梁 媛，孫建業(yè)，祝 輝

(沈陽理工大學遼寧省高速切削工程技術研究中心，遼寧沈陽110159)

滾齒機是用來加工各種齒輪的專用機床，可加工直齒、斜齒、人字齒等各種齒型齒輪，廣泛應用于汽車、工程機械及航天工業(yè)等領域。齒輪因其形狀復雜，技術問題多，制造難度較大，所以制造水平在較大程度上反映了一個國家機械工業(yè)的水平。傳統(tǒng)的機械滾齒機床主電機不僅驅(qū)動展成分度的傳動鏈，還要驅(qū)動差動和進給傳動鏈，復雜的傳動鏈導致機械結構復雜、精度低、調(diào)整困難，無法適應現(xiàn)代加工的需求。數(shù)控滾齒機傳動比關系通過數(shù)控技術的電子齒輪實現(xiàn)展成運動，由于傳動鏈的縮短簡化了結構，增強了剛性，可加大切削量。

1 滾齒機硬件構成

滾齒機的機械部分由床身、立柱、主軸、工作臺、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)構成，有直線軸X、Y、Z及旋轉軸A、C，圖1為一個立式滾齒機結構圖。滾齒是在毛坯旋轉的情況下由推進齒條成型工具(滾刀)生成齒輪。齒輪面寬的形成由刀具與齒輪毛坯的連續(xù)同步運動完成，可生成不同的齒輪如直齒、螺旋齒或蝸型齒。滾齒機的CNC采用法國NUM 1040 POWER HG控制系統(tǒng)，系統(tǒng)提供的軟件工具能滿足滾齒機的加工工藝要求，電齒輪箱同步功能可實現(xiàn)滾刀軸、Y軸、Z軸與C軸的同步關系。

圖1 滾齒機機械結構圖

A軸:滾刀軸回轉，刀頭旋轉以調(diào)整到合適的齒輪旋轉角度。在滾齒時，必須保持滾刀刀齒的運動方向與被切齒輪的齒向一致。由于滾刀刀齒排列在一條螺旋線上，刀齒的方向與滾刀軸線并不垂直，所以必須把刀架旋轉一個角度使之與齒輪的齒向協(xié)調(diào)。滾切直齒輪時，旋轉的角度就是滾刀的螺旋升角;滾切斜齒輪時，還要根據(jù)斜齒輪的螺旋方向及螺旋角的大小來決定旋轉角度的大小及旋轉方向。

C軸:工作臺回轉，保證加工過程中工件的分度運動。其運動速度和滾刀的旋轉速度需保持齒輪與滾刀的嚙合關系。對于單線滾刀，當滾刀每轉一轉時，齒坯需轉過一個齒的分度角，即1/z轉(z為被加工齒輪的齒數(shù))。

S軸:滾刀主軸繞其自身軸線的旋轉運動。齒輪滾刀是一種專用刀具，每把滾刀可加工模數(shù)相同而齒數(shù)不等的各種直齒或斜齒漸開線外圓柱齒輪。

X軸:徑向進給運動，徑向進刀決定切深，一般為獨立運動。

Y軸:切向進給運動。其移位是為滿足對角線滾切和切向進給切制蝸輪的要求而設置，它要求工作臺產(chǎn)生附加運動，并且在對角線滾切時與垂直進給運動成比例關系。

Z軸:軸向進給運動。在加工循環(huán)中通過齒輪刀具軸向移動，即滾刀沿工件軸線自上而下的垂直移動，這是保證切出整個齒寬所必須的運動［1］。

2 滾齒機的軟件設計

NUM控制系統(tǒng)提供軟件開發(fā)工具PLCTOOL、MMITOOL。PLCTOOL可方便編寫PLC程序、零件加工程序、系統(tǒng)參數(shù)或進行高級語言C的編程，它是后臺處理程序必不可少的工具。MMITOOL主要用于創(chuàng)建控制系統(tǒng)的人機界面，它可通過內(nèi)部圖形庫或自定義的圖形庫進行鏈接，對系統(tǒng)進行二次開發(fā)，可根據(jù)用戶要求編輯人機對話界面，使用戶更容易操作。

2.1 人機界面

滾齒機屬于專用機床，可根據(jù)用戶具體工藝要求編寫針對滾齒加工的中文界面，NUM控制系統(tǒng)的MMITOOL軟件是基于VB控件基礎上的工具軟件，它可編輯與NUM系統(tǒng)進行通訊而獲取各種變量的人性化界面，通過使用MMITOOL工具實現(xiàn)參數(shù)的輸入和顯示，并能直接將輸入的加工參數(shù)放入指定的E參數(shù)，加工程序可在后臺編制，對機床的編程和操作非常方便，操作者根據(jù)界面顯示進行操作，非常直觀簡潔。圖2為軸運動顯示界面。

圖2 運動顯示界面

圖3為滾齒加工參數(shù)設置界面。

圖3 滾齒加工參數(shù)設置

以參數(shù)“齒數(shù)”為例介紹制作方法，先在圖形層建立輸入框，并定義其為“齒數(shù)”;然后在變量層建立兩個請求變量，分別用于輸入和顯示，兩個中間變量，用于數(shù)據(jù)交換;再設置各個變量的屬性，就可將操作者輸入的“齒數(shù)”放入NUM系統(tǒng)的“E56001”中，并將輸入的數(shù)值顯示到中文界面里［2-3］。

2.2 滾齒機的同步關系

對于滾齒機，S、Y、Z三軸為主動軸，C軸為跟隨軸。同步時，引導軸與跟隨軸之間的耦合關系如式(1)

式中:E81951為滾銑刀頭數(shù);E81952為被加工齒輪齒數(shù);E81953為坐標軸Y從動系數(shù);E81954為坐標軸Z從動系數(shù);E81955為同步比例系數(shù);Dc為C軸位置，(°);Ds為滾刀軸位置，(°);Dy為 Y軸位置，mm;Dz為Z軸位置，mm。

加工不同齒輪時，需要不同的軸有同步關系，各坐標軸與C軸的嚙合關系也不同。

2.2.1 滾刀軸與C軸同步

機床進行滾齒加工的關鍵在于實現(xiàn)滾刀和工件之間的展成分度關系，準確滿足兩者之間的數(shù)比關系，即滾刀轉過一轉，工件轉過K/Zc轉，如公式(2)所示［4］

式中:Nc為工件轉速;Ns為滾刀軸轉速;Zc為被加工工件齒數(shù);K為滾刀頭數(shù)。

對于NUM系統(tǒng)，C軸按照公式(3)關系跟隨主軸旋轉，式中的滾銑刀頭數(shù)及齒輪齒數(shù)用NUM系統(tǒng)中有讀寫功能的外部E參數(shù)設置，E參數(shù)中的數(shù)據(jù)必須在零件加工程序中使用才能使人機界面中的輸入數(shù)據(jù)有效。E參數(shù)可在零件加工程序中直接使用，也可將E參數(shù)賦值給L變量，然后在程序中與L變量一起進行編程，參與算術運算、函數(shù)運算、邏輯運算。

2.2.2 Y軸與C軸同步

Y軸用于對角線滾刀或帶有一個錐形刀具的滾輪滾刀。C軸按公式(4)的關系跟隨Y軸移動。

式中:a為齒輪螺旋角，(°);b為垂直于齒輪齒的刀具軸角，(°);DP為齒輪直徑，mm。

2.2.3 Z軸與C軸同步

當要求加工斜齒齒輪時，C軸按公式(5)關系跟隨Z軸移動。

2.3 滾齒機加工程序

電子齒輪箱的編程語法:G181-C軸與滾刀軸S及Z軸同步，G185-C軸與滾刀軸S及Y軸同步，G180-撤銷同步。

以滾齒加工程序為例:

其中:G181軸向同步許可;

滾齒加工時操作者只需在滾齒參數(shù)界面設置各項參數(shù)，通過按鈕同時運行滾齒同步及滾齒加工程序即可［5］。

3 結束語

采用NUM系統(tǒng)的電子齒輪箱功能，使?jié)L齒機不需要改變機械結構就可以加工多種類型的齒輪，簡化了機床的機械傳動結構，提高了機床的加工精度及柔性。編制針對滾齒機床的專用界面及加工程序，輸入所需的加工參數(shù)，即可進行零件加工，實現(xiàn)了操作者的零編程。

［1］宋鹍，張根寶，劉潤愛，等.基于直接驅(qū)動技術的數(shù)控滾齒機同步運動控制研究［J］.機床與液壓，2006，(11):7-9.

［2］朱秀琳，文懷興，孫波.數(shù)控磨齒機人機界面的開發(fā)［J］.制造技術與機床，2004，(5):98-99.

［3］文懷興，米華杰.基于NUM磨齒機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)［J］.制造技術與機床，2006，(4):101-103.

［4］王少江，候力，匡紅.滾齒機控制系統(tǒng)的數(shù)字化研究［J］.機床與液壓，2009，37(7):42-44.

［5］周喜忠.數(shù)控機床的編程與操作［M］.沈陽:東北大學出版社，2004.