非圓齒輪理論自提出至今已有幾十年，由于設(shè)計(jì)與制造過程復(fù)雜，切齒問題得不到滿意的解決，一直未能得到廣泛應(yīng)用。非圓齒輪相當(dāng)于在凸輪上切出輪齒，因此兼具凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)，但是在數(shù)控技術(shù)發(fā)展以前，其設(shè)計(jì)、制造一直比較困難。近年來隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了用數(shù)控插齒機(jī)、銑齒機(jī)等等先進(jìn)的加工非圓齒輪的方法。在現(xiàn)代航空、儀表、機(jī)械等領(lǐng)域，非圓齒輪得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 非圓齒輪常用加工方法

　　目前各種非圓齒輪加工可歸納為如下諸法:

　　(1)靠模加工法。根據(jù)嚙合原理，通過采用靠模的方法，使刀具的節(jié)圓與其共扼的非圓齒輪節(jié)曲線實(shí)現(xiàn)無滑動的純滾動，展成加工出非圓齒輪，此法適合于加工形狀最為簡單的非圓齒輪〔‘口。

　　(2)近似切齒法。采用分度加工即是一種典型的近似切齒法。此法的分度中有兩個(gè)角位移和一個(gè)線位移。加工出來的非圓齒輪不能良好地嚙合，須做后期的配研及跑合才能使用。

　　(3)斷續(xù)展成法。即采用與擂削一般圓形齒輪原理相同的展成法加工非圓齒輪。只是在斷續(xù)展成法中，刀具與非圓齒輪的相對運(yùn)動是間斷實(shí)現(xiàn)的，此法加工的非圓齒輪的齒廓由幾條包絡(luò)線形成，得到的齒廓為棱形，但其齒形誤差比近似切齒法小。

　　(4)數(shù)控銑齒法。在數(shù)控銑齒機(jī)上加工非圓齒輪，為了實(shí)現(xiàn)刀具節(jié)曲線與工件節(jié)曲線共扼，必須有3種控制運(yùn)動:固定在機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺上的毛坯繞自身軸心線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動;環(huán)狀銑刀在其軸線方向的移動;環(huán)狀銑刀軸心與齒坯中心之間的中心距移動。此外還有銑刀繞自身軸心轉(zhuǎn)動及沿毛坯軸向的走刀運(yùn)動。

　　(5)數(shù)控插齒法。在數(shù)控插齒機(jī)上加工非圓齒輪應(yīng)有3種控制運(yùn)動:固定在機(jī)床轉(zhuǎn)工作臺上的非圓齒輪毛坯繞自身軸心線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即分齒運(yùn)動插齒刀繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，即圓周進(jìn)給運(yùn)動;非圓齒坯在其與插齒刀中心連線方向上的移動。此外還有機(jī)床主軸的往復(fù)運(yùn)動和齒坯與主軸相配合的讓刀運(yùn)動。此法對內(nèi)外齒形的非圓齒輪加工均適合。

　　(6)數(shù)控滾齒法。在數(shù)控滾齒機(jī)上加工非圓齒輪，必須有4種控制運(yùn)動:滾刀繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;固定在機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺上的齒坯隨工作臺的回轉(zhuǎn)運(yùn)動;滾刀軸線與齒坯中心的中心距移動;滾刀沿齒坯切向的進(jìn)給運(yùn)動。此外還在齒坯軸向有走刀運(yùn)動。此法適合于加工節(jié)曲線凸出的外齒非圓齒輪。

　　而插齒機(jī)、銑齒機(jī)加工非圓齒輪的加工精度低，生產(chǎn)效率不高，且不能加工斜齒非圓齒輪。因此利用數(shù)控滾齒機(jī)實(shí)現(xiàn)非圓齒輪的滾切加工勢在必行。下面著重討論采用新型數(shù)控技術(shù)來構(gòu)建模塊化的滾齒加工數(shù)控系統(tǒng)。

2 數(shù)控滾齒加工工作原理

　　由于螺旋滾刀在其法向截面內(nèi)相當(dāng)于一個(gè)齒條，故在滾齒機(jī)上加工非圓齒輪的過程就相當(dāng)于一齒條和非圓齒輪相嚙合的過程，齒條的節(jié)曲線與齒輪的節(jié)曲線作純滾動。因此，數(shù)控滾齒機(jī)加工非圓齒輪時(shí)主要有以下3種運(yùn)動。

　　范成運(yùn)動:滾刀與毛坯以恒定規(guī)律所作的相對運(yùn)動;進(jìn)給運(yùn)動:為了切出輪齒高度，刀具向毛坯中心的徑向運(yùn)動，直至達(dá)到規(guī)定的輪齒高度;切削運(yùn)動:刀具沿毛坯軸向的往復(fù)運(yùn)動。以上3種運(yùn)動中尤以范成運(yùn)動最為重要。范成運(yùn)動應(yīng)該包括3種控制運(yùn)動:(1)非圓齒輪毛坯繞自身回轉(zhuǎn)中心的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即分齒運(yùn)動;(2)滾刀的等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動;(3)非圓齒輪毛坯沿毛坯與滾刀中心連線方向上的直線運(yùn)動。

　　滾切過程得以實(shí)現(xiàn)的基本要求是滾刀節(jié)曲線與非圓齒輪節(jié)曲線無相對滑動的純滾動，即二者沿非圓齒輪節(jié)曲線的切向速度值始終相等。滾刀回轉(zhuǎn)時(shí)，除了形成切削速度，還相當(dāng)于齒條在平移，如圖1所示，(a)所示為加工起始位置，(b)所示為加工過程中任一位置。

圖1滾刀加工非圓齒輪示意圖

3 數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建

　　3.1 硬件組成

　　滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成如下:

研華工控的IPC-610 H原裝整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)(IPC-610H工控機(jī)選用PCA-6003 V主板和Intel PIII100f)微處理器，該機(jī)具有7個(gè)PCI插槽、2個(gè)1SA插槽,2個(gè)串口和2個(gè)USB接口，這些資源足夠以后對系統(tǒng)的擴(kuò)充和升級)，16口輸六丫輸出雙向光電隔離板，驅(qū)動單元及步進(jìn)電機(jī)。硬件通用程度高，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，且能保證工作穩(wěn)定可靠且調(diào)試方便。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能分割法，將各種控制功能都當(dāng)作任務(wù)，編制成相對獨(dú)立的程序模塊，通過系統(tǒng)程序?qū)⒏黜?xiàng)功能聯(lián)系成一個(gè)整體。為了利于用戶操作，采用了漢字界面，同時(shí)設(shè)計(jì)有非圓齒輪參數(shù)化自動編程功能，輸入待加工工件參數(shù)，可以自動生成加工程序，從而實(shí)現(xiàn)編程與加工一體化。

　　在進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用了模塊化和子程序嵌套技術(shù)。程序?yàn)?層結(jié)構(gòu)，上層為系統(tǒng)總控程序;中間為各專用功能模塊程序;底層為與操作系統(tǒng)有關(guān)的函數(shù)庫和通信模塊等等。圖2為整個(gè)軟件系統(tǒng)的構(gòu)架框圖。

圖2系統(tǒng)軟件程序框圖

　　3.3 系統(tǒng)通訊方式

　　系統(tǒng)采用了基于CAN總線的模塊化結(jié)構(gòu)的通信方案。模塊化結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，在單元化結(jié)構(gòu)的人機(jī)界面與現(xiàn)場設(shè)備層之間增加了功能模塊層。將現(xiàn)場設(shè)備按功能類型劃分成若干功能模塊，然后由相應(yīng)的功能模塊實(shí)現(xiàn)對這些現(xiàn)場總線設(shè)備的管理，完成基本控制功能或協(xié)調(diào)功能，執(zhí)行各種控制算法。同時(shí)，由開放式人機(jī)接口對這些模塊進(jìn)行管理和組態(tài)。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3基于現(xiàn)場總線的模塊化結(jié)構(gòu)通信方式 

　　模塊化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)單元化的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的擴(kuò)展、伸縮也不如單元化靈活。但它將單元化結(jié)構(gòu)的主控單元重新進(jìn)行細(xì)分，并用相應(yīng)的硬件模塊來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，主控單元功能縮簡化為人機(jī)接口模塊。對于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部信息中高速、大數(shù)據(jù)量、強(qiáng)實(shí)時(shí)性的運(yùn)動控制信息處理，采用單獨(dú)運(yùn)動控制模塊來實(shí)現(xiàn)控制和同步，從而使總線上信息大為減少，對總線的帶寬、實(shí)時(shí)性的要求大為降低。同時(shí)，可以滿足一般數(shù)據(jù)量、有嚴(yán)格時(shí)序、高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸要求。實(shí)際應(yīng)用中選擇了結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低廉的CAN現(xiàn)場總線模塊化結(jié)構(gòu)的通訊接口。在功能模塊與現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)的問題上，考慮到市場上支持現(xiàn)場總線接口的數(shù)量種類有限，而且價(jià)格昂貴，采用可編程I/0來與市場上主流的專用接口伺服系統(tǒng)兼容。如圖3所示，左邊的電機(jī)可分別對應(yīng)為范成運(yùn)動電機(jī)、進(jìn)給運(yùn)動電機(jī)、主軸運(yùn)動電機(jī)，它們都采用了相同的模塊化結(jié)構(gòu)，實(shí)際使用時(shí)只需要選擇不同型號的電機(jī)和設(shè)置不同的電機(jī)驅(qū)動參數(shù)即可，具有很好的模塊化特性。

4 數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1 參數(shù)化數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

　　數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件中引人參數(shù)定制的思想，把根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、資料、計(jì)算以及實(shí)際測試所得到的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對優(yōu)化過程中涉及的參數(shù)和約束條件進(jìn)行事先定制，從而最大限度地減少參數(shù)輸入。系統(tǒng)內(nèi)置有滾齒切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫，其包含滾齒機(jī)、滾刀、工件3個(gè)子庫。各子庫內(nèi)包含各種不同型號的滾齒機(jī)、滾刀、工件的可以預(yù)先定制的信息。如機(jī)床庫中包含主軸轉(zhuǎn)速范圍、機(jī)床功率和效率、換刀時(shí)間、每次換刀成本、工時(shí)費(fèi)用以及表面粗糙度限制等。滾刀庫包含滾刀材料、內(nèi)外徑、頭數(shù)、耐用度范圍及滾刀前、后角等。工件庫包含工件模數(shù)、工件材料等。從而實(shí)現(xiàn)滾齒機(jī)、滾刀、工件的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。

　　用戶可以使用系統(tǒng)進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化。在進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化之前，首先根據(jù)自身需求在數(shù)據(jù)庫中選擇已預(yù)先定制好的滾齒機(jī)、滾刀、工件的相關(guān)參數(shù)，并輸人優(yōu)化所需的其他相關(guān)參數(shù)信息。然后在切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫提供的相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用參數(shù)計(jì)算模塊得到參數(shù)優(yōu)化過程中所需的一些參數(shù)值。由于該計(jì)算模塊內(nèi)部使用了一些經(jīng)驗(yàn)公式以及部分從資料或?qū)嶋H側(cè)試中得到的數(shù)據(jù)，考慮到這些公式和數(shù)據(jù)的局限性，其所得的參數(shù)值難免出現(xiàn)與實(shí)際情況不符的現(xiàn)象。所以系統(tǒng)僅將這些值作為參考值，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況酌情修改。待用戶確認(rèn)了各個(gè)參數(shù)值后，系統(tǒng)將各參數(shù)載入優(yōu)化程序，并開始對滾齒切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

　　4.2 誤差補(bǔ)償系統(tǒng)

　　診斷產(chǎn)生齒輪加工誤差的目的是為了減小或消除齒輪加工誤差，是滾齒機(jī)加工的重中之重，一般是從提高齒輪加工的原始精度和加工時(shí)采用補(bǔ)償措施來提高齒輪加工的精度。

　　圖4所示為數(shù)控系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償模塊，主要由嵌人式控制系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速器、光電編碼器等組成。系統(tǒng)采用測得的齒距累積誤差作為補(bǔ)償控制信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后所建立的數(shù)學(xué)模型在微機(jī)中產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償信號，該信號與光電編碼器信號、工作臺零位信號在同一時(shí)刻進(jìn)人嵌入式微處理系統(tǒng)，又經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速器再進(jìn)人機(jī)床差動鏈、分齒鏈到工作臺，產(chǎn)生補(bǔ)償運(yùn)動。補(bǔ)償控制中，光電編碼器的角位移脈沖信號經(jīng)接口電路送人嵌人式系統(tǒng)，作為啟動A/D轉(zhuǎn)換的信號。在軟件方面，采用逐點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ�即將測得的左右齒廓齒距累積誤差換算為角度誤差信號，經(jīng)一系列處理后，在嵌人式系統(tǒng)中建立誤差修正表。補(bǔ)償時(shí)，每到一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，根據(jù)該點(diǎn)誤差修正量，由控制器發(fā)出相應(yīng)的修正脈沖，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使工作臺帶動工件產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)點(diǎn)的補(bǔ)償修正。

圖4數(shù)控系統(tǒng)的誤燕補(bǔ)償模塊

　　4.3 實(shí)時(shí)方案的選擇

　　在數(shù)控系統(tǒng)的底層，采用嵌人式Linux的操作系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的單片機(jī)終端，這使得原來紛繁復(fù)雜的硬件實(shí)時(shí)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成為對嵌人式Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的處理。

　　根據(jù)實(shí)時(shí)性能的支持程度不同，流行的嵌人式Linux實(shí)時(shí)解決方案可以分為以下兩類:

　　(1)致力于硬實(shí)時(shí)支持的方案，例如RTLinux和RTAI。它們在Linux內(nèi)核之外單獨(dú)實(shí)現(xiàn)一個(gè)精簡的實(shí)時(shí)內(nèi)核，兩個(gè)內(nèi)核同時(shí)存在，依靠優(yōu)先級的不同完成不同的任務(wù)。這類方案的優(yōu)點(diǎn)是層次清晰，對基本的實(shí)時(shí)性能支持明確，且可預(yù)測。另外在調(diào)度機(jī)制方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本的優(yōu)先級調(diào)度。

　　(2)致力于軟實(shí)時(shí)的支持方案，例如RED Linux , KURT和Hard Hat Linux，這幾種方法的實(shí)現(xiàn)思路迥異，但都是通過直接修改Linux內(nèi)核源代碼，替換與時(shí)間或調(diào)度相關(guān)的代碼段。這樣的方式雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的實(shí)時(shí)工作，但卻不適合具有高實(shí)時(shí)性要求的控制系統(tǒng)。

　　為了給嵌人式控制器選擇一個(gè)合適的實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)方式，通過對上面幾種‘nux實(shí)時(shí)化方案進(jìn)行分析，最后選擇RTAI作為嵌人式控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)化平臺。依據(jù)如下:

　　(1) RTAI的雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)既可以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用對時(shí)間約束的要求，又可以利用Linnx原有內(nèi)核的豐富軟件資源;

　　(2) RTAI能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)核的可搶占性，實(shí)時(shí)中斷機(jī)制，以及動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度等基本實(shí)時(shí)機(jī)制，能夠滿足嵌人式控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求;

　　(3)相對于RTLinux,  RTAI的功能更明確，易于跟蹤Linux版本的升級，可基于嵌人式Linux的開放式控制平臺應(yīng)用更新的Linux穩(wěn)定版本;

　　(4)完全開放源碼，方便針對嵌人式控制應(yīng)用的內(nèi)核調(diào)度機(jī)制進(jìn)行改造。

　　主要實(shí)時(shí)功能模塊配置方式如下:

　　工作臺位置控制motor)決定機(jī)床精度和運(yùn)行安全，它從插補(bǔ)緩沖區(qū)intERPolate_fifo)計(jì)算出下一周期的實(shí)際坐標(biāo)增量，輸出到伺服單元驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作。因此將其設(shè)計(jì)成周期性RTAI線程，運(yùn)行周期為4ms, 1級優(yōu)先權(quán)。

　　功能控制任務(wù)control)是利用fifo從用戶層向內(nèi)核層傳遞控制命令、如點(diǎn)動、暫停、自動等，并實(shí)現(xiàn)對I/O口的控制。此任務(wù)采用實(shí)時(shí)中斷策略，在接受到控制命令后，內(nèi)核暫時(shí)中斷位置控制任務(wù)。

　　滾刀插補(bǔ)任務(wù)intERPolate ( )要從插補(bǔ)準(zhǔn)備緩沖區(qū)prepare_fifo中取出數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，將結(jié)果送人到intERPolate_fifo( )。此任務(wù)也設(shè)計(jì)成周期性RTAI線程2級優(yōu)先權(quán)，運(yùn)行周期和位置控制任務(wù)頻率設(shè)置成相同。

　　狀態(tài)檢測任務(wù)monitor)將傳輸?shù)絭0口的各個(gè)速度傳感器、壓力傳感器狀態(tài)保存在status_ fifo()中，同時(shí)負(fù)責(zé)對運(yùn)行時(shí)電壓、電流等值的狀態(tài)進(jìn)行判斷。因?yàn)橐獙�機(jī)床狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此設(shè)置此任務(wù)運(yùn)行周期為10ms，優(yōu)先級為3級。

5 系統(tǒng)仿真

　　系統(tǒng)具有參數(shù)化仿真滾齒加工過程的功能。首先輸人有關(guān)齒輪的毛坯圖和刀具圖參數(shù)，用它們分別模擬范成對象和范成工具。然后根據(jù)CAD軟件優(yōu)化得到的非圓齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)，繪制出其毛坯圖。待加工齒輪的參數(shù)，也是所需刀具的參數(shù)，據(jù)此繪制刀具圖。使兩者按確定的嚙合規(guī)律相對運(yùn)動，刀具的齒形就會逐步包絡(luò)出齒輪的齒形。也可通過直接輸入非圓齒輪的特征參數(shù)進(jìn)行仿真。

6 結(jié)論

　　該非圓齒輪滾齒加工數(shù)控系統(tǒng)具有模塊化、參數(shù)化的特點(diǎn)，集成程度高，實(shí)時(shí)性和精度都能滿足設(shè)計(jì)要求。其電機(jī)控制模塊、誤差補(bǔ)償模塊、實(shí)時(shí)模塊都可以略加改造適用于其他的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)其基于嵌人式Linux的軟件設(shè)計(jì)具有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)，克服了原來的單片機(jī)和DOS下數(shù)控系統(tǒng)的弱點(diǎn)，而且具有開放性、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，同時(shí)可以利用Linux的網(wǎng)絡(luò)特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、資源共享等等。 

轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/

本文標(biāo)題：非圓齒輪的滾齒加工數(shù)控技術(shù)研究

本文網(wǎng)址：http://www.ezxoed.cn/html/solutions/14019310161.html