关于直接驱动技术的数控滚齿机同步运动控制研究

黄豆豆

　　摘要：文章提出了研制基于直接驱动技术滚齿机的必要性；指出根据现代数控系统的性能，基于软件插补的主从式同步控制方法最适合于这样的滚齿机；介绍了这种控制方法的原理和信息处理程序流程，并进行了精度分析。

　　关键词：直接驱动 滚齿机 同步控制 软件插补

　　1 引言
　　传统的滚齿机是传动原理最复杂的金属切削机床，其复杂的传动链造成机械结构非常复杂，并且精度差、速度低、磨损严重、调整困难，根本无法适应高速、高精度加工齿轮的要求（特别是干切削技术对滚齿机的要求）。自从20世纪80年代初数控技术引入齿轮加工机床以来，滚齿机的技术水平有了明显的提高，传动链大大缩短，但仍然无法完全取消高精度齿轮副等机械传动元件，使其加工精度、速度和可靠性等指标无法得到根本性的改善。突破传统滚齿机的结构设计原理，研究和开发高速、高精度基于直接驱动技术的滚齿机是齿轮机床的重大变革。我们进行了基于直接驱动技术的滚齿机的研究，即刀具轴和工件轴分别由电主轴和力矩电机直接驱动，去掉了传动用的高精度齿轮副、蜗轮蜗杆副。这样的设计使得机械结构大大简化，同时极大地提高了加工效率和加工精度，但是也对数控系统提出更高的要求。难点在于基于直接驱动技术的滚齿机在更高的加工速度下，如何稳定地实现各联动轴的同步控制。本文将对有关内容进行探讨。
　　2 滚齿机各坐标轴及其运动关系
　　从展示的三维概念模型我们可以清楚的看到滚齿机的六个坐标轴，它们分别是：
　　A轴：滚刀架回转B轴：滚刀主轴回转C轴：工作台回转X轴：径向进给运动Y轴：切向进给运动Z轴：轴向进给运动。
　　3 同步控制
　　3.1 同步的概念所谓同步，指在控制系统中，有至少一个的受控对象为主控制对象，另外的受控对象为从控制对象，当主控制对象的位置确定时（可能是实际值，也可能是设定值），可以根据主从控制对象之间特定的偶合关系计算出从控制对象的位置。当主控制对象位置发生改变的时候，从控制对象应该跟随移动，确保其实际位置能与根据偶合关系计算出的位置尽可能快地协调一致，这个过程就叫做同步。对于滚齿机来说，B、Y、Z三轴为主动轴，C轴为跟随轴。它们之间的偶合关系就是式（1）。
　　3.2 基于直接驱动技术滚齿机的同步控制滚齿机的同步控制有基于硬件和基于软件插补两种方式。前者是基于以鉴频鉴相器为核心的锁相伺服系统，通过锁定各联动轴的运转频率维持系统的平衡，将难以控制的高速滚刀轴排除在数控系统之外，减轻数控系统的压力。但是它不能实时改变传动比，控制柔性不高，而且结构复杂，增加成本。我们知道，滚齿机能够稳定地进行干式切削所需要的滚刀线速度为250m/min至400m/min。对于图1所示的滚齿机，按目前国内用户常用的模数1mm、外径为32mm的滚刀取最大值计算： n＝V×1000／(32×π)＝400×1000／（32×π）≈3979r/min。由此可知，刀具轴的最高速度定在4000 r/min的水平是比较合适的。当今数控系统的性能是可以适应在这个速度下滚齿机的同步控制要求的。因而基于软件插补的同步运动控制方式是控制基于直接驱动技术的滚齿机的同步运动的最佳方式。
　　基于软件插补的同步运动控制可以通过软件灵活控制传动比，从而改变工件主轴的速度，大大提高了加工柔性。它具有基于跟踪随动原理的主从式控制方式和基于定值控制的平行式控制方式。国外先进数控系统提供了这两种软件控制方式的选择。比如Siemens公司的840D数控系统，在进行软件电子齿轮箱定义（EGDEF命令）时，就给出了主动轴和随动轴两种不同的偶合方式：0和1。若选择0，计算工件轴C位置所需的3个主动轴的位置参数将是编码器检测到的实际值，工件轴的位置由另外三个联动轴的实际位置决定，也就是主从式的控制方式。若为1，则是预先给定的值，此时每个轴的地位是相同的，也就是平行式的控制方式。在平行式控制方式的模式下，各轴间没有联系，只要保证好各自的预先设定的精度，我们就认为满足了要求，传动误差等于各轴的传动误差之和。而主从式控制方式由于其跟踪随动原理，随动轴误差将会控制在一定的范围内，我们研制的基于直接驱动技术的滚齿机希望在各方面提高精度，在数控系统性能能够胜任的情况下，我们选择主从式的控制方式。
　　主从式控制方法的控制思想来源于基于硬件控制方法中的脉冲频率锁相控制思想，希望通过锁定主动轴和从动轴之间的频率关系维持系统的正常工作。它以计数器来代替鉴频鉴相器，通过定时中断和脉冲计数来获得脉冲频率，由软件算法进行倍频处理与形成偏差数值。下面介绍具体实现方法。图3是主从式控制传动关系信息处理软件实现原理。
　　传动比误差范围与计数值Rc和理论传动比i有关。在定时时间周期和编码器分辨率已经选定的情况下，较小的传动比和较大的工件轴转速误差较小，而较大的传动比和较小的工件轴转速误差较大。对于基于直接驱动技术的滚齿机，由于其主轴转速相比于一般的数控滚齿机，主轴转速有了成倍的提高，其传动误差也会极大地减小。
　　4、小结
　　直接驱动技术与滚齿机的结合是滚齿机技术发展的方向，它大大提高了滚齿机主刀具轴和工件轴的转速，使滚齿机在加工效率、加工精度以及绿色环保方面有了质的飞跃。本文介绍了这种高性能机床系统最好的联动控制策略主从式软件插补控制，这种控制方式控制柔性好，并且主轴转速越高精度越高，是非常适合于基于直接驱动技术高速高精度滚齿机的。随着数控系统性能的进一步提升，这样的控制方式不仅仅实用于滚齿机，还可以适用于任何一种高速高效的齿轮加工机床。