YKHS2210數控弧齒錐齒輪銑齒機的研制
一 .國內小模數弧齒錐齒輪的生產現狀
隨著機械工業的發展以及國際市場競爭的日益劇烈，特別是我國進入WTO以后，齒輪制造業面臨著國際水平的競爭和****的挑戰。弧齒錐齒輪因其重合度高、傳動平穩、噪音低而廣泛應用于汽車、輪船、工程機械、工業縫紉機、電動工具等行業。特別是隨著人民生活水平的提高，成衣業和裝潢業的發展很快，使得小模數弧齒錐齒輪在工業縫紉機和電動工具行業得到了迅猛的發展。現在有跡象表明國際上幾家生產電動工具的大公司紛紛來我國尋求加工小模數弧齒錐齒輪的企業，并且考察企業的生產小模數弧齒錐齒輪的加工設備和檢測設備。目前我國生產小模數弧齒錐齒輪的企業都集中在江浙一帶，加工設備都以機械傳動的銑齒機為多，這些企業都有希望做大的愿望。鑒于市場的現狀，我公司不但要生產機械傳動的銑齒機，還要開發出數控銑齒機，才能使我所在這一領域更具競爭力。
隨著國家工業化水平的提高，對弧齒錐齒輪傳動要求也越來越高。因此，對弧齒錐齒輪進行數字化集成制造，將CNC技術應用到生產中去，無論是在提高弧齒錐齒輪傳動質量方面，還是在擴大市場需求方面都有重要的意義。
數控弧齒錐齒輪銑齒機是一種涉及多學科（自動控制、計算機技術、數學、齒輪嚙合理論、機械設計與制造等）的高科技產品，技術難度較大，有一定的科技含量。不論是“格里森”齒制還是“奧里康”齒制的弧齒錐齒輪，其齒面輪廓都是復雜的空間曲面。要通過刀具與工件的相對運動加工出復雜的空間曲面是困難的，所以機械型弧齒錐齒輪銑齒機是通過復雜的傳動系統來達到刀具與工件的空間運動關系，其傳動鏈較長，加工精度將受到很大的影響。
二.我平信公司生產銑齒機的現狀
我們平信機電制造有限公司現在生產的YHS2210螺旋傘齒輪銑齒機是屬于日本的“崗島”機型，是將“格里森”機簡化了，其特點是結構簡單，性能穩定。但多了許多傘齒板和分度板作為機床的配件，如果一臺銑齒機要加工多種規格的齒輪，就要配備多種傘齒板和分度板，加工的規格越多配件也會越多，這會增加用戶的投資。所以YHS2210銑齒機更適合加工批量大的齒輪，通過用戶長期使用后事實上也證明了這個特點。隨著國內弧齒錐齒輪市場的發展，特別是電動工具行業的快速發展，使得用于電動工具的齒輪從規格和品種上得到了很大的增長，而數控銑齒機正是適應和適合多品種多規格齒輪的加工。鑒于以上多種原因，對弧齒錐齒輪銑齒機實施數控化是勢在必行。
我公司在2003年8月開始開發設計YKHS2210數控弧齒錐齒輪銑齒機。這不僅可以為國家節約外匯，還可以為我們的用戶提供具有更靈活更適合多品種小批量的銑齒機機型。所以我們認為此項目的開發會具有良好的社會效益和經濟效益，同時也會有很好的發展前景。
三.數控弧齒錐齒輪銑齒機工作原理及主要技術性能指標
YKHS2210數控弧齒錐齒輪銑齒機是由床身部件、立柱部件、刀軸部件、工件主軸部件、工件主軸拖板部件、液壓部件和控制系統(包括數控系統和電氣部件)以及冷卻排屑系統、潤滑系統等輔助系統組成。
1.YKHS2210數控弧齒錐齒輪銑齒機的工作原理
YKHS2210數控弧齒錐齒輪銑齒機是用于加工小模數“格里森”齒制的弧齒錐齒輪的機床。機床所用的切削刀具是專用的高速鋼成型刀，刀具安裝并固定在刀具主軸的前端；將齒坯通過夾具安裝于工件主軸上，由液壓驅動拉桿將齒坯固定在夾具上，刀具主軸的軸線與工件主軸的軸線形成一個角度（根錐角）。切削時由刀具主軸的旋轉運動、刀具主軸沿水平方向（X軸）和垂直方向（Y軸）的平移運動、工件主軸的旋轉運動（A軸）、工件主軸沿進給方向的平移運動（Z軸）在數控系統按數學模型給出的聯動方式的指令下完成一個切削循環，即切削出一個完整的齒槽。然后工件主軸后退一個退刀距離，工件主軸沿軸線方向旋轉一個角度（分度動作），進入下一個工作切削循環。直至整個齒輪加工完畢。
YKHS2210數控弧齒錐齒輪銑齒機的控制系統采用德國西門子802D數控系統；刀具主軸轉速和旋向由系統按程序發指令，由變頻器執行改變刀具主軸驅動電機的轉速和旋向；數控系統可以按程序發出指令，使X、Y、Z、A四根伺服軸同時聯動；操作面板上的各個按鈕通過系統中的PLC向銑齒機的各執行器發出啟動和停止的指令，同時加工程序也可以通過系統中的PLC向銑齒機的各執行器發出啟動和停止的指令。
數控系統性能
YKHS2210數控弧齒錐齒輪銑齒機的控制系統采用德國西門子802D數控系統。編程的方法為標準G代碼基礎上混合參數編程，機床操作者只需將模板程序復制成一個加工程序，然后在這個加工程序內輸入需要加工的齒輪參數、刀具參數和有關的夾具參數，系統即可生成加工程序。
四.主要部件的研制
1.工件主軸的結構形式
工件主軸部件是本銑齒機的核心機械部件，工件主軸的作用是夾持齒坯，在切削時作回轉運動，加工一個齒后要作一個分度運動；同時切齒時屬于斷續切削，對工件有輕度的沖擊。所以工件主軸部件的特點是轉速低，能承受輕度的沖擊，回轉精度要求高，分度精度要求高。
根據工件主軸的特點，其設計要點是：
(1) 工件主軸的回轉速度很低，但回轉精度較高，所以徑向支承和軸向支承均采用滑動軸承，具有很好的接觸剛性，能承受較大的沖擊。
(2) 為了滿足工件主軸要能分度的功能，采用高精度蝸輪蝸桿傳動。
(3) 工件主軸部件中主關鍵零件精度的確定。本銑齒機加工的齒輪精度為7級，按該級精度的有關項次換算出并確定工件主軸箱體、工件主軸、蝸輪和蝸桿的尺寸精度和形位公差。
2.旋轉拖板的角度數字顯示裝置的開發（用戶選擇功能）
數控弧齒錐齒輪銑齒機中有一副旋轉拖板，拖板所處的位置將決定齒輪的根錐角。現在無論是機械銑齒機還是數控銑齒機，這副旋轉拖板都是手動驅動的，旋轉位置的確定是由一根角度標尺和一副游標保證。角度標尺和游標在加工時會存在誤差（其誤差的大小和加工成本直接有關），角度標尺和游標在安裝時也會存在誤差，操作人員在變換旋轉拖板位置讀數時的視覺會產生誤差。旋轉拖板與定位銷軸之間為滑動軸承，配合為間隙配合。有間隙存在，就有成正比的誤差存在。
一般銑齒機旋轉拖板的角度分辨當量為1′～2′，精度為±2′。用角度標尺的方法顯得精度不夠，至少沒有精度的富裕量。為了摒棄角度標尺和游標，我們在旋轉拖板上安裝一個旋轉編碼器，旋轉編碼器的出軸與旋轉拖板的定位銷軸通過彈性聯軸器連接，可以彌補編碼器安裝的誤差。旋轉拖板角度的變化通過旋轉編碼器變成電信號輸出給一個單軸的數顯表（數控系統已經沒有多余的通訊口），從而顯示出旋轉拖板的當前位置。同時為進一步提高旋轉拖板的角度精度和重復精度，定位銷軸與旋轉拖板之間裝一個滾針軸承以達到零間隙裝配。
綜合幾套方案分析比較后，我們選擇用一個3600線的增量型旋轉編碼器和一個帶細分電路的數顯表作為主要器件而組成一個拖板的角度顯示裝置。同時申請了實用新型**，**名稱是：數控銑齒機旋轉拖板的角度顯示裝置，申請號是：200420082767.5。
3.數控系統及編程系統的開發
數控弧齒錐齒輪銑齒機采用德國西門子802D數控系統。一般地說，只要掌握德國西門子數控系統的編程規則和齒輪的加工原理，就可以編制出符合各種要求的齒輪加工程序。考慮到大多數用戶不可能對齒輪加工原理作深入地研究，而且掌握德國西門子數控系統的編程規則并能靈活應用也不是一件容易的事。為了既方便用戶，又能在加工過程中融入高科技的含量，還要保證整個系統的**性和可靠性，我們用西門子系統的參數編程方法，設計了一套對用戶開放的，用來設置參數的子程序（模板程序），和對用戶隱蔽的，由模板程序調用，能直接產生數控指令的子程序（加工程序）。我們把這些由我們自己自主開發的西門子系統參數程序（模板程序和加工程序）統稱為編程系統。用戶只要根據說明書的要求設置或修改參數，就可以編制出齒輪加工程序，或對齒面接觸區進行調正。
編程系統所設置的齒輪參數，對齒輪各方面的要求作了必要的、簡單的和**的描述，能自動而**地計算出*小的加工范圍，從而*大程度地減少空行程，既提高了工作效率，又減少了用戶確定加工范圍的煩惱。
編程系統自動計算出*合理的跳齒數，保證整個加工過程中，工件軸始終向一個方向旋轉，提高了分齒精度。在達到分齒要求的前提下，跳齒數*小。這樣的優化處理，減少了用戶確定跳齒數的麻煩和可能產生的不科學性。
編程系統依據弧齒錐齒輪的嚙合原理和滾齒切削原理，自動計算出工件軸旋轉速度與銑刀中心所作圓周運動的轉速之比（滾比）。以往通過機床調整卡才能完成的復雜計算，由編程系統自動完成，并直接用來計算數控加工指令。這就降低了對用戶的技術水平的要求。
編程系統設置的刀具、夾具參數，使用戶在更換刀具、夾具后只要更改有關的刀具、夾具參數，就能自動找到工件零位，為加工過程中建立工件坐標系提供方便。
編程系統設置的加工模式選擇參數，使用戶能在達到同樣幾何尺寸的情況下，根據自己的特殊需要，權衡數量與質量之間的得失，選用不同的加工模式。
編程系統設置的調整接觸區參數，把那些會對齒輪接觸區發生影響的參數歸集在一起，以滿足調整接觸區操作的特殊需要。盡管這些參數曾歸類在前面所述的其它類別中，只要保證在調用加工程序前，設置這些參數的子程序是*后被調用的，那么這些參數真正起作用的值，也就是在這個子程序中所設置的值，在別的子程序中，如果對這些參數設置了其它值，將不起作用。
編程系統設置了“數據合理性檢查”，對用戶設置的參數進行必要的檢查，對于超出范圍的或其它不合理的參數設置（如可能引起機床行走超程或機床部件相互干涉），系統將不予接受，停止執行程序，這將提高系統的**性和便于用戶查錯。
編程系統隱蔽部分子程序，可防止用戶誤操作所造成的破壞，也是提高系統**性和可靠性的一種措施。
五.對該產品的評價
我公司開發生產的YKHS2210數控弧齒錐齒輪銑齒機經中國科學院上海科技查新咨詢中心的科技項目咨詢和查新，其結論為：項目總體水平在國內**，與國際上同類產品的先進水平相當。
2004年11月23日YKHS2210數控弧齒錐齒輪銑齒機通過上海市經委組織的專家小組的鑒定和驗收。同時該項目作為科技成果被認定為上海市高新技術成果轉化項目。
六.發展與展望
隨著國際加工業的重心逐步移向中國，以及對弧齒錐齒輪的需求量的增加，弧齒錐齒輪銑齒機的需求量也會同步的增加，那么作為具有調整方便靈活、加工效率高、性能穩定的數控弧齒錐齒輪銑齒機必將形成也已經形成了趨勢。而根據我們的市場調研結果也證實確有這個趨勢。我們一定要抓住這個良機，并在此基礎上不斷改進，不斷完善，并且在規格上加以擴展，不斷滿足用戶的需求。
