齒輪傳動應用廣泛，對齒輪制造質(zhì)量的要求越來越高，需求量也日益增加，而鼓形齒輪可改善齒輪的嚙合狀況，使齒向載荷分布均勻，提高齒輪的抗彎強度，降低傳動噪聲，延長使用壽命。鼓形齒聯(lián)軸器和直齒聯(lián)軸器相比，具有承載力高、使用壽命長、維修費用低、機械效率高等優(yōu)點，在起重機等方面應用非常廣泛。普通滾齒機不具備加工鼓形齒輪的功能，部分滾齒機通過加裝仿形板并手搖機床立柱來實現(xiàn)獲得鼓形齒輪加工功能，但這種方法存在立柱進給靈敏度差、工件齒面粗糙度高、仿形板規(guī)格繁多、操作費力等弊端，特別是機床調(diào)整復雜，調(diào)整周期長，產(chǎn)品適應性較差，加工質(zhì)量較低，嚴重制約了鼓形齒輪的生產(chǎn)。
本課題來源于生產(chǎn)企業(yè)對鼓形齒輪加工的實際需求，根據(jù)近年來數(shù)控技術，尤其是開放式運動控制器快速發(fā)展的現(xiàn)狀，應某廠方要求，對某廠的Y3150E滾齒機進行數(shù)控化技術改造，成功地開發(fā)了一套基于HUSTCNC－H3X的開放式運動控制器的數(shù)控滾齒系統(tǒng)并用于實際生產(chǎn)。改造好的數(shù)控滾齒機調(diào)整簡單，機械性能穩(wěn)定可靠，使鼓形齒輪的加工質(zhì)量、加工精度大大提高，同時大幅度提高生產(chǎn)效率。
1滾齒機加工原理1.1滾齒機傳動鏈分析滾齒機應具備下列傳動鏈：主運動傳動鏈、展成運動傳動鏈、垂直進給運動傳動鏈、軸向運動傳動鏈、徑向進給運動傳動鏈。滾齒機的工作運動有：（1）主運動：主運動即滾刀的旋轉(zhuǎn)運動。
?。?）展成運動：滾刀和工件的回轉(zhuǎn)，由伺服電動機分別驅(qū)動滾刀和工件的回轉(zhuǎn)，伺服電動機按控制指令運動，嚴格保證滾刀和工件二者同步。該方案投入大，成本高，對運動控制器的實時控制要求較高，控制軟件編程難度大。
?。?）垂直進給運動：垂直進給運動即滾刀沿工件軸向作連續(xù)的進給運動，以切出整個齒寬上的齒形。軸向進給改造為由伺服電動機M1驅(qū)動，調(diào)節(jié)M1的轉(zhuǎn)速可以得到需要的進給速度，改造原理如所示。
?。?）徑向進給：工件向滾刀方向作徑向進給，垂直進給運動和徑向進給聯(lián)動加工鼓形齒輪。水平徑向進給改造為由伺服電動機M2驅(qū)動，經(jīng)蝸桿副、絲桿副使?jié)L刀切向移動，調(diào)整伺服電動機轉(zhuǎn)速可以得到需要的切向進給速度。
因廠方要求，且受成本限制，展成運動保留了普通滾齒機原分齒傳動鏈，采用兩臺伺服電動機進行數(shù)控改造。
1.2總體設計方案根據(jù)鼓形齒輪的成形原理，綜合考慮滾切中對機械進給系統(tǒng)跟隨性、快速性的要求及改造成本等因素，在保留原普通滾齒機分齒傳動鏈的基礎上，按照數(shù)控理論中兩坐標圓弧插補原理，對機床的刀架垂直進給運動和水平徑向進給進行數(shù)控化控制改造，實現(xiàn)鼓形齒輪加工。按工件精度和切削力的計算，參考國內(nèi)外數(shù)控滾齒機的拖動方式，采用伺服電機驅(qū)動的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
在數(shù)控滾齒機上加工鼓形齒輪，要根據(jù)其工件圖參數(shù)、夾具尺寸、滾刀參數(shù)、工藝要求，確定各軸位置，XY兩坐標聯(lián)動，用圓弧插值法，加工對稱于工件齒寬、帶圓弧的鼓形直齒和斜齒齒輪。數(shù)值計算和調(diào)整原理。
2機械部分改造在滿足實際應用需求的情況下，為了降低成本，酌情減少數(shù)控軸數(shù)，對原機械滾齒機的改動較少。，對不同尺寸的鼓形齒輪通過參數(shù)化設置便可進行加工，操作簡單、方便。
進給X軸、Y軸分別采用伺服電動機通過數(shù)控系統(tǒng)單獨控制，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)應滿足無間隙、低摩擦、高剛度等基本要求，需要完成的機械改造主要包括滑動絲杠改為具有預緊、消隙功能的滾珠絲杠，蝸桿－蝸輪副改為雙導程漸開線蝸桿副。增加軸向調(diào)整環(huán)節(jié)，滑動軸承()均改為滾動軸承，去掉垂直進給傳動鏈及調(diào)整掛輪機構(gòu)。使刀架XY軸數(shù)控化，使得機床各項運動精度大大提高，機床更加柔性化，調(diào)整更加方便，大大降低工人的勞動強度。
3控制軟件設計方案3.1控制系統(tǒng)方案制定本方案是采用臺灣億圖的多軸運動控制器HUSTCNC－H3X的開放式數(shù)控系統(tǒng)。核心是一塊具有PC104總線并且自帶高速DSP芯片的開放式多軸運動控制卡，與嵌入式PC主機構(gòu)成多處理器結(jié)構(gòu)，卡上自帶DSP芯片以實現(xiàn)實時高速插補、計算功能，可完成空間直線、圓弧插補，大大減輕了主機負擔，還提供了程序緩沖區(qū)，該運動控制卡通過PC104總線和計算機通訊，一方面將從各控制軸采集到的數(shù)據(jù)送給主機進行計算，另一方面，將主機根據(jù)工藝及數(shù)學模型進行運算生成的運動控制指令經(jīng)過進一步處理送各軸伺服驅(qū)動器，完成各軸的運動控制，加工出滿足工藝要求的合格零件。
3.2控制軟件設計方法本系統(tǒng)控制軟件是在純DOS下用C語言開發(fā)的，DOS系統(tǒng)的開放性、單任務、準確的時鐘中斷管理及其良好的穩(wěn)定性，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了可靠的保證。整個軟件系統(tǒng)采用模塊化設計，它包括主程序模塊、子程序模塊及加工程序模塊三大部分。控制器LCD面板及按鍵參見圖3。單段運行操作界面參見圖4。其中系統(tǒng)初始化包括自制小漢字字模的裝入、顯示器圖形方式的初始化、控制器濾波參數(shù)的整定等。系統(tǒng)診斷模塊的作用是監(jiān)控各被控軸的運動狀態(tài)，如：各軸有無運動誤差超限、伺服報警、運動完成、限位開關動作等。實時控制模塊，由中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)，它在每個時鐘中斷周期內(nèi)讀入各軸位置，根據(jù)加工對象的加工工藝要求計算出新的運動控制指令送運動器解釋執(zhí)行。
4硬件電路本文討論的改造方案采用開放式運動控制卡去驅(qū)動各軸電機，擺脫了國外進口的限制，充分發(fā)揮了PC平臺上的軟硬件優(yōu)勢，豐富和改善了開發(fā)環(huán)境。硬件電路由外設、信號變換電路及輔助電路幾部分組成，構(gòu)成一個完整的簡易數(shù)控系統(tǒng)，完成程序的輸入與處理、顯示、電機驅(qū)動等一系列功能。
滾齒機系統(tǒng)硬件控制部分及部分電器原理圖如所示。
5結(jié)論本設計已成功地運用于中型滾齒機的改造。它較好地解決了鼓形齒輪的滾齒加工問題，加工出的鼓形齒輪齒面質(zhì)量高。對于不同的鼓形齒輪產(chǎn)品，要根據(jù)其零件圖參數(shù)、滾刀參數(shù)工工藝要求，確定各軸位置，只需輸入相應的G54工件坐標系等參數(shù)，就能靈活、迅速地適應加工零件的變更，加工各種鼓形齒輪。因此，本設計具有產(chǎn)品適應性強，加工質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高等特點，而且改造費用低、改造周期短、操作使用方便等優(yōu)點。
?。?）滾齒機的數(shù)控化改造，大大提高了齒輪加工能力和加工效率，改善操作性能問題。
?。?）數(shù)控改造后有效提高工件加工精度和效率。機床操作簡便，加工效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，效果良好。
?。?）機床可根據(jù)加工零件的特點進行編程加工，可進行各種形式的方框循環(huán)加工程序，可通過編程實現(xiàn)鼓形齒輪的數(shù)控加工。
?。?）相關技術改造的可在齒輪機床上推廣，既有廣闊的技術前景，又有顯著的經(jīng)濟效益。
?。?）如需進一步提高該滾齒機的加工能力可對其他進給各軸和滾刀刀盤角度A軸等采用單獨的伺服電機控制，進行全面數(shù)控化改造。在技術上已不困難但成本較高，用戶要根據(jù)需求和成本進行取舍。
