0 引 言

　　齒輪是機械行業量大面廣的基礎件，因此，隨著應用范圍的不斷擴大，對其在加工精度、效率等方面的要求也越來越高，滾齒加工是所有齒輪加工方法中最主要的一種，滾齒機約占所有齒輪加工機床的45%。齒輪加工有其復雜性和特殊性，運動關系復雜、調整因素多、影響加工精度的因素多，所以齒輪加工機床對數控系統的要求更高、更特殊。

　　開發數控滾齒機床是當今齒輪機床的發展方向，滾齒機數控化后使機床結構及控制發生了革命性的變化，而數控系統是其核心，數控系統正朝著開放式、網絡化、智能化的方向發展，并滿足對高速度和高精度數控加工的要求。目前數控領域使用的控制系統一般多為通用型，但對一些特殊的機床如專用磨床、齒輪加工機床等往往需要有專用界面以及一些特定的功能模塊，這樣才便于對設備進行操作和管理，更好地發揮數控系統的優勢。

　　針對目前國內滾齒機配置的大多是國外的通用數控系統，存在著價格昂貴等諸多因素，我們對滾齒加工的特點進行了分析研究，開發了電子齒輪箱功能，在自主研發的開放式數控系統軟硬件平臺上開發了滾齒機數控系統并且應用于生產。

1 開放式數控系統平臺架構

　　數控技術發展的關鍵是數控軟件的開發，一個好的數控系統軟件平臺是數控技術能持續發展的基礎。在總結了多年來國外先進的開放式數控系統開發經驗之后，我們研究了開放式數控系統的標準規范，完全自主創新建立了基于Windows和Linux雙操作系統的開放式數控系統軟硬件平臺，在這個平臺上開發了基于總線技術的中高檔數控系統，它具有很好的開放性和靈活性，能較快適應用戶設備的各種個性化需求。

　　系統的下位機運動控制單元可以配置各種上位機，包括嵌入式數控系統顯示單元、臺式電腦/筆記本電腦、工業計算機等。上、下位機通過標準以太網接口（TCP/IP）進行通信，平臺架構如圖1所示。

圖1 開放式數控系統平臺架構

　　平臺開放性主要體現在四個層次：

　　第一層為內核層：由于運動控制與邏輯控制任務工作在實時內核中。該平臺采用編譯執行的PMC與PLC編程語言，允許用戶定制實時控制任務，編寫復雜的軌跡插補算法。編譯執行的方式確保了系統級任務的運行效率。

　　第二層為插件層：由于該平臺采用模塊化設計。用戶可以使用高級語言編寫插件模塊運行在系統程序的后臺或前臺。通過高級語言，可以將操作系統外圍硬件以及第三方軟件的資源與控制系統無縫整合在一起，使系統功能得到充分的延伸。

　　第三層為組態層：該平臺提供腳本語言編程接口以及基于XML的操作界面描述語言。通過這個接口，用戶無需掌握專業的編程知識，就可以定制界面并可以實現基于菜單按鈕的人機交互。這一層次主要面向控制系統的現場工程師和高級用戶。他們往往掌握豐富的工藝經驗，但是并不懂得軟件編程技術。ONCASP的腳本和組態工具有效地降低了系統的二次開發的門檻。

　　第四層為網絡層：基于以太網的Socket接口，該平臺可以向網絡上的遠程計算機實時廣播控制系統的狀態，并可接收經過加密的控制指令。通過無線Wi-Fi網絡，對該平臺的監控可以擴展到智能移動終端。管理人員在工廠的每一個角落均可以實時了解生產設備的工作狀態。

　　以上幾個開放層次，使該平臺滿足了不同層次的用戶需求，并能適應靈活多變的應用場合。

　　在工業控制中廣泛使用的具有圖形用戶界面的操作系統主要是Windows和Linux兩種。該平臺能夠在這兩種不同的操作系統中運行，并且在不同的操作系統中，基于該平臺所開發的應用軟件能夠表現出相似的視感和操作方法。

2 數控滾齒機系統軟硬件介紹

　　數控滾齒機系統基于嵌入式平臺開發，選用嵌入式ARM9控制器（上位機）和32位ARM7作為核心的運動控制板（下位機）構成雙CPU結構，顯示單元和運動控制單元呈分體結構，通過10/100M自適應高速實時以太網總線進行通信，既具有運動控制器高性能、高可靠性、低成本的優點、又具有基于PC的開放式控制器可擴展性好、易維護、易開發的優點。

　　系統軟件采用上、下位機結構模式：上位機軟件基于WinCE5.0操作系統平臺，用C語言開發，負責人機界面，PLC和G代碼解析等非實時性任務。下位機基于ARM7硬件平臺，用C語言開發多軸聯動實時控制軟件，完成插補運算和位控等實時性任務，是典型的實時多任務系統。下位機負責運動控制，采用ARM7為核心CPU，多級中斷控制結構，位置控制周期為1ms，因此位置采集精度高、系統性能好。

　　上、下位機之間采用標準的以太網總線連接，采用UDP通訊協議，100M全雙工模式，可同時接收和發送數據幀，采用CRC校驗。這種結構具有很好的靈活性，配置形式非常豐富。減少了電纜的連接，提高了數控系統的穩定性，同時可以實現多臺機床的聯網控制，構成由多臺機床組成的柔性生產線。目前，國外數控系統大都采用專用高速總線直接和專用的伺服驅動器連接通信，控制系統和交流伺服、主軸驅動系統自行配套。如Fanuc采用HSSB高速串行總線，西門子的PROFIBUS DP總線，三菱重工的CCLink總線，安川電氣的Mechatrolink總線。這些公司采用的都是專用封閉的總線，其余的廠商如博世（原INDRAMAT）和海登海因的數控系統采用SERCOS標準總線，也可配置PROFIBUS DP總線。較新的EtherCAT以太網現場總線，直接和伺服驅動器上的以太網接口進行通信。這些產品的性能好，但價格非常高，性價比不高。而該產品特點是數控系統通過以太網和運動控制器連接通信，伺服驅動器是通用產品，受運動控制器控制。因此具有開放性好、性價比高、競爭力強等諸多優點。數控滾齒機系統可控制五個伺服軸（X、Y、Z、A軸+主軸），支持5路編碼器反饋通道，4軸聯動，可以通過CAN總線擴展通用IO和AD/DA端口，如圖2所示。

圖2 數控滾齒機系統軟硬件示意

3 數控滾齒機關鍵技術研究

　　3.1 滾齒機加工原理

　　滾齒加工是按照展成法的原理來加工齒輪的。用滾刀來加工齒輪相當于一對交錯的螺旋輪嚙合。對于滾齒機，一般采用四軸數控系統，四軸分別為：徑向進給軸 (X軸)：實現工件軸的水平運動；軸向進給軸（Z軸）：實現滾刀加工齒輪沿工件軸向的垂直運動；工作臺回轉軸（C軸）：實現工件的旋轉運動（分齒運動）；滾刀旋轉軸（B軸）：實現滾刀的旋轉運動（切削運動）。

　　漸開線展開輪廓是由展成法形成的，靠滾刀的

　　旋轉運動和工件的旋轉運動復合而成，即B、C兩軸的聯動得到齒輪的齒形；為了切出整個齒寬，滾刀在自身旋轉的同時，必須沿工件軸線作進給運動，即Z軸軸向進給形成齒輪的齒寬；同時，X軸徑向進給形成齒輪的齒高。

　　齒輪加工的關鍵技術在于實現滾刀和工件之間的展成分度運動關系，也就是要準確地滿足兩者之間的速比關系，即滾刀轉過一轉，工件轉過L/T轉，如式1所示，B、C兩軸間必須滿足以下運動關系：

　　3.2 基于電子齒輪箱功能實現數控系統滾齒加工

　　機床內聯動是機床傳動的一種重要形式，要求傳動鏈的首端件與末端件滿足一定的傳動關系，以便2個運動的合成運動滿足加工表面特性的需要。內聯傳動鏈應保持傳動比的準確，不能用傳動比不準確的傳動副。

　　機械內聯傳動鏈常采用的傳動副有齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動與滾珠絲杠傳動。由于機械傳動鏈中零件的制造和安裝誤差，使得內聯傳動鏈首端件和末端件不能按理想的傳動關系運動，存在傳動誤差。這種誤差是影響加工精度的主要因素，且傳動鏈的剛度差，易產生振動和噪聲，使機床的動態性能降低。

　　由式2可見，在加工斜齒輪時，輸入和輸出的關系不再是一個簡單的單輸入、單輸出的定比傳動問題，而是一個多輸入、單輸出的問題。一般的電子齒輪方式無法解決該類問題。電子齒輪箱能代替機械齒輪傳動鏈，并且能實現更準確的傳動關系，為此在滾齒機數控系統中開發了電子齒輪箱功能。

　　對于數控滾齒機, 機床的各個運動軸(滾刀旋轉B軸、工件旋轉C軸、軸向進給Z軸、徑向進給X軸) 都是數控的, 基于軟件插補的滾齒加工數控系統的各軸通過數控指令經伺服電機直接驅動，根據被加工齒輪和使用刀具的參數來確定刀具與工件之間特定的運動關系。采用電子齒輪箱傳動簡化了傳動鏈，直接從滾刀軸和進給軸上讀取反饋數據，取消大量中間傳動環節，傳動誤差大大減少，加工精度遠高于傳統的加工方法，它的實現是滾齒機數控系統實現滾齒加工的核心技術。

　　滾齒機數控系統開發了專門用于齒輪加工的固定循環，G代碼編程格式為：

　　G81.4 T_ (L_) (Q_) (P_)；電子齒輪箱開啟同步機床在進行滾齒加工時，要求建立C軸和滾刀B軸的同步關系。G81.4就是C軸與B軸的同步指令。T：工件齒數L：滾刀頭數。通過L 的符號來指定工件軸的旋轉方向。Q：齒輪模數或者齒距P：齒輪螺旋角。G80.4 ：電子齒輪箱同步解除

　　3.3 參數化編程人機界面

　　開放式數控系統的研究目的就是要解決變化頻繁的需求與封閉的控制系統結構之間的矛盾，建立一種新型的模塊化、可重構、可擴充的控制系統結構，以增強數控系統的功能柔性，能夠快速而有效地響應新的加工需求，也是今后數控系統的重要發展方向。由于齒輪加工機床有其復雜性和特殊性，運動關系復雜，滾齒加工時調整因素多、影響加工精度的因素多，所使用的工件參數、刀具參數和加工參數比較多，在加工不同類型的齒輪時調整起來非常繁瑣，很容易出錯，所以滾齒機對數控系統的要求更高、更特殊，這就需要滾齒機數控系統人機界面可根據用戶需求進行定制。

　　在滾齒機數控系統中開發專用的用戶界面，把參數直觀地反映到操作界面上。利用滾齒機數控系統提供的參數編程模板編輯工具就可以滿足這一需求，把繁瑣的工作進行簡化。

　　在滾齒機數控系統參數編程模板編輯工具軟件中，根據用戶要求及加工對象特點，建立模板文件，編制好程序，導入系統，如圖3所示。用戶只要在滾齒機數控系統軟件界面中調出適合自己零件加工的模板程序，輸入加工件的齒數、模數和螺旋角等相關參數，啟動后機床就能自動完成零件的加工，操作較為簡便，如圖4所示。

圖3 滾齒機數控系統參數編程模板編輯工具軟件界面

圖4 滾齒機數控系統參數化編程人機界面

4 結 語

　　目前該滾齒機數控系統已應用到重慶晨宇四軸數控滾齒機上，如圖5所示。

圖5 滾齒機數控系統應用

　　采用電子齒輪箱功能來實現滾齒加工，不僅簡化機床的機械結構，而且在一定程度上方便調整。與普通機床相比，加工精度提高了1級，加工速度提高了30%，調整時間縮短了10%~30%。該滾齒機數控系統以其開放性、友好的人機界面受到歡迎。