數(shù)控縱切機(jī)床滾齒關(guān)鍵技術(shù)研究

成雪峰

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了數(shù)控機(jī)床的分類與優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)分析和介紹了數(shù)控縱切機(jī)床，并對(duì)其中采用的滾齒技術(shù)進(jìn)行闡述分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;縱切機(jī)床滾齒;滾齒技術(shù)

0 ?引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控縱切機(jī)床已被廣泛應(yīng)用。數(shù)控縱切機(jī)床具備車削、鉆孔等多個(gè)功能，而在采用滾齒技術(shù)后，能提高其對(duì)微小精密零件的加工成效。齒輪被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中，滾齒是應(yīng)用最廣泛的切齒方法。隨著機(jī)械設(shè)備的不斷發(fā)展，微小精密的零件在其中也占據(jù)了重要地位[1]。在對(duì)微小精密零件進(jìn)行加工制造時(shí)，不僅需要保證高度的精準(zhǔn)度，而且要實(shí)現(xiàn)高速度、高效率生產(chǎn)。這在一定程度上對(duì)加工設(shè)備的性能提出了較高的要求，而為了滿足這一要求，便需要將滾齒技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控縱切機(jī)床上。

1 ?數(shù)控縱切機(jī)床

1.1 數(shù)控縱切機(jī)床與數(shù)控機(jī)床

數(shù)控是數(shù)字控制的簡(jiǎn)稱，數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法?？v切車床，即采用橫切工藝方法的車床，在金屬切削加工中，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于工件的中軸線是垂直的，也就是在車削加工中工件是旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的，車刀不需要跟隨工件移動(dòng)，與常規(guī)的車床有著本質(zhì)的區(qū)別。數(shù)控機(jī)床與數(shù)控縱切機(jī)床的區(qū)別主要為：數(shù)控機(jī)床的范圍比數(shù)控縱切機(jī)床的范圍大;數(shù)控機(jī)床加工的零部件形狀簡(jiǎn)單，精準(zhǔn)度要求較低;數(shù)控縱切機(jī)床加工的零部件形狀相對(duì)復(fù)雜，精度要求相對(duì)較高。

1.2 數(shù)控縱切機(jī)床的優(yōu)勢(shì)

數(shù)控縱切機(jī)床（如圖1）集合了鉆、滾齒更功能的，使得需要進(jìn)行加工的零件在一臺(tái)機(jī)床上便可以完成，整個(gè)過(guò)程十分緊湊，大大縮減了產(chǎn)品加工制造的供應(yīng)鏈，從而大大提高加工零件的工作生產(chǎn)效率，節(jié)省時(shí)間。

2 數(shù)控縱切機(jī)床滾齒技術(shù)

2.1 數(shù)控縱切機(jī)床滾齒傳動(dòng)

滾齒復(fù)合加工的材料表面一體成型滾齒復(fù)合件的運(yùn)動(dòng)鏈條是以通過(guò)一條鉸鏈連接滾齒驅(qū)動(dòng)源以及執(zhí)行工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)外聯(lián)作為傳動(dòng)鏈條用來(lái)直接提供運(yùn)動(dòng)傳遞在滾齒加工時(shí)所可能需要的運(yùn)動(dòng)功率以及運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)然，在各個(gè)物體運(yùn)動(dòng)軸之間還有一條一個(gè)能夠同時(shí)起到運(yùn)動(dòng)同步作用傳遞物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的多軸內(nèi)聯(lián)動(dòng)性傳動(dòng)鏈。

滾齒的內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)則為內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈。其主要是當(dāng)某運(yùn)動(dòng)的復(fù)合成型運(yùn)動(dòng)時(shí)，它便通過(guò)嚴(yán)格的存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的幾個(gè)單位運(yùn)動(dòng)，完成復(fù)合的成型運(yùn)動(dòng)[2]。滾齒加工過(guò)程當(dāng)中，最為重要的展成運(yùn)動(dòng)即是其它如滾刀的高速旋轉(zhuǎn)展成運(yùn)動(dòng)以及展刀完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，滾刀的高速旋轉(zhuǎn)展成運(yùn)動(dòng)即是其最為主要的運(yùn)動(dòng)，我們通常來(lái)說(shuō)是用固定轉(zhuǎn)速n刀（r/min）刀來(lái)表示。而在滾齒的傳動(dòng)當(dāng)中，分齒運(yùn)動(dòng)則是通過(guò)強(qiáng)行齒輪坯和滾刀中間保持著嚙合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)。在數(shù)控縱切機(jī)床滾齒加工中，通常會(huì)采用位置、速度兩種控制模式。

2.1.1 位置控制模式

數(shù)控縱切機(jī)床滾齒加工的位置控制模式，就是在滾齒加工過(guò)程當(dāng)中控制直線軸的位移以及旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，致使加工質(zhì)量能夠達(dá)到精準(zhǔn)的離散點(diǎn)，在位置的離散點(diǎn)采用插補(bǔ)運(yùn)算。

2.1.2 速度控制模式

數(shù)控縱切機(jī)床滾齒加工的速度控制模式，就是通過(guò)電子齒輪箱技術(shù)控制運(yùn)動(dòng)軸的速度或者角速度，致使各運(yùn)動(dòng)軸之間時(shí)刻得保證嚴(yán)格的速比關(guān)系。這兩種控制模式都是作為數(shù)控滾齒系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題的解決方法，它們都是通過(guò)滾刀軸、工件軸以及進(jìn)給軸之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系來(lái)進(jìn)行的。而這兩種控制模式相比較，位置控制在加工精密程度上是比速度控制低的。由此，可以將數(shù)控縱切機(jī)床的滾齒系統(tǒng)是基于速度模式而開(kāi)發(fā)應(yīng)用的。

2.2 數(shù)控縱切機(jī)床滾齒系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)主要是由運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)等構(gòu)成的硬件系統(tǒng)。如圖2所示，可以清晰的了解數(shù)控系統(tǒng)的硬件建造框架。其中，工控機(jī)這一硬件在整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中起著控制全局的作用，它能夠分時(shí)處理數(shù)控系統(tǒng)中所存在的各項(xiàng)任務(wù)。而在工控機(jī)的控制之下又存在著兩個(gè)主控制技術(shù)：運(yùn)動(dòng)控制卡、信號(hào)采集。運(yùn)動(dòng)控制卡可以相對(duì)的對(duì)滾刀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，而信號(hào)采集能夠?qū)L刀軸的位置角度等做出調(diào)整。每個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡又可以控制4個(gè)能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的軸[3]。而滾輪的通過(guò)不運(yùn)動(dòng)的控制則是采用了電子齒輪箱技術(shù)。

2.2.1 伺服驅(qū)動(dòng)

數(shù)控系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是基于微處理器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)如今已成為數(shù)控機(jī)床等多個(gè)產(chǎn)業(yè)機(jī)械控制中的關(guān)鍵技術(shù)。伺服驅(qū)動(dòng)能夠?qū)π枰刂频膶?duì)象進(jìn)行由外到內(nèi)的劃分，通常被分為位置、電流以及速度這三環(huán)。而其又能夠?qū)ο鄳?yīng)的對(duì)象進(jìn)行位置、速度、力矩這三種控制模式。而這三種控制模式優(yōu)勢(shì)通過(guò)通信、參數(shù)設(shè)置的內(nèi)部或者使用模擬量來(lái)進(jìn)行給定。

伺服系統(tǒng)主要是由伺服電機(jī)、控制器、功率驅(qū)動(dòng)器以及傳感器構(gòu)成（如圖3），除此之外還有其他的組成部分。此處以伺服系統(tǒng)中的開(kāi)環(huán)控制方式為例，通過(guò)它能夠根據(jù)相應(yīng)的指令完全驅(qū)動(dòng)私服電動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)部分，并不獲取實(shí)際位置信息等反饋控制，所以整個(gè)過(guò)程結(jié)構(gòu)是非常簡(jiǎn)單的，從而成本相對(duì)較低[4]。其中的精準(zhǔn)度控制便只能依靠伺服系統(tǒng)本身的傳動(dòng)進(jìn)行精度保證。

2.2.2 電子齒輪箱

數(shù)控縱切機(jī)床滾齒系統(tǒng)所采用的數(shù)控系統(tǒng)是主要是通過(guò)電子齒輪箱進(jìn)行控制的。電子數(shù)控齒輪箱運(yùn)動(dòng)控制的多軸軸向耦合運(yùn)動(dòng)同步器對(duì)運(yùn)動(dòng)的精確運(yùn)行控制具有一定的技術(shù)要求，它不僅需要實(shí)現(xiàn)能夠精確保證各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間精準(zhǔn)的軸向相對(duì)角和位置運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及它需要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各軸運(yùn)動(dòng)量和速度的精確定比運(yùn)動(dòng)控制。采用這種電子控制齒輪箱主要是通過(guò)先進(jìn)的電子控制傳動(dòng)技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)主軸的精準(zhǔn)傳動(dòng)同步高速傳動(dòng)。

電子齒輪箱的傳動(dòng)精度高且具有能夠便捷調(diào)整、寬調(diào)速范圍的特點(diǎn)，能夠保證在齒輪加工或者其他相關(guān)情況下多軸同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系。而電子齒輪箱的功能主要可以分為兩種基本的體現(xiàn)形式，分別是硬件式、軟件式。

2.2.2.1 硬件式電子齒輪箱

硬件式電子齒輪箱是在電子電路的基礎(chǔ)上，也可以說(shuō)是在電子鎖相環(huán)路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。鎖相環(huán)路則是能夠輸出一定頻率的振電路，其中主要包括一個(gè)壓控器和振蕩器、鑒相器以及一個(gè)環(huán)路驅(qū)動(dòng)濾波器。鎖相環(huán)路就是能夠?qū)⒅鳈C(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)編碼器進(jìn)行檢測(cè)所需時(shí)產(chǎn)生的參考脈沖濾波信號(hào)轉(zhuǎn)換算作比較鎖相環(huán)的同時(shí)輸入的一個(gè)參考脈沖信號(hào)，再通過(guò)一個(gè)倍頻濾波電路對(duì)脈沖信號(hào)頻率進(jìn)行濾波頻率上的改變?yōu)V波處理，從而發(fā)送輸入信號(hào)到比較鎖相器當(dāng)中。基于電子鎖相環(huán)路的硬件式電子齒輪箱被應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)源的速度控制當(dāng)中，對(duì)電動(dòng)機(jī)速度高精度控制。而在應(yīng)用時(shí)能夠問(wèn)政的運(yùn)轉(zhuǎn)以及保證高精度[5]。雖硬件式電子齒輪箱優(yōu)點(diǎn)多，但其在壓縮振蕩器方面存在一定的問(wèn)題，它的抗干擾和動(dòng)態(tài)性能等方面存在著明顯的不足。

2.2.2.2 軟件式電子齒輪箱

軟件式電子齒輪箱是在微處理器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其主要是通過(guò)微處理器的高運(yùn)算、高速度處理取代比相器以及硬件倍頻電路等多個(gè)數(shù)硬件電路，從而與軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息處理。軟件式電子齒輪器通常被分為兩種形式，即主從式與平行式。主從式運(yùn)用電子驅(qū)動(dòng)齒輪箱即是同時(shí)運(yùn)用主從運(yùn)動(dòng)脈沖伴隨主從從運(yùn)動(dòng)的兩種方式同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)主從電子驅(qū)動(dòng)齒輪箱對(duì)信號(hào)編碼器件中檢測(cè)到的主從從運(yùn)動(dòng)的方向脈沖訊號(hào)信息方向進(jìn)行自動(dòng)改變，得到從主主運(yùn)動(dòng)的方向驅(qū)動(dòng)脈沖信息。平行式四軸電子傳動(dòng)齒輪箱則主要是通過(guò)依靠運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)齒輪運(yùn)動(dòng)的速比通過(guò)控制器件來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)速度控制信息，達(dá)到每個(gè)傳動(dòng)軸都必須能夠進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng) 。由于是在滾齒加工過(guò)程中，滾刀箱的運(yùn)動(dòng)要承受很強(qiáng)的橫向切削力運(yùn)動(dòng)干擾，平行式驅(qū)動(dòng)電子滾刀齒輪箱運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)若是由一個(gè)運(yùn)動(dòng)部位就接收到了強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)干擾，不過(guò)它能夠完全保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)主軸的實(shí)時(shí)同步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。而軟件主從式電子齒輪箱能夠?qū)L齒的內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)進(jìn)行多軸的同步耦合控制[6]。通過(guò)上述硬件式與其他軟件式的數(shù)據(jù)分析結(jié)果對(duì)比，可知目前數(shù)控縱切削式機(jī)床的旋滾齒輪箱采用數(shù)控電子傳動(dòng)齒輪箱設(shè)計(jì)是屬于軟件式的。

3 ?結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)縱切機(jī)床中滾齒技術(shù)通過(guò)先進(jìn)的軟件式電子齒輪箱技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)從而投入應(yīng)用。在滾齒技術(shù)中每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都是運(yùn)用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，且這些軸都是獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的。在整個(gè)數(shù)控縱切機(jī)床滾齒技術(shù)當(dāng)中，數(shù)控滾齒的內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈、數(shù)控系統(tǒng)、電子齒輪箱等都是非常關(guān)鍵的技術(shù)?；谲浖鲝氖诫娮育X輪箱的數(shù)控縱切機(jī)床滾齒加工能夠保證普通機(jī)械零件加工的以及微小精密零部件的加工，并保證生產(chǎn)效率，也在一定程度上支持?jǐn)?shù)控機(jī)床能夠進(jìn)一步向著智能、集成、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝占功，李寧，張瀟，等.數(shù)控縱切機(jī)床滾齒關(guān)鍵技術(shù)及仿真試驗(yàn)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2017（4）：68-72.

[2]王少江，侯力，匡紅.滾齒機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)控化研究[J].機(jī)床與液壓，2009（7）：42-44.

[3]鞏麗，張根保，劉潤(rùn)愛(ài)，等.零傳動(dòng)數(shù)控滾齒機(jī)的精度分析[J].機(jī)床與液壓，2006（02）：17-19.