基于开放式运动控制器的数控滚齿系统的研究

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1、基于开放式运动控制器的数控滚齿系统的研究摘要:讨论了一种基于开放式运动控制器的数控滚齿体系结构，通过对其进行深入的研究，在国内首次提出了电子差动齿轮箱的概念，开发出相应的数控滚齿软件，给出了运动控制系统软件的基本模块，以及该数控系统成功用于YG6132B机械滚齿机数控改造的实例。序词:数控滚齿机床运动控制中图分类号:TG659前言齿轮被广泛地应用于机械设备的传动系统中，滚齿是应用最广的切齿方法〔１〕，传统的机械滚齿机床机械结构非常复杂，一台主电机不仅要驱动展成分度传动链，还要驱动差动和进给传动链，各传动链中的每一个传动元件本身的加工误差都会影响被加工齿轮的加工精度，同时为加工

2、不同齿轮，还需要更换各种挂轮调整起来复杂费时[2]，大大降低了劳动生产率。以德国西门子、日本发那科公司数控系统为主流的数控滚齿机的出现，大大提高了齿轮加工能力和加工效率。我国目前真正能够生产数控滚齿机的只有２－３个厂家，且使用的多是德国西门子数控系统，加工中模数齿轮，没有自主产权的核心技术，缺少国际竞争力。注意到以上问题，并根据近来数控技术，尤其是开放式运动控制器飞速发展的现状，本文针对小模数、少齿数、大螺旋角斜齿轮滚齿加工迫切要求数控化的实际需求，进行了深入的研究，成功地开发了了一套基于开放式运动控制器的数控滚齿系统并用于实际生产。１基于开放式运动控制器的数控体系结构该体系

3、结构的核心是一块具有PC104总线并且自带高速DSP芯片的开放式多轴运动控制卡，与嵌入式PC主机构成多处理器结构，提供４路16位D/A模拟电压（＋/－10Ｖ）控制信号，４路４倍频差动式光电编码器反馈信号接口，输入信号频率最高可达８ＭＨＺ，32路光电隔离输入输出接口。可编程数字PID+速度前馈+加速度前馈滤波方式，卡上自带DSP芯片以实现实时高速插补、计算功能，可完成空间直线、圆弧插补，大大减轻了主机负担，还提供了程序缓冲区，降低了对主机通讯速度的要求[３]。该运动控制卡通过PC104总线和计算机通讯，一方面将从各控制轴采集到的数据送给主机进行计算，另一方面，将主机根据工艺及数

4、学模型进行运算生成的运动控制指令经过进一步处理送各轴伺服驱动器，完成各轴的运动控制，加工出满足工艺要求的合格零件。由于使用标准的PC104型工控机作为主机，采用标准化接口，可灵活地选用电机、驱动装置和反馈元件，支持包括乙太网甚至是Internet网在内的多种网络协议及拓扑结构，可方便地实现远程控制，组网技术十分灵活而且技术成熟[４]。适应网络化数控的未来发展要求，系统硬件控制部分结构如图1所示。图１基于开放式运动控制器的数控系统结构2２系统控制软件本系统控制软件是在纯DOS下用C语言开发的，DOS系统的开放性、单任务、准确的时钟中断管理及其良好的稳定性，为工业化生产提供了可靠

5、的保证。软件框图如图2所示。其中系统初始化包括自制小汉字字模的装入，显示器图形方式的初始化，控制器滤波参数的整定等；系统诊断模块的作用是监控各被控轴的运动状态，如：各轴有无运动误差超限、伺服报警、运动完成、限位开关动作等；实时控制模块，由中断服务程序实现，它在每个时钟中断周期内读入各轴位置，根据加工对象的加工工艺要求计算出新的运动控制指令送运动器解释执行。３基于电子齿轮箱的数控滚齿系统齿轮加工的关键在于实现滚刀和工件之间的展成分度运动关系，也就是要准确地满足两者之间的速比关系，即滚刀转过一转，工件转过K/zc转，如下式(1)所示：cbczKnn=(1)式中bcnn,－分别为工

6、件轴转速和滚刀轴转速kzc,－分别为工件齿数和滚刀头数而在加工斜齿轮和蜗轮时，要求在完成分齿运动的同时，还要完成Ｚ轴或Ｙ轴的附加运动，其运动学方程式如下：plpbcnrcnzbcczmfzmfnzKncossin±±=(2)式中rzff,－分别为Ｚ、Ｙ轴的进给量lb,－分别为斜齿轮的螺旋角和刀具安装角nm－为斜齿轮法面模数。由式(2)可见，在加工斜齿轮和蜗轮时，输入和输出的关系已不再是一个简单的单输入、单输出的定比传动问题，而是一个多输入、单输出的问题。一般的电子齿轮方式无法解决这类问题，为此本系统成功地开发了电子齿轮箱功能，电子差动齿轮箱是指：对于任何一个通过机械差动变速机

7、构将两个以上（含两个）不同运动，按一定的速比传动关系合成输出的运动轴，都可以改由计算机控制的交、直流伺服电机单独驱动，去掉原有的机械差动传动链，通过计算机读取安装在各输入轴上传感器反馈回来的运动参数（如转速，进给量等），用软件编程的方法实时计算合成输出轴的运动，实现机械差动传动链的功能。４应用实例上述数控滚齿系统已成功地应用到一台宁江机床厂生产的小模数机械滚齿机YG3612B的改造中，改造前该滚齿机用于批量生产模数１，齿数４，螺旋角20度以上的斜齿轮轴加工，由于我国尚无适应这种小模数、少齿数工件的数控滚