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齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究
2010-04-07 10:11:55
傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，以滾齒機(jī)（或蝸桿砂輪磨齒機(jī)）為例，在齒輪機(jī)床中存在著展成分度鏈、差動(dòng)鏈、進(jìn)給傳動(dòng)鏈等，如圖1所示。調(diào)整既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)。快速趨近、工進(jìn)、快退的位置和距離都需精心調(diào)整或試切才能完成，且需要的輔件多。
為了提高齒輪加工精度和加工效率，到了20世紀(jì)80年代以后，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始對(duì)齒輪加工機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造和生產(chǎn)數(shù)控齒輪加工機(jī)床。特別是近年來(lái)，由于微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的高精度、高速響應(yīng)交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，為齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的條件和機(jī)遇。
我們將齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)分為全功能和非全功能兩大類(lèi)。

1 非全功能齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

配這類(lèi)數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床進(jìn)給軸為數(shù)控軸，多采用伺服系統(tǒng)。由于80年代齒輪加工數(shù)控化剛開(kāi)始起步，當(dāng)時(shí)數(shù)控技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足齒輪加工機(jī)床展成分度鏈的高同步性的要求，因此展成分度鏈和差動(dòng)鏈仍為傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)（圖2）。如南京第二機(jī)床廠(chǎng)的YKS3120滾齒機(jī)、重慶機(jī)床廠(chǎng)的YKX3132滾齒機(jī)、天津第一機(jī)床廠(chǎng)的 YK520插齒機(jī)等，都是2～3軸數(shù)控齒輪加工機(jī)床。這種數(shù)控加工方式，調(diào)整比機(jī)械式齒輪加工機(jī)床要方便得多。它們可以通過(guò)幾個(gè)坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)齒向修形齒輪的加工，省去了傳統(tǒng)加工修形齒輪所需的靠模等裝置，提高了生產(chǎn)率和加工精度。但這類(lèi)齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)屬經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，由于其展成分度鏈和差動(dòng)鏈仍為傳統(tǒng)的機(jī)械式，齒輪加工精度取決于機(jī)械傳動(dòng)鏈的精度。目前這種齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)多用于對(duì)現(xiàn)有機(jī)械式齒輪加工機(jī)床的數(shù)控改造。

2 全功能齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和高精度、高速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，全功能數(shù)控齒輪加工機(jī)床已成為國(guó)際市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。全功能數(shù)控指不僅齒輪機(jī)床的各軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)控的，而且機(jī)床的展成運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)運(yùn)動(dòng)也是數(shù)控的。目前展成分度鏈和差動(dòng)鏈的數(shù)控處理方法不盡相同，有基于軟件插補(bǔ)以及基于硬件控制的兩種類(lèi)型。
  1. 基于軟件插補(bǔ)的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)
    這類(lèi)數(shù)控系統(tǒng)的刀具主軸一般采用變頻裝置控制，工件主軸通過(guò)數(shù)控指令經(jīng)伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)（圖3）。目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控齒輪加工機(jī)床所配置的數(shù)控系統(tǒng)大多為國(guó)外知名品牌的通用數(shù)控系統(tǒng)，因而都是采用這種基于軟件插補(bǔ)的數(shù)控加工方式。
    根據(jù)齒輪加工過(guò)程中的參數(shù)確定刀具與工件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如在滾齒機(jī)上加工圓柱齒輪時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足：
    nB = zC
       
    nC zB
    		 （1）
    式中：nB，nC——分別為機(jī)床刀具主軸（B軸）和工件主軸（C軸）的轉(zhuǎn)速，r/min
    zB，zC——分別為機(jī)床刀具齒數(shù)（頭數(shù)）和工件齒輪的齒數(shù)
    在用“有差法”加工斜齒輪時(shí)，采用對(duì)角線(xiàn)進(jìn)給走刀的切齒時(shí)，蝸桿砂輪磨齒機(jī)深切緩進(jìn)磨齒過(guò)程中等，機(jī)床工件主軸與刀具主軸之間不僅需要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的展成分齒運(yùn)動(dòng)，還需完成與Z、Y軸或者Z軸和Y軸進(jìn)給有關(guān)的附加合成運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)關(guān)系式為
    nC= ZB nB± sinb vZ± cosl vY
         
    ZC pmnZC pmnzC
    		 （2）
    式中：vY、vZ——分別為Y、Z軸<
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