（机械制造及其自动化专业论文）数控机床专用运动控制板卡研究.pdf

硬士学位论文 摘要 虽然现代数控技术有了较快的发展，但是由于滚齿机床运动关系复杂，机床 结构繁琐，数控化发展程度不如其它机床，因此对滚齿机床的数控化研究意义重 大。 当今世界数控系统越来越趋于开放化，高速化，以及电予设计自动化技术的 飞速发展，绘滚齿机床的数控化带来了契机。本文采用了在开放式数控系统的基 础上增加数控滚齿专用控制板卡的模式，这样机床不仅保留了原有的车铣功能， 而且增加了滚齿功能。 本文对各种齿轮加工方法进行了讨论，特别是对滚齿加工方法从原理上进行 了仔细的研究。研究了滚齿机床各轴的运动关系。并对各传动链进行了相应的计 算，得出了运动控制模型。文章着重讨论了电子齿轮和电子差动的设计，用图形 输入法设计了电子齿轮模块，脉冲分离电路以及电子差动模块，用v h d l 语言 设计了可逆计数器，并给出相应的仿真波形。这种设计方法用硬件电路取代机械 机构，其中电子齿轮代替了机床的展成机构，电子合成代替了机床的机械差动装 置，缩短了机械传动链，简化了机械结构，有效提高了齿轮加工的精度。 由于本文采用了v h d l 硬件语言进行硬件设计，系统自动生成硬件电路， 打破了软硬件技术之间的壁垒，使硬件设计也可以像软件设计一样通过编程反复 编译修改，用户可随时根据自身需要进行系统重构和现场升级。节省了开发周期， 节省了板卡面积，减少了电路修改费用，使开发成本降低。 关键词：数控；滚齿机床；运动控制卡；电子齿轮；电子差动；电子设计自动化 数控机床专用运动控制板卡研究 a b s t r a c t m o d e mn u m e r i cc o n t r o lt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gv e r yr a p i d l yn o w a d a y s c o n s i d e r i n gt h eg e a rh o b sc o m p l i c a t e ds t r u c t u a n dc e r t a i np r o g r e s sc o m p a r e d t ot h e o t h e rt o o l s ，i ti ss t i l lv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h eg e a rh o b t o d a yw em e e tag o o ds t a g et oc h a n g et h et r a d i t i o nh o b t oan u m e r i cc o n t r o lt o o l d e p e n do nt h ef a s t - d e v e l o p i n gn u m e r i cc o n t r o la n de l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n t e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ea d o p tam e t h o dt h a tb a s e do no p e nn u m e r i cc o n t r o ls y s t e m a n da d das p e c i a lc a r d , s ot h a tt h et o o lc a nn o to n l yh o b b i n gb u ta l s ot u r n i n ga n d m i l l i n g t h i sa r t i c l ed i s c u s s e ds e v e r a lm e t h o d so fm a n u f a c t u r i n gg e a r , e s p e c i s n yg e a r h o b b i n g , a l s od i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i po f e a c ha x i s ，a n dm a d es o m ec a l c u l a t i o n sf o r e a c hc h a i n , t h e ng e tt h ec o n t r o lm o d e lo fi t sm o v e m e n t ，a n dm a i n l yd i s c u s s e dt h e d e s i g no fe l e c t r o n i cg e a ra n de l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a l ，u s i n gg r a p h i cm e t h o dd e s i g nt h e e l e c l r o n i cg e a ra n de l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a l ，u s i n gv h d lh a r d w a r el a n g u a g ed e s i g n r e v e r s i b l ec o u n t e r , a tl a s ts i m u l a t e dt h ec i r c u i t i nt h i sw a yt h eh a r d w a r ec i r c u i t d i s p l a c e dt h em a c h i n e , s h o r t e n e dt h ec h a i na n ds i m p l i f i e dt h ec o n s t r u c t i o n , i m p r o v e d t h eq u a l i t yo f g e a r t h i sa r t i c l ea d o p t e dv h d l l a n g u a g ed e s i g nt h eh a r d w a r e , a n dt h es y s t e mc r e a t e c i r c u i ta u t o m a t i c a l l y , s oi tb r e a kt h eb a r r i e r so fs o f l 3 v a r ea n dh a r d w a r e , m a k e h a r d w a r ec o m p i l i n g 硒e a s ya ss o f t w a r e u s e rc 趾r e b u i l da n dr e c o m p i l ea st h e yw a n t i ts h o r t e n e dt h ed e v e l o p i n gp e r i o d , m a d et h ec a r ds m a l l e rt h a nb e f o r e , a n dr e d u c e dt h e c o s l k e y w o r d s ：n u m e r i cc o n t r o l ；g e a rh o b ；c o n t r o le a r d ；e l e c t r o n i cg e a r ； e l e c t r o n l ed i f f e r e n t i a l ；e d a 硕士学位论文 图i 1 系统框图 图2 1 齿轮加工方法 插图索引 图2 2 成形法加工齿轮。 图2 3 插齿加工 图2 4 滚齿加工原理图 图2 5 滚齿加工示意图 图2 6 滚刀安装 图2 7 数控滚齿机系统图 图3 。1 渐开线齿轮的形成 7 i 8 9 9 1 ( 图3 2 滚齿机加工直齿轮传动原理图1 6 图3 3 滚切直齿所需要的运动 图3 4 滚齿机加工斜齿轮传动原理图1 7 图3 5 左旋滚刀加工直齿轮的安装图1 8 图3 6 加工斜齿轮z 轴差动运动 图3 7 工件的附加运动 图3 3 圆柱直齿滚切加工模型 图3 9 圆柱斜齿滚切加工模型 图3 1 0 轴向滚切圆柱齿轮模型 2 2 ：! ! l ：! ! i 图4 i a l t e r af l e x a c e x 芯片的内部结构2 5 图4 2 逻辑单元( l e ) 内部结构 图4 3 四输入电路的f p g a 实现方法2 6 图4 4f p g a 开发流程 图4 5 图形输入法 图4 6 文本输入法 图4 7 综合过程 图4 8 功能仿真。 图5 1 开放式数控滚齿系统。 图5 2 轴向滚切法控制模型 图5 。3 运动控制卡系统框图 2 7 。：1 8 ：1 8 ：1 9 ! i l 图5 4 光电隔离原理3 4 图5 5 编码器波形图 图5 6 四倍频及辨向电路3 6 图5 7 四倍频及辨向电路仿真波形 图5 8 通用有理小数分配器原理3 7 图5 9 电子差动原理图。3 8 图5 1 0 脉冲分离电路模块。 图5 1 l 脉冲分离电路的时序仿真结果3 9 图5 1 2 电子差动电路模块4 0 图5 1 3 脉冲相加仿真波形4 l 图5 1 4 脉冲扣除仿真波形4 l 数控机床专用运动控制板卡研究 图5 1 5 半闭环位置控制系统4 2 图5 1 6c 轴位置控制原理图4 2 图5 1 7 数字脉冲比较器原理图4 3 图5 1 8 可逆计数器流程图4 4 图5 1 9u pd o w n _ c o u n t e r 计数器4 5 图5 2 0 可逆计数器加减计数仿真图4 6 图5 2 l 接口控制器结构框图4 7 图5 2 2p c i 总线读、写时序4 7 图5 2 3 状态转换图：4 8 i v 硕士学位论文 附表索引 表4 1四输入与门的查找表实现方法。 v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 怖氇 嗍沙7 诟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库迸行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 黼敞 确弘 日日 订肖 月月 歹广、 年年 叼叩 期期日日 硕士学位论文 第1 章绪论 齿轮加工机床【l 】是用来加工齿轮轮齿的机床。由于齿轮传动在各种机械及仪 表中的广泛应用，以及现代工业的发展对齿轮传动在圆周速度和传动精度等方面 的要求越来越高，促进了齿轮加工机床的发展，使齿轮加工机床成为机械制造业 中一种重要的加工设备。齿轮的种类繁多、应用广泛，其轮廓切削成型的方法也 很多，其中范成法是利用齿轮的啮合原理进行加工齿轮的一种方法。以滚齿机为 例，由于滚齿机能连续切削，生产率较高，因此被广泛应用，但是滚齿机的运动 关系复杂，在机床中存在着展成分度链、差动链、进给传动链等，结构十分复杂。 一台主电机不仅要驱动展成分度传动链，还要驱动差动和进给传动链，各传动链 中的每一个传动元件本身的加工误差都会影响被加工齿轮的加工精度，同时为加 工不同齿轮，还需要更换各种挂轮调整起来复杂费时，大大降低了劳动生产率。 调整既复杂又费时。 以德国s i e m e n s 、日本f a n u c 公司数控系统为主流的数控滚齿机的出现， 大大提高了齿轮加工能力和加工效率。我国目前真正能够生产数控滚齿机的厂家 并不多，且使用的多是德国西门子数控系统，加工中模数齿轮，没有自主产权的 核心技术，缺少国际竞争力。但是近几年数控技术的发展，尤其是开放式运动控 制器的飞速发展，给数控滚齿技术的发展带来了新的契机。本文针对齿轮滚齿加 工迫切要求数控化的实际需求，进行了深入的研究，在兰州理工大学原有的数控 滚齿脉冲控制卡的基础上迸行消化吸收，运用f p g a 2 1 ( 现场可编程门阵列) 技 术，探讨了一种可以实际应用的滚齿运动控制卡研制方案。 1 1 数控滚齿技术的发展现状 为了提高齿轮加工精度和加工效率，到了2 0 世纪8 0 年代以后，国内外开 始对齿轮加工机床进行数控化改造和生产数控齿轮加工机床。特别是近年来，由 于微电子技术的迅速发展和以现代控制理论为基础的高精度、高速响应交流伺服 系统的出现，为齿轮加工数控系统的发展提供了良好的条件和机遇。由于8 0 年 代齿轮加工数控化刚开始起步，当时数控技术无法满足齿轮加工机床展成分度链 的高同步性的要求，因此展成分度链和差动链仍为传统的机械传动。这种数控加 工方式，调整比机械式齿轮加工机床要方便的多。它们可以通过几个坐标轴的联 动来实现齿向修形齿轮的加工，省去了传统加工修形齿轮所需要的靠模等装置， 提高了生产率和加工精度。但是这类齿轮加工数控系统属经济型数控系统，由于 其展成分度链和差动链仍为传统的机械式，齿轮加工精度取决于机械传动链的精 数控目l 床专用运动控制板卡研究 ! i 蔓童奠皇皇蔓| 量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼兰皇曼曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼量量曼曼曼量曼曼量量曼量目一 度。目前这种齿轮加工数控系统多用于对现有机械式齿轮加工机床的数控改造。 近年来，由于计算机技术的迅猛发展和高精度、高速响应的伺服系统的出现， 使全功能数控齿轮加工机床成为国际市场上的主流产品。全功能数控指不仅齿轮 机床的各轴进给运动是数控的，而且机床的展成运动和差动运动也是数控的。目 前展成分度链和差动链的数控处理方法不尽相同，有基于软件插补以及基于硬件 控制的两种类型。软件插补的齿轮加工数控系统的刀具主轴一般采用变频装置控 制，工件主轴通过数控指令经伺服电动机直接驱动。目前国产数控齿轮加工机床 所配置的数控系统大多为国外知名品牌的通用数控系统，因而都是采用这种基于 软件插补的数控加工方式。 基于软件插补方法的优点是工件主轴的转速完全由数控系统的软件控制，因 此，可以通过编制适当的软件，用通用的刀具快速地加工高精度非圆齿轮、修形 齿轮，且其加工精度远远高于传统的机械靠模加工方法。 目前，由于控制精度、动态响应等方面的原因，基于软件插补的齿轮加工数 控系统还不能胜任高速高精度滚齿机的要求。随着计算机处理速度的不断提高、 新控制方法的出现和控制精度的提高，这种方法的应用面会越来越广。基于软件 控制的齿轮加工数控系统在传统齿轮机床的展成分度链中，刀具和工件是由同一 个电动机来拖动的，传动链很长，并常需要采用精度不易提高的传动元件( 如锥 齿轮、万向联轴节等) ，所以机床精度的提高受到限制。 基于硬件控制的齿轮加工数控系统的优点：采用硬件控制，特别是采用高同 步精度的锁相伺服控制时，精度高，响应速度快。缺点：机构上比较复杂，比软 件插补的方式多一个硬件控制电路部分。 1 2 数控滚齿技术的发展趋势 非全功能数控系统由于加工精度取决于机械传动链，仍存在交换挂轮，操作 繁琐，已较少使用。基于软件插补的齿轮加工数控系统具有柔性大的优点，可以 很方便地通过程序控制，能加工非圆齿轮和各种修形齿轮，因而在加工精度不高 的滚齿机和插齿机中有广泛的应用；基于硬件控制的齿轮加工数控系统，由于展 成运动是直接采用硬件控制，特别是采用跟踪精度极高的锁相伺服技术时，能很 好地保证齿轮机床差动和展成运动精度，响应速度快，但柔性差，适于加工精度 要求高的磨齿机。 鉴于全功能齿轮加工数控系统的优点，其必将在未来的滚齿加工系统中得到 广泛的应用。但是如何结合软件插补和硬件插补的优点，避免两者的缺点，成为 全功能数控滚齿系统发展的一个新课题。 2 硕士学位论文 1 3 问题的提出和技术方案 1 3 1 课题的提出 采用基于硬件控制的齿轮加工数控系统的优点是显而易见的，它反应速度 快，加工精度高。但是由于其结构上比软件控制方式多了一块硬件电路板，而且 传统的设计方法从底层做起，一旦发现问题必须推倒从来，重新设计板卡，不但 增加了开发周期，而且造成了经济上的巨大损失。因此本课题结合软硬件插补各 自的优点，在现代电子设计自动化技术飞速发展的背景下，提出了一种基于可编 程逻辑器件的硬件设计方法。 本课题采用了一种“自项向下”的全新设计方法【3 1 ，这种设计方法从系统设 计入手，在项层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框一级进行仿真、纠错， 并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。然后用 综合优化工具生成具体电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专 用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这不仅有利 于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的时间和成本浪费，同时也减少了 逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。 高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述 电路，而是针对设计目标进行描述，摆脱了电路细节的束缚。因此设计人员可以 把精力集中在创造性的概念构思上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入 计算机后，e i ) a 工具就能以规则驱动的方式自动完成整个工作。这样，新的概念 思路就能有效地转化成产晶，大大缩短了产品的研制周期。不仅如此，高层次设 计只是定义系统的行为特征，而不涉及实现工艺，在厂家综合库的支持下，利用 综合优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网表，工艺转化变得 轻松容易。 将数万门，数十万门的逻辑器件集成在一块芯片内，用设计软件的方法设计 硬件，不仅缩小了板卡面积，设计更加方便，而且为系统升级提供了便利。 1 3 2 技术方案 系统的方案见图1 1 ，这里工控机的主要任务是数据的输入、代码解释、按 照协议将数据传递以及监控等非实时信号处理。而f p g a 将接受到的信息进行解 读后，进行插补运算或速度控制方面的计算，然后输出到电机驱动模块，在半闭 环系统中，通过编码器反馈回来的信号，再进行修正。 3 数控机床专用运动控制板卡研究 工控机运动控制器 图1 1 系统框图 上位工控机负责数控编码及运动参数输入，经由计算机p c i 总线将信号传输 到f p g a 模块，驱动程序将应用程序和接口连接在一起。图1 1 中的i 0 是机床 低压电器控制部分，主要负责机床的辅助动作。 1 3 。3 可行性分析 本课题结合现代e d a 技术的最新研究成果，针对适应高性能数控系统的发 展要求，尝试性地提出了一种开放式数控系统+ 可编程专用硬件插补芯片韵新型 硬件插补方案，其中工业计算机作为数控主机，负责向f p g a 芯片传送原始数据 和启动控制信号，并控制滚齿机的x ，y ，z 轴坐标的运动，实现f p ( ；a 功能结构 的动态配置( 即根据要求，分别配置加工齿轮的类型) ；而f p g a 专用集成电路 本身主要完成c 轴的插补，并向该坐标轴发出迸给脉冲指令。 一方面，就整个加工过程来说，每个齿轮的加工只进行一次预处理任务，所 以预处理计算只是整个插补时间的一小部分。本方案中由于采用专用捶补集成电 路专门负责插补循环的高速计算，而由计算机完成初始数据的预处理，每当插补 循环结束后，专用集成电路向计算机发出中断请求信号，申请执行下一次插补任 务，这样不仅减轻了计算负担，可以腾出更多的时间去处理其它任务，大大提高 整个系统的速度和可靠性。 另一方面，由于超高速集成电路硬件语言v i i d l 和大规模可编程逻辑器件 p l d 的出现，彻底打破了软件和硬件之问的技术壁垒，使得硬件也可像软件那样 通过编程反复编译修改，用户可随时根据自身需要进行系统重构和现场升级。因 此，基于现代e d a 技术的新型硬件数控插补系统具有更大的灵活性，它不仅可 以用于常用的开环步进数控系统的技术改造，还可以通过改变算法和接口应用于 全数字的闭环伺服数控系统中。 4 1 4 课题概貌 1 4 1 课题意义 数控机床专用运动控制卡是数控滚齿机床的核心，其控制精度和反应速度， 以及可靠性直接影响了滚齿的加工精度。数控机床专用运动控制卡的开发，有利 于减少庞杂的机械结构，简化机床运动坐标机械传动链、增强机床整机的刚性、 提高机床切削加工齿轮的精度。 随着计算机技术的发展，机床数控 4 1 越来越趋向于开发化，在开放式数控系 统的基础上，利用f p g a 技术，开发一款全数字的专用数控滚齿控制卡，可以有 效地提高伺服系统的运算速度和齿轮的加工精度。 以往的数控系统的控制电路部分通常采用传统的数字系统设计方法，即采用 “积木块”式集成度较低的功能固定的标准集成电路，用户只能根据需要选择不 同的器件，并按照器件推荐的电路组成系统。在设计时，设计者没有灵活性可言， 组成的系统体积大，布线复杂且不易实现功能更新和系统重构，而f p g a 芯片 集大量中小规模集成电路功能于一身。因此基于f p g a 的滚齿机床运动控制卡 的开发大大提升了数控控制系统的集成度和运算速度。由于f p g a 具备在系统 可编程功能，因此在芯片焊接入板子后，同样可对芯片重新编程，为今后数控系 统维护带来了极大的方便。 1 4 2 课题内容 本系统是基于硬件控制的齿轮加工数控系统，因此硬件的设计是本课题的主 要内容。虽然课题的开展中间会涉及针对f p g a 的大量编程，但是由于程序最终 转换的还是硬件电路，因此还是属于硬件开发的范畴。 本论文将依据螺旋齿啮合原理并借鉴非圆直齿轮滚切加工方法的思想，以非 圆斜轮为研究对象，较为系统地研究了圆柱斜齿轮滚切加工的关键技术。为此主 要开展以下研究工作： ( 1 ) 齿轮滚切加工联动控制方案的建立与论证； ( 2 ) 变传动比电子齿轮箱研究； ( 3 ) 基于f p g a 的电子差动研究； ( 4 ) 硬件系统的顶层设计。 1 4 3 课题创新性 本文的创新点有以下几个方面： ( 1 ) 采用电子齿轮和电子差动【5 1 ，简化了机械结构，提高了机床切削加工 精度，以及劳动生产率； 5 数控机床专用运动控制板卡研究 ( 2 ) 由于系统是基于硬件的控制方式，精度高，响应速度快； ( 3 ) 采用v h d l 硬件语言进行硬件设计，系统自动生成硬件电路，打破了 软硬件技术之间的壁垒，使硬件设计也可以像软件设计一样通过编程反复编译修 改，用户可随时根据自身需要进行系统重构和现场升级。因此，基于现代e d a 技 术的新型硬件数控插补系统具有更大的灵活性，给系统的升级和二次开发提供了 便利。 6 第2 章齿轮加工方法及其数控化 齿轮加工方法【6 】众多，各有优缺点。本章介绍了齿轮的各种加工方法，从原 理上对其进行了分析，并进行了比较。对目前采用较多的滚齿加工方法，进行了 详细介绍，并对将其数控化 7 1 的必要性和目前采用的数控模式进行了简单介绍， 最后引出了本文采用的数控化模式。 2 1 齿轮的各种加工方法 如图2 1 齿轮轮齿的加工方法很多，如切削、铸造、轧制、冲压等，其中常 用的是切削加工方法。切削加工方法分为成形法和范成法两类。 齿 轮 加 工 方 法 铸造 轧制 切削 冲压 成形法 罢嬲 范成法 兰篓多 图2 1 齿轮加工方法 2 1 1 成形法加工齿轮 成形法加工齿轮是使用切削刃形状与被切齿轮的齿槽形状完全相符的刀具 切出齿轮的方法。即由刀具的切削刃形成渐开线母线，再加上一个沿齿坯齿向的 直线运动形成所加工齿面。这种方法一般在铣床上用圆盘铣刀或指状铣刀铣削齿 轮，如图2 2 所示。 成形法加工齿轮是采用单齿廓成形分齿法，即加工完一个齿，退回，工件分 度( 将轮坯转过3 6 0 0 z ) ，再加工一个齿。因此生产效率低，而且对于同一模数 的齿轮，只要齿数不同，齿廓形状就不同，需要采用不同的成形刀具。在实际应 用当中为了减少成形刀具的数量，每一种模数通常只配有八把刀，各自适应一定 的齿数范围，因此加工出来的齿形是近似的，加工精度较低。但是这种方法，机 床简单，不需要专门的设备，适用于单件小批生产以及加工精度不高的修理行业。 7 数控机床专用运动控制板卡研究 a 圆盘铣刀加工b 指状铣刀加工 图2 2 成形法加工齿轮 2 1 2 范成法加工齿轮 范成法是切齿时刀具与工件模拟一对齿轮( 或齿轮齿条) 作啮合运动( 范成 运动) ，即把齿轮啮合副( 齿条一齿轮、齿轮一齿轮) 中的一个转化为工件，并 强制刀具和工件作严格的啮合运动而范成出齿廓。在运动过程中，刀具齿形的运 动轨迹逐步包络出工件的齿形。刀具的齿形可以和工件不同，所以可以使用直线 齿廓的齿条式工具来制造渐开线齿轮刀具。 按照啮合条件，一把刀具可以加工同一模数任意齿数的齿轮，其生产率和加 工精度都比较高，是目前齿轮加工的主要方法。常见的范成法加工有插齿、滚齿、 剃齿、珩齿和磨齿等，其中插齿1 8 - 9 ( 如图2 3 ) 和滚齿m 1 2 1 ( 如图2 4 ) 是齿形 加工的基本方法，后几种方法都是在此基础上进行的精加工。但是范成法需在专 门的齿轮机床上进行加工，而且机床的调整、刀具的制造和刃磨都比较复杂，一 般用于成批和大量生产。 ( a ) 齿轮插刀加工齿轮( b ) 齿条插刀加工齿轮 图2 3 插齿加工 在切削大模数齿轮时，插齿速度受插齿刀主轴往复运动惯性和机床刚性的限 制，切削过程又有空行程的损失，故生产效率比滚齿低。但在加工小模数、多齿、 8 硕士学位论文 宽度较小的齿轮时，插齿的生产率却高于滚齿。 插齿加工的原理基于齿轮的啮合原理，加工精度较高，应用范围很广。它不 仅能加工外啮合齿轮，而且适合加工齿轮轴向距离很小的多联齿轮、内齿轮、齿 条、扇形齿轮等。但加工斜齿轮需要专用靠模，不如滚齿方便。而且插齿加工方 法只能间断切削，生产率较低。 图2 4 滚齿加工原理图 2 2 滚齿加工方法 目前广泛采用齿轮滚刀加工齿轮，它能连续切削，生产率较高。 圈2 5 滚齿加工示意图 把滚刀的齿用纸包起来，看上去就像一条梯形螺纹，其外形和蜗杼一样。把 蜗杆的头数增加，并减少螺旋角，它的外形就像螺旋齿轮和斜齿轮。由此可知蜗 杆是斜齿轮的一种特殊形态，蜗杆本质上是个齿数很少、螺旋角很大的斜齿轮。 滚齿时，它的齿廓在水平工作台面上的投影为一齿条，如图2 5 所示。滚刀转动 时，该投影齿条就沿其中线方向移动，这样便按范成原理切出轮坯的渐开线齿廓。 滚刀除了本身旋转外，还有沿轮坯的轴向逐渐移动，以便切出整个齿宽。滚切直 齿轮时，为了使刀具螺旋线方向与被切齿轮的方向一致，在安装滚刀时需使其轴 线与轮坯端面成一滚刀升角。如图2 6 所示，y 就是滚刀的安装角。 9 数控机床专用运动控制板卡研究 图2 6 滚刀安装 滚刀加工工件的过程，相当于一对螺旋齿轮的啮合过程，而滚刀可以看成是 一个齿数很少的螺旋齿轮。此时滚刀和齿坯的啮合必定满足一对螺旋齿正常啮合 时的条件： ( a ) 两齿轮的法向模数和分度圆压力角相等； ( b ) 滚刀和齿坯在啮合点处的法向速度相等； ( c ) 滚刀在齿坯端面上的投影相当于一个齿条，此时齿坯要求满足和投影齿条 作纯滚动。 2 3 滚齿机数控化 数控机床采用数控装置或电子计算机全部或部分取代一般通用机床在加工 零件时对机床的各种动作，如启动、加工顺序、改变切削用量、主轴变速、选择 刀具、冷切液开停以及停车等人工控制。通常，数控机床加工零件所需的全部机 械动作和控制功能多是预先按规定的字符或文字的形式编制成加工程序，然后通 过介质将数字信息送入数控装置或计算机，数控装置或计算机对输入信息进行运 算和处理，发出各种指令去控制机床的伺服系统或其他执行元件的各种动作，从 而使数控机床自动加工出所需要的零件，数控机床所需的加工条件( 如进给速度、 主轴转速等) 都是由介质上的指令代码事先规定好的，所以人为造成的加工误差 很小。并且进给传动链的换向间隙与伺服传动误差等均可由数控装置进行补偿。 因此，数控机床能够达到较高的加工精度。数控机床能够减少零件加工所需要的 机动时间与辅助时间，数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大， 每一道工序都能选用最有力的切削用量，从而有效节省了机动时间。数控机床在 定位中移动工件均采用加速和减速措施，并可选用很高的空行程运动速度，缩短 了定位和非切削加工时间。 此外，数控机床能进行重复性操作，尺寸一致性好，从而减少了检验时间。 硕士学位论文 数控机床的各种动作是由介质上( 程序) 信息直接控制的，工人一般只需装卸零 件和更换刀具并进行监督机床的运动，因而大大减轻了操作者的劳动强度，减少 了对熟练技术工人的要求。用数控机床加工零件，能准确的计算出零件的加工时 间，并有效的简化了检验、组装成品的管理工作，这些特点有利于生产管理自动 化。数控机床是一种高度自动化机床，必须配有数控装置或计算机，机床加工精 度因受切削用量大、连续发热多等因素影响，使其设计要求比通用机床更严格， 制造要求更精密，因此数控机床的制造成本较高。此外，由于数控机床的控制系 统比较复杂，一些元件，部件精密度较高以及一些进口控制系统的技术开发受到 条件限制，所以对数控机床的调试和维修都比较困难。 数控滚齿机床除了具上述数控机床的特点外，由于省去了普通滚齿机的速度 挂轮、差动机构、分齿挂轮、进给交换挂轮等机械结构，大大减少了机械误差和 操作工的技术含量。一位普通滚齿机的操作工，在准备调整机床之前，必须根据 被加工的工件齿数和滚刀头数计算速度挂轮，分齿挂轮、进给交换挂轮的传动比， 然后查表，找出相应的挂轮( 差动挂轮、分齿挂轮、进给交换挂轮有时一对齿轮 即可满足，多数需要两对齿轮) 。四类齿轮的齿数在不同类型的滚齿机上的计算 结果是不同的，挂轮的安装既不是一件轻闲的事，也不是一件容易的事。它根据 螺旋线的方向、滚刀旋向以及同时使用的挂轮数的不同，安装位置有所不同。所 以一位普通滚齿机的操作工，不仅要知道机床各个按钮的作用，还要了解滚齿机 的加工原理和装配工的一些知识。如果某类齿轮计算错误，工件就会报费。数控 滚齿机的操作工，只需要了解各个按钮的作用、会调用已知加工程序即可。可见 数控滚齿机相对于普通滚齿机在机床结构及应用方面又大大前进了一步。 当前，数控滚齿机产品有三轴( 轴向、径向和切向进给) 和六轴( 除三种 进给外，包括滚刀、工件主轴和刀架转角) 数控之分。前者可编程控制工作循环、 进给量、仿形加工和数字显示，部分减少调整时间和增强柔性，适合多种循环方 式需要的中小批生产。六轴数控进一步取消机械展成传动链和差动传动链。滚刀 主轴、工件主轴、轴向进给、径向进给之间的内联系传动用“电子连接”代替机 械连接。不需要交换齿轮，不需要手动调整刀架安装角。只要编程输入工件、刀 具参数、加工方式和切削参数，便可实现自动加工。 数控滚齿机通过取消传统滚齿机的传动机械，实现了电机与滚刀主轴以及电 机与工作台的直联，大大缩短了传动链，减少了传动元件的制造误差，以及间隙 和装配误差对于齿轮加工的影响，它不仅可以大幅度提高机床的加工精度和加工 速度，同时，由于其机械机构简单，在设计时更有利于提高机械的刚性，解决机 械传动链中存在的磨损问题，进而保持了高度的稳定性。 滚齿加工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 数控机床专用运动控制扳卡研究 床的4 5 。滚齿机数控化后使机床结构及控制发生了革命性的变化，提高了齿 轮的加工精度，扩展了j n - r 范围，实现了高度自动化和柔性化，同时方便了新 的加工工艺的使用。 随着计算机技术的飞速发展，基于p c 开发数控系统，可以充分利用标准 计算机高速发展所带来的众多成果( 包括软、硬件) ，而p c 硬件的标准化也为系 统的升级换代和维修提供了最便捷的方式。具体地说，就是鉴于p c 总线是一种 开放性总线，所以这种系统就具有了开放性、模块化可嵌入的特点，系统生产商 可以在p c 机硬件平台和操作系统的基础上，大量使用市场上现售的软件和硬件 板卡，改善数控系统的功能，缩短开发周期和降低成本。机床厂商和用户可以对 c n c 进行重新设置、修改、扩充和改装，并允许模块化地集成传感器、加工过 程监控等功能，最终构造和重组出最适合的数控系统功能和其它控制功能。 与其它数控机床相比，滚齿机运动相对复杂，因此起步较晚。尽管全功能数 控系统目前在国外已占了主导地位，但大多数仍然是普通数控系统的变形，且 属于各公司的封闭式系统，而且真正体现齿轮加工专业特点的开放式系统还很 少。因此，开发现代滚齿机数控系统的要求非常迫切，如：能够根据具体控制机 床的功能需要来增加或减少部件；对同一个c n c 系统，可以通过面向功能的动、 静态重构，柔性地控制滚齿机、磨齿机、插齿机、齿轮加工单元等不同的对象或 控制不同型号的同一类齿轮加工机床。目前，基于p c 的开放式c n c 一般有三 种实现途径： ( 1 ) p c 嵌入c n c 。将p c 机作为传统c n c 的前端接口，在传统的非开放式 c n c 上插入一块专门的、开放的个人计算机模板，p c 板与c n c 之间通过专用 总线连接，使传统c n c 实现个人计算机的一些特性。在这种模式下，c n c 部分 与原来的c n c 相同，进行实时控制；而p c 部分则进行非实时控制。这一形式 主要为一些大型c n c 控制器制造厂商所采用，其优点是原型c n c 可以几乎不加 改动地使用，且传递数据快、系统响应快，缺点是不能直接使用p c ，开放程度 受到限制，代价高不适合小型加工使用。这种模式在严格意义上不能称之为基于 p c 的开放式c n c 系统。 ( 2 ) c n c 嵌入p c 。将运动控制板或整个c n c 单元插入到p c 的扩展槽中， p c 作非实时处理，实时控制由c n c 单元或运动控制板来承担。这种结构形式使 整个系统可以共享p c 机的硬件资源，并利用其丰富的支撑软件直接与网络和 c a d c a m 系统连接，软件的通用性强，且编程处理灵活、代价低。对于c n c 单元插入到p c 的结构，其开放性只限于p c 微机部分，专业的数控部分仍处于 封闭状态；而对于运动控制板插入到p c 的结构，其开放性则取决于运动控制板 的开放性。 硕士学位论文 ( 3 ) 纯p c 机型。即完全采用p c 机的全软件形式的数控系统。n c 系统的各 项功能，如编译、解释、插补和p l c 等，均由软件模块来实现，并通过装在p c 扩展槽中的接口卡对伺服驱动进行控制。这类系统借助现有的操作平台，在应用 软件的支持下，通过对p c 软件的适当组织、划分规范和开发，可望实现c n c 各个层次的开放。其优点是开放性好、编程处理相当灵活、软件的通用性强。缺 点是在通用p c 上进行实时处理较困难，难以利用原型c n c 资源，其可靠性的 确保也是一个有待进一步研究的问题。 通过分析，采用c n c 嵌入p c 策略开发滚齿机数控系统在当前是合适的，在 开放的p c 基础上开发一款数控滚齿板卡，不仅可以保留原来的数控车、铣功能， 还拓展了数控滚齿功能。 利用现代e d a ( 电子设计自动化) 技术，采用并行工程的设计方法，使开发 者从一开始就要考虑到产品生产周期的诸多方面，包括质量、成本、开发时间及 用户的需要等。然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。 并用v h d l ( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，v h s i c 即v e r yh i g hs p e e d i n t e g r a t e dc i r c u i t ，高速集成电路硬件描述语言【1 3 】) 、v e r i l o g h i ) l 等硬件描述 语言对系统行为进行描述。再对系统进行验证，最后再用逻辑综合优化工具形成 具体的门级逻辑电路的网表，利用其物理特性制成印刷电路板或专用集成电路。 使得设计简化，系统易于重构，方便更新换代。 2 4 数控滚齿机的精度 在数控滚齿机中，工作台的轴向和径向进给运动都是通过伺服电机、直线滚 动导轨和滚珠丝杠来实现的。数控机床的进给系统不但应具有较高的传动精度和 定位精度，还应具有良好的快速回应性，避免爬行。由于进给爬行的产生主要是 因为进给系统的摩擦力较大而致，在数控滚齿机中则采用摩擦系数小、高精度且 具有预加负荷的高刚度直线滚动导轨，它不但可以提高机床移动部件的运动精 度，还能保证工作台低速运动的稳定性，从而使得工作台运动均匀、平稳、无振 动、达到高定位精度与高重复性精度，并易于达到与使用条件相匹配的足够的刚 度。用于实现工作台直线运动的滚珠丝杠通过适当的预加压力，获得零背隙及低 热损失，进一步保证了工作台的运动精度与定位精度。 进给系统中，伺服电机与滚珠丝杠的连接由挠性联轴器实现。挠性联轴器具 有缓动、吸振和补偿误差的功能，作为进给传动中的柔性环节，挠性联轴器能有 效地将电机的振动隔离于床身之外，提高了机床精度。 1 3 数控机床专用运动控制板卡研究 o i c 控 目曙 图2 7 数控滚齿机系统图 m ，、m b 、m ，、m ：为各轴驱动电机e 、毛、e 、e 为各轴编码器 滚齿切削的基本原理是齿轮的展成运动，因此，滚刀转速和工作台转速之间 应遵循严格的传动比关系。数控滚齿机取消了传统滚齿机中的齿轮差动机构，采 用电子齿轮箱实现各轴运动的匹配，并采用半闭环或全闭环控制，通过数控补偿 和修正机械误差，提高各轴的定位精度和重复定位精度，从而简化机床结构，提 高机床加工精度，增加机床可靠性。对于数控系统在离散化和处理运算数据时所 带来的误差，数控软件则可以消除，从而保证数控系统的精度。数控滚齿机的结 构图如图2 7 所示。 硕士学位论文 第3 章滚齿机运动关系研究 齿轮的种类繁多、用途极广，其轮廓切削成型的方法也很多。传统齿轮加工 机床大都采用连续范成切削加工的方法。为满足高精度、高效率、多品种、自动 化切削加工齿轮的实际需要，运用高新技术实现数控齿轮加工已是当前齿轮制造 行业的主要发展趋势。 本章通过对传统滚齿机的研究，对各轴的运动关系进行深入研究，对相关参 数进行计算，最后对其的数控运动【1 4 1 模型进行讨论，提出一个合理的方法，为下 文的设计工作，铺垫技术基础。 图3 1 渐开线齿轮的形成 根据范成法滚齿原理( 如图3 1 所示) 可知，用滚刀加工齿轮时，必须严格 保持滚刀与工件之间的运动关系，这是切制出正确齿廓形状的必要条件。滚齿机 在加工直齿圆柱齿轮( 如图3 2 ) 时的工作运动具有3 个基本运动( 如图3 3 ) ： 切削运动，即滚刀回转，数控机床上为b 坐标轴；展成运动，即回转工作台按 啮合关系回转，称为c 坐标轴；垂直进给运动，即滚刀的走刀运动，称为z 坐 标。数控滚齿除应具有上述3 个基本运动外，还必须具有滚刀沿刀具轴向进行 移位( 称为y 坐标) 和工作台进给( 称为x 坐标) 两个坐标运动。 1 5 数控机床专用运动控制板卡研究 i i 卜 ! 二4 擢 醯h l 夕 7 i i i i ii i 叱i u l i l q 5 净6 一一l 一一禽一j89 l 一， p = j 。 必 骅讯 一一 j 、) 嚣h 图3 3 滚切直齿所需要的运动 l 主运动 主运动为滚刀的旋转运动。根据合理的切削速度和滚刀直径，即可确定滚刀 的转速。 传动链两端件：电机一滚刀 主运动传动链：电机一l 十虬3 4 滚刀。 主运动传动链中的“。为主运动的传动比。 2 展成运动 展成运动为滚刀与工件之问的啮合运动。 传动链两端件：滚刀一齿轮坯 展成运动传动链：滚刀卜5 - 虬6 _ _ 7 齿轮坯。 两者应准确的保持一对啮合齿轮的传动比( 啮合运动传动比”。) 关系，即 滚刀旋转运动b l i 和齿坯旋转运动b 1 2 按一定传动比运动。设滚刀头数为k ，工 件齿数为z ，每切一个齿i l k 转。每切一个齿l ，z 转。即滚刀转l 转，切出k 个 1 6 碗上学位论文 齿，因此工件应转七z 转。 3 垂向进给运动 垂向进给运动a 2 为滚刀沿工件轴线方向作连续的进给运动，该运动使机床 能够切出整个齿宽的齿形。 传动链两端件：齿轮坯一刀架 垂向进给运动传动链；齿轮坯7 一& 一搿，9 1 0 一刀架。 垂向进给运动传动链中的”，为迸给运动传动比。 3 1 2 斜齿轮加工 舢酬 ll 夕b 1 2 9 夕b 丝 净客- 咨l _ - l 一一一一一一一一一一一一一$ 净一一一一一j 1 2 如图3 4 所示，和加工直齿圆柱齿轮一样，加工斜齿轮圆柱齿轮同样需要主 运动、展成运