齒輪傳動(dòng)應(yīng)用廣泛，對(duì)齒輪制造質(zhì)量的要求越來(lái)越高，需求量也日益增加，而鼓形齒輪可改善齒輪的嚙合狀況，使齒向載荷分布均勻，提高齒輪的抗彎強(qiáng)度，降低傳動(dòng)噪聲，延長(zhǎng)使用壽命。鼓形齒聯(lián)軸器和直齒聯(lián)軸器相比，具有承載力高、使用壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低、機(jī)械效率高等優(yōu)點(diǎn)，在起重機(jī)等方面應(yīng)用非常廣泛。普通滾齒機(jī)不具備加工鼓形齒輪的功能，部分滾齒機(jī)通過(guò)加裝仿形板并手搖機(jī)床立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)獲得鼓形齒輪加工功能，但這種方法存在立柱進(jìn)給靈敏度差、工件齒面粗糙度高、仿形板規(guī)格繁多、操作費(fèi)力等弊端，特別是機(jī)床調(diào)整復(fù)雜，調(diào)整周期長(zhǎng)，產(chǎn)品適應(yīng)性較差，加工質(zhì)量較低，嚴(yán)重制約了鼓形齒輪的生產(chǎn)。

 

　　本課題來(lái)源于生產(chǎn)企業(yè)對(duì)鼓形齒輪加工的實(shí)際需求，根據(jù)近年來(lái)數(shù)控技術(shù)，尤其是開放式運(yùn)動(dòng)控制器快速發(fā)展的現(xiàn)狀，應(yīng)某廠方要求，對(duì)某廠的Y3150E滾齒機(jī)進(jìn)行數(shù)控化技術(shù)改造，成功地開發(fā)了一套基于HUSTCNC－H3X的開放式運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控滾齒系統(tǒng)并用于實(shí)際生產(chǎn)。改造好的數(shù)控滾齒機(jī)調(diào)整簡(jiǎn)單，機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，使鼓形齒輪的加工質(zhì)量、加工精度大大提高，同時(shí)大幅度提高生產(chǎn)效率。

 

　　1滾齒機(jī)加工原理1.1滾齒機(jī)傳動(dòng)鏈分析滾齒機(jī)應(yīng)具備下列傳動(dòng)鏈：主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、展成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、軸向運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈。滾齒機(jī)的工作運(yùn)動(dòng)有：（1）主運(yùn)動(dòng)：主運(yùn)動(dòng)即滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

 

　　（2）展成運(yùn)動(dòng)：滾刀和工件的回轉(zhuǎn)，由伺服電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)滾刀和工件的回轉(zhuǎn)，伺服電動(dòng)機(jī)按控制指令運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)格保證滾刀和工件二者同步。該方案投入大，成本高，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)時(shí)控制要求較高，控制軟件編程難度大。

 

　　（3）垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)即滾刀沿工件軸向作連續(xù)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以切出整個(gè)齒寬上的齒形。軸向進(jìn)給改造為由伺服電動(dòng)機(jī)M1驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)M1的轉(zhuǎn)速可以得到需要的進(jìn)給速度，改造原理如所示。

 

　　（4）徑向進(jìn)給：工件向滾刀方向作徑向進(jìn)給，垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和徑向進(jìn)給聯(lián)動(dòng)加工鼓形齒輪。水平徑向進(jìn)給改造為由伺服電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)，經(jīng)蝸桿副、絲桿副使?jié)L刀切向移動(dòng)，調(diào)整伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以得到需要的切向進(jìn)給速度。

 

　　因廠方要求，且受成本限制，展成運(yùn)動(dòng)保留了普通滾齒機(jī)原分齒傳動(dòng)鏈，采用兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)控改造。

 

　　1.2總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)鼓形齒輪的成形原理，綜合考慮滾切中對(duì)機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)跟隨性、快速性的要求及改造成本等因素，在保留原普通滾齒機(jī)分齒傳動(dòng)鏈的基礎(chǔ)上，按照數(shù)控理論中兩坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)原理，對(duì)機(jī)床的刀架垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和水平徑向進(jìn)給進(jìn)行數(shù)控化控制改造，實(shí)現(xiàn)鼓形齒輪加工。按工件精度和切削力的計(jì)算，參考國(guó)內(nèi)外數(shù)控滾齒機(jī)的拖動(dòng)方式，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

 

　　在數(shù)控滾齒機(jī)上加工鼓形齒輪，要根據(jù)其工件圖參數(shù)、夾具尺寸、滾刀參數(shù)、工藝要求，確定各軸位置，XY兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，用圓弧插值法，加工對(duì)稱于工件齒寬、帶圓弧的鼓形直齒和斜齒齒輪。數(shù)值計(jì)算和調(diào)整原理。

 

　　2機(jī)械部分改造在滿足實(shí)際應(yīng)用需求的情況下，為了降低成本，酌情減少數(shù)控軸數(shù)，對(duì)原機(jī)械滾齒機(jī)的改動(dòng)較少。，對(duì)不同尺寸的鼓形齒輪通過(guò)參數(shù)化設(shè)置便可進(jìn)行加工，操作簡(jiǎn)單、方便。

 

　　進(jìn)給X軸、Y軸分別采用伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)單獨(dú)控制，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)滿足無(wú)間隙、低摩擦、高剛度等基本要求，需要完成的機(jī)械改造主要包括滑動(dòng)絲杠改為具有預(yù)緊、消隙功能的滾珠絲杠，蝸桿－蝸輪副改為雙導(dǎo)程漸開線蝸桿副。增加軸向調(diào)整環(huán)節(jié)，滑動(dòng)軸承()均改為滾動(dòng)軸承，去掉垂直進(jìn)給傳動(dòng)鏈及調(diào)整掛輪機(jī)構(gòu)。使刀架XY軸數(shù)控化，使得機(jī)床各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)精度大大提高，機(jī)床更加柔性化，調(diào)整更加方便，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

 

　　3控制軟件設(shè)計(jì)方案3.1控制系統(tǒng)方案制定本方案是采用中國(guó)臺(tái)灣億圖的多軸運(yùn)動(dòng)控制器HUSTCNC－H3X的開放式數(shù)控系統(tǒng)。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(yùn)動(dòng)控制卡，與嵌入式PC主機(jī)構(gòu)成多處理器結(jié)構(gòu)，卡上自帶DSP芯片以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速插補(bǔ)、計(jì)算功能，可完成空間直線、圓弧插補(bǔ)，大大減輕了主機(jī)負(fù)擔(dān)，還提供了程序緩沖區(qū)，該運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PC104總線和計(jì)算機(jī)通訊，一方面將從各控制軸采集到的數(shù)據(jù)送給主機(jī)進(jìn)行計(jì)算，另一方面，將主機(jī)根據(jù)工藝及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算生成的運(yùn)動(dòng)控制指令經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理送各軸伺服驅(qū)動(dòng)器，完成各軸的運(yùn)動(dòng)控制，加工出滿足工藝要求的合格零件。

 

　　3.2控制軟件設(shè)計(jì)方法本系統(tǒng)控制軟件是在純DOS下用C語(yǔ)言開發(fā)的，DOS系統(tǒng)的開放性、單任務(wù)、準(zhǔn)確的時(shí)鐘中斷管理及其良好的穩(wěn)定性，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了可靠的保證。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，它包括主程序模塊、子程序模塊及加工程序模塊三大部分。控制器LCD面板及按鍵參見圖3。單段運(yùn)行操作界面參見圖4。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(shù)的整定等。系統(tǒng)診斷模塊的作用是監(jiān)控各被控軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如：各軸有無(wú)運(yùn)動(dòng)誤差超限、伺服報(bào)警、運(yùn)動(dòng)完成、限位開關(guān)動(dòng)作等。實(shí)時(shí)控制模塊，由中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，它在每個(gè)時(shí)鐘中斷周期內(nèi)讀入各軸位置，根據(jù)加工對(duì)象的加工工藝要求計(jì)算出新的運(yùn)動(dòng)控制指令送運(yùn)動(dòng)器解釋執(zhí)行。

 

　　4硬件電路本文討論的改造方案采用開放式運(yùn)動(dòng)控制卡去驅(qū)動(dòng)各軸電機(jī)，擺脫了國(guó)外進(jìn)口的限制，充分發(fā)揮了PC平臺(tái)上的軟硬件優(yōu)勢(shì)，豐富和改善了開發(fā)環(huán)境。硬件電路由外設(shè)、信號(hào)變換電路及輔助電路幾部分組成，構(gòu)成一個(gè)完整的簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)，完成程序的輸入與處理、顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等一系列功能。

 

　　滾齒機(jī)系統(tǒng)硬件控制部分及部分電器原理圖如所示。

 

　　5結(jié)論本設(shè)計(jì)已成功地運(yùn)用于中型滾齒機(jī)的改造。它較好地解決了鼓形齒輪的滾齒加工問(wèn)題，加工出的鼓形齒輪齒面質(zhì)量高。對(duì)于不同的鼓形齒輪產(chǎn)品，要根據(jù)其零件圖參數(shù)、滾刀參數(shù)工工藝要求，確定各軸位置，只需輸入相應(yīng)的G54工件坐標(biāo)系等參數(shù)，就能靈活、迅速地適應(yīng)加工零件的變更，加工各種鼓形齒輪。因此，本設(shè)計(jì)具有產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)，加工質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，而且改造費(fèi)用低、改造周期短、操作使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

 

　　（1）滾齒機(jī)的數(shù)控化改造，大大提高了齒輪加工能力和加工效率，改善操作性能問(wèn)題。

 

　　（2）數(shù)控改造后有效提高工件加工精度和效率。機(jī)床操作簡(jiǎn)便，加工效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，效果良好。

 

　　（3）機(jī)床可根據(jù)加工零件的特點(diǎn)進(jìn)行編程加工，可進(jìn)行各種形式的方框循環(huán)加工程序，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)鼓形齒輪的數(shù)控加工。

 

　　（4）相關(guān)技術(shù)改造的可在齒輪機(jī)床上推廣，既有廣闊的技術(shù)前景，又有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

 

　　（5）如需進(jìn)一步提高該滾齒機(jī)的加工能力可對(duì)其他進(jìn)給各軸和滾刀刀盤角度A軸等采用單獨(dú)的伺服電機(jī)控制，進(jìn)行全面數(shù)控化改造。在技術(shù)上已不困難但成本較高，用戶要根據(jù)需求和成本進(jìn)行取舍。