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。
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。

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。
    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:
    nB = zC
       
    nC zB
    (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
    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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