基于SYNTEC的螺旋錐齒輪加工機床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)（上）
2017-1-3 來源：沈陽工業(yè)大學(xué) 作者：張西棟
摘要
SYNTEC-10B 數(shù)控系統(tǒng)是臺灣新代科技股份有限公司研發(fā)的一款具有較高性價比的產(chǎn)品，該數(shù)控系統(tǒng)具有很好的開放性，是數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的良好平臺。弧齒錐齒輪數(shù)控加工涉及到的參數(shù)較多，齒輪規(guī)格調(diào)整后需要重新編制加工程序，而且數(shù)控編程不直觀，人機交互性差。為了解決不同弧齒錐齒輪加工的數(shù)控編程的繁瑣性問題，提高加工效率，利用 e HMI 軟件對 SYNTEC-10B 數(shù)控系統(tǒng)的人機交互界面進行了客制，使其能夠通過屏幕界面直接輸入弧齒錐齒輪的基本參數(shù)的形式，即可生成相應(yīng)的數(shù)控加工程序，完成自動化加工。
對螺旋錐齒輪的嚙合原理以及加工過程進行了分析，對相對微分法、嚙合方程的確定、等距共軛原理以及第二共軛曲面的確定等內(nèi)容進行了描述。分析了螺旋錐齒輪的加工原理和方法、局部共軛原理及齒面數(shù)學(xué)模型的建立，為后續(xù)界面的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。
利用 e HMI 軟件對弧齒錐齒輪加工過程中參數(shù)輸入、模擬仿真等相關(guān)界面進行了客制與設(shè)計。搭建了客制化界面系統(tǒng)的整體框架圖以及弧齒錐齒輪加工系統(tǒng)的人機界面的工作流程圖。通過建立專案，添加相關(guān)畫面檔與功能鍵的形式對整個人機界面進行了客制。設(shè)計制作了齒制選擇、加工參數(shù)輸入、刀具參數(shù)輸入等主要畫面檔，將齒輪加工所需要的各種參數(shù)信息通過不同組件的形式添加在畫面檔上，使相關(guān)的參數(shù)輸入界面簡潔明了，便于機床操作者進行相關(guān)的數(shù)控編程。
為了配合畫面檔的切換、參數(shù)輸入等動作，相應(yīng)地客制設(shè)計了與各級畫面檔相對應(yīng)的功能鍵。通過測試仿真模塊，對開發(fā)的多窗體界面中的各級畫面檔與功能鍵相關(guān)客制工作進行了仿真檢測，確保了各種參數(shù)的正確性。通過整個分析設(shè)計過程，最終達(dá)到參數(shù)的輸入、加工代碼的生成、加工仿真程序的運行整個過程的人性化和快速化。
構(gòu)建了人機界面的各層級關(guān)系框圖，使界面之間的層級關(guān)系一目了然；按照操作習(xí)慣對數(shù)控系統(tǒng)軸群顯示界面進行了設(shè)置。基于客制的要求，通過搭建架構(gòu)圖的形式對客制過程中的新代數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝型 PLC 進行了總結(jié)。將 R 寄存器中允許操作者讀寫的地址分配給客制過程中的各輸入變量，最后將客制的專案進行了軟件封裝。
關(guān)鍵詞：新代數(shù)控系統(tǒng)，螺旋錐齒輪，畫面檔，測試仿真
第 1 章 緒論
1.1 課題來源及研究背景
1.1.1 課題來源
基于課題組的科研項目《大型螺旋錐齒輪專用數(shù)控機床的開發(fā)》，提出了本課題。該科研項目是沈陽市科技創(chuàng)新專項資金—工業(yè)科技攻關(guān)專項（F15040200）支持的項目。項目中的數(shù)控機床采用的是臺灣新代科技有限公司開發(fā)的，具有較高性價比的SYNTEC-10B 數(shù)控系統(tǒng)；該系統(tǒng)操作簡單，開放性較好，能夠滿足弧齒螺旋錐齒輪加工的基本要求。為了提高數(shù)控系統(tǒng)的人機交互性，適應(yīng)不同生產(chǎn)批次的零部件加工要求，滿足數(shù)控機床普通操作者的操作要求，對 SYNTEC 數(shù)控系統(tǒng)人機界面進行專用化地客制。
1.1.2 課題研究背景
計算機作為 20 世紀(jì)人類最偉大的科技發(fā)明，推動了整個社會的變革。計算機技術(shù)以及相關(guān)的控制技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用促使制造行業(yè)生產(chǎn)形態(tài)發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。1952 年美國推出了世界上第 1 臺數(shù)控銑床，至今已經(jīng)過了 60 多個年頭，在這段時間里，車床、磨床、銑床、沖壓床、電加工機床、鏜床、加工中心以及各類專用機床慢慢發(fā)展起來，逐漸形成一個完備的數(shù)控機床家族體系。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，先后經(jīng)歷了硬件數(shù)控和軟件數(shù)控兩個發(fā)展階段[1] 。
1952 年發(fā)展起來的電子管類數(shù)控系統(tǒng)開啟了硬件數(shù)控系統(tǒng)階段，該類數(shù)控系統(tǒng)是這一階段的第 1 代。由于硬件的限制，早期計算機運行速度較低，不能滿足數(shù)控加工實時控制的要求，為此，技術(shù)人員將數(shù)字邏輯電路嵌入到一臺專用計算機中，組成數(shù)控裝置，這種數(shù)控裝置即為硬件連接數(shù)控，簡稱數(shù)控（NC）。 1961 年以晶體管分離組件為基礎(chǔ)發(fā)展起來的數(shù)控系統(tǒng)取代了以笨重的電子管為組件搭建的數(shù)控系統(tǒng)，這使得數(shù)控系統(tǒng)的體積得到縮小，促使其在工業(yè)生成中的廣泛應(yīng)用，這就是第 2 代數(shù)控系統(tǒng)。 1965 年發(fā)展起來一種功耗低，體積更小的集成電路構(gòu)成的 NC 系統(tǒng)，該型 NC
系統(tǒng)的可靠性更高，數(shù)控系統(tǒng)進入第 3 代。
軟件數(shù)控階段是以 1970 年小型計算機的應(yīng)用為標(biāo)志。同時，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展進入到第 4 代，軟件慢慢取代硬件來完成更多的功能，“軟連接”數(shù)控時代開始引領(lǐng)數(shù)控加工的行業(yè)發(fā)展。
1974 年采用微處理器芯片的 CNC 系統(tǒng)開始投入使用，數(shù)控系統(tǒng)進入了以微機為背景的時代，同時數(shù)控系統(tǒng)進入到第 5 代階段。微處理器型的 CNC 系統(tǒng)實現(xiàn)了機電一體化，這大大降低了制造成本，縮小數(shù)控系統(tǒng)的體積，提高了數(shù)控系統(tǒng)的普及程度。
1990 年發(fā)展起來的基于個人 PC 機的數(shù)控系統(tǒng)是第 6 代（PC-Based）。這一代是以大容量存儲器、大規(guī)模集成電路、CRT 應(yīng)用為標(biāo)志。第 6代數(shù)控系統(tǒng)具備更完善的控制功能，具有實時精度補償、三維圖形顯示校驗、交互式編程等軟件技術(shù)。同時這一代數(shù)控系統(tǒng)具有了模塊化、柔性化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的雛形。
第 6 代數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)具有了明顯的優(yōu)點。利用 PC 平臺的優(yōu)勢，數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)進步以及更新升級都比較快捷。第 6 代數(shù)控系統(tǒng)具有較高的元器件集成度，可靠性高，性能更加優(yōu)越，而且第 6 代數(shù)控系統(tǒng)提供了開放式的開發(fā)平臺，這更有利于軟硬件資源優(yōu)勢的發(fā)揮，拓寬了數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
1958 年由北京機床研究所和清華大學(xué)研制的第一代電子管 101 數(shù)控機床標(biāo)志著我國數(shù)控機床進入第一代階段，開啟了我國數(shù)控系統(tǒng)研制的歷史序幕[2]，我國數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展歷史如表 1.1 所示。
表 1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展歷史
數(shù)控技術(shù)是一種將機械制造技術(shù)、成組技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、光機電技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、液壓氣動技術(shù)集合在一起的系統(tǒng)技術(shù)，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)[3]。數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控技術(shù)中處于核心的地位，其性能的強弱直接影響數(shù)控設(shè)備加工效能的高低，而且對整個制造系統(tǒng)的升級發(fā)展、高效運轉(zhuǎn)、自動化控制具有重要作用[4]。計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，推動著數(shù)控系統(tǒng)向開放式、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，出現(xiàn)了一些不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)[5]。新代科技股份有限公司順應(yīng)時代發(fā)展，推出了開放式的 SYNTEC 數(shù)控系統(tǒng)，其開放式的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方便用戶進行系統(tǒng)功能的二次開發(fā)。 數(shù)控是數(shù)字化控制（Numerical Control, NC）的簡稱。數(shù)控是指利用數(shù)字化信息實行的控制，即利用數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)[6]，這是數(shù)控的廣義含義。從狹義上來說就是利用數(shù)字化信息對機床軌跡和狀態(tài)進行控制，例如數(shù)控車床、數(shù)控沖床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心等[7]。數(shù)控系統(tǒng)嵌入到機床本體中就組成了更具較高附加值的技術(shù)密集型產(chǎn)品-數(shù)控機床，它可以實現(xiàn)加工過程的自動化控制[8]
在實際的數(shù)控生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到同一系列不同尺寸規(guī)格的零件，這需要每一個規(guī)格的零部件單獨編制一個數(shù)控加工程序，編制程序的工作量就會很大，十分煩瑣不便[9]。在西門子數(shù)控系統(tǒng)中，雖然自身帶有某些固定循環(huán)功能可供機床操作者使用，但是它的界面不直觀，不友好，且對應(yīng)用場合的限制較多[10]；而在發(fā)那科系統(tǒng)中，雖然可通過二次開放 G 功能的方式實現(xiàn)固定循環(huán)，但是其界面也不夠直觀，不完善，對操作者的技術(shù)要求較高[11]。
1.2 弧齒錐齒輪加工現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
英國人 Hum Phris 在 1970 年最早提出了圓弧齒形的設(shè)計思路[12]，以這個思路為基礎(chǔ)，慢慢發(fā)展到了后來的弧齒錐齒輪。該型齒輪的齒面計算公式是非線性方程組，所以齒面形狀較為復(fù)雜[13]，加工要求比較高。螺旋錐齒輪具有重合度大、傳動平穩(wěn)、承載能力高等直齒錐齒輪不具備的性能優(yōu)點，因而這促使了該型齒輪在相交和交錯軸傳動場合中的廣泛應(yīng)用。基于該型齒輪優(yōu)越的性能，對螺旋錐齒輪進行相關(guān)研究的重要性在世界范圍內(nèi)得到廣泛的認(rèn)同。而美國
Gleason 公司的 E.威爾德哈泊以及 M. L.巴斯特爾初步提出了弧齒錐齒輪理論[14]，以此為基礎(chǔ)，Gleason 公司通過對弧齒錐齒輪的深入研究，形成了特有的弧齒錐齒輪相關(guān)技術(shù)，奠定了其在世界上的壟斷地位。圖 1.1是弧齒錐齒輪嚙合傳動示意圖。
圖 1.1 弧齒錐齒輪嚙合傳動示意圖
曲齒錐齒輪分為延伸外擺線（Oerlikon 和 klingelnberg）和準(zhǔn)雙曲面（Gleason）兩種齒制[15]，曲齒錐齒輪的加工制造技術(shù)要求比較高，目前世界上只有三家公司具有相關(guān)的技術(shù)，分別是美國 Gleason（格里森）、瑞士 Oerlikon（奧利康）和德國 Klingelnberg（克林根貝爾格）[16]。準(zhǔn)雙曲面齒輪在軸線相交時即為弧齒錐齒輪，其應(yīng)用最廣泛，這種齒輪采用間歇分齒法銑齒加工而成，調(diào)整加工的過程復(fù)雜。
國內(nèi)外學(xué)者對曲齒錐齒輪進行了深入的研究。60 年代初 Gleason 公司的 Baxter 和Wildhaber 通過對局部共軛齒面副的齒面接觸過程分析，提出了準(zhǔn)雙曲面錐齒輪節(jié)面數(shù)學(xué)模型理論，這提高了Gleason 公司弧齒錐齒輪理論的成熟度[17,18]。由于格里森公司在弧齒錐齒輪技術(shù)上的進步，以局部共軛原理作為弧齒錐齒輪設(shè)計和加工的基礎(chǔ)，形成了一系列格里森制錐齒輪的設(shè)計和加工方法，鞏固了其在弧齒錐齒輪加工領(lǐng)域的壟斷地位。由于弧齒錐齒輪的加工過程是一個反復(fù)調(diào)整機床參數(shù)，反復(fù)試切的過程，加工效率比較低， Baxter 提出了弧齒錐齒輪的齒面接觸分析（Tooth Contact Analysis，簡稱 TCA）方法。這種方法是基于計算機平臺運行的，以加工機床的調(diào)整參數(shù)為依據(jù)，建立嚙合齒輪的齒面數(shù)學(xué)方程，利用數(shù)學(xué)理論研究齒輪在不同安裝形式下的齒面接觸情況和傳動誤差，通過研究齒面接觸區(qū)，對機床調(diào)整參數(shù)進行修正。美國的著名教授 Litvin 提出“局部綜合法”[19-24]的切齒加工方法，首先給出決定齒輪嚙合區(qū)寬度和位置、接觸軌跡方向等傳動質(zhì)量的相關(guān)條件，然后利用微分幾何的數(shù)學(xué)理論，推算小輪齒面在參考點處的主方向和主曲率，進而得到小輪加工的機床調(diào)整參數(shù)。Litvin 教授提出的預(yù)置拋物線型誤差傳遞函數(shù)是這種方法的基礎(chǔ)[25]，由于安裝誤差所造成的線性傳遞誤差可以通過這種方法自動吸收掉，這對于齒輪傳動中振動、沖擊以及噪聲的降低是有利的。
（1）Gleason 公司錐齒輪加工系統(tǒng)準(zhǔn)雙曲面錐齒輪加工機床是美國 Gleason 公司的主要經(jīng)營產(chǎn)品，是格里森公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機床，但是它采用的是齒輪傳動機構(gòu)，其機械傳動機構(gòu)比較復(fù)雜[26]，由傳動鏈較長引起的制造誤差比較明顯。二十世紀(jì)八十年代，格里森公司以鳳凰系列螺旋錐齒輪加工機床為標(biāo)志，掀起了該類機床的重大改革創(chuàng)新。這種機床是一種五軸聯(lián)動的多功能機床，可加工多種齒制的螺旋錐齒輪，除了需要手動更換夾具、刀盤、工件以外，其余的加工過程均是自動化完成的，相對機床來說，加工精度能夠高出 1-2級，而且重復(fù)精度較好。格里森公司與德國 Zeiss 公司合作開發(fā)了誤差分析和三座標(biāo)測量系統(tǒng)，將這個系統(tǒng)連接到鳳凰系列機床上，構(gòu)成誤差閉環(huán)系統(tǒng)：G-AGE。該系統(tǒng)在準(zhǔn)雙曲面加工中可以通過一次試切的方式獲得滿意的嚙合配對。
在 CIMT-99 展會上，SRS405 型數(shù)控剃齒刀磨床和 450G 型數(shù)控螺旋錐齒輪磨齒機被格里森公司以鳳凰系列主力機型的形式推出了。450G 型磨齒機可以按照 3-4 級精度精磨嚙合的硬齒面螺旋錐齒輪小輪和大輪，其加工工件的最大模數(shù)為 12mm，最大加工直徑達(dá)到了 450mm，聯(lián)軸節(jié)齒面或者弧齒鼠牙盤也囊括在其加工范圍之內(nèi)，表現(xiàn)出了優(yōu)異的加工性能。450G 型數(shù)控機床可以實現(xiàn)包括砂輪修整運動在內(nèi)的八軸聯(lián)動，它用其中的五軸聯(lián)動實現(xiàn)了錐齒輪加工中的磨齒運動[27]。目前格里森公司生產(chǎn)的較為成熟的數(shù)控磨齒機有 200G、450G、800G 以及銑齒機 Phoenix116CNC、175HC、275HC、450HC、100HC 等系列產(chǎn)品。
（2） Oerlikon 公司錐齒輪加工系統(tǒng) 瑞士 Oerlikon（奧立康）公司在 CIMT-99 展會上展出了一臺可實現(xiàn)干切削的型號為 C28 的六軸五聯(lián)動的數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機[27]。為了排屑的方便，該型機床將刀盤主軸箱的滑鞍安裝在了傾斜床身的導(dǎo)軌上。我國湖北省某車橋有限公司曾于 1997 年引進了 Oerlikon 公司的 C28 型銑齒機，該車橋公司成為中國第一家采用該型數(shù)控銑齒機的用戶。隨著生成的發(fā)展，這種環(huán)保型數(shù)控銑齒機以其優(yōu)異的加工性能受到各企業(yè)的青睞，慢慢發(fā)展成為汽車后橋主從動螺旋錐齒輪加工的關(guān)鍵設(shè)備。
（3）Klingelnberg 公司錐齒輪加工系統(tǒng) Klingelnberg（克林根貝爾格）公司開發(fā)出一種型號為 KNC/S35 的萬能數(shù)控弧齒錐齒輪切齒機床，該型機床把齒輪測量技術(shù)內(nèi)嵌到機床中，精簡了機床機構(gòu)，改善了機床的剛性；提高了機械的響應(yīng)速度，保證了 NC 指令的可靠性，齒輪加工的精度得到提高。將計算機技術(shù)應(yīng)用于齒輪加工機床可以提高加工精度，降低生產(chǎn)成本，增大負(fù)載能力和降低噪聲。Klingelnberg 公司采用新的計算機技術(shù)之后推出 HPG、HPG-S 兩種型號的錐齒輪加工機床。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
為了打破格里森公司在弧齒錐齒輪加工領(lǐng)域的技術(shù)壁壘，前蘇聯(lián)和日本等國的科學(xué)家對格里森制齒輪進行了研究和學(xué)習(xí)，相關(guān)的研究學(xué)習(xí)雖然推動了弧齒錐齒輪理論的發(fā)展，但是始終沒有突破弧齒錐齒輪的嚙合理論問題。我國的相關(guān)技術(shù)人員從 70 年代開始對弧齒錐齒輪嚙合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)進行了系統(tǒng)的研究。為了推進該技術(shù)的研究進展，我國原機械工業(yè)部于 1972 年將“格里森成套技術(shù)的研究”列為重點攻關(guān)的科研項目，同時得到了許多知名學(xué)者、高等院校的支持。我國科研人員通過不懈的努力，在弧齒錐齒輪嚙合理論方面取得了重大進展[28]。龔道香教授等相關(guān)學(xué)者通過研究計算，得到了螺旋錐齒輪的齒形精密測量以及相應(yīng)的誤差處理方法[29]，為了求得實際齒面和理論齒面之間的偏差函數(shù)，先用誤差補償?shù)姆椒ㄇ蟮谬X形誤差，再用該齒形誤差作為全齒面比較法的初始值來求解。鄭昌啟教授利用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)解析法對共軛齒輪嚙合理論中的基本原理進行了研究[30,31]，以此為依據(jù)，推算揭示了 Gleason 螺旋錐齒輪的機床調(diào)整、齒坯設(shè)計、刀具參數(shù)的計算和輪齒檢驗原理以及方法。曾韜教授提出了節(jié)面分析法[32]，利用該方法對準(zhǔn)雙曲面齒輪的節(jié)點曲率和節(jié)點參數(shù)進行計算，將相關(guān)的計算結(jié)果推送給螺旋錐齒輪的切齒計算和輪坯設(shè)計，推算出格里森調(diào)整計算卡的相關(guān)公式。
李左章、王延忠等教授學(xué)者采用三次 B 樣條函數(shù)的數(shù)學(xué)理論對齒面采樣數(shù)據(jù)點進行數(shù)值擬合[33]，由此得到齒面的擬合函數(shù)，歸納出了基于齒面離散數(shù)值點的接觸分析理論。蘇智劍教授利用齒面接觸跡線、齒面 NURBS、傳動比函數(shù)等已知條件對準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面的數(shù)學(xué)模型進行了描述[34,35]，豐富了螺旋錐齒輪的設(shè)計計算方法和理論。
1.3 課題研究的目的與意義
以我單位引進的新代 SYNTEC 數(shù)控系統(tǒng)為平臺，針對弧齒錐齒輪的數(shù)控加工過程，對其進行二次開發(fā)，通過編程，將現(xiàn)有的先進控制思想應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)中，完善其控制算法，優(yōu)化數(shù)控加工的參數(shù)輸入界面、模擬仿真界面，使其能夠通過屏幕界面直接輸入弧齒錐齒輪的一些基本參數(shù)，生成相應(yīng)的數(shù)控加工程序，然后進行自動化加工。 數(shù)控系統(tǒng)是衡量一個國家制造業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)，在制造業(yè)中處于核心的位置。作為我國國民經(jīng)濟的核心以及工業(yè)化的原動力，制造業(yè)的總產(chǎn)值大約占全國國民生產(chǎn)總值的百分之四十左右。雖然制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，但是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平較國外發(fā)達(dá)國家相比差距較大，這限制了我國制造業(yè)的發(fā)展[36]。
裝備制造業(yè)在世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，信息技術(shù)在裝備制造業(yè)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的升級換代中表現(xiàn)出的積極作用越來越得到大家的重視與認(rèn)可。數(shù)控技術(shù)與控制技術(shù)、計算機技術(shù)、應(yīng)用軟件相結(jié)合，推動了數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，樹立了傳統(tǒng)制造業(yè)信息化改造的典范。而先進控制技術(shù)的主要任務(wù)是使數(shù)控機床具有最大化的加工速度、加工速度平滑性以及較小的加工誤差，通過與先進的制造技術(shù)結(jié)合，縮小了國內(nèi)與國外在硬件技術(shù)和軟件技術(shù)上的差距，這對于完善我單位項目中引進的新代 SYNTEC 數(shù)控系統(tǒng)的功能，總結(jié)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)過程中的經(jīng)驗，提升國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)性能和品質(zhì)具有重要意義。
研究采用計算機仿真、優(yōu)化的虛擬加工技術(shù)，實現(xiàn)了從加工編程到加工仿真的全程虛擬化，可以有效的縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，減小生產(chǎn)成本。基于新代 SYNTEC-10B 數(shù)控系統(tǒng)平臺的弧齒螺旋錐齒輪加工機床人機界面設(shè)計，能夠提高錐齒輪加工的人機交互性，提高齒輪的加工效率。新代數(shù)控系統(tǒng)人機界面的客制能夠適應(yīng)螺旋錐齒輪系列化生產(chǎn)中由于生產(chǎn)批次與型號的變更，對數(shù)控編程提出的便捷性要求。因此，本課題的研究內(nèi)容對加快產(chǎn)品研發(fā)，縮短制造周期，促進螺旋錐齒輪的應(yīng)用范圍以及整個機械行業(yè)的發(fā)展都有著很高的現(xiàn)實意義。
1.4 課題研究內(nèi)容
臺灣新代科技股份有限公司順應(yīng)行業(yè)發(fā)展的需要，推出了便于用戶二次開發(fā)的SYNTEC 系列的數(shù)控系統(tǒng)，它是一個良好的開放式平臺，通過二次開發(fā)可把客戶需要的各功能模塊集成到系統(tǒng)中，這樣既可以將操作者工作經(jīng)驗的優(yōu)勢發(fā)揮出來，又可以簡化工作流程，提高系統(tǒng)的可維護性。 本課題以新代 SYNTEC 數(shù)控系統(tǒng)為開發(fā)平臺，以螺旋錐齒輪加工機床為研究對象，針對弧齒錐齒輪的加工進行了數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)。通過 e HMI 軟件對螺旋錐齒輪加工過程中參數(shù)輸入、模擬仿真等相關(guān)界面進行設(shè)計與客制。設(shè)計開發(fā)的界面系統(tǒng)主要包括齒輪參數(shù)輸入、刀具參數(shù)設(shè)置以及加工參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容，客制的人機界面簡潔友好，便于操作。通過整個分析設(shè)計過程，最終達(dá)到界面參數(shù)的輸入、加工代碼的生成、加工仿真程序運行整個過程的虛擬化和快速化，初步總結(jié)數(shù)控加工中參數(shù)的優(yōu)化和加工仿真過程的一般方法。圖 1.2 是 e HMI 的軟件工作界面，圖 1.3 是螺旋錐齒輪加工機床樣機，圖 1.4 是弧齒錐齒輪數(shù)控銑齒機示意圖。
圖 1.2 e HMI 工作界面
圖 1.3 螺旋錐齒輪加工機床樣機
圖 1.4 弧齒錐齒輪數(shù)控銑齒機示意圖
1.5 本章小結(jié)
本章對課題來源及背景進行了闡述，通過對 Gleason 公司錐齒輪加工系統(tǒng)、Oerlikon公司錐齒輪加工系統(tǒng)以及 Klingelnberg 公司錐齒輪加工系統(tǒng)的分析，引出了對項目中的新代數(shù)控系統(tǒng)進行客制化改造的必要性，提出了課題研究的目的意義以及課題研究的主要內(nèi)容。
第 2 章 弧齒錐齒輪加工原理
弧齒錐齒輪的數(shù)控加工過程涉及到的參數(shù)比較多，各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性比較大，導(dǎo)致相關(guān)計算過程比較繁瑣；為了配合 SYNTEC-10B 數(shù)控系統(tǒng)的人機界面開發(fā)的項目需要，對弧齒錐齒輪的嚙合加工原理作簡單分析。
2.1 弧齒錐齒輪嚙合原理
弧齒錐齒輪嚙合原理以嚙合中運動曲面接觸傳動關(guān)系為主要研究內(nèi)容，如圖 2.1所示。局部共軛理論以及相對微分法是研究嚙合原理的主要方法理論，首先以嚙合方程為起點，然后通過相對微分的數(shù)學(xué)理論，以節(jié)點為計算參考點，確定完全共軛時瞬時嚙合點處的撓率和曲率，最后推算計算參考點處的曲面參數(shù)[14]。
圖 2.1 運動曲面的接觸傳動
2.1.1 相對微分法
通過上述分析得知：相對微分法能夠兼顧運動中曲面的幾何問題以及運動問題，是研究齒輪嚙合問題的有效工具。
2.1.2 嚙合方程
式子中的第一個方程是接觸條件方程，第二個方程是相切條件方程。這是齒輪傳動的基本方程式。
式（2.11）即為嚙合方程，它表示兩運動曲面持續(xù)嚙合的前提條件是兩曲面在法線方向的分速度必須相等。
如果兩運動曲面在任何時刻都沿著嚙合方程所確定的曲線接觸，則稱它們?yōu)榫€接觸共軛曲面，即完全共扼曲面；如果兩運動曲面在任何時刻的接觸狀態(tài)是在線上，則稱它們?yōu)辄c接觸共軛曲面，即不完全共軛曲面[37]。這兩種嚙合形式在嚙合位置處都滿足嚙合的基本方程（2.8）和（2.11）。
2.1.3 確定第二共軛曲面
在齒輪嚙合原理中經(jīng)常會遇到求解某一共軛曲面的問題，即根據(jù)一對共扼曲面中的第一共軛曲面s1和兩個曲面之間的相對運動關(guān)系，求解第二共軛曲面s2 。如果兩個曲面能夠正常嚙合，那么曲面S 2必定是嚙合方程所確定的接觸線在運動坐標(biāo)系 
中的軌跡，所以曲面S2滿足方程組[37]：
中的軌跡，所以曲面S2滿足方程組[37]：
2.1.4 等距共軛曲面原理
（1）等距曲面
設(shè)有兩個曲面 S 和Sh，若對曲面 S 上任意一點 M，在曲面S h上都能找到一點 Mh和它相對應(yīng)，曲面 S 上M點的法矢和曲面nS 上 Mh點的法矢都與MMh平行，而且MMh=h是一個常數(shù)，那么曲面S h稱為曲面 S 的等距曲面[37]。如圖 2.2 所示，若曲面 S 的方程為 r ，單位法矢為 n ，則曲面Sh 的方程可以表示為：
圖 2.2 等距曲面樣圖
圖 2.3 等距共軛曲面樣圖
2.2 弧齒錐齒輪加工分析
2.2.1 弧齒錐齒輪加工原理和方法
項目中的弧齒錐齒輪加工采用的是平頂產(chǎn)形輪原理，其中大輪是右旋，它在加工時采用的是雙面銑刀盤；小輪是左旋，它在加工時采用的則是單面銑刀盤。
弧齒錐齒輪與準(zhǔn)雙曲面齒輪的加工都是在準(zhǔn)雙曲面銑齒機上完成的。該型機床的設(shè)計加工原理如圖 2.4 所示，機床的搖臺機構(gòu)模擬齒輪，而安裝在搖臺上的刀盤的切削面則是模擬齒輪的一個輪齒。當(dāng)被加工齒輪輪坯與刀盤按照規(guī)定的傳動比繞各自的軸線旋轉(zhuǎn)時，刀盤就會在輪坯上切出一個齒槽。整個切削過程就像一對準(zhǔn)雙曲面齒輪的嚙合過程一樣，刀盤的切削面與輪坯的輪齒曲面是一對完全共軛的齒面，稱這種加工方法為展成法[37]。
圖 2.4 螺旋錐齒輪加工原理圖
圖 2.5 兩種產(chǎn)形輪
為了能夠在弧齒錐齒輪的齒面展成加工中完成齒根曲面的加工，應(yīng)該保證工件的根錐與刀盤的刀尖平面相切。圖 2.6 是大小輪嚙合時的刀盤位置圖，通過圖 2.6 可以發(fā)現(xiàn)刀盤軸線不平行，這決定了實際加工時既不能像用展成法加工大輪一樣將小輪加工用的刀盤切削面做得和小輪切削面一樣，也不能使大輪刀盤切削面和小輪刀盤切削面相互吻合，而用間接展成法完成加工。所以弧齒錐齒輪不能通過間接展成法和直接展成法完成加工，需要局部共軛原理來加工[37]。
圖 2.6 齒輪嚙合時刀盤的相對位置
2.2.2 局部共軛原理
根據(jù)成形法或展成法加工完成的大輪齒面，結(jié)合齒輪嚙合原理，求出與大輪共軛的相應(yīng)小輪的齒面。求出的小輪齒面不能在銑齒機上完成加工，為了得到一個與理想齒面相切并且可以被銑齒機加工出來的實際齒面，需要將小輪齒面上選擇的某點 M 四周的齒面刮去一層，如圖 2.7 所示，完成對理論齒面的修正。這樣處理之后，與大輪齒面相嚙合的實際接觸區(qū)就會是一個以 M 點為中心的局部接觸區(qū)，這就是齒輪嚙合的局部共軛原理[30]。
圖 2.7 局部接觸區(qū)示意圖
完全共軛的齒輪副具有承載能力大、噪聲低、運動平穩(wěn)等優(yōu)點，但是該型齒輪副也存在可調(diào)性差的缺點，對相關(guān)零件制造、安裝誤差的要求較高，如果制造安裝的過程中出現(xiàn)的誤差較大，輪齒邊緣就會在嚙合傳動過程中出現(xiàn)載荷集中而使破壞的問題。局部共軛的齒輪副能夠克服該缺點，即使在安裝位置存在誤差的情況下，也能夠保證接觸區(qū)只能在中點附近移動，避免載荷在輪齒邊緣集中[37]
。基于局部共軛齒輪副在實際生成應(yīng)用中的優(yōu)良性能，準(zhǔn)雙曲面齒輪以及其他可以用直接、間接展成法加工的齒輪副，越來越多地開始采用該方法加工。
2.3 弧齒錐齒輪齒面建模
2.3.1 坐標(biāo)系及參數(shù)
（1）工件位置基本參數(shù)
1）垂直輪位E02垂直輪位是指被切齒輪的中心線與搖臺中心線的相對垂直偏置量。
2）床位BX2 工件箱沿?fù)u臺中心線方向相對于標(biāo)準(zhǔn)位置前進或后退的距離即為床位。它對被切齒輪的切齒深度具有直接影響。
3）軸向輪位修正值X2 工件箱在轉(zhuǎn)動底座的水平軌道上移動的距離就是軸向輪位修正值X2，它用來調(diào)整齒輪在機床上的軸向位置。
（2）刀具位置基本參數(shù)
1）徑向刀位S2
刀盤中心02O 到大輪加工坐標(biāo)系原點 O 的距離即為徑向刀位S2。
2）參考點 M 的相位角
參考點 M 點相位角
是用來表示參考點在坐標(biāo)系中角相位置的參數(shù)。該參數(shù)可以完成刀盤在齒長方向的切削加工運動的控制。
是用來表示參考點在坐標(biāo)系中角相位置的參數(shù)。該參數(shù)可以完成刀盤在齒長方向的切削加工運動的控制。 3）角向刀位q2 刀盤中心O02和大輪加工坐標(biāo)系原點 O 的連線與 i 軸的夾角即為角向刀位q2 。刀盤在齒高方向的切削加工運動就是由該參數(shù)控制完成的。除了工件位置參數(shù)以及刀具位置參數(shù)之外，還有大輪與產(chǎn)形輪的傳動比，即滾比02i參數(shù)，這也是弧齒錐齒輪齒面模型建立的重要參數(shù)。
圖2.8 大輪加工坐標(biāo)系
2.3.2 弧齒錐齒輪齒面方程
以螺旋錐齒輪右旋大輪為例，論述齒面方程的建立過程。圖 2.9 為展成法加工螺旋錐齒輪大輪時所用的雙面刀盤的軸截面，圖中a1為雙刀面內(nèi)刀面齒形角，a1 為雙刀面外刀面齒形角，r0為大輪刀盤的名義半徑，W2為刀刃的刀頂距。通過式子（2.22）推算加工大輪凸面的內(nèi)刀和加工大輪凹面的外刀的刀尖直徑[14]。
圖 2.9大輪加工用雙面刀盤
大輪齒面與刀盤切削面是共軛的，可以通過共軛曲面的方法求得大輪的齒面方程。
假設(shè)切削面為第一曲面，大輪為第二曲面，采用第二共軛曲面的求解方法建立大輪的齒面方程。
2.4 本章小結(jié)
本章主要對螺旋錐齒輪加工理論的相關(guān)知識進行了介紹。闡述了嚙合原理，分析了能夠解決齒面幾何問題和運動問題的相對微分法，通過嚙合方程的建立得出運動曲面持續(xù)嚙合的前提條件是兩曲面在法線方向的分速度必須相等。對弧齒錐齒輪的加工原理和方法進行了研究，分析了齒輪嚙合的局部共軛原理以及弧齒錐齒輪齒面建模的過程。相關(guān)嚙合理論是數(shù)控系統(tǒng)后臺計算處理工作的主要依據(jù)，為后續(xù)章節(jié)人機界面的開發(fā)設(shè)計提供了理論支撐。
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