（机械制造及其自动化专业论文）螺旋齿圆柱齿轮插齿数控加工技术研究.pdf

螺旋齿圆柱齿轮插齿数控加工技术研究 摘要 螺旋齿轮具有一系列的优良特性，在机械、电子、航天、军事等诸多领域 具有广泛和重要的作用。传统机床加工螺旋齿轮必须附加螺旋导轨，导致成本 高昂。本文从螺旋齿轮成形原理出发，分析其加工方法以及插齿加工过程中的 各运动，探讨了附加转动的实现方式。研究了无差动法插削加工螺旋齿轮的理 论，并以此理论为基础，结合对运动控制芯片m c x 3 1 4 的研究，利用p c 机1 s a 总线和m c x 3 1 4 相连接，搭建数控系统硬件平台。对系统硬件和软件接口分别 进行了设计，利用m c x 3 1 4 的单步插补功能，初步实现了螺旋齿轮插削过程中 插齿刀旋转运动( c 轴) 和工件旋转运动( b 轴) 对插齿刀主切削运动( s 轴) 的跟踪插补，完成螺旋齿轮的数控插削加工。 关键词：螺旋齿轮，无差动法，插齿，计算机数控，数字信号处理 r e s e a r c ho nh e l i c a lg e a rs l o t t i n gn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t has e r i e so fe x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，h e l i c a lg e a r sh a v eb r o a da n di m p o r t a n t f u n c t i o n si nt h ef i e l d so fm e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ，s p a c e f l i g h ta n dw e a p o n r y ，e t c t h e t r a d i t i o n a lm a c h i n et o o l su s ea d d i t i o n a lh e l i c a ll e a d e r st om a c h i n i n gh e l i c a lg e a r s ， s ot h ec o s ti s e x p e n s i v e a c c o r d i n gt ot h es h a p e rp r i n c i p l eo fh e l i c a lg e a r ，t h e d i s s e r t a t i o n a n a l y z e i t s m a c h i n i n gm e t h o d s a n da l lm o v e m e n t si ns l o t t i n g m a c h i n i n gp r o c e s sa n dd i s c u s st h ep r o b l e mt h a t h o wt or e a l i z et h e a d d i t i o n a l r o t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o na l s or e s e a r c h e st h et h e o r yt h a tu s e su n d i f f e r e n t i a t e d m e t h o dt os l o th e l i c a lg e a r s o nt h eb a s i so ft h eu n d i f f e r e n t i a t e dm e t h o da n dt h e r e s e a r c ho ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc h i p w eu s ep c i s ab u st oc o m m u n i c a t e w i t ht h ed s pa n dc o n s t r u c tt h ec n ch a r d w a r ep l a t f o r m f i n a l l y ，t h ed i s s e r t a t i o n d e s i g n s t h ei n t e r f a c eo fs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e w i t ht h e o n e s t e p i n t e r p o l a t i o no fm c x 3 14 ，b a s i c a l l yr e a l i z et h ei n t e r p o l a t i o nb e t w e e nt h eh e l i c a l g e a rs h a p e rp r o c e s sa n dc o m p l e t et h eh e l i c a lg e a r sc n cs l o t t i n gm a c h i n i n g p r o c e s s k e y w o r d s ：h e l i c a lg e a r ，u n d i f f e r e n t i a t e dm e t h o d ，s l o t t i n gg e a r ，c n c ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 。5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 插图清单 渐开螺旋面形成原理8 螺旋齿廓曲面形成原理9 加工螺旋齿轮时，螺旋线形成原理图1 0 插齿刀附加转动示意图，1 2 多联齿轮加工1 2 直齿轮和螺旋齿轮插削传动原理图，1 6 插齿加工时的运动原理图1 7 螺旋导轨实现附加转动示意图1 8 数控差动链的传动系统图，2 0 插齿机结构示意图2 3 c n c 插齿机传动系统图。2 3 电子齿轮箱原理图2 6 锁相环电子齿轮箱原理图。2 6 数字式电子齿轮箱原理2 8 传动比方案的比较2 9 系统硬件的组成。3 2 m c x 3 1 4 芯片管脚定义，3 4 m c x 3 14 功能框图3 6 m c x 3 1 4 各轴控制结构方框图3 8 m c x 3 1 4 与p c i s a 连接图4 3 译码电路4 3 中断信号选择电路4 6 驱动脉冲输出接口电路4 7 伺服驱动器的通用输入接口电路4 8 外部脉冲驱动接口电路- 4 8 系统软件结构图一4 8 位模式插补程序流程图- 5 3 外部信号引起单步插补示例图5 3 数控加工程序流程图5 4 按s 形曲线对直线进行速度规划5 6 0 如 他 坞 m 坫 4 4 4 4 4 4 4 图 图 图 图 图 图 图 表3 1 表4 1 表4 - 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表格清单 机械和电子齿轮箱的性能比较 m c x 3 1 4 管脚功能定义 输入输出组说明 i s a 管脚信号功能定义 m c x 3 1 4 与p c i s a 接口信号表 读寄存器的地址 写寄存器的地址 2 7 3 4 3 6 4 1 4 5 4 7 4 7 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 盒鲢点些盍鲎 或其他教育机构的学位或 证怕而使用过的材料。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 明确的说明井表示谢意。 阮葛乡够 签字吼，乡年叩月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥鲤些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部f j 或机构送交论文的复印件雨1 磁糯，允许论文被查阅和借阅。本人授 权鱼日b ：些厶望：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 籀为 签字日期：泸f 年中月卯目 学位论文作者毕业后去向： 丁作单位：苏州西门子电器有限公司 通讯地址：苏州新区珠江路4 5 5 号 导师签名 硅 签字日期： 年月日 电话：0 5 j 2 - 8 8 1 6 6 3 9 1 邮编：2 1 5 1 2 9 致谢 值此论文完成之际，首先向我的导师韩江教授和夏链副教授致以最崇高的 敬意和最衷心的感谢! 本论文从选题、资料收集、试验方案设计等方面自始至 终得到了两位老师的指导。 回顾两年来的研究生历程，两位老师从科研上给我提供了良好的环境和设 备，使得课题研究能够进展顺利，有所收获。在生活上给予了我无微不至的关 怀和照顾，特别是在我毕业求职过程中给予了大力的帮助和指导。 韩老师和夏老师渊博的学识、严谨求实的治学态度、勤奋敬业的科研热情 以及充分发扬民主的学术作风给我留下了深刻的印象，对我来说是非常宝贵的 财富，不仅对我的研究生阶段学习工作产生了深刻影响，也必将在我今后的工 作、学习和生活发挥重要作用，是永远值得我学习的! 同时，要感谢王治森教授、桂贵生教授、吴焱明副教授、祖嗄老师、李良 初老师、何凯老师、何高清老师、余道洋老师在我的课题研究过程中对我的指 导和帮助! 感谢郭建强、王建兵、陆荣峰、成勇、姜晓林、潘斌、刘向前、陆青松、 苏志远等同学在我的论文撰写过程中给予的无私帮助。 感谢我的家人在我研究生阶段给予我的关怀、支持和培养。 时光荏苒，经过母校近7 年的培养，我本人已深深的打上了合肥工业大学的 印记。踏入社会后，我会努力工作，用自己的实际行动为母校争光添彩。 作者：程治 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 机械制造工业是国民经济发展的重要基础和有力支柱，其规模和水平是反 映国家经济实力和科学技术水平的重要标志【l 】。中国科学院工程院院士高度重 视制造技术，把它与材料技术、微电子技术和计算机技术等共同列为二十一世 纪九大关键技术，制造技术领域的竞争已成为国际竞争的主战场m 。1 。 近年来，随着现代科学技术的迅猛发展，特别是由于微电子技术、电子计 算机技术的迅猛发展，机械制造= 业从面貌和内容上都发生了深刻的变革。制 造技术由数控化走向柔性化、集成化、智能化，己成为现代科技前沿的热点之 一。所有这一切的发展和进步，不仅孕育出机械制造科学系统的理论，而且使 之成为最富有活力的、学术研究极为活跃的学科领域。 1 1 国内外数控机床的发展现状及趋势 数控机床是数字控制的工作母机的总称，它包括数控金属切削机床、数控 金属成形机床等。它综合应用了现代机械制造技术、计算机技术、自动控制技 术、精密测量技术、液压气动技术、光电技术等领域中的最新成果，融合了“高 效、精密、柔性、集成”四大特点，成为机床先进技术的具体体现，是国民经 济的重要基础装备，是机械、电子、汽车、石化和建筑等支柱产业及能源、交 通、原材料、通讯等基础产业实现生产现代化的重要手段。数控机床的广泛应 用对社会生产力的提高起着巨大的推动作用。数控机床的技术水平与拥有量是 衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。而以数控机床为基础建立的柔性制 造系统( f m s ) 和现代集成制造系统( c i m s ) 的发展程度，更是一个国家现代 化技术和管理水平的综合反映。 1 1 1 国外数控机床的发展现状及趋势 4 - 8 追求高效、高能、以最大限度满足用户需要是机床行业永久性的技术课题。 世界各国机床业为扩大机床加工内容和加强国际市场的竞争力，都以最大限度 地满足用户的需要为最高宗旨，他们按照用户提出的各种技术指标和性能要求 不断开发代表本身水平的新型机种，在竞争异常激烈的环境中求生存、求发展。 由于数控机床在国家经济发展中处于重要的战略地位，因此，世界各国政府都 给予了极大关注，工业发达围家如同本、美国、意大利等，通过制定产业政策， 从产业结构、技术发展路线、产品丌发、投融资渠道、设备折旧制度、进口限 制、出口鼓励、培育市场人员培训等方面给予大力支持。在这个历史背景下， 近十年来世界数控机床的年产量增加了近l o 倍，发展速度之快，是空前的。 一方面，随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术、传感器与检测技 术以及精密机械加工技术等发展，数控机床在技术上的更新换代周期越来越短； 另一方面，随着社会对机械产品的种类、形状、结构及加工质量等多样化需求 的增强，数控机床在应用上的广泛性也得到了空前的发展。 机械制造业中的自动化技术目前已经进入了f m s ( 柔性制造系统f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 和c i m s ( 现代集成制造系统c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t i o n m a n u f a c t u r j n gs y s t e m ) 的发展进程，数控机床正是这一进程中的重要角色。现 代数控机床正在向着更高的速度、更高的精度、更高的可靠性和更加完善的功 能的方向发展。 1 更高的速度 现代数控机床的c n c 系统采用3 2 位c p u 及以上或多c p u 技术、高速存 储技术等计算机新技术。使c n c 系统的运算处理速度大大提高；与高性能的c n c 系统相配合，现代数控机床采用交流数字伺服系统、高速响应检测系统以及现 代控制理论，实现了数控机床的高速进给性能。 2 更高的精度 现代数控机床由于得益于计算机技术的日新月异，其c n c 系统性能不断增 强，控制精度不断提高：由于采用了高精度、高分辨率的伺服系统，以及充分 利用数控系统的补偿功能，保证了数控机床的加工精度的不断提高。 3 更高的可靠性 现代数控机床的c n c 系统，采用模块化、通用化和标准化的结构，无论硬 件与软件都具有很高的可靠性；数控机床的主轴结构、机床结构及伺服系统等 也具有很高的可靠性。 4 ，更强的编程能力 现代数控机床利用强大的c n c 系统功能，将一些自动编程功能植入数控系 统中；在一些新型数控系统中，还装入了小型工艺数据库，使数控系统不仅具 有在线编程能力，而且，可以在编程过程中，根据加工要求自动选择最佳刀具 和切削用量等。 5 更强的通信能力 由于f m s 和c i m s 技术的发展，要求数控系统能够接入计算机网络，实现 系统对数控机床的控制。现代数控机床的通信能力不断增强，不少数控系统采 用了m a p 工业控制标准，可以很方便地进入f m s 和c i m s 等。 1 1 2 我国数控技术的发展现状及存在的问题1 9 - 1 3 我国数控机床的发展起步于2 0 世纪7 0 年代，目前我国生产数控机床的企 业已有5 0 多家，能进行批量生产的有2 0 余家，2 0 0 5 年产量达3 6 8 l3 台( 产值 约1 0 ，4 亿美元) 。我国数控系统的开发与生产，通过“引进、消化、吸收”， 国家组织科研单位攻关和产业化，数控系统的技术进步很快，其技术性能和可 靠性均很高。国产低档产品( 经济型) 已占领了国内市场，已广泛用于旧机床 改造；国产中档产品( 普及型) 于2 0 世纪8 0 年代初期批量进人市场，至今已 销售5 0 0 0 台以上；属于高档系统的数字化仿形数控系统也已开发成功并已可靠 运行多年。我国拥有自主知识产权的数控系统产业正开始形成。但总体来说， 除经济型、低价位的数控机床外，中档及以上的产品缺乏市场竞争力，装备各 行业所需的数控机床主要依靠进口，国产数控机床的市场占有率不到3 0 。 总之，我国数控机床面临的形势，一方面是前所未有的好机遇，另一方面， 是严重的生存与发展的挑战。可谓机遇与挑战并存，喜忧参半。随着我国国民 经济的迅猛发展，作为重要基础装备的数控机床，将会发挥越来越大的作用， 对数控机床的要求也将越来越高。为了使我国的数控机床具有参与国际市场竞 争的能力，就要适应国际大市场的需求，迈出更快更加坚实的步伐。 综上所述，我国数控机床制造业经过多年的努力，在各个行业中正在发挥 着重要的作用。但随着我国国民经济的快速发展，数控机床的市场需求将越来 越大并呈现多层次化。因此，我们要认真分析数控机床生产上存在的阔题，正 视与先进国家的差距，加速数控机床的发展步伐，为使我国发展成为世界数控 机床生产、使用和出口大国的目标而努力奋斗。 1 2 国内外数控插齿机的发展现状及趋势 1 2 1 齿轮加工机床的发展及其特点1 1 4 ”5 齿轮是机器的基础传动元件，其质量直接影响整机的性能、寿命。因其形 状复杂，制造难度大，其制造水平在很大程度上体现国家机械工业的水平。齿 轮制造技术的发展，主要体现在精度等级与生产效率的提高两个方面。 1 高速度、高精度、高效率 高速、超高速加工是现代机床工业的发展趋势，齿轮加工机床也不例外。 随着电力电子技术、控制技术、计算机技术以及齿轮加工工艺的发展，齿轮加 工机床的高速化和高精度得以实现。高级数控系统采用精简指令集运算的r i s c 芯片作为主c p u ，进一步提高了运算速度。伺服系统采用交流数字伺服，位置 环、速度环和电流环都实现了数字化控制，因而可获得不受机械载荷变动影响 的速度影响的伺服性能。机床结构设计的优化，使机床刚度大大提高，减少了 机床受载荷或热变形引起的加工误差。此外，采用前馈控制策略，以减少伺服 系统的跟踪滞后误差：采用高分辨率的位置编码器，以及位置环和速度环的软 件控制，还可实现各种补偿功能。以上几个方面保证了数控机床的高速度( 高 加、减速度) 和高精度这两项指标的兼容。 目前，c n c 滚齿加工机床，滚刀主轴转速高达5 0 0 0 转分，工作台转速高 达1 0 0 0 转分；采用碳化物涂层的刀具或陶瓷刀具进行干式加工，切削速度可 达8 5 0 米分；c n c 高速插齿机，插齿刀的往复速度己达1 0 0 0 - - 2 0 0 0 次分。 高的切削速度可以缩短切削加工时间，提高表面加工质量，此外，机床调整和 刀具，工件交换高速化的实现，大大缩短了非切削加工时闯，实现离效掘工。 2 开放式、全数控化 数控加工是齿轮加工的发展趋势，齿轮加工机床的数控化是关键，随着高 性能、低价格的p c 机硬件的普及，基于软件的控制技术和伺服技术得以充分 发展，采用p c 机总线和模块功能板，可以为软件开发和功能扩展提供优良平 台，丌发开放型的数控系统，符合国际数控技术发展的最新潮流，将大大缩短 c n c 系统开发周期，更易满足用户的不同需要，可使之获得功能强大、价格便 宜的c n c 系统。为了提高机床的加工效率，除了缩短加工时间( 采用高速加工) 以外，还应缩短非加工时间，机床的调整和刀具、工件的安装也应实现数控化， 即机床的全数控化。数控化齿轮加工机床的发展趋势就是控制轴数越来越多， 如德国乙o r e n z 公司的l s l5 4 型c n c 插齿机，最多己可控制1 0 轴，除了控 制刀具与工件的同步范成运动外，还控制插齿刀冲程长度、冲程位置和让刀等。 3 。柔性化、综舍化 在全数控齿轮加工机床基础上发展刀具和工夹具自动更换系统，再加上有 关外围设施组成柔性齿轮加工中心，实现多品种齿轮、多制造工艺的混流生产 自动化。柔性齿轮加工中心可以自动识别进入的工件、自动调整加工程序、自 动更换夹具和刀具、自动加工齿轮。如果迸一步扩展到齿轮加工过程的其它加 工工序，如齿坯的车与钻、齿部倒角、清洗和测量，就组成柔性齿轮制造系统， 实现齿轮制造的柔性自动化过程。 目前，大型齿轮加工机床j 下朝着这方面发展，力求工件一次装夹能完成所 有加工，德国h u r t h 公司的w f 3 5 0 0 型滚齿机，除能滚齿外，还能插齿、磨 齿和测量齿轮。德国l i e b h e r r 公司的l c 8 2 型滚齿机，机床采用模块化设计， 只要更换切削头，就可组合成滚齿、单分度铣齿或、插齿。 4 操作、调整、方便 先进的齿轮加工机床要求操作简单、方便和“友好”的人机关系。操作面 板上的按钮和指示灯简洁、清晰、操作方便。彩色屏幕显示，图形化操作界面， 对话自动参数编程，加工过程仿真模拟，加工状况动态显示。自带小型工艺数 据库，在加工中自动选择最佳刀具及切削用量，并有自适应控制功能。具备故 障诊断、刀具寿命预测功能。机床调整实现数控化操作，在加工过程中根据加 工程序指令，自动完成机床的调整、对刀和工件装夹。 1 2 2 国内数控插齿机的现状 随着国民经济的发展，企业的需求日益加大。国内各机床厂家纷纷推出各 种新型数控插齿机床满足市场需要，其中具有代表性的产品有：n n - - g 床有 限责任公司生产的y 5 13 2 c n c 型数控插齿机，天津第一机床厂生产的y k 5 1 8 0 数控插齿机，重庆机床厂生产的y s 5 13 2 c n c 6 六轴数控高速插齿机。 ( 1 ) y 5 1 3 2 c n c 型数控插齿机主要特点和参数q该机床是以刀架作摆 4 动实现内外1 止刀、工作台移动作径向进给、立柱部件左右偏移实行斜向让刀的 纵向和局四轴三联动数控插齿机。通过简单编程能实现多种循环方式，具有新 颖的大圆周进给和粗、精插自动变速。采用三菱m 5 0 数控系统，实现圆周进给、 径向进给和分齿运动的精确数字控制，重复定位精度高，具有故障自诊断的功 能。加工精度可达到g b l 0 0 9 5 8 8 标准的6 级。机床主运动采用变频调速，具 有稳定可靠的刀具上停功能，采用一只让刀凸轮实现双向让刀和主运动相位调 整的新机构。该机床实现参数化编程，操作简单方便，主要电气、液压件采用 进口件。机床传动链短、刚性好、功能全、适应性广、操作调整极为方便，不 但适用于汽车、拖拉机等专业齿轮厂的成批量和大批量生产，同时也适用于机 床和其他机构行业的单件和小批生产。最大加工直径为：外齿轮3 2 0 m m ，内齿 轮( 安装直径) 4 0 0 r a m ：虽大模数为6 m m ；最大齿宽为7 0 r a m ；斜齿最大螺旋 角为4 0 度；主轴每分钟冲程数：1 6 0 - - 8 0 0 s t r m i n ；每分铀刀具圆周进给量( 无 级变速) ：2 0 - - 5 4 0 m m m i n ；每分钟工作台径向进给量( 无级变速) ：0 1 6 1 6 m m m i n ；主电机功率7 5 k w ：电机总容量：1 4 k w 。 ( 2 ) y k 5 l8 0 型数控插齿机主要特点和参数【1 7 】 该机床为三轴联动数控插 齿机，采用西门子数控系统，可实现圆周进给( x 轴) 、径向进给( z 轴) 和分 齿运动( y 轴) 的精确数字控制，重复定位精度高，可实现参数化编程。主运 动采用变频调速有刀具自动上停功能。该机床适用于加工内、外直齿圆柱齿轮 及各种平板形非圆齿轮，如机床附加螺旋导轨，还可以加工螺旋齿轮，附加可 翻转工作台可加工锥度圆柱齿轮，当采用特殊形状的刀具时，还可加工齿形结 合子和花键。当采用不带齿的圆形光刀，还可加工各种平板形凸轮。本机床适 用于机床、纺织、化工、矿山和工程机械、冶金机械等行业，用以加工各种金 属及非金属材料的齿轮和凸轮。最大加工模数：1 2 r a m ；最大加工矗径( 插齿刀 公称直径为1 0 0 毫米时) ：外齿】0 0 0 r a m ，内齿8 0 0 r a m ；最大加工齿宽17 0 r a m ； 最大行程长度1 9 0 r a m ；刀轴轴线到工作台辙线移动距离o 7 0 0 m m ：工作台台 面至插齿刀支承端面的距离l5 0 3 5 0 m m ；工作台花盘直径8 0 0 m m ；插齿刀每 分钟往复行程数5 t 5 0 次( 无级) ；插齿刀每往复行程圆周进给量：无级。正 常使用0 0 1 1 2 5 毫米双行程；插齿刀每往复行程径向进给量：无级，正常 使用0 0 l 0 ，5 7 毫米；a 行程：插齿刀主轴让刀量：不小于0 6 5 m m ：主电机功 率：7 5 k w ，14 4 0 r m i n 。 ( 3 ) y s 5 13 2 c n c 6 六轴数控高速插齿机主要特点和参数 1 8 】 该机床设计 思想先进，制造工艺精湛。对称的床身结构使其能快速排屑，对称的冷却油循 环保证了机床的热稳定性；高强度、高刚性的大件结构和主轴支承方式，满足 了高速、高效切削对机床的要求；数控刀架滑板增加机床柔性，可加工较长轴 类工件；恒温静压系统与可靠的润滑系统具有很高的工艺能力；合理的管路与 电缆行线布置保证了控制系统的可靠性；不同功能配置，便于用户灵活选型。 该机床适用于汽车、摩托车、纺织机械、机械维修等行业。能加工内、外圆柱 直齿轮、间断齿轮、扇形齿轮以及各种轮廓的内、外凸轮等；增加或更换特殊 附件可加工内、外圆柱螺旋齿轮、小锥度齿轮、鼓形齿轮等。最大工件直径： 3 2 0 r a m ；最大模数：8 r a m ；最大冲程长度：8 0 ( 1 0 0 ) m m ；主轴最高冲程次数： 10 0 0 s t r m i n ；工作台最高转速：1 0 0 r r a i n ；径向运动快速：5 0 0 0 m m m i n ；轴 向运动快速：3 0 0 0 m m m i n 。 以上三种机床无一例外全部采用进口数控及伺服系统，而国内目前对于插 齿机数控系统的研究，尚处在起步阶段，尤其是全数字化螺旋齿轮插齿数控系 统研究基本处于空白，大部分的机床厂商在为国外数控系统作配套，机械平台 研发生产能力强，而核心的数控系统无法掌握，一台数控机床大部分的利润都 被国外厂商赚取。有国内厂家曾对机械式插齿机附加数控差动链来加工螺旋齿 轮，但机床主体结构仍然是机械式，并没有从根本上解决机械式插齿机存在的 种种问题。 1 3 本课题的提出及意义 本课题来源于企业产品研究开发项目需求。 随着机器向高速、重载、低嗓音方向的发展，螺旋齿轮( 包括内外螺旋齿 轮和人字齿轮) 的应用越来越普遍，它可以传递两平行轴、相交轴和交错轴之 f a j 的回转运动，具有很多形式。而国产插齿机大多只能加工直齿轮。为解决螺 旋齿轮的插削加工问题，我国先后从德国、瑞士等国进口过一些机械式螺旋齿 轮插齿机，但因价格高昂，引进数量有限，根本满足不了生产需要，并且进口 机械式插齿机大都采用螺旋导轨的方法加工螺旋齿轮，螺旋导轨精度要求很高， 制造工艺复杂，加工难度大、成本高，而且齿轮的螺旋角必须与擐齿刀螺旋导 轨的螺旋角相同，这将限制螺旋齿轮的设计参数，国内专家都意识到c n c 技术 及其软件的应用是改变目前插齿工艺落后的最有效的手段。因此，利用数字控 制取代螺旋导轨，对于实现螺旋齿轮插削加工的c n c 控制具有重要的现实意 义。 本课题“螺旋齿轮插齿数控加工技术研究”正是基于此提出的，在“无差 动法”理论的基础上，通过d s p 芯片的单步插补功能，保证插齿刀上下直线运动、 插齿刀旋转运动以及工件旋转运动三者之间严格的定比关系，从而实现螺旋齿 轮插削加工的全数字化控制。该课题的解决，将实现螺旋齿轮插削加工的全数 字化控制，缩短单轴的机械传动链，增强机床整体的刚性，减少加工辅助时间， 提高内、外螺旋齿轮的加工精度，有效的降低人字齿轮因采用滚齿加工时空刀 槽过大导致齿轮体积增大的问题。 1 4 论文主要内容 本论文“螺旋齿轮插齿数控加工技术研究”主要包括以下内容 6 1 研究了国内外数控机床的发展现状及趋势，论述了螺旋齿轮加工机床的 特点和现状，指出螺旋齿轮插齿数控加工机床及其数控系统研究的必要性和迫 切性。 2 由螺旋齿轮齿廓曲面形成原理入手，详细阐述了螺旋齿轮齿面螺旋线成 形原理和螺旋齿轮传动特点；分析比较了滚、插齿两种工艺方法的特点。详细 分析了螺旋齿轮插削加工原理、加工过程中的运动和附加转动的实现方式。 3 研究了螺旋齿轮插齿数控加工方法，从全软件实现和基于硬件的方式实 现两个角度探讨了数控系统的特点。对螺旋齿轮插齿加工的半数字化和全数字 化控制进行了比较，并对后者进行了详细地分析，研究了无差动法插削加工螺 旋齿轮原理。 4 基于无差动法插削加工螺旋齿轮理论，研究基于运动控制芯片的数控系 统的实现方式。介绍了该运动控制芯片m c x 3 1 4 的功能、管脚定义、工作方式 等等，进行了数控系统的硬件和软件设计。 第二章螺旋齿轮的成形原理和加工方法 2 1 螺旋齿轮齿廓曲面的形成原理i l w 螺旋齿轮用于传递平行轴和交错轴之间的回转运动，齿轮的齿面是螺旋面。 可以认为螺旋面是由端面齿廓作螺旋运动形成的，也可以认为螺旋面由轴面齿 廓作螺旋运动来形成，所谓轴面齿廓是通过螺旋面轴线的平面与螺旋面的交线。 在平行轴外啮合齿轮传动中，两齿轮节圆柱上的螺旋角大小相等而方向相 反；在交错轴传动中，两齿轮螺旋角度大小可以不相等。为了简单起见，我们 用术语“斜齿轮”来表示两轴线平行的齿轮，而用“螺旋齿轮”来表示两轴线 交错的齿轮。必须说明，在两种情况下，齿轮的齿面都是螺旋面，螺旋齿轮也 是具有螺旋齿的圆柱齿轮。如果仅就一只单独齿轮来看，螺旋齿轮与斜齿轮完 全相同，但是由于它们的轴线的相对位置不同，所以其传动原理也不一样。螺 旋齿轮副有多种组合形式f 2 0 1 ：直齿轮一螺旋齿轮，螺旋齿轮一螺旋齿轮，蜗杆 一直齿轮，蜗杆一螺旋齿轮：尽管组合形式不同，但都具有共同特征：两轴线 在空间交错，廓面为渐开线柱面或渐开线螺旋面。 渐开线螺旋面可以由一条直母线m l 作螺旋运动来形成( 图2 1 ) 。这条 直线和半径为r o l 的圆柱的切点m ，在螺旋运动中将画出一条螺旋线m o m ；直 母线m l 的倾角要这样选取，使得它与螺旋线m o m 相切，半径为r 0 1 的圆柱称 为基圆柱。渐开线螺旋面被垂直于螺旋运动轴z t 的平面截得的截线，是半径为 r 0 1 的圆的渐开线。 如果把渐丌线螺旋面看成是平面z - = o 上的渐开线齿廓作螺旋运动的结果， 就可以得出它的方程式。但是如果把渐开线螺旋面看作是直母线m l 作螺旋运动 所形成的直纹螺旋面，则可以更为方便地写出它的方程式。 渐丌线螺旋面上n 点的径矢o n 为( 图2 1 ) o n = o k + 删+ m n ( 2 1 ) 式中俐= f r 一一直母线的一段，即由直 母线同基圆柱的切点m 到渐丌线螺旋面上任 一点n 的线段；0 ：= r 。，一一基圆柱半径； 崩= p 口一一在螺旋运动中，转过角口时的轴 向位移，将矢量洲投影到坐标轴上，得到： r = 凸v2 ( r o l c o s 目+ “c o s 五d s f 船口) f l + ( r o c s i n o u c o s 2 0 ：o s o ) j 1 + ( p o u s i n 2 0 1 ) | 1 ( 2 2 ) 式中p r 。；t a n 2 2 0 ，直母线m n 的升角， 它等于基圆柱上螺旋线的升角。 法线单位矢量由方程式： 图2 1 渐开螺旋面形成原理 e l = 女( j 里旦 婴) = s i na o s i n 口i l s i n 。lc o s 口j l + c o s 五o l k ( 2 3 ) a ，1a 口l 确定，式中k 一一标准化因子。 因为渐开线螺旋面是可展曲面，所以法线沿 m n 移动时，其单位矢量的方向保持不变，因而在 表达式( 2 3 ) 中不包含参数u 。 螺旋齿轮齿廓表面为三维空间螺旋曲面，大多 通过滚齿或插齿范成加工丽成。根据范成加工原理， 齿廓曲面可认为是由一系列具有相同端面参数的端 面齿廓曲线相对前端面分别转过相应角度而形成 【o9 , 2 l ，22 1 ，如图2 2 所示。据此在计算齿廓曲面上点 的坐标时，可先在各端面坐标系o i - - x i y i z i 下计算端 面齿廓曲线上点的坐标，再将各端面坐标系下的计 r f j 、 |。n 。 算结果转到统一的前端面坐标系。一班 图2 2 螺旋齿廓曲面形成原理 下，其坐标转换式为： s i n 臼j0 c o s 口j0 l 0 1 i斟 式中b 为需转过的角度，其计算公式为 臼l = 式中r b l 、风分别为基圆半径和基圆螺旋角。 2 2 螺旋齿轮传动的特点及其加工原理f 2 3 1 2 2 1 螺旋齿轮传动的特点 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 渐丌线圆柱齿轮是机械传动中应用极为广泛的零件之一，而随着机器向高 速、重载、低噪音方向的发展，其中的螺旋齿轮( 包括斜齿轮) 因其特有的传 动特点而得到越来越普遍的应用： 1 ) 可以方便地实现任意轴交角间的传动，螺旋齿轮传动的轴交角是两齿轮 轴线在过两轮啮合节点的两轮节圆柱的公切面上投影的夹角。不变位时，若两 轮旋向相同，则轴交角即为两轮分度圆螺旋角之和。因而在给定轴交角情况下， 只要适当分配两螺旋角，便可实现空间中交错轴间的传动。这一优点是其它可 以实现空间交错轴传动的齿轮机构无法比拟的。 2 ) 交错轴螺旋齿轮齿间是点接触，因而对安装过程中的轴交角、中心距 9 矾 护 s “ o s c 一 ，、。l = 、，、r， 五 y z rj、l 误差在一般情况下都不敏感。这对于它的安装、调整、检验也都是十分有利的。 也就是说，在凑配中心距、减小外廓尺寸方面，螺旋齿轮具备独特的优势。 3 ) 螺旋齿轮不产生根切的最少齿数比直齿的少。 4 ) 由于螺旋齿轮的轮齿是空间螺旋形的，位于同一圆柱面上的齿廓上的 各点不同时参加啮合，这样可以分散制造误差对传动的影响。 5 ) 一对螺旋齿轮传动时，当传动比一定时，只要改变螺旋角卢，和尻的大小 就可以任意选两轮的直径以满足中心距的要求；或者当两轮的直径一定时，又 可以通过改变螺旋角柬得到不同的传动比。此外，还可以用改变螺旋角方向的 办法来改变从动轮到回转方向。这些特点给传动设计带来了很大的方便。 2 2 2 螺旋齿轮螺旋线的成形原理1 1 9 l 螺旋齿轮的轮齿，端面上的齿廓是渐丌线，而在轮齿齿长方向，看起来是 一条倾斜的直线。但实际上是一根螺旋线。由此，可以与直齿圆柱齿轮的轮齿 相比较，螺旋齿轮齿面的成形，与加工直齿圆柱齿轮齿面的差别仅在于导线的 形状不同：直齿圆柱齿轮为直线；而螺旋齿轮的导线为螺旋线。因此，只要把 螺旋线的成形方法了解了，那么分析加工螺旋齿轮齿面的成形方法以及它的传 动原理图，就如同分析加工直齿圆柱齿轮那样简单。 直齿和螺旋齿轮在形成导线时的差别可用下图说明。 i1 l ，b 目 一b 2 一b 匿 。写 i 一 - - - - 一b 3 一b 2 一b 3 ( c 1 o 加1 = ：盲齿轮时，范成运动工件的旋转运动方向 ，一加一 螺旋齿轮时，r 什附加的旋转运动方向 图中所表示的运动方向是根据使用右旋刀具判定 幽2 3 加工螺旋齿轮时，螺旋线形成原理图 图2 3 a 中的a c 是直齿圆柱齿轮轮齿的齿线；a c7 是螺旋齿轮轮齿齿线。插齿 时使用右旋插齿刀，安装在工件的前面( 图中没有表示出来) 。插齿刀在位置 l 时，切削点正好是a 点。当插齿刀下降s 距离后( 到达位置i i ) ，要切削的 直齿齿轮轮齿b 点，正对着插齿刀的切削点。但是，如果插齿加工的是螺旋齿轮， 需要切削的是b7 点。因此，要求在插齿刀直线下降s 的过程中，工件的转速 应比插削直齿齿轮时要快一些，也就是把要切削的b 点转到现在图中插齿刀对 着的b 点上。 图2 3 be h 于螺旋齿轮的旋向( 左旋) 与图2 3 a 的相反，加工时，工件的转 速应比插削直齿齿轮时要慢一些。工件附加旋转的运动方向，决定于插齿刀的 旋向和加工齿轮的旋向。 从图2 3 c 也可以得到同样的解释。我们可以这样设想，插齿刀和工件的运 动就如同插削直齿圆柱齿轮时那样，当插齿刀下降一个很小的距离s 切出一片 很薄的直齿齿轮之后，把所有的运动一一范成运动和轴向进给运动全停下来， 然后给工件一个附加的转动，把b 点转到b 点的位置上，之后，又再切出另一 薄片的直齿齿轮，再停下来又给工件一个附加的转动，把c7 点转到c 点位置 上。这样，螺旋齿轮就象是由许多相互错丌的直齿齿轮薄片组成。如果薄 片越来越薄，也就是移动量a s 趋近于0 n ，那么形成的螺旋齿轮轮齿就趋于连 续。所以，随着刀架的下移，要给工件连续地加入附加的转动b s 。由于工件在 范成运动中应以b z 转动，因此如果须将附加转动b 。也传给工件，在传动链中需 要有合成机构。 2 2 3 螺旋齿轮螺旋线的成形运动i l 9 1 根据螺旋齿轮螺旋线的成形原理，加工螺旋齿轮时，工件齿轮在作展成运 动的同时还必须有附加转动以形成螺旋线蝮廓。因此，螺旋齿轮的插削加工运 动是插齿刀工件齿轮的展成运动和工件齿轮的附加转动的合成，其突出的特 点是：一、插齿刀与工件齿轮之间严格地保持啮合关系；二、在插齿刀沿其轴 线往复运动时，工件齿轮还需迭加附加转动，这是插削加工螺旋齿轮与直齿轮 的最大区别。 1 展成运动 也就是插齿刀和工件齿轮的转速之间保持严格的确定比例 关系，满足以下关系式： 垒：坐 ( 2 6 ) z7 j l 其中z 。一工件齿轮齿数，z 。一插齿刀齿数，。一工件齿轮转速( 2 - ，i n ) ， n 。一插齿刀转速( f m i n ) 。 2 附加转动为保证渐开螺旋齿面的形成，插齿刀作上下往复运动时还必 须有一个同步的附加转动，以使切削刃运动时产生的表面相当于螺旋齿轮的齿 侧面。这个附加转动出安装在插齿刀轴上的螺旋导轨副得到。如图2 4 所示， 假设被加工齿轮固定不动，插齿刀只有附加转动和上下往复运动；并假设插齿 刀的前刀面与插齿刀轴线垂直。当插齿刀前刀面在位置i 时( x o y 平面上) ，其 渐开线侧刃上的n7 点与被加工齿轮齿面上的m 点共处在啮合平面上；当插齿 刀前刀面由位置i 沿z 轴移动了s 距离到达位置i i 时，插齿刀附加转动了角， 其渐开线侧刃上的n 点与被加工卤轮齿面上的m 点共处在啮合平面上。 图2 4 插齿刀附加转动不惹幽 2 3 螺旋齿轮的加工方法u 】 齿轮加工的方法很多，如铸造法、冲压法、积压法及切削法等，其中常用 的方法是切削法。齿轮切削加工的工艺很多，但按照齿廓形成原理，可分为成 形法和展成法两大类。成形法是用刃部形状与被切齿轮槽形状相同的成形刀具 ( 铣刀或砂轮) 来加工齿轮的，属于成形法的有铣齿、拉齿、冲齿、成形磨齿、 压铸等。展成法是利用刀刃在齿坯上留下的切痕包络出被加工齿轮的齿廓，属 于展成法的有滚齿、插齿、剃齿、研齿、珩齿等。现代齿轮生产中，主要采用 展成法。在展成法中滚齿和插齿是最常用的方法，螺旋齿轮切削加工究竟采用 滚齿还是插齿，这个问题是确定齿轮加工 工艺的首要问题。 齿轮由于工艺、结构等因素的影响， 生产时有的只能滚切( 如蜗轮) ；也有的 只能插削，如加工多齿圈圆柱齿轮中的小 齿轮时，若两齿圈之间的轴向距离很小如 图2 。5 所示，因插齿刀切出时只需要很小 的距离，而用滚齿则滚刀与大齿轮将发生 干涉，故不能用滚齿而只能用插齿。绝大 部分的圆柱齿轮是既可以滚，也可以插的。 2 。3 ，1 滚齿加工 图2 5 多联齿轮加工 滚齿是最广泛采用的一种齿轮加工方法，它是依照交错轴斜齿轮啮合原理 进行加工的。在滚齿机上用齿轮滚刀加工齿轮的过程，相当于一对螺旋齿轮副 啮合的过程，滚刀实质上是一个螺旋角很大的斜齿轮，呈蜗杆状。滚齿时，滚 刀切削刃在齿轮端截面内相当于齿条平移，因此，切出的渐开线齿形，是齿条 运动轨迹的包络线。 滚齿是一种高效的切齿方法。因此，有些国家的滚齿机拥有量大约占齿轮 机床总数的5 0 。滚齿主要用于软齿面加工，目前，国外滚齿精度可达4 6 级( d i n 3 9 6 2 3 9 6 7 ( 7 8 ) ) ，高的甚至可达3 级。滚齿加工技术向两个方向发 展：高效滚齿和硬齿面滚齿技术。 ( 1 ) 高效滚齿技术目前已开发出刚度、切削功率都较大的新型滚齿机， 使滚切的生产率进一步提高。数控技术已成功用于滚齿加工中，用电子系统协 调机床各种运动，机床调整时间减少，加工时间缩短并可进行斜齿、鼓形齿、 锥齿等切削加工。新型的高强度、高硬度刀具材料的采用，使滚齿切削速度提 高很多。普通切削速度只能达3 0 5 0 m m i n ，而会属陶瓷滚刀的切削速度甚至 可达6 0 0 m m i n 。新型、新结构滚刀的采用，如装配式圆磨法滚刀采用大