傳統齒輪加工機床運動關系復雜，以滾齒機(或蝸桿砂輪磨齒機)為例，在齒輪機床中存在著展成分度鏈、差動鏈、進給傳動鏈等，如圖1所示。調整既復雜又費時。快速趨近、工進、快退的位置和距離都需精心調整或試切才能完成，且需要的輔件多。


圖1 傳統的齒輪加工機床傳動鏈示意圖

         為了提高齒輪加工精度和加工效率，到了20世紀80年代以后，國內外開始對齒輪加工機床進行數控化改造和生產數控齒輪加工機床。特別是近年來，由于微電子技術的迅速發展和以現代控制理論為基礎的高精度、高速響應交流伺服系統的出現，為齒輪加工數控系統的發展提供了良好的條件和機遇。

我們將齒輪加工數控系統分為全功能和非全功能兩大類。

1、非全功能齒輪加工數控系統的結構

         配這類數控系統的機床進給軸為數控軸，多采用伺服系統。由于80年代齒輪加工數控化剛開始起步，當時數控技術無法滿足齒輪加工機床展成分度鏈的高同步性的要求，因此展成分度鏈和差動鏈仍為傳統的機械傳動(圖2)。如南京第二機床廠的YKS3120滾齒機、重慶機床廠的YKX3132滾齒機、天津第一機床廠的YK520插齒機等，都是2～3軸數控齒輪加工機床。這種數控加工方式，調整比機械式齒輪加工機床要方便得多。它們可以通過幾個坐標軸的聯動來實現齒向修形齒輪的加工，省去了傳統加工修形齒輪所需的靠模等裝置，提高了生產率和加工精度。但這類齒輪加工數控系統屬經濟型數控系統，由于其展成分度鏈和差動鏈仍為傳統的機械式，齒輪加工精度取決于機械傳動鏈的精度。目前這種齒輪加工數控系統多用于對現有機械式齒輪加工機床的數控改造。


圖2 非全功能數控齒輪加工機床傳動鏈示意圖

2、全功能齒輪加工數控系統結構

        近年來，由于計算機技術的迅猛發展和高精度、高速響應的伺服系統的出現，全功能數控齒輪加工機床已成為國際市場上的主流產品。全功能數控指不僅齒輪機床的各軸進給運動是數控的，而且機床的展成運動和差動運動也是數控的。目前展成分度鏈和差動鏈的數控處理方法不盡相同，有基于軟件插補以及基于硬件控制的兩種類型。

(1) 基于軟件插補的齒輪加工數控系統

        這類數控系統的刀具主軸一般采用變頻裝置控制，工件主軸通過數控指令經伺服電動機直接驅動(圖3)。目前國產數控齒輪加工機床所配置的數控系統大多為國外知名品牌的通用數控系統，因而都是采用這種基于軟件插補的數控加工方式。


圖3 基于軟件插補的齒輪機床數控系統結構

根據齒輪加工過程中的參數確定刀具與工件之間的運動關系，如在滾齒機上加工圓柱齒輪時應滿足：

(1)

式中：nB，nC——分別為機床刀具主軸(B軸)和工件主軸(C軸)的轉速，r/min
zB，zC——分別為機床刀具齒數(頭數)和工件齒輪的齒數

        在用“有差法”加工斜齒輪時，采用對角線進給走刀的切齒時，蝸桿砂輪磨齒機深切緩進磨齒過程中等，機床工件主軸與刀具主軸之間不僅需要實現嚴格的展成分齒運動，還需完成與Z、Y軸或者Z軸和Y軸進給有關的附加合成運動。其運動關系式為

(2)

式中：vY、vZ——分別為Y、Z軸的移動速度，mm/min
——分別為斜齒輪和刀具的安裝角
mn——為齒輪的法面模數，mm

       基于軟件插補方法的優點是工件主軸的轉速完全由數控系統的軟件控制，因此，可以通過編制適當的軟件，用通用的刀具來高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪，且加工精度遠高于傳統的機械靠模加工方法。如合肥工業大學CIMS研究所為重慶機床廠YK3480CNC非圓滾齒機研制的STAR-930E數控系統，就是采用軟件插補的方法，成功地實現了非圓齒輪的高速高精度滾齒加工和插齒加工。

        目前，由于控制精度、動態響應等方面的原因，基于軟件插補的齒輪加工數控系統還不能勝任高速高精度磨齒機的要求。隨著計算機速度的不斷提高、新控制方法的出現和控制精度的提高，這種方法的應用面會越來越廣。

(2) 基于硬件控制的齒輪加工數控系統

        在傳統齒輪機床的展成分度鏈中，刀具和工件是由同一個電動機來拖動的，傳動鏈很長，并常需要采用精度不易提高的傳動元件(如錐齒輪、萬向聯軸節等)，所以提高機床精度受到限制。

        目前多采用光電盤脈沖分頻分度傳動鏈。砂輪主軸以固定轉速旋轉，并帶動發信元件(如光電盤)，光電盤信號經數字分頻后，控制工件軸伺服電動機以一定的轉速旋轉以實現精確分度傳動關系。同時把機床的差動鏈也納入控制系統，系統結構如圖4所示。IPC負責控制刀具主軸的轉速和工件各進給軸的運動，而工件主軸完全由硬件控制。控制電路實現分度與差動運動，即實現式(2)，其中控制電路中的差動系數和展成分度比是可調的，由IPC進行修改。


圖4 基于硬件控制的齒輪機床數控系統結構

        齒輪切削加工時，工件的回轉運動與刀具的回轉運動和進給軸間運動關系嚴格按式(2)描述。把轉速換算成各軸脈沖頻率，代入式(2)得各軸脈沖頻率間關系為

(3)

式中：NC、NC——分別為B、C軸每轉所反饋的脈沖數
NY、NZ——分別為Y、Z軸每移動1mm所反饋的脈沖數。

式(3)由鎖相伺服系統來實現，其結構如圖5所示。


圖5 鎖相伺服系統 

         基于硬件控制的齒輪加工數控系統的優點：采用硬件控制，特別是采用高同步精度的鎖相伺服控制時，精度高，響應速度快。缺點：結構上比較復雜，比軟件插補的方式多一個硬件控制電路部分。硬件控制的電子齒輪比[差動系數、主傳動比，即式(3)中的有關系數目前還不能做到實時修改，即不能實時改變工件主軸的轉速，因而不能用于加工非圓齒輪等。目前國外知名品牌的齒輪加工數控機床如Gleason、Reishauer、Pfauter等基本都采用這種控制系統。

3、結論與展望

         非全功能數控系統由于加工精度取決于機械傳動鏈，仍然存在交換掛輪，操作較繁，已較少使用，目前多用于現有機械式齒輪加工機床的數控化改造；基于軟件插補的齒輪加工數控系統具有柔性大的優點，可以很方便地通過程序控制，能加工非圓齒輪和各種修形齒輪，因而在加工精度不高的滾齒機和插齒機中有廣泛應用；基于硬件控制的齒輪加工數控系統，由于展成運動是直接采用硬件控制，特別是采用跟蹤精度極高的鎖相伺服技術時，能很好地保證齒輪機床差動和展成運動精度，響應速度快，但柔性差，適于加工精度要求高的磨齒機等。

        目前全功能的齒輪加工數控系統在國際上已是主流產品，也必將在國內成為主流產品。全功能數控齒輪加工機床的展成分度鏈的發展方向是軟硬結合，即鎖相伺服系統的電子齒輪比可以由軟件實時修改，這樣既有軟件插補的柔性，可以加工非圓齒輪和各種修形齒輪，又保持硬件控制的高精度調速響應的優點。這將是我們下一步的研究方向。