分度圆圆周的 线速度，从而形成展成运动，加工出渐开线齿轮。 ( 2 ) z 轴差动运动( z c ) 在加工斜齿轮时，由于斜齿轮的齿向与工件轴向( z 轴) 有一斜角，为了 得到正确的斜齿轮的齿向，滚刀沿z 轴轴向进给加工时，工作台( c 轴) 应有 附加转动，这种情况下的z _ 一c 联动即为z 轴差动运动。 ( 3 ) y 轴差动运动( y c ) 滚刀加工渐开线齿轮过程，可看作是滚刀基本齿条和加工齿轮的啮合。齿 条和齿轮啮合时，齿条的移动必定带来齿轮的转动。在实际加工中，滚刀沿y 轴切向窜刀或对角滚切齿轮时，工作台也应有附加转动，这种情况下的y c 联动称为y 轴差动运动。 ( 4 ) 齿向滚切联动关系( b c x z ) 加工鼓形齿和小锥度齿时，要求b c x z 四轴联动，其中x z 两轴 联动形成正确的齿向。 ( 5 ) 齿形滚切联动关系( b c x z ) 加工非圆齿轮时，展成运动的传动比和滚刀的x 轴位鼹不停变化，要求b c x z 四轴联动，其中b c x 三轴联动得到正确的齿形。 ( 6 ) 对角滚切齿轮联动关系( b c y z _ 一x ) 如果采用对角滚切齿轮或在滚切过程中自动窜刀，则要求五轴联动。 ( 7 ) 双联齿轮和多联齿轮联动关系( b c x z a ) 双联或多联齿轮的每个齿轮斜角、齿数等参数都有可能不同，这就要求在 其中上联齿轮加工完毕后，应该调整滚刀的角度加工下联的不同螺旋角的齿轮。 2 3六轴数控滚齿机y k x 3 13 2 g 的操作面板 除了可使用滚齿机数控系统的菜单和功能键f 1 一f 8 对六轴数控滚齿机 y k x 3 1 3 2 g 进行操作，还可使用操作面板上的按钮进行操作。大部分操作面板 上的按钮、选择器的功能须由数控系统来实现。六轴数控滚齿机y k x 3 1 3 2 g 的 操作面板有如下按钮、选择器，如图2 2 所示： 图2 2 六轴数控滚齿机y k x 3 1 3 2 ( 3 操作面板示意图 ( 1 ) 急停按钮 在加工过程中，遇到快要撞刀或当机床某轴越过其行程范围等紧急情况时， 按下急停按钮，切断系统电源和液压电源，可避免事故或将损失减少到最低。 ( 2 ) 液压启动按钮 操作机床前，须先打开液压，使可编程控制器p l c 上电和机床涧滑系统工 作、各轴伺服电机通电。 ( 3 ) 液压停止按钮 操作机床结束，按下停止按钮，p l c 掉电，液压系统停止工作，各伺服电 机掉电。 ( 4 ) 滚刀运转按钮 此按钮按下后，滚刀以设定的速度运转，运转过程不会因按钮释放后停止， 氲到滚刀停止按钮按下。 ( 5 ) 滚刀点动按钮 此按钮按下时如果不释放，滚刀连续运转，按钮释放后，滚刀停止运转。 ( 6 ) 主轴倍率选择器 主轴倍率选择器用来选择滚刀点动按钮和滚刀运转按钮按下时的滚刀运转 速度，它有如下档位：5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 、11 0 、1 2 0 ， 档位的基速1 0 0 可由数控系统的系统参数设置功能设定。 ( 7 ) 滚刀停止按钮 此按钮按下后，滚刀将停止运转，只限于数控系统处于调整状态，加工过 程中它不起作用。 ( 8 ) 尾架上升下降选择器 当数控系统处于调整状态，此选择器打到上升位置，尾架顶尖上升到顶点； 此选择器打到下降位置，尾架顶尖下降到底部或顶住工件。 ( 9 ) 工件夹紧松丌选择器 在数控系统处于调整状态下，工件夹紧松开选择器拨到夹紧位置，工作台 通过拉杆夹紧工件：工件夹紧松开选择器拨到松开位置，工作台释放拉杆松丌 工件。 ( 1 0 ) 冷却泵选择器 冷却泵选择器有三个状态：“开”、“关”、“自动”，在数控系统处于调整状 态，冷却泵选择器选择“丌”状态时，冷却液喷出，加工中起冷却作用；冷却 泵选择器选择“关”状态时，冷却液不喷出；当冷却泵选择器选择“自动”状 态，并且系统处于自动状态准备加工时，冷却液将在丌始加工时自动喷出，在 加工结束时自动被关闭。 ( 1 1 ) 冲洗泵选择器 冲洗泵选择器也有三个状态：“丌”、“关”、“自动”，数控系统处于调整状 态下，冲洗泵选择器处于“开”位置，冲洗液喷出冲洗工作台上的切屑：冲洗 泵选择器处于“关”位置，冲洗液关闭；冲洗泵选择器选择“自动”状态时当 系统进入自动状态后，开始加工时冲洗液打丌加工结束后，冲洗液关闭。 ( 1 2 ) 工作方式选择器 工作方式选择器有三个状态：“手轮”方式、“点动”方式、“单步”方式， 在数控系统处于调整状态，此选择器才起作用。当它处于“手轮”方式，摇动 手摇脉冲发生器，便可驱动相应的轴按对应的速度运动；当它处于“点动”方 1 2 式，按下点动按钮也可驱动机床相应轴按相应的速度运动：当它处于“单步” 方式，数控系统进入单步运行状态，按下点动按钮，相应轴只在相应坐标方式 走一步。每步的大小可由操作面板上的步长进给选择器选择。 ( 1 3 ) 轴选择器 不同的数控机床，轴选择器的状态值也不尽相同。在y k x 3 1 3 2 g 六轴数控 滚齿机上其有五个状态值：“x ”、“y ”、“z ”、a 、“c ”，x 、y 、z 三轴是直 线运动轴，a 、c 两轴是旋转运动轴。在数控系统处于调整状态下，轴选择器 选择哪轴，点动或手轮、单步将驱动其运动。 ( 1 4 ) 步长进给选择器 步长进给选择器选择可手轮工作方式下手摇脉冲发生器的脉冲当量，也可 选择单步工作方式下一步的位移大小。它有四个档位：1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 ，单 位为毫米。 ( 】5 ) 点动进给负向进给按钮 在数控系统处于调整状态，并且工作方式选择器选择了点动工作方式时， 按下点动负向进给按钮，即能驱动相应轴朝负方向运动。 ( 1 6 ) 点动迸给正向进给按钮 在数控系统处于调整状态，并且工作方式选择器选择了点动工作方式时， 按下点动正向进给按钮，即能驱动相应轴朝正方向运动。 ( 1 7 ) 进给倍率选择器 进给倍率选择器有下面这些档位： 7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 、1 1 0 、1 2 0 、 点动工作方式时点动驱动各轴的速度， 罱功能完成。 ( 1 8 ) 双手操作按钮 l o 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、 1 3 0 、1 4 0 、1 5 0 ，它主要用来选择 其基数1 0 0 时的速度可由系统参数设 值得注意的是，y k x 3 1 3 2 g 操作面板上有个双手操作按钮，它的作用在于 确保数控系统或p l c 接收操作面板按钮状态信息的可靠性，即只当双手操作按 钮按下时，再按下另外按钮，所选按钮才起作用。有些数控系统并未使用双手 操作按钮。s t a r 一2 0 0 0 g 采用了这个按钮。因此，上面介绍的滚刀运转按钮、 滚刀点动按钮、滚刀停止按钮、点动进给负向按钮、点动正向按钮必须配合双 手操作按钮使用，即两者须一起按下或释放，但不要求起按下或释放的时间 一致。 ( 1 9 ) 其它按钮 操作面板上还有很多滚齿机数控系统s t a r 2 0 0 0 g 没有使用的按钮和选择 器，随着s t a r - 2 0 0 0 g 以后升级，功能更完善时，它们将非常有用，给用户操 作机床带来更大的方便。 2 4六轴数控滚齿机的控制原理 普通滚齿机的运动关系复杂，存在着主传动链、展成分度链、进给传动链、 差动传动链等诸多传动链和进给链，如图2 3 所示。 由图2 3 中可看出，在普通滚齿机上加工齿数和斜角不同的齿轮时，必须 配