摘要：本文介紹一種專用四軸聯(lián)動數(shù)控刨齒機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)。談刨齒機能夠高效率高精度地完成按特殊要求設(shè)計的特殊齒形錐齒輪的加工。 關(guān)鍵詞：刨齒機；數(shù)控系統(tǒng)；模塊化結(jié)構(gòu) 0引言 對于按特殊要求設(shè)計的特殊齒形的錐齒輪（如變傳動比差速器齒輪），無法用一般加工直齒輪或普通錐齒輪的設(shè)備來完成其齒形的加工。若在仿形銑床上采用人工分度的方法加工，費時費力，勞動強度大。我們研制的四軸聯(lián)動數(shù)控刨齒機，它能夠自動完成對特殊齒形錐齒輪的分度、進紿、展成加工等全過程。 1四軸聯(lián)動刨齒機的結(jié)構(gòu)和工作原理 四軸聯(lián)動刨齒機由機床本體、兩坐標刀架，兩坐標工作臺、控制硬件和控制軟件四太部分組成，如圖1所示。 機床本體采用傳統(tǒng)的普通牛頭刨床（BA6050）的床身，主電機驅(qū)動滑枕，滑擾帶動刀架沿水平軸即z軸方向作連續(xù)往復直線運動，實現(xiàn)對工件的切削加工，其刨削加工的主運動原理與普通牛頭刨床的加工原理沒有多大區(qū)別。 兩坐標工作臺是加工特殊齒形的關(guān)鍵機械部件之一。工作臺基座上安裝一個水平旋轉(zhuǎn)的扇形轉(zhuǎn)臺，伺服電機控制轉(zhuǎn)臺繞垂直軸（即Y軸）轉(zhuǎn)動，稱為旋轉(zhuǎn)軸B扇形轉(zhuǎn)臺上固定一個俯仰角可調(diào)節(jié)的支架，支架上固定一個傾角可調(diào)的工件頭．工件裝夾在工件主軸上，伺服電機控制工件主軸帶動工件繞工件中心軸轉(zhuǎn)動，稱為旋轉(zhuǎn)軸c。工作臺結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。 兩坐標刀架安裝在刨床滑枕的端部，由作直線運動的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軌作Y軸方向移動，前拖板可沿中拖板上的導軌作x軸方向的移動。x軸的進給移動距離較短，因此，x軸在前，Y軸在后。刨刀安裝在前拖板上，并具有啟動退刀抬刀機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。 在工作過程中，x軸和Y軸主要完成水平移動和深度及分齒退刀進給運動，自身質(zhì)量較小，運動方向與主切削力正交，所需的驅(qū)動力也較小，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伺服電機和伺服系統(tǒng)。 為了提高傳動精度和傳動教率，減小摩擦力，消除軸向間隙并提高系統(tǒng)剛度．采用了滾動導軌副和滾動絲杠副的結(jié)構(gòu)，電機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，首先根據(jù)要加工的工件根錐角，手動調(diào)節(jié)工件的俯仰角；其次通過安裝在工件夾具軸上的對刀夾具對安裝在刀架上的刨刀進行精確對刀。然后在啟動數(shù)控刨齒機后，便不需要人工參與，數(shù)控系統(tǒng)控制刀架和工作臺各軸聯(lián)動對錐齒輪的齒形進行包絡加工，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機有豐富的軟件資源，可采用通用器件，充分利用通用微機的技術(shù)，能以較低的成本和較短的時間完成數(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)硬件共用一套計算機硬件資源，位置控制算法作為中斷服務程序嵌入到數(shù)控系統(tǒng)的主程序中，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。圖4為數(shù)控刨齒機控制系統(tǒng)硬件框圖。 硬件系統(tǒng)主要有主控計算機（含有位置控制器）位置伺服控制插板、伺服驅(qū)動模塊、伺服電機及編碼器等幾部分構(gòu)成。其中主控計算機為586通用微機，數(shù)字控制器實際。由位控軟件來實現(xiàn)。 工作臺有B軸和c軸兩個旋轉(zhuǎn)軸，分別采用兩臺伺服電機驅(qū)動，由1B軸電機拖動整個工作臺轉(zhuǎn)動，負載慣量很大，c軸電機只拖動工件軸轉(zhuǎn)動，負載較輕，因此選用了兩臺特性刷的電機。而刀架有x軸和Y軸兩個移動軸，且兩軸的負載均較小，差別也不大．所以選用r兩臺特性相同的小型交流電機，以便充分發(fā)揮各臺電機的特性、也能很好地滿足機械方面的性能要求。系統(tǒng)運行時，定時器每隔5ms向主控計算機申請次中斷，DOS平臺引導轉(zhuǎn)入中斷服務程序，經(jīng)過位置控制模塊處理輸出各個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)過高精度D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為與電機轉(zhuǎn)速相對應的控制電壓。該控制信號經(jīng)過伺服驅(qū)動放火后拖動電機運轉(zhuǎn)，然后各軸電機的轉(zhuǎn)動再分別通過各自的傳動鏈傳遞到工作臺和刀架，使工件和刨刀按規(guī)定的軌跡運動。檢測位置用的光電編碼器分別安裝在各個電機的輸出軸上通過計算機位控模塊分別獲得位置反饋和速度反饋。 由于數(shù)控刨齒機實際工作的工廠條件，常常有許多強電設(shè)備，它們在啟動和工作過程中會產(chǎn)生強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，還采用了浪涌保護器、超隔離變壓器、低通濾波器等。且對伺服系統(tǒng)的各個功能模塊分散獨立供電，以減少公共阻抗的相互耦臺及公共電源的相互耦臺。 （2）整個伺服數(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箱中以對電磁輻射進行屏蔽。 （3）利用差動方式抑制共模噪聲。 （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)控刨齒機的加工特點，以DOS作為工作平臺，采用模塊化結(jié)構(gòu)，將單CPU的工作時間共享，給各任務分配一定的時間片，使各任務在自已的時間片內(nèi)完成自己的工作。在本系統(tǒng)中靠中斷來完成時間片的分配，全部采用Turb0C++語言編程。 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)操作臺的指令分別調(diào)用不同的模塊子程序。最重要的兩個子程序是手動操作子程序和程序加工子程序，它們分別實現(xiàn)加工過程的手動操作和自動操作。 在列刀、微量調(diào)整及傳動間隙測最的操作中，手動操作是必不可少的。自動操作（程控加工）是在把工件裝夾和對刀完后，完成耐工件的加工。 考慮到實時性問題，位置控制算法應用了神經(jīng)元自適應復臺控制算法。也就是說通過一段時問的運行，神經(jīng)元通過自學習會確定出最佳的權(quán)值，當每次機床運行完畢之前，將最新的權(quán)值存人磁盤中，下一次開機運行時，采用上一次的權(quán)值作為初值。如果兩次開機數(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)動數(shù)控刨齒機已經(jīng)凋試后用于生產(chǎn)中，并加工了一批變傳動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 [l]蔣銳權(quán)，王小椿•兩軸聯(lián)動位置伺服系統(tǒng)的研究•組合機床與自動化加工技術(shù)，1998（6）：33～35 [2]廖效果，朱啟逑•數(shù)字控制機床•武漢：華中理工大學出版社，1996