摘要：本文介紹一種專用四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控刨齒機(jī)的工作原理及其專用數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。談刨齒機(jī)能夠高效率高精度地完成按特殊要求設(shè)計(jì)的特殊齒形錐齒輪的加工。 關(guān)鍵詞：刨齒機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)；模塊化結(jié)構(gòu) 0引言 對(duì)于按特殊要求設(shè)計(jì)的特殊齒形的錐齒輪（如變傳動(dòng)比差速器齒輪），無(wú)法用一般加工直齒輪或普通錐齒輪的設(shè)備來(lái)完成其齒形的加工。若在仿形銑床上采用人工分度的方法加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)強(qiáng)度大。我們研制的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控刨齒機(jī)，它能夠自動(dòng)完成對(duì)特殊齒形錐齒輪的分度、進(jìn)紿、展成加工等全過(guò)程。 1四軸聯(lián)動(dòng)刨齒機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 四軸聯(lián)動(dòng)刨齒機(jī)由機(jī)床本體、兩坐標(biāo)刀架，兩坐標(biāo)工作臺(tái)、控制硬件和控制軟件四太部分組成，如圖1所示。 機(jī)床本體采用傳統(tǒng)的普通牛頭刨床（BA6050）的床身，主電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑枕，滑擾帶動(dòng)刀架沿水平軸即z軸方向作連續(xù)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切削加工，其刨削加工的主運(yùn)動(dòng)原理與普通牛頭刨床的加工原理沒(méi)有多大區(qū)別。 兩坐標(biāo)工作臺(tái)是加工特殊齒形的關(guān)鍵機(jī)械部件之一。工作臺(tái)基座上安裝一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的扇形轉(zhuǎn)臺(tái)，伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)繞垂直軸（即Y軸）轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為旋轉(zhuǎn)軸B扇形轉(zhuǎn)臺(tái)上固定一個(gè)俯仰角可調(diào)節(jié)的支架，支架上固定一個(gè)傾角可調(diào)的工件頭．工件裝夾在工件主軸上，伺服電機(jī)控制工件主軸帶動(dòng)工件繞工件中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為旋轉(zhuǎn)軸c。工作臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。 兩坐標(biāo)刀架安裝在刨床滑枕的端部，由作直線運(yùn)動(dòng)的x軸和Y軸組成十字架結(jié)構(gòu)。刀架具體由兩層拖板構(gòu)成，后板固定在刨床滑枕端部，中拖板可沿后板上的導(dǎo)軌作Y軸方向移動(dòng)，前拖板可沿中拖板上的導(dǎo)軌作x軸方向的移動(dòng)。x軸的進(jìn)給移動(dòng)距離較短，因此，x軸在前，Y軸在后。刨刀安裝在前拖板上，并具有啟動(dòng)退刀抬刀機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。 在工作過(guò)程中，x軸和Y軸主要完成水平移動(dòng)和深度及分齒退刀進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，自身質(zhì)量較小，運(yùn)動(dòng)方向與主切削力正交，所需的驅(qū)動(dòng)力也較小，但由于安裝在刨床的滑擾端部．要求結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單緊湊，重量盡量輕，所以采用了日本安川公司的小型SGMPIEA31伺服電機(jī)和伺服系統(tǒng)。 為了提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)教率，減小摩擦力，消除軸向間隙并提高系統(tǒng)剛度．采用了滾動(dòng)導(dǎo)軌副和滾動(dòng)絲杠副的結(jié)構(gòu)，電機(jī)軸和絲杠軸的連接采用了半剛性聯(lián)軸器的連接形式。 在加工工件時(shí)，首先根據(jù)要加工的工件根錐角，手動(dòng)調(diào)節(jié)工件的俯仰角；其次通過(guò)安裝在工件夾具軸上的對(duì)刀夾具對(duì)安裝在刀架上的刨刀進(jìn)行精確對(duì)刀。然后在啟動(dòng)數(shù)控刨齒機(jī)后，便不需要人工參與，數(shù)控系統(tǒng)控制刀架和工作臺(tái)各軸聯(lián)動(dòng)對(duì)錐齒輪的齒形進(jìn)行包絡(luò)加工，直到錐齒輪加工完畢。 2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 由于PC機(jī)有豐富的軟件資源，可采用通用器件，充分利用通用微機(jī)的技術(shù)，能以較低的成本和較短的時(shí)間完成數(shù)控設(shè)備的開發(fā)。我們研究所開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)采用了在PC機(jī)16位ISA工業(yè)總線上直接插卡的模塊化結(jié)構(gòu)的方案。位置伺服控制器與數(shù)控系統(tǒng)硬件共用一套計(jì)算機(jī)硬件資源，位置控制算法作為中斷服務(wù)程序嵌入到數(shù)控系統(tǒng)的主程序中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。圖4為數(shù)控刨齒機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖。 硬件系統(tǒng)主要有主控計(jì)算機(jī)（含有位置控制器）位置伺服控制插板、伺服驅(qū)動(dòng)模塊、伺服電機(jī)及編碼器等幾部分構(gòu)成。其中主控計(jì)算機(jī)為586通用微機(jī)，數(shù)字控制器實(shí)際。由位控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 工作臺(tái)有B軸和c軸兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，分別采用兩臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由1B軸電機(jī)拖動(dòng)整個(gè)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)載慣量很大，c軸電機(jī)只拖動(dòng)工件軸轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)載較輕，因此選用了兩臺(tái)特性刷的電機(jī)。而刀架有x軸和Y軸兩個(gè)移動(dòng)軸，且兩軸的負(fù)載均較小，差別也不大．所以選用r兩臺(tái)特性相同的小型交流電機(jī)，以便充分發(fā)揮各臺(tái)電機(jī)的特性、也能很好地滿足機(jī)械方面的性能要求。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器每隔5ms向主控計(jì)算機(jī)申請(qǐng)次中斷，DOS平臺(tái)引導(dǎo)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，經(jīng)過(guò)位置控制模塊處理輸出各個(gè)控制軸的速度給定值，并由SIA總線送至位置伺服控制插板上，經(jīng)過(guò)高精度D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為與電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的控制電壓。該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)放火后拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后各軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)再分別通過(guò)各自的傳動(dòng)鏈傳遞到工作臺(tái)和刀架，使工件和刨刀按規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)位置用的光電編碼器分別安裝在各個(gè)電機(jī)的輸出軸上通過(guò)計(jì)算機(jī)位控模塊分別獲得位置反饋和速度反饋。 由于數(shù)控刨齒機(jī)實(shí)際工作的工廠條件，常常有許多強(qiáng)電設(shè)備，它們?cè)趩?dòng)和工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電源干擾及電磁噪聲。為了保證系統(tǒng)能可靠工作，采取了一系列提高可靠性的措施。其中主要有： （1）為了防止電源系統(tǒng)引入干擾，在供電線路中，除了采用交流穩(wěn)壓器，還采用了浪涌保護(hù)器、超隔離變壓器、低通濾波器等。且對(duì)伺服系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊分散獨(dú)立供電，以減少公共阻抗的相互耦臺(tái)及公共電源的相互耦臺(tái)。 （2）整個(gè)伺服數(shù)控系統(tǒng)的弱電部分用金屬絲網(wǎng)罩住并將其裝入鐵制機(jī)箱中以對(duì)電磁輻射進(jìn)行屏蔽。 （3）利用差動(dòng)方式抑制共模噪聲。 （4）將系統(tǒng)中所有器件的模擬地和數(shù)字地分開，將功率電路和信號(hào)電路的地線分開，盡量加大線性電路接地線的面積這些措施的采用，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。 3控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 根據(jù)數(shù)控刨齒機(jī)的加工特點(diǎn)，以DOS作為工作平臺(tái)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，將單CPU的工作時(shí)間共享，給各任務(wù)分配一定的時(shí)間片，使各任務(wù)在自已的時(shí)間片內(nèi)完成自己的工作。在本系統(tǒng)中靠中斷來(lái)完成時(shí)間片的分配，全部采用Turb0C++語(yǔ)言編程。 系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。主循環(huán)程序根據(jù)操作臺(tái)的指令分別調(diào)用不同的模塊子程序。最重要的兩個(gè)子程序是手動(dòng)操作子程序和程序加工子程序，它們分別實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的手動(dòng)操作和自動(dòng)操作。 在列刀、微量調(diào)整及傳動(dòng)間隙測(cè)最的操作中，手動(dòng)操作是必不可少的。自動(dòng)操作（程控加工）是在把工件裝夾和對(duì)刀完后，完成耐工件的加工。 考慮到實(shí)時(shí)性問(wèn)題，位置控制算法應(yīng)用了神經(jīng)元自適應(yīng)復(fù)臺(tái)控制算法。也就是說(shuō)通過(guò)一段時(shí)問(wèn)的運(yùn)行，神經(jīng)元通過(guò)自學(xué)習(xí)會(huì)確定出最佳的權(quán)值，當(dāng)每次機(jī)床運(yùn)行完畢之前，將最新的權(quán)值存人磁盤中，下一次開機(jī)運(yùn)行時(shí)，采用上一次的權(quán)值作為初值。如果兩次開機(jī)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)變化不大，這樣的權(quán)值韌值總能取得較好的效果。 4結(jié)論 研制的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控刨齒機(jī)已經(jīng)凋試后用于生產(chǎn)中，并加工了一批變傳動(dòng)比差速器上用的特殊齒形的錐齒輪，零件精度令人滿意。 參考文獻(xiàn) [l]蔣銳權(quán)，王小椿•兩軸聯(lián)動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的研究•組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1998（6）：33～35 [2]廖效果，朱啟逑•數(shù)字控制機(jī)床•武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996