数控纵切机床滚齿关键技术研究

成雪峰

摘要：本文简要介绍了数控机床的分类与优势，详细分析和介绍了数控纵切机床，并对其中采用的滚齿技术进行阐述分析。

关键词：数控机床;纵切机床滚齿;滚齿技术

0  引言

近年来，随着工业技术的不断发展，数控纵切机床已被广泛应用。数控纵切机床具备车削、钻孔等多个功能，而在采用滚齿技术后，能提高其对微小精密零件的加工成效。齿轮被广泛应用于机械设备的传动系统中，滚齿是应用最广泛的切齿方法。随着机械设备的不断发展，微小精密的零件在其中也占据了重要地位[1]。在对微小精密零件进行加工制造时，不仅需要保证高度的精准度，而且要实现高速度、高效率生产。这在一定程度上对加工设备的性能提出了较高的要求，而为了满足这一要求，便需要将滚齿技术应用于数控纵切机床上。

1  数控纵切机床

1.1 数控纵切机床与数控机床

数控是数字控制的简称，数控技术是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。纵切车床，即采用横切工艺方法的车床，在金属切削加工中，刀具的运动轨迹相对于工件的中轴线是垂直的，也就是在车削加工中工件是旋转和移动的，车刀不需要跟随工件移动，与常规的车床有着本质的区别。数控机床与数控纵切机床的区别主要为：数控机床的范围比数控纵切机床的范围大;数控机床加工的零部件形状简单，精准度要求较低;数控纵切机床加工的零部件形状相对复杂，精度要求相对较高。

1.2 数控纵切机床的优势

数控纵切机床（如图1）集合了钻、滚齿更功能的，使得需要进行加工的零件在一台机床上便可以完成，整个过程十分紧凑，大大缩减了产品加工制造的供应链，从而大大提高加工零件的工作生产效率，节省时间。

2 数控纵切机床滚齿技术

2.1 数控纵切机床滚齿传动

滚齿复合加工的材料表面一体成型滚齿复合件的运动链条是以通过一条铰链连接滚齿驱动源以及执行工作机构的运动外联作为传动链条用来直接提供运动传递在滚齿加工时所可能需要的运动功率以及运动速度。当然，在各个物体运动轴之间还有一条一个能够同时起到运动同步作用传递物体运动状态信息的多轴内联动性传动链。

滚齿的内联传动则为内联系传动链。其主要是当某运动的复合成型运动时，它便通过严格的存在相对运动关系的几个单位运动，完成复合的成型运动[2]。滚齿加工过程当中，最为重要的展成运动即是其它如滚刀的高速旋转展成运动以及展刀完成旋转运动等，滚刀的高速旋转展成运动即是其最为主要的运动，我们通常来说是用固定转速n刀（r/min）刀来表示。而在滚齿的传动当中，分齿运动则是通过强行齿轮坯和滚刀中间保持着啮合运动状态的运动。在数控纵切机床滚齿加工中，通常会采用位置、速度两种控制模式。

2.1.1 位置控制模式

数控纵切机床滚齿加工的位置控制模式，就是在滚齿加工过程当中控制直线轴的位移以及旋转轴的转角，致使加工质量能够达到精准的离散点，在位置的离散点采用插补运算。

2.1.2 速度控制模式

数控纵切机床滚齿加工的速度控制模式，就是通过电子齿轮箱技术控制运动轴的速度或者角速度，致使各运动轴之间时刻得保证严格的速比关系。这两种控制模式都是作为数控滚齿系统相关问题的解决方法，它们都是通过滚刀轴、工件轴以及进给轴之间的联动关系来进行的。而这两种控制模式相比较，位置控制在加工精密程度上是比速度控制低的。由此，可以将数控纵切机床的滚齿系统是基于速度模式而开发应用的。

2.2 数控纵切机床滚齿系统

数控系统主要是由运动控制卡、伺服驱动等构成的硬件系统。如图2所示，可以清晰的了解数控系统的硬件建造框架。其中，工控机这一硬件在整个数控系统当中起着控制全局的作用，它能够分时处理数控系统中所存在的各项任务。而在工控机的控制之下又存在着两个主控制技术：运动控制卡、信号采集。运动控制卡可以相对的对滚刀进行运动轨迹的控制，而信号采集能够对滚刀轴的位置角度等做出调整。每个运动控制卡又可以控制4个能够独立运动的轴[3]。而滚轮的通过不运动的控制则是采用了电子齿轮箱技术。

2.2.1 伺服驱动

数控系统中的伺服驱动技术是基于微处理器、网络技术等技术的基础上发展起来的，现如今已成为数控机床等多个产业机械控制中的关键技术。伺服驱动能够对需要控制的对象进行由外到内的划分，通常被分为位置、电流以及速度这三环。而其又能够对相应的对象进行位置、速度、力矩这三种控制模式。而这三种控制模式优势通过通信、参数设置的内部或者使用模拟量来进行给定。

伺服系统主要是由伺服电机、控制器、功率驱动器以及传感器构成（如图3），除此之外还有其他的组成部分。此处以伺服系统中的开环控制方式为例，通过它能够根据相应的指令完全驱动私服电动机以及传动部分，并不获取实际位置信息等反馈控制，所以整个过程结构是非常简单的，从而成本相对较低[4]。其中的精准度控制便只能依靠伺服系统本身的传动进行精度保证。

2.2.2 电子齿轮箱

数控纵切机床滚齿系统所采用的数控系统是主要是通過电子齿轮箱进行控制的。电子数控齿轮箱运动控制的多轴轴向耦合运动同步器对运动的精确运行控制具有一定的技术要求，它不仅需要实现能够精确保证各个运动轴之间精准的轴向相对角和位置运动关系以及它需要能够实现对各轴运动量和速度的精确定比运动控制。采用这种电子控制齿轮箱主要是通过先进的电子控制传动技术从而实现了对多个主轴的精准传动同步高速传动。

电子齿轮箱的传动精度高且具有能够便捷调整、宽调速范围的特点，能够保证在齿轮加工或者其他相关情况下多轴同步运动关系。而电子齿轮箱的功能主要可以分为两种基本的体现形式，分别是硬件式、软件式。

2.2.2.1 硬件式电子齿轮箱

硬件式电子齿轮箱是在电子电路的基础上，也可以说是在电子锁相环路的基础上发展起来的。锁相环路则是能够输出一定頻率的振电路，其中主要包括一个压控器和振荡器、鉴相器以及一个环路驱动滤波器。锁相环路就是能够将主机对运动信号编码器进行检测所需时产生的参考脉冲滤波信号转换算作比较锁相环的同时输入的一个参考脉冲信号，再通过一个倍频滤波电路对脉冲信号频率进行滤波频率上的改变滤波处理，从而发送输入信号到比较锁相器当中。基于电子锁相环路的硬件式电子齿轮箱被应用于驱动源的速度控制当中，对电动机速度高精度控制。而在应用时能够问政的运转以及保证高精度[5]。虽硬件式电子齿轮箱优点多，但其在压缩振荡器方面存在一定的问题，它的抗干扰和动态性能等方面存在着明显的不足。

2.2.2.2 软件式电子齿轮箱

软件式电子齿轮箱是在微处理器的基础上发展起来的，其主要是通过微处理器的高运算、高速度处理取代比相器以及硬件倍频电路等多个数硬件电路，从而与软件进行运动信息处理。软件式电子齿轮器通常被分为两种形式，即主从式与平行式。主从式运用电子驱动齿轮箱即是同时运用主从运动脉冲伴随主从从运动的两种方式同时进行，通过主从电子驱动齿轮箱对信号编码器件中检测到的主从从运动的方向脉冲讯号信息方向进行自动改变，得到从主主运动的方向驱动脉冲信息。平行式四轴电子传动齿轮箱则主要是通过依靠运动控制系统对各个齿轮运动的速比通过控制器件来传递运动速度控制信息，达到每个传动轴都必须能够进行独立运动 。由于是在滚齿加工过程中，滚刀箱的运动要承受很强的横向切削力运动干扰，平行式驱动电子滚刀齿轮箱运动结构若是由一个运动部位就接收到了强的运动干扰，不过它能够完全保证系统能够实现多个主轴的实时同步进行运动。而软件主从式电子齿轮箱能够对滚齿的内联传动进行多轴的同步耦合控制[6]。通过上述硬件式与其他软件式的数据分析结果对比，可知目前数控纵切削式机床的旋滚齿轮箱采用数控电子传动齿轮箱设计是属于软件式的。

3  结语

数据纵切机床中滚齿技术通过先进的软件式电子齿轮箱技术进行开发从而投入应用。在滚齿技术中每个运动轴都是运用一台电动机单独进行驱动的，且这些轴都是独立运动的。在整个数控纵切机床滚齿技术当中，数控滚齿的内联传动链、数控系统、电子齿轮箱等都是非常关键的技术。基于软件主从式电子齿轮箱的数控纵切机床滚齿加工能够保证普通机械零件加工的以及微小精密零部件的加工，并保证生产效率，也在一定程度上支持数控机床能够进一步向着智能、集成、网络化方向发展。

参考文献：

[1]谢占功，李宁，张潇，等.数控纵切机床滚齿关键技术及仿真试验[J].制造技术与机床，2017（4）：68-72.

[2]王少江，侯力，匡红.滚齿机控制系统的数控化研究[J].机床与液压，2009（7）：42-44.

[3]巩丽，张根保，刘润爱，等.零传动数控滚齿机的精度分析[J].机床与液压，2006（02）：17-19.