基於SYNTEC的螺旋錐齒輪加工機床數控係（xì）統開（kāi）發（上）
2017-1-3 來（lái）源：沈陽工業大（dà）學 作（zuò）者：張西棟
摘要（yào）
SYNTEC-10B 數控係統是台灣新代科技股份有限公司研發的一款具有較高性價比的產品，該數控係統具有很（hěn）好的開放性，是（shì）數控係統二次開發的良好平台。弧齒錐齒（chǐ）輪數（shù）控加工（gōng）涉及到的參數（shù）較多，齒輪規格調整後需要（yào）重新編製加工程序，而（ér）且數控編程不直觀，人機交互性差。為了解決不同弧齒錐齒輪加工的數控（kòng）編程的繁瑣性問（wèn）題，提高加工效率，利用 e HMI 軟件對 SYNTEC-10B 數控係統的人機交互界（jiè）麵進行了客製，使其能夠通過（guò）屏幕界麵直接輸入弧齒錐齒輪的基本參數的形式，即可（kě）生成相（xiàng）應的數控加工程序，完成自動化加工。
對螺旋錐齒輪的齧合原理以及加工過程進行了分析，對相對微分法、齧合方程（chéng）的確（què）定、等距共軛原理（lǐ）以及第二共軛曲麵（miàn）的確定等內容進行了描述。分析（xī）了（le）螺旋錐齒輪的加工原理和方法、局部（bù）共軛原理及齒麵（miàn）數學模型（xíng）的（de）建立，為後續界麵的開發提（tí）供了理論基礎。
利用 e HMI 軟件對弧（hú）齒錐齒輪加工過（guò）程（chéng）中（zhōng）參數輸入、模擬仿真等相關界麵進行了客製與設計。搭建了客（kè）製化界麵係（xì）統的整體框架（jià）圖以及弧（hú）齒錐齒（chǐ）輪加工係統的人機界麵的工（gōng）作流程圖。通過建立專（zhuān）案，添（tiān）加相關畫麵（miàn）檔與功能鍵的形式對整個人機界麵進行了客製。設計製作了（le）齒製選擇、加工參數輸入、刀具參（cān）數（shù）輸入（rù）等主要畫麵檔，將齒輪加工所需（xū）要的各種參數信息通（tōng）過不同組件（jiàn）的形式添加在畫麵檔上（shàng），使（shǐ）相關的參數輸入界麵簡潔（jié）明了，便於機床操作者進行相關的數控編程。
為了配合畫麵檔的切換、參數（shù）輸入等動（dòng）作，相應地客製設計（jì）了與（yǔ）各級畫麵檔相對應的功能鍵。通過測試仿真（zhēn）模塊（kuài），對開發的多窗體（tǐ）界麵中的各級畫麵檔與功能鍵相關（guān）客製工作進行了仿真檢測，確（què）保了各種參（cān）數的正確性。通過整個分（fèn）析設計過程，最終達（dá）到參數的（de）輸（shū）入、加工代碼的生成（chéng）、加工仿真程序的運（yùn）行整個（gè）過程的人（rén）性化和（hé）快速化。
構建了人機界麵的（de）各層級（jí）關係框圖，使界麵之間的層（céng）級關係一目了然；按照操作習慣對數控（kòng）係（xì）統（tǒng）軸群（qún）顯示（shì）界麵進（jìn）行了設置。基於（yú）客製的要（yào）求，通過搭建架構圖的（de）形式對客製過（guò）程中的新代數控係（xì）統內裝型 PLC 進行了總結。將 R 寄存器中允許操作者讀寫的地址分（fèn）配給客製（zhì）過程中的各輸入變量（liàng），最後將客製的專案（àn）進行了軟件封裝。
關鍵詞：新代數控係統，螺旋錐齒輪，畫麵檔，測試仿真
第 1 章（zhāng） 緒論
1.1 課題來源及（jí）研究背景
1.1.1 課題來源
基於課題組的科研項目《大型螺旋錐齒輪專用數控機床的開發》，提出了（le）本課題。該科研項目（mù）是（shì）沈陽市科技創新專項資金—工業（yè）科技攻關專項（F15040200）支持的項目。項目中的數控機床采用的是台灣新代科技有限公司開（kāi）發的（de），具有較（jiào）高性（xìng）價比的SYNTEC-10B 數控係統；該係統操作簡單，開放性較好，能夠滿足弧齒螺旋錐齒輪（lún）加工的基本要求。為了提高數（shù）控（kòng）係統（tǒng）的人（rén）機交互性（xìng），適應不（bú）同（tóng）生產批次的零部件加工要求，滿足數控機（jī）床普通操作者的操作（zuò）要求，對（duì） SYNTEC 數控（kòng）係統人機界麵進行專用化地客製。
1.1.2 課題研究背（bèi）景
計算機作為 20 世紀人類最偉大的科技發明，推動了整個社會的（de）變革。計算機技術以及相關的控製技術在機械製造領域中的應用促使製（zhì）造行業生產形態發（fā）生了重大轉變。1952 年美國推出了（le）世界（jiè）上第 1 台數控銑床，至今已經過了 60 多個年頭，在這段時間裏，車床、磨床、銑床、衝壓床、電加（jiā）工機床、鏜床、加工中心以及各類專用機（jī）床慢慢發展起來，逐漸（jiàn）形成一個完備的數控機床家（jiā）族體係。數（shù）控係統經過半個多世紀的發（fā）展，先後經曆了硬件數控和軟件數控兩個發展階段[1] 。
1952 年發展起（qǐ）來的電子管類數控係統開啟了（le）硬件數控係統階段，該類數控係統是這一階段的第 1 代（dài）。由（yóu）於硬件的限製（zhì），早期（qī）計算機運行速度較低，不能滿足數控加（jiā）工實時控製的要求，為此，技術人員將數字邏輯電路嵌入到一（yī）台專用計算機中，組成數控裝置，這種數控（kòng）裝置即為硬件連接數控（kòng），簡稱數控（NC）。 1961 年以晶體管分離組件為（wéi）基礎發展（zhǎn）起來的數控係統（tǒng）取代了以笨重的電子管為（wéi）組件搭建的數控係統，這使得（dé）數控係統（tǒng）的體積（jī）得到縮小，促使其在工業生成中的廣泛應用，這就是第 2 代數控係統。 1965 年發展起來一種功耗低（dī），體積更（gèng）小的集（jí）成電路構成的 NC 係統，該型 NC
係統的可靠性更高，數控係統進（jìn）入（rù）第（dì） 3 代。
軟件數控階段是以 1970 年小型計（jì）算機的應用為標誌。同時，數控係統的發（fā）展進入（rù）到（dào）第 4 代，軟件慢慢取代硬件來（lái）完成（chéng）更多的功能，“軟連接”數控時代開始（shǐ）引領數（shù）控加工的行業發展。
1974 年采用微處理器芯片的（de） CNC 係統開始投入（rù）使用，數控係（xì）統進入了以微機為（wéi）背景（jǐng）的時代，同時數控係統（tǒng）進入到第（dì） 5 代（dài）階段。微處理器型（xíng）的 CNC 係統實現了機電一體化，這大（dà）大降低了製造成本，縮小數控係統的體積，提高了數控係統的普及程（chéng）度。
1990 年發展起來的基（jī）於個人 PC 機的數（shù）控係統是第 6 代（PC-Based）。這一代（dài）是以大容量存儲器、大規模集成電路、CRT 應用為標誌。第 6代數（shù）控（kòng）係統具備更完善的控（kòng）製功能，具有實時精度補償、三（sān）維圖形顯示校驗、交（jiāo）互式編（biān）程等軟（ruǎn）件技術。同時這一代數控係統具有了模塊化、柔性化、係列化、標準化的雛（chú）形。
第 6 代數控係統已經具有了明顯的優點（diǎn）。利用 PC 平台的優勢，數控係統的技術進（jìn）步以及更新升級都比較快（kuài）捷。第（dì） 6 代數控係統具有（yǒu）較高的元器件集成度，可靠性高，性能更（gèng）加優越，而且第 6 代數控係統提供了開放式的開發平台，這更（gèng）有利於軟硬件資源優勢的發揮，拓寬了數控係統的應用領域。
1958 年由北京機床（chuáng）研究所和清華大學研製的第一代電子管 101 數控（kòng）機床標誌著我國數控機床進（jìn）入第一代階段，開啟了我國數控係統研製的曆史序幕[2]，我國數控係統發展曆史（shǐ）如表 1.1 所示。
表 1.1 數控係統發展曆史
數控技術是一種將機械製造技術、成組技術、現（xiàn）代控製技術、計算機技術、網絡通（tōng）訊（xùn）技術、光機電技術、微電子技術、傳感檢測技術、信息處理（lǐ）技（jì）術、液壓氣動技術集合在（zài）一起的係統技術，是現代製造技術的（de）基礎[3]。數控係統在數控技術中處於核心的地位，其性能的強弱直接影響數控設備加工效能的高低，而且對整（zhěng）個製造係統（tǒng）的升級發展、高效運（yùn）轉、自動化控製具有重（chóng）要作（zuò）用[4]。計算機技術的飛速發展，推（tuī）動著數控係統向開放式（shì）、標準化方向發展，出現了一（yī）些（xiē）不同層次的開放式數控係（xì）統[5]。新代科技股份有限公司（sī）順應時代發展（zhǎn），推出了開放式的 SYNTEC 數控係統，其開放式的數控（kòng）係統設計方便用戶進行係統功能的二次開發。 數控是數字化（huà）控製（Numerical Control, NC）的簡稱。數控是指利用數字化（huà）信息（xī）實行的控製，即利用（yòng）數字控製技術實現的自動控製係（xì）統[6]，這（zhè）是數控的廣義含義。從狹義（yì）上來說就是利用數字化信息對機床軌跡和狀（zhuàng）態進（jìn）行控製，例如數控車床、數控（kòng）衝床、數控銑床、數控加工（gōng）中心等[7]。數控係統嵌（qiàn）入到（dào）機床（chuáng）本（běn）體中就組（zǔ）成了更（gèng）具較高附加值的技術密集型產品-數控機床，它可以實現加（jiā）工過程的自動化控製[8]
在實際的數控生產中，經常會遇到同一係列不（bú）同尺寸規格的零件，這需要每一個規格的零（líng）部件單獨編製一個數控加工程序，編製程序的工作量就會很大，十分煩瑣不便（biàn）[9]。在西門子數控係統中，雖然自身帶有某些固定（dìng）循環功能可供機床（chuáng）操作者使用，但是它的（de）界麵不直觀（guān），不友好，且對應用場合的限製較多[10]；而在發那科係統中，雖然可通過二次開放 G 功能的方式（shì）實現固定（dìng）循環，但是其界麵也不夠直觀，不完（wán）善，對（duì）操作者的（de）技術要求較高[11]。
1.2 弧齒錐齒輪加工現狀
1.2.1 國外研究現狀
英國人 Hum Phris 在 1970 年最早提出（chū）了圓弧齒形的設計思路[12]，以這個思路為基礎，慢慢（màn）發展到了後來的弧齒錐齒輪。該型齒輪的齒麵計（jì）算公式（shì）是非線性方程組，所以齒麵形狀較為複雜[13]，加工（gōng）要求比較高。螺旋錐齒輪具有（yǒu）重合度大、傳動平穩、承載能力高等直齒錐齒輪（lún）不具備的性能優點，因而這促使了該型齒輪在相交和交錯軸（zhóu）傳動（dòng）場合中的（de）廣泛應用（yòng）。基於該型齒輪優（yōu）越的（de）性能，對螺旋錐齒輪進行相關研究的（de）重要性在世界（jiè）範圍內得（dé）到廣泛的認同。而美國（guó）
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（cǐ）為基礎，Gleason 公司通過對弧齒錐齒輪的深（shēn）入研究，形成了（le）特有的弧齒錐齒輪相關技術，奠定了其在世界（jiè）上的壟斷地位。圖 1.1是弧齒錐齒輪（lún）齧合傳動示意圖。
圖 1.1 弧齒錐（zhuī）齒輪齧合傳動示（shì）意圖
曲齒錐齒輪分為延伸外擺線（Oerlikon 和 klingelnberg）和準雙曲麵（Gleason）兩（liǎng）種齒製[15]，曲齒錐齒輪的加工製造技術要求（qiú）比較高，目前世界上隻有三家公司具有（yǒu）相關的技術，分別是美國 Gleason（格裏（lǐ）森）、瑞士 Oerlikon（奧利康）和德國 Klingelnberg（克林（lín）根貝爾格）[16]。準（zhǔn）雙曲麵齒輪在軸線相交時即（jí）為（wéi）弧齒錐齒輪，其（qí）應用最廣泛，這種齒輪采用間歇分齒法銑齒加工而（ér）成，調（diào）整加工的過程複雜（zá）。
國內外學者對曲齒錐齒輪進行了深入的研究。60 年代初 Gleason 公司（sī）的 Baxter 和Wildhaber 通過對局部共軛齒麵副的齒麵接觸（chù）過程分析，提出了準雙曲麵錐齒輪節麵數學模型理論，這提高了Gleason 公司弧齒錐齒輪（lún）理論的成熟度[17,18]。由於格裏森公司在弧齒錐齒輪技術上的進步，以局部共軛原理作為弧齒錐齒輪設計和加工的基礎，形（xíng）成了（le）一（yī）係列格裏森製錐齒輪的設計和加工方法，鞏固（gù）了其在弧齒錐齒輪加工領域的壟斷地位。由於弧齒錐齒輪的加工過程是一個反複（fù）調整機床（chuáng）參（cān）數，反複（fù）試切的過程，加工效率比較低， Baxter 提（tí）出了弧齒（chǐ）錐齒輪的齒麵（miàn）接觸分析（Tooth Contact Analysis，簡稱（chēng） TCA）方法。這（zhè）種方法是（shì）基於計算機平台運行的，以加工機床的調整參數為依據，建立齧合齒輪的齒麵數學方程，利用數學理論研（yán）究齒輪在不同安裝（zhuāng）形式下的齒麵接（jiē）觸情況和傳動誤差，通過研究齒麵接觸區，對機（jī）床調整參數進行修正。美國（guó）的著名教授 Litvin 提出（chū）“局部綜合法（fǎ）”[19-24]的切（qiē）齒加工方法，首（shǒu）先給出決定齒輪齧合區寬度和位置、接觸軌跡方向等傳動質量的相（xiàng）關條件，然後利用微分幾何的數學理論，推算小輪齒麵在參考點處的主方向和主曲率，進而得（dé）到小輪加工的機床調（diào）整參數。Litvin 教授提出的預置拋物線型誤差傳（chuán）遞函數是這種方法的基礎[25]，由（yóu）於安（ān）裝誤差所造（zào）成的線性傳遞誤差可（kě）以通過這種方（fāng）法（fǎ）自動吸收掉，這對（duì）於齒輪傳動中（zhōng）振動、衝擊以及噪（zào）聲的（de）降低是有利的。
（1）Gleason 公司錐齒輪加工係統準雙曲麵錐齒輪加工機床是（shì）美（měi）國（guó） Gleason 公司的主要（yào）經營產品，是格裏森公司具有自主知識產權的機床，但（dàn）是它采用的是齒輪傳動機（jī）構，其機械傳動（dòng）機構比較複雜[26]，由傳動鏈較長引起的製造誤差比較明顯。二十世紀八十年代，格裏森（sēn）公司以鳳凰係列螺旋（xuán）錐齒輪加工機床為標（biāo）誌，掀起了該類機床的重大改革創新。這種機床是（shì）一種（zhǒng）五軸聯（lián）動的多功能機床，可加（jiā）工（gōng）多種齒製的螺旋錐齒輪，除了需要手動更換夾具、刀盤、工（gōng）件以外，其（qí）餘（yú）的加工過程均是自動化完成的，相對機床來說，加工精（jīng）度能夠高（gāo）出 1-2級，而且（qiě）重複（fù）精度較好。格裏森公司與德國 Zeiss 公（gōng）司（sī）合（hé）作開發了誤差分析和三座標測（cè）量係統，將這（zhè）個係統連（lián）接到鳳凰係列機床上，構成誤差閉（bì）環係統：G-AGE。該係統在準雙曲麵加工中（zhōng）可以通過一次試切的方式獲得滿（mǎn）意的齧合配對。
在 CIMT-99 展會上，SRS405 型數控剃齒刀磨床（chuáng）和 450G 型數控螺旋錐齒輪磨齒機被格裏森（sēn）公司以鳳凰（huáng）係列主力機型的形式推出（chū）了。450G 型磨齒機可以按照 3-4 級精（jīng）度精磨齧合的硬齒麵螺旋錐齒輪小輪和（hé）大輪，其加工工件的最（zuì）大模數為 12mm，最大加工直徑達到（dào）了 450mm，聯軸節齒麵或者弧齒鼠牙盤（pán）也囊括在其加工範圍之內，表現出了優異的加工性能（néng）。450G 型（xíng）數控機床可以實現包括砂（shā）輪修整運動在內的八軸聯動，它用其中的五軸聯動實現了錐齒（chǐ）輪加（jiā）工中的磨齒運動[27]。目前格裏森公司生產的較為成熟的數控磨齒機有 200G、450G、800G 以及銑齒機 Phoenix116CNC、175HC、275HC、450HC、100HC 等係列產品。
（2） Oerlikon 公司錐齒輪加工係（xì）統 瑞士（shì） Oerlikon（奧立康（kāng））公司（sī）在 CIMT-99 展（zhǎn）會上展出了一台可實現（xiàn）幹切（qiē）削（xuē）的型號為 C28 的六軸五聯動的數控螺旋錐齒輪（lún）銑齒機[27]。為了（le）排屑的方便，該型機床將刀盤主軸箱（xiāng）的（de）滑鞍安裝（zhuāng）在了傾斜床（chuáng）身的導軌（guǐ）上。我國湖北省某車（chē）橋有限公司曾於 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（yòng）該型數控銑齒機的用戶。隨（suí）著生成的發展，這種環保型數控銑齒機（jī）以其優（yōu）異的加工性能受到各企業的（de）青睞（lài），慢慢發展成為汽車後橋主從動螺旋錐齒輪加工的關鍵設備。
（3）Klingelnberg 公司（sī）錐齒輪加工係統 Klingelnberg（克林根貝（bèi）爾格（gé））公司開發出（chū）一種型號為 KNC/S35 的萬能數控弧齒錐齒輪（lún）切齒機床，該型機床把齒輪測（cè）量技術內嵌到機（jī）床中，精（jīng）簡了機床機構，改善了機床的剛性；提高了機械的響應速度，保（bǎo）證了 NC 指令的可靠性（xìng），齒輪加工的精度得到提高。將計算機技術（shù）應（yīng）用於（yú）齒輪加工（gōng）機床可以提高（gāo）加（jiā）工精度（dù），降（jiàng）低生產成本，增大負載能（néng）力和降低噪聲。Klingelnberg 公司采用新的計算機技術之後推出 HPG、HPG-S 兩種型號的錐齒輪加工機床。
1.2.2 國內研（yán）究現狀
為了打破（pò）格裏森公（gōng）司在弧齒錐齒輪加工領域的技術壁壘，前蘇（sū）聯和日本等國的科學家對格裏森製齒輪進行了研究（jiū）和（hé）學習，相關的研究學習雖然（rán）推動了（le）弧齒錐齒輪理論（lùn）的發展，但是始終沒有突破弧齒錐齒輪的齧合理論問題。我國的相（xiàng）關（guān）技術人員從 70 年（nián）代開始對弧（hú）齒錐齒輪齧合理論的數學基礎進（jìn）行了係統的研究。為了推進該技術的研究進展，我國原機械工業部於 1972 年將“格裏森成套技術的研究”列為重點攻關的科研項目，同時（shí）得到了許多知名學者、高等院校的（de）支持。我國科研人員通過不懈的努力，在弧齒錐齒輪齧合理論（lùn）方麵取得（dé）了重大進展[28]。龔（gōng）道香教授等相關學者通過研究計算，得到了螺旋（xuán）錐（zhuī）齒輪（lún）的齒形精密測量以及相應的誤差處理方法[29]，為了求得實際齒（chǐ）麵和理論齒（chǐ）麵之間的偏差函數，先用誤差補償的方法求（qiú）得齒形誤差，再用該齒形誤差作為（wéi）全齒（chǐ）麵比較法的初始值（zhí）來求解。鄭昌啟教授利用嚴（yán）謹的數學解（jiě）析法對共軛齒輪齧合理論中的基本原理進行了研究[30,31]，以此為依（yī）據，推算揭示了（le） Gleason 螺旋錐（zhuī）齒輪的機床調整、齒坯設計、刀具參數的計算和輪（lún）齒檢驗原理以及方法。曾韜教授提出了節麵分析法[32]，利用該方（fāng）法對準雙曲（qǔ）麵齒輪的節點曲率和節點參數進（jìn）行計算，將（jiāng）相關的計算結果推（tuī）送給螺旋（xuán）錐齒輪的切（qiē）齒計算和輪坯設計，推算出格裏森調（diào）整計算卡（kǎ）的相關公式。
李左章、王延忠等教授學者采用三次 B 樣條函數的數學理論對齒麵采樣數據點進行數值（zhí）擬合[33]，由此得（dé）到齒麵的擬合函數，歸納出（chū）了基於齒麵離散數值點的接觸分析理論。蘇智劍教授利用齒（chǐ）麵接觸跡線（xiàn）、齒麵 NURBS、傳動比函數等已知（zhī）條件對準雙曲麵齒輪齒麵的（de）數學模（mó）型進（jìn）行（háng）了描述（shù）[34,35]，豐富了（le）螺旋（xuán）錐齒輪（lún）的設計計算方法和理論。
1.3 課題研究（jiū）的目的與意義
以我單位引進的新代 SYNTEC 數控（kòng）係（xì）統為平台，針對弧齒錐齒輪的數控加工過程，對（duì）其（qí）進行二次（cì）開發，通過編程，將現（xiàn）有的先進控製思想應用到數控係統中，完善其控製算法，優化（huà）數控加工的參數輸入界麵、模擬仿真界麵，使其能夠（gòu）通過（guò）屏幕（mù）界麵直（zhí）接輸入弧齒錐齒輪的一些基本參數，生成相應的數控加工程（chéng）序，然後進（jìn）行自（zì）動化（huà）加工。 數控係統是衡量（liàng）一個國家製造業發展水平的重要指標，在（zài）製（zhì）造業中處於核心的位置。作為我國國民經濟的核心以及工業化的原動力，製造業的（de）總產值大約占全國（guó）國民生產總值的百分之四十左右（yòu）。雖然製造業是我國國民經濟的支柱產業，但是數控（kòng）技術的發展水（shuǐ）平較國外發（fā）達國家相比差距較（jiào）大（dà），這限製（zhì）了我國製造業的發展[36]。
裝備製造業在世界範圍內蓬（péng）勃發展，信息技術在裝備製造業相關技術產品的升級換代中表現出的（de）積極作用越來越（yuè）得到大家的重視與認可。數（shù）控技術與控製技術、計算機技術、應用軟件相結合，推動了數控係統的開發，樹立（lì）了傳統（tǒng）製造（zào）業信息化改造的（de）典範。而先進控製技術的主要任務是使數（shù）控（kòng）機（jī）床具有最大化的加工速度、加工速（sù）度平（píng）滑（huá）性以及較小的加工誤差，通過與先進的製造（zào）技術結合，縮小了國內與國外在硬件技術和軟件技術上的差距，這對（duì）於完善我單位（wèi）項目中引進的新代 SYNTEC 數控係統的（de）功能，總結數控係（xì）統開發過程中的經驗，提升（shēng）國產數控係（xì）統性能和品質具有重要意義。
研究采用計算機（jī）仿真、優化的虛（xū）擬加（jiā）工技術，實現（xiàn）了從加工編程（chéng）到加工仿真的（de）全程虛擬化，可以有效的縮短產品生產周期，減小生產成本。基於新代 SYNTEC-10B 數控係統平（píng）台的弧齒螺旋錐齒輪加工機（jī）床（chuáng）人機界（jiè）麵設計，能夠提高錐齒輪加工的人機交（jiāo）互性，提高（gāo）齒輪的加工效率。新代數控係統人機界麵的客製（zhì）能夠適應螺旋錐齒輪係列（liè）化生產中由於生產批次（cì）與型號的變更，對數控編程提（tí）出的便捷性要求。因此，本課題的研究內容對加快產品研發，縮短製造周（zhōu）期，促進螺旋錐齒輪的應用範圍以及整個機械行業的發展都有著很高的現實意義。
1.4 課題（tí）研究內容
台灣新代科技股份有限公司順應（yīng）行業發展的需要，推出了（le）便（biàn）於用戶二次開發的SYNTEC 係列的數控係（xì）統，它是一個（gè）良好的開放（fàng）式平台，通過二次開發可把客戶需要的各功能模塊集成到係統中（zhōng），這樣既可以將操作（zuò）者（zhě）工作經（jīng）驗的優勢發揮出來，又可以簡化工作（zuò）流程，提高係統的可維護性。 本課題以新代（dài） SYNTEC 數控係統為開發（fā）平台，以螺旋錐齒輪加工機床（chuáng）為研究對象，針對弧齒錐齒輪的加工進行了（le）數控係統的二次開發。通過 e HMI 軟件對螺旋錐齒輪加工過（guò）程中參數輸入（rù）、模擬仿真等相關界麵進行設計與客（kè）製。設（shè）計開發（fā）的界麵（miàn）係統主要包括齒輪參數輸（shū）入、刀具參數設置以（yǐ）及加工參數（shù）設置等內（nèi）容，客製的人機界麵簡潔友好，便於操作。通過整個分析設計過程，最終達到界麵參數的輸入、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，初步總結數控加工中參數的優化和加工仿真過（guò）程的一般方法（fǎ）。圖 1.2 是 e HMI 的軟件工作界麵，圖 1.3 是螺旋錐齒輪加工機床（chuáng）樣機，圖 1.4 是（shì）弧齒錐齒輪數控銑齒機示意圖。
圖 1.2 e HMI 工作界麵
圖 1.3 螺旋錐齒輪加工（gōng）機床樣機
圖 1.4 弧齒錐齒輪數控（kòng）銑齒機示意圖
1.5 本章小結
本（běn）章對課題來源及背景進行了闡述，通過對 Gleason 公司錐（zhuī）齒輪加工係統、Oerlikon公司錐齒輪加工（gōng）係統（tǒng）以及 Klingelnberg 公司錐齒（chǐ）輪加工係統的分析，引（yǐn）出了對項（xiàng）目中的新代數控（kòng）係統進行（háng）客製化改造的必要性，提出了課題研究的目的意義以及課題研究的主要內容。
第（dì） 2 章 弧（hú）齒錐齒輪加工原理
弧齒錐齒輪的數控加工過程涉及到（dào）的（de）參（cān）數比較多，各參數之間的關聯性比較大，導致相關計算過程比較繁瑣；為了配合 SYNTEC-10B 數控（kòng）係統的人機界麵開發的項目需要，對弧齒錐齒（chǐ）輪的齧合（hé）加工原理作簡單分析。
2.1 弧齒錐齒輪齧合（hé）原理
弧齒（chǐ）錐齒輪齧合原理以齧合中運動曲麵接觸傳動關係為主要研究內容，如圖 2.1所示。局部共軛理論以及相（xiàng）對微分法是研究（jiū）齧合（hé）原理的（de）主（zhǔ）要方法理論，首先以齧合方（fāng）程為（wéi）起點，然後通過相對微分的（de）數學理論，以節點為計（jì）算參考點，確定完全共軛時瞬時齧合點處的撓率和曲率，最後推（tuī）算計算參考點處的曲麵參數[14]。
圖 2.1 運動曲麵的接（jiē）觸傳動
2.1.1 相對微（wēi）分法
通過（guò）上（shàng）述分（fèn）析得知：相對微分法（fǎ）能夠兼顧（gù）運動中曲麵的（de）幾何問題（tí）以及運動問題，是研究齒（chǐ）輪齧合問題的有效（xiào）工具。
2.1.2 齧合方程
式子中的第一個方程是接觸條件方程，第二個（gè）方程是相切條件方程。這是齒輪傳動的基本（běn）方程式（shì）。
式（2.11）即為齧合方程，它表示兩運動（dòng）曲麵持續齧合的前提條件是兩曲麵在法線方向（xiàng）的分速度必須（xū）相等。
如果兩（liǎng）運動曲麵在任何時刻都沿著（zhe）齧合方程（chéng）所確定的曲線接觸，則稱它們為線接觸（chù）共軛曲麵，即完全共扼曲麵；如（rú）果兩運動曲（qǔ）麵在任何時刻的接觸狀態是在（zài）線上（shàng），則稱它們為點接觸共（gòng）軛曲（qǔ）麵，即不完全共軛曲麵[37]。這兩種齧合形式（shì）在齧合位置處都滿（mǎn）足齧（niè）合的基（jī）本方程（2.8）和（2.11）。
2.1.3 確定第二共（gòng）軛曲麵
在齒輪齧合（hé）原理中經（jīng）常會遇到求（qiú）解某（mǒu）一共軛（è）曲麵的問題，即根據一（yī）對共扼曲麵中的第一共軛（è）曲麵s1和兩個曲麵之間的相對運動關係，求解第二共軛（è）曲麵s2 。如果兩個曲麵能夠正（zhèng）常齧合，那麽曲麵S 2必定是齧合方程所確定的接觸線在（zài）運動坐標係 
中的（de）軌跡，所以曲麵S2滿足方程組[37]：
中的（de）軌跡，所以曲麵S2滿足方程組[37]：
2.1.4 等距共軛曲麵原理（lǐ）
（1）等距（jù）曲（qǔ）麵
設有兩個（gè）曲麵 S 和Sh，若對曲麵（miàn） S 上（shàng）任意一點（diǎn） M，在曲麵S h上都能找到一點 Mh和它相對應，曲麵 S 上M點的法矢（shǐ）和曲麵nS 上 Mh點的法矢都（dōu）與MMh平行，而且MMh=h是一（yī）個（gè）常數，那麽曲麵S h稱為曲麵（miàn） S 的等距（jù）曲麵[37]。如圖 2.2 所示，若曲（qǔ）麵 S 的（de）方程為 r ，單位法矢為 n ，則曲麵Sh 的方程可以表示為：
圖（tú） 2.2 等距曲麵樣（yàng）圖
圖 2.3 等距共軛曲麵樣圖
2.2 弧齒錐齒輪（lún）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（chǐ）輪加工采用的是平頂產形輪原理，其中大輪是右旋，它在加（jiā）工時采用的（de）是雙麵（miàn）銑刀盤（pán）；小輪是左旋（xuán），它在加（jiā）工時采用（yòng）的則是單麵銑刀盤（pán）。
弧齒錐齒輪與準雙曲（qǔ）麵（miàn）齒輪的加工（gōng）都是在準雙曲麵銑齒（chǐ）機上完成的。該型機床（chuáng）的設計加工原理如圖 2.4 所示，機（jī）床的搖台機構模擬齒輪，而安裝（zhuāng）在搖台上的刀盤（pán）的切削麵則是模擬齒輪的一（yī）個（gè）輪（lún）齒。當被加工齒輪輪坯與刀盤按照規定的傳（chuán）動比繞各自的軸線旋轉時，刀盤就會在輪（lún）坯上切出一個齒槽。整個切削過程就像一對準雙曲麵齒輪的齧合過程一樣（yàng），刀盤的切削麵（miàn）與（yǔ）輪坯的輪齒曲麵是一對完全共軛的齒麵，稱這（zhè）種加工方法為展成（chéng）法[37]。
圖 2.4 螺旋錐齒輪加工原理圖
圖 2.5 兩種產形輪
為了能夠在弧齒錐齒輪的齒（chǐ）麵展成加工中完成齒（chǐ）根曲麵的加工，應該保證工（gōng）件的根錐與刀盤的刀尖平麵相（xiàng）切。圖 2.6 是（shì）大小輪齧合時的刀盤位置圖（tú），通過（guò）圖 2.6 可以發現刀盤軸線不平行，這決定了實際加工時既不能像用展成（chéng）法加工大輪一（yī）樣將小輪加工用的刀（dāo）盤切削麵做得和（hé）小輪切削麵一樣，也不能使大輪刀（dāo）盤切（qiē）削麵和小輪刀（dāo）盤切（qiē）削麵（miàn）相互吻合，而用間接展成法完（wán）成加（jiā）工。所以弧齒錐齒輪不能（néng）通（tōng）過間接展成法（fǎ）和直接展成法完成加工，需要（yào）局部共軛原理來加工[37]。
圖 2.6 齒輪齧合時刀（dāo）盤的相對位置
2.2.2 局（jú）部（bù）共軛原理
根據成形法或展成法加工完成的大輪齒麵，結合齒輪齧合原理，求出與大輪共軛的相應小輪的（de）齒麵。求出的小輪（lún）齒麵不能在銑齒機上完成加工，為了得到一個與理想齒麵相切（qiē）並且可以被銑齒機加（jiā）工出來的實（shí）際齒麵，需要將小輪齒麵上選擇的某點（diǎn） M 四（sì）周的齒麵刮去一（yī）層，如圖 2.7 所示，完（wán）成（chéng）對理論齒麵（miàn）的修正。這樣處理之後（hòu），與大輪齒麵相齧合的實際接觸區就會是一個以 M 點為中心的局部接觸區，這就是齒輪齧合的（de）局（jú）部共軛原理[30]。
圖 2.7 局（jú）部接觸區示意圖
完（wán）全共軛的齒輪副具有承載能力（lì）大、噪聲低、運動平穩等優點，但是該（gāi）型齒輪（lún）副也存在可調性差的（de）缺點，對相關零件製造、安裝誤差的要（yào）求較高，如果製造安裝的過程（chéng）中出現的（de）誤差較大，輪齒邊緣就會在齧合傳動過程中出現載（zǎi）荷集（jí）中而使破壞的問題。局（jú）部共軛的齒輪副能夠克服該（gāi）缺點，即（jí）使在安裝（zhuāng）位置存（cún）在誤差的情況下，也能夠保證接觸區隻（zhī）能在中（zhōng）點附近（jìn）移動，避免載荷在輪齒邊緣集中[37]
。基於局（jú）部共軛（è）齒輪副在實際生成應用中的優良性能，準雙曲麵齒輪以及其他可以用直接、間接展成法（fǎ）加工的齒（chǐ）輪副，越來越多地開始采用該方法加工。
2.3 弧齒錐齒輪齒麵建（jiàn）模
2.3.1 坐標係及參數
（1）工件位置基本參數
1）垂直輪位E02垂直輪（lún）位是（shì）指被切齒輪的（de）中心線與搖台中心線的相對垂直偏置（zhì）量。
2）床位BX2 工件箱沿搖台中心（xīn）線方向相對於（yú）標準位置前進或後退的距離即為床（chuáng）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（xiāng）在轉動底座的水平（píng）軌道（dào）上移動的距離就是軸（zhóu）向輪位修正值X2，它用來調整齒輪在機床上的軸向位置。
（2）刀（dāo）具位置基本參數
1）徑向刀（dāo）位S2
刀盤中心02O 到大輪（lún）加（jiā）工坐標（biāo）係原點 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）係中角相位置（zhì）的參數。該參數可（kě）以完（wán）成刀盤在齒長方向的（de）切削加（jiā）工運動的（de）控製。
是用來表示參考點在坐標（biāo）係中角相位置（zhì）的參數。該參數可（kě）以完（wán）成刀盤在齒長方向的（de）切削加（jiā）工運動的（de）控製。 3）角向刀位q2 刀盤中心O02和大（dà）輪加工坐標係（xì）原點 O 的連線與 i 軸的夾（jiá）角即為角向刀位q2 。刀盤在齒高方向（xiàng）的切削加工運動就是由該參（cān）數控製完成的。除了工件位（wèi）置參數以及刀具位置參數之外，還（hái）有大輪與產形輪的傳動比，即滾比02i參數，這也是弧齒錐齒輪齒麵模型建立的重要參數。
圖2.8 大輪加工坐標係
2.3.2 弧齒錐齒輪（lún）齒（chǐ）麵方程
以螺旋錐齒輪右旋大輪為（wéi）例，論述齒麵方（fāng）程的建立過（guò）程。圖 2.9 為展成法加工螺旋錐齒輪大輪時所用的雙麵刀盤的（de）軸截麵，圖中a1為雙刀麵內刀麵齒形角，a1 為雙刀麵外刀麵齒形角，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）推算加工大輪凸麵的內刀和加工大輪凹麵的外刀的刀尖直徑[14]。
圖 2.9大輪加工（gōng）用雙麵刀盤
大輪齒麵與刀盤切削麵（miàn）是共軛的，可以通過共軛曲麵（miàn）的（de）方法求得大輪（lún）的齒麵方程。
假設切削（xuē）麵為第一曲麵，大輪為第二曲麵，采用第二共軛曲麵的求解方法建立大輪的齒麵（miàn）方程。
2.4 本章小結
本章主要對螺旋（xuán）錐齒輪加工理論的相關知識進行了介紹。闡述了齧合原（yuán）理，分析了（le）能夠解決齒麵幾何問題和運動問（wèn）題的相對微分法，通過齧合方程的（de）建立得出運動曲麵持續齧合的前（qián）提條件是兩曲麵在法線方向（xiàng）的分速度必（bì）須相等。對弧齒錐齒輪的加工原理和方（fāng）法（fǎ）進行了研究，分析了齒輪齧（niè）合的局部共軛原理以及弧齒錐齒輪齒麵建模的過程。相（xiàng）關（guān）齧（niè）合理論是數控係（xì）統後台計算處理工作的主要依據，為（wéi）後續章節人機界麵的開發設（shè）計提供了（le）理（lǐ）論支撐（chēng）。
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