沈陽第一機床廠當前，采用數(shù)值控制的方法加工沈陽第一機床廠齒輪已變得越來越普遍了。所謂“數(shù)值控制加工”是指加工齒輪時采用電子計算機控制的伺服系統(tǒng)驅動控制機床的運動。把采用這種方法加工的齒輪稱為數(shù)字齒輪。數(shù)控加工的基本運動方式主要有兩種：1)精確的分齒。需要精確的同步運動。主要是工件與刀具間的同步運動。2)不同齒輪的形狀各異，它是依靠不同運動軸插補聯(lián)動形成的。因此齒輪的加工也要求多軸聯(lián)動插補。
一、同步運動
同步概念
提高同步性能
同步參考點和補償
圖1 簡化的控制裝置框圖
同步有兩種：機械同步和機電同步。在機電同步系統(tǒng)中，同步的沈陽第一機床廠概念指系統(tǒng)中具有兩個或兩個以上由電子控制的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和伺服電機組成的控制對象，其中一個為主控制對象，另外一個或多個從控制對象，控制量為機械的位移或速度(對旋轉運動為轉角或轉速)通過控制器使從控制對象與主控制對象的輸出控制量保持一定的比例關系，稱這種運動系統(tǒng)為同步系統(tǒng)。在齒輪加工中同步系統(tǒng)是位置控制系統(tǒng)。為了簡化，把同步系統(tǒng)中的控制裝置簡化如圖1 所示。其中K1為簡化后控制裝置沈陽第一機床廠的位置控制器的增益；K2為簡化后速度控制器的增益；K=K1K2稱為系統(tǒng)的開環(huán)位置增益。X1、X0、D為輸入、輸出和折合至速度控制器輸入端的負載擾動。D為輸入與輸出間的誤差。
利用圖1的控制裝置可以組成兩種同步系統(tǒng)：
自同步系統(tǒng)(Active synchronous system)：由主控制裝置的輸出量作為指令，控制從控制裝置，保證它的輸出與主控制裝置的輸出保持嚴格的比例關系，在齒輪加工中稱沈陽第一機床廠為電子齒輪箱功能。如圖2a所示。其中XAMO為自同步系統(tǒng)主控制裝置的輸出，XASO為自同步系統(tǒng)從控制裝置的輸出。其輸出自動跟隨主控制裝置的輸出變化，稱這種系統(tǒng)為自同步系統(tǒng)。
圖2 兩種同步系統(tǒng)
它同步系統(tǒng)(Passive synchronous system)：在同步系統(tǒng)中，由控制器發(fā)出指令同時給主控制裝置和從控制裝置，使這兩種控制裝置的輸出同步，如圖2b所示。其中XPMO為它同步系統(tǒng)的主控制裝置的輸出，XPSO為它同步系統(tǒng)從控制裝置的輸出。這種同步系統(tǒng)如果由于某種原因主控制裝置沈陽第一機床廠輸出發(fā)生變化，從控制裝置的輸出不受控制。稱這種系統(tǒng)為它同步系統(tǒng)。由于它缺乏自同步能力，因此齒輪加工中不采用它作為同步。
對于自同步系統(tǒng)，要提高系統(tǒng)的同步性能，需要減少控制裝置的跟隨和同步誤差，為了減小誤差，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，要盡量提高系統(tǒng)的位置增益K，減少負載的擾動。
對于它同步系統(tǒng)，要提高同步系統(tǒng)的性能，首先要減少控制裝置的跟隨誤差，提高控制裝置的位置增益K，減少負載擾動。另外，要減少同步誤差，還要求系統(tǒng)中的主、從控沈陽第一機床廠制裝置參數(shù)盡量接近；要使主、從控制裝置的負載擾動盡量減少并分配相同的負載。
除了上面所說的方法外，還可以對控制采用前饋的方法減少跟隨誤差提高同步性能。如圖1中的A部分，即為前饋控制部分。當A=S/K2時：D=0即理論上由輸入而引起的跟隨誤差可以減少到零。這是一種前饋補償?shù)姆椒ǎa償由于輸入產(chǎn)生的誤差。另外對運動指令要進行加減速處理，以平滑運動指令。在加減速處理時，對它同步系統(tǒng)，要特別注意主、從控制裝置加減速參數(shù)的對稱性。
同步系統(tǒng)的參考點表示系統(tǒng)進入同步的主控裝置與從控沈陽第一機床廠裝置的位置起始點。在同步前要把主、從控制裝置先回歸起始點。
由于機械傳動鏈發(fā)生“螺距誤差”(也即電機每轉所走的距離不同)和機械傳動鏈的間隙引起的誤差。當采用半閉環(huán)時，為了提高精度要增加補償環(huán)節(jié)。如果系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)，補償可在每個采樣時間間隔內(nèi)進行。對主、從控制裝置都需要補償。
二、插補運動
為了加工出一定的齒形和齒向，如滾切斜齒輪，除了沈陽第一機床廠滾刀旋轉運動、工件與滾刀的分齒旋轉運動以及滾刀的垂直進給運動外，還需要工件的附加轉動。這些運動必需滿足一定的關系，才能加工出斜齒輪。這就需要對運動的各軸進行插補，稱插補運動。
機床數(shù)值控制系統(tǒng)的核心技術是插補技術。數(shù)控系統(tǒng)在所需的路徑或輪廓線上的二個已知點間，根據(jù)某一數(shù)學函數(shù)確定其中多個中間點的位置坐標值的運動過程稱為插補。根據(jù)沈陽第一機床廠這些位置的坐標值控制刀具或工件的運動，實現(xiàn)數(shù)控加工。根據(jù)不同的加工零件，有單坐標和多坐標的插補。插補的數(shù)學函數(shù)可以為直線、圓弧及各種平面和空間圓錐曲線、螺旋線、漸開線、自由曲線等。由于直線和圓弧是構成工件輪廓形狀的基本線條，各種復雜的曲線都可以分解為許多小段的直線或圓弧組成，因此一般數(shù)控裝置都具有直線和圓弧的插補。高檔次的數(shù)控系統(tǒng)還具有圓錐曲線、螺旋線等插補功能。
一般數(shù)控加工工藝要求：1)刀具或工件按確沈陽第一機床廠定的直線或曲線運動，以便加工出要求的形狀。2)為了保證工件加工的粗糙度和精度，延長刀具的壽命，在加工過程中要求刀具和工件間運動的切向速度保持不變。
完成插補工作的裝置稱為插補器。硬件NC系統(tǒng)中的插補器一般由數(shù)字電路組成，稱為硬件插補。CNC系統(tǒng)中，插補器的功能由軟件或軟、硬件共同完成，稱為軟件插補或混合插補。由于NC裝置輸出到伺服驅動裝置基本上有脈沖列和數(shù)字增量數(shù)值兩種，根據(jù)輸出形式的不同有兩種不同的插補：基準沈陽第一機床廠脈沖插補和數(shù)據(jù)采樣插補。根據(jù)編程的軌跡和所選的插補方式(直線、圓弧或其它)，系統(tǒng)計算出采樣時間內(nèi)每個坐標的位移量相當?shù)拿}沖數(shù)或數(shù)值送給伺服系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的運動。一般說采樣時間越短，系統(tǒng)的精度越高。
根據(jù)插補值計算方法的不同，當前主要采用三種插補方法：1)數(shù)字脈沖乘法器插補；2)逐點比較法插補；3)數(shù)字積分法插補。
數(shù)控加工的精度與插補有很大的關系，特別在沈陽第一機床廠動態(tài)過程(指加速度過程中)和加工中伺服軸進給率變化較大的部分，如尖角、拐角等。這時就要對插補采取特殊措施以保證精度。為了進行高速高精加工，加工過程速度不中斷，就要求系統(tǒng)具有對多程序段進行預處理(Look ahead)的功能。另外在加工中當遇到拐角時，運動軸的速度會產(chǎn)生急劇變化，機床將產(chǎn)生很大的加速度。為了使運動平滑，需要進行自動加、減速度。數(shù)控系統(tǒng)為了保證執(zhí)行機械在啟動和停止時運動平滑，不產(chǎn)生強烈的沖擊，必須對沈陽第一機床廠伺服電機的速度進行加、減速控制。加、減速可在插補前，也可在插補后進行；插補前加、減速控制僅對合成速度，即程編指令速度進行控制，所以不會影響實際插補輸出的位置精度。插補后加、減速對各運動軸分別進行加、減速控制，因而在加、減速后就有可能產(chǎn)生位置誤差。
在數(shù)控機床上實現(xiàn)快速而高精度的加工，必須解決以下幾個問題：1)NC零件程序的內(nèi)存大容量化；2)提高將NC零件程序傳送給NC的運行速度；3)提高微小線段轉換為沈陽第一機床廠電機運轉的性能。前兩個問題可在系統(tǒng)前增加數(shù)據(jù)服務器，并通過以太網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。對后一個問題可以這樣理解：讀取1個程序段的NC零件程序，給電機移動指令的插補運算中作出必要的數(shù)據(jù)處理，稱“程序段處理”。處理所需的時間稱“程序段處理時間(BPT)”。BPT越短，傳送微小移動量的速度越高。為了縮短BPT，可以采用專用微處理器；也可采用64位RISC的芯片進行高速運算，實現(xiàn)性能高速化。
三、合成運動
以滾齒機為例，CNC滾齒機有6軸控制，滾刀主軸(B)；工件主軸(C)；徑向進給(X)；切向進給(Y)；軸向進給(Z)；滾刀回轉座(A)。滾刀與工件之間的運動由電子沈陽第一機床廠齒輪的功能執(zhí)行，如圖3所示。
圖3 電子齒輪工作原理
在采樣時間內(nèi)，系統(tǒng)讀滾刀主軸B的反饋脈沖數(shù)，然后嚴格地根據(jù)同步比例R計算出同步脈沖數(shù)，之后輸出給工件主軸。對于性能好的系統(tǒng)，這個采樣時間在1ms內(nèi)完成。當系統(tǒng)需要加工斜齒輪時，還需要對工件的運動增加一個附加的轉動。使?jié)L刀沿垂直方向移動的沈陽第一機床廠長度等于齒輪的螺旋線導程時，" 軸應附加轉動一轉。這就需要進行插補。對" 軸增加一個附加的運動。所增加的角度為bp：
bp=(360/p)ZTmsinP
式中，Z為Z軸移動量；P為螺旋角；T為齒數(shù)；m為模數(shù)。
根據(jù)公式，通過插補可加工出各種斜齒輪。
除了斜齒輪外，還可以對這兩種運動與機械結沈陽第一機床廠構進行適當?shù)呐浜弦员慵庸こ霾煌螤畹凝X輪。
四、小結
本文討論數(shù)字齒輪的兩種基本運動，即同步與插補運動。這兩種運動所采用的系統(tǒng)皆為位置控制系統(tǒng)。利用這兩種運動的配合沈陽第一機床廠可以加工出各種各樣的數(shù)字齒輪。 | 
