齿轮加工数控系统体系结构研究

　　传统齿轮加工机床的运动关系复杂，以滚齿机(或蜗杆砂轮磨齿机)为例，在齿轮机床中存在着展成分度链、差动链、进给传动链等。调整既复杂又费时。快速趋近、工进、快退的位置和距离都需要精心调试或试切才能完成，且需要的辅件多。

　　为了提高齿轮加工精度和加工效率，到了20世纪80年代以后，国内外开始对齿轮加工机床进行数控化改造和生产数控齿轮加工机床。特别是近年来，由于微电子技术的迅速发展和以现代控制理论为基础的高精度、高速响应交流伺服系统的出现，为齿轮加工数控系统的发展提供了良好的条件和机遇。我们将齿轮加工系统分为全功能和非全功能两大类。

　　非全功能齿轮加工数控系统的结构

　　配这类数控系统的机床进给轴为数控轴，多采用伺服系统。由于80年代齿轮加工数控化刚开始起步，当时数控技术无法满足齿轮加机床展成分度链的高同步性的要求,因此展成分度链和差动链仍为传统的机械传动。这种数控加工方式，调整比机械式齿轮加工机床要方便的多。它们可以通过几个坐标轴的联动来实现齿向修形齿轮的加工，省去了传统加工修形齿轮所需要的靠模等装置，提高了生产率和加工精度。但是这类齿轮加工数控系统属经济型数控系统，由于其展成分度链和差动链仍为传统的机械式，齿轮加工精度取决于机械传动链的精度。目前这种齿轮加工数控系统多用于对现有机械式齿轮加工机床的数控改造。

　　全功能齿轮加工数控系统的结构

　　近年来，由于计算机技术的迅猛发展和高精度、高速响应的伺服系统的出现，全功能数控齿轮加工机床已成为国际市场上的主流产品。全功能数控指不仅齿轮机床的各轴进给运动是数控的，而且机床的展成运动和差动运动也是数控的。目前展成分度链和差动链的数控处理方法不尽相同，有基于软件插补以及基于硬件控制的两种类型。

　　基于软件差补的齿轮加工数控系统

　　这类数控系统的刀具主轴一般采用变频装置控制，工件主轴通过数控指令经伺服电动机直接驱动。目前国产数控齿轮加工机床所配置的数控系统大多为国外知名品牌的通用数控系统，因而都是采用这种基于软件插补的数控加工方式。

　　基于软件插补方法的优点是工件主轴的转速完全由数控系统的软件控制，因此，可以通过编制适当的软件，用通用的刀具来高精度快速地加工非圆齿轮、修形齿轮，且加工精度远远高于传统的机械靠模加工方法。

　　目前，由于控制精度、动态响应等方面的原因，基于软件插补的齿轮加工数控系统还不能胜任高速高精度磨齿机的要求。随着计算机速度的不断提高、新控制方法的出现和控制精度的提高，这种方法的应用面越来越广。基于硬件控制的齿轮加工数控系统在传统齿轮机床的展成分度链中，刀具和工件是由同一个电动机来拖动的，传动链很长，并常需要采用精度不易提高的传动元件(如锥齿轮、万向联轴节等)，所以提高机床精度受到限制。

　　目前多采用光电盘脉冲分频分度传动链。砂轮主轴以固定转速旋转，并带动发信元件(如光电盘)，光电盘信号经数字分频后，控制工件轴伺服电机以一定的转速旋转以实现精确分度传动关系。同时把机床的差动链也纳入控制系统。

　　基于硬件控制的齿轮加工数控系统的优点：采用硬件控制，特别是采用高同步精度的锁相伺服控制时，精度高，响应速度快。缺点：机构上比较复杂，比软件插补的方式多一个硬件控制电路部分。硬件控制的电子齿轮比(差动系数、主传动比)，目前还不能做到实时修改，即不能实时改变工件主轴的转速，因而不能用于加工非圆齿轮等。

　　非全功能数控系统由于加工精度取决于机械传动链，仍存在交换挂轮，操作较繁，已较少使用。目前多用于现有机械式齿轮加工机床的数控化改造；基于软件插补的齿轮加工数控系统具有柔性大的优点，可以很方便地通过程序控制，能加工非圆齿轮和各种修形齿轮，因而在加工精度不高的滚齿机和插齿机中有广泛的应用；基于硬件控制的齿轮加工数控系统，由于展成运动是直接采用硬件控制，特别是采用跟踪精度极高的锁相伺服技术时，能很好地保证齿轮机床差动和展成运动精度，响应速度快，但柔性差，适于加工精度要求高的磨齿机。

　　全功能的齿轮加工数控系统在国际上已是主流产品，也必将在国内成为主流产品。 

　　我国磨削技术的发展方向

　　磨削技术除向超精密、高效率和超硬磨料方向发展外，自动化也是磨削技术发展的重要方向之一。

　　目前磨削自动化在CNC技术日趋成熟和普及基础上，正在进一步向数控化和智能化方向发展，许多专用磨削软件和系统已经商品化。磨削是一个复杂的多变量影响过程，对其信息化的智能化处理和决策，是实现柔性自动化和最优化的重要基础。目前磨削中人工智能的主要应用包括磨削过程建模、磨具和磨削参数合理选择、磨削过程监测预报和控制、自适应控制优化、智能化工艺设计和智能工艺库等方面。近几年来，磨削过程建模、模拟和仿真技术有很大发展，并已达到适用水平。

　　我国在磨削过程建模与模拟，声发射过程监测与识别，工件表面烧伤及残余应力预报，磨削加工误差在线检测、评价与补偿等方面都有许多成果，并已开发出了新型磨削机器人。

　　我国人造磨料生产虽然起步较晚，但发展很快，在世界上已有相当份额。

　　近几年来国外磨削技术发展迅速，例如对硬脆材料磨削机理及工艺的研究，利用磨削热量同时进行工件热处理，以及不使用磨削液的无污染磨削等方面，我国均有一定差距。

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