非圓齒輪理論自提出至今已有幾十年，由于設計與制造過程復雜，切齒問題得不到滿意的解決，一直未能得到廣泛應用。非圓齒輪相當于在凸輪上切出輪齒，因此兼具凸輪機構和齒輪傳動的優點，但是在數控技術發展以前，其設計、制造一直比較困難。近年來隨著數控技術的發展，出現了用數控插齒機、銑齒機等等先進的加工非圓齒輪的方法。在現代航空、儀表、機械等領域，非圓齒輪得到了越來越廣泛的應用。
1 非圓齒輪常用加工方法
目前各種非圓齒輪加工可歸納為如下諸法:
(1)靠模加工法。根據嚙合原理，通過采用靠模的方法，使刀具的節圓與其共扼的非圓齒輪節曲線實現無滑動的純滾動，展成加工出非圓齒輪，此法適合于加工形狀最為簡單的非圓齒輪〔‘口。
(2)近似切齒法。采用分度加工即是一種典型的近似切齒法。此法的分度中有兩個角位移和一個線位移。加工出來的非圓齒輪不能良好地嚙合，須做后期的配研及跑合才能使用。
(3)斷續展成法。即采用與擂削一般圓形齒輪原理相同的展成法加工非圓齒輪。只是在斷續展成法中，刀具與非圓齒輪的相對運動是間斷實現的，此法加工的非圓齒輪的齒廓由幾條包絡線形成，得到的齒廓為棱形，但其齒形誤差比近似切齒法小。
(4)數控銑齒法。在數控銑齒機上加工非圓齒輪，為了實現刀具節曲線與工件節曲線共扼，必須有3種控制運動:固定在機床回轉工作臺上的毛坯繞自身軸心線的回轉運動;環狀銑刀在其軸線方向的移動;環狀銑刀軸心與齒坯中心之間的中心距移動。此外還有銑刀繞自身軸心轉動及沿毛坯軸向的走刀運動。
(5)數控插齒法。在數控插齒機上加工非圓齒輪應有3種控制運動:固定在機床轉工作臺上的非圓齒輪毛坯繞自身軸心線的回轉運動，即分齒運動插齒刀繞回轉中心轉動，即圓周進給運動;非圓齒坯在其與插齒刀中心連線方向上的移動。此外還有機床主軸的往復運動和齒坯與主軸相配合的讓刀運動。此法對內外齒形的非圓齒輪加工均適合。
(6)數控滾齒法。在數控滾齒機上加工非圓齒輪，必須有4種控制運動:滾刀繞其自身軸線旋轉運動;固定在機床回轉工作臺上的齒坯隨工作臺的回轉運動;滾刀軸線與齒坯中心的中心距移動;滾刀沿齒坯切向的進給運動。此外還在齒坯軸向有走刀運動。此法適合于加工節曲線凸出的外齒非圓齒輪。
而插齒機、銑齒機加工非圓齒輪的加工精度低，生產效率不高，且不能加工斜齒非圓齒輪。因此利用數控滾齒機實現非圓齒輪的滾切加工勢在必行。下面著重討論采用新型數控技術來構建模塊化的滾齒加工數控系統。
2 數控滾齒加工工作原理
由于螺旋滾刀在其法向截面內相當于一個齒條，故在滾齒機上加工非圓齒輪的過程就相當于一齒條和非圓齒輪相嚙合的過程，齒條的節曲線與齒輪的節曲線作純滾動。因此，數控滾齒機加工非圓齒輪時主要有以下3種運動。
范成運動:滾刀與毛坯以恒定規律所作的相對運動;進給運動:為了切出輪齒高度，刀具向毛坯中心的徑向運動，直至達到規定的輪齒高度;切削運動:刀具沿毛坯軸向的往復運動。以上3種運動中尤以范成運動最為重要。范成運動應該包括3種控制運動:(1)非圓齒輪毛坯繞自身回轉中心的回轉運動，即分齒運動;(2)滾刀的等速回轉運動;(3)非圓齒輪毛坯沿毛坯與滾刀中心連線方向上的直線運動。
滾切過程得以實現的基本要求是滾刀節曲線與非圓齒輪節曲線無相對滑動的純滾動，即二者沿非圓齒輪節曲線的切向速度值始終相等。滾刀回轉時，除了形成切削速度，還相當于齒條在平移，如圖1所示，(a)所示為加工起始位置，(b)所示為加工過程中任一位置。
圖1滾刀加工非圓齒輪示意圖
3 數控系統構建
3.1 硬件組成
滾齒機數控系統的硬件組成如下:
研華工控的IPC-610 H原裝整機標準工控機(IPC-610H工控機選用PCA-6003 V主板和Intel PIII100f)微處理器，該機具有7個PCI插槽、2個1SA插槽,2個串口和2個USB接口，這些資源足夠以后對系統的擴充和升級)，16口輸六丫輸出雙向光電隔離板，驅動單元及步進電機。硬件通用程度高，結構簡單，價格便宜，且能保證工作穩定可靠且調試方便。
3.2 軟件設計
數控系統采用模塊化結構設計的功能分割法，將各種控制功能都當作任務，編制成相對獨立的程序模塊，通過系統程序將各項功能聯系成一個整體。為了利于用戶操作，采用了漢字界面，同時設計有非圓齒輪參數化自動編程功能，輸入待加工工件參數，可以自動生成加工程序，從而實現編程與加工一體化。
在進行系統程序設計時，采用了模塊化和子程序嵌套技術。程序為3層結構，上層為系統總控程序;中間為各專用功能模塊程序;底層為與操作系統有關的函數庫和通信模塊等等。圖2為整個軟件系統的構架框圖。
圖2系統軟件程序框圖
3.3 系統通訊方式
系統采用了基于CAN總線的模塊化結構的通信方案。模塊化結構的開放式數控系統，在單元化結構的人機界面與現場設備層之間增加了功能模塊層。將現場設備按功能類型劃分成若干功能模塊，然后由相應的功能模塊實現對這些現場總線設備的管理，完成基本控制功能或協調功能，執行各種控制算法。同時，由開放式人機接口對這些模塊進行管理和組態。其控制系統結構如圖3所示。
圖3基于現場總線的模塊化結構通信方式
模塊化控制系統結構要比傳統單元化的結構復雜，系統的擴展、伸縮也不如單元化靈活。但它將單元化結構的主控單元重新進行細分，并用相應的硬件模塊來實現。同時，主控單元功能縮簡化為人機接口模塊。對于數控系統內部信息中高速、大數據量、強實時性的運動控制信息處理，采用單獨運動控制模塊來實現控制和同步，從而使總線上信息大為減少，對總線的帶寬、實時性的要求大為降低。同時，可以滿足一般數據量、有嚴格時序、高可靠性的數據傳輸要求。實際應用中選擇了結構簡單、性能可靠、成本低廉的CAN現場總線模塊化結構的通訊接口。在功能模塊與現場設備互聯的問題上，考慮到市場上支持現場總線接口的數量種類有限，而且價格昂貴，采用可編程I/0來與市場上主流的專用接口伺服系統兼容。如圖3所示，左邊的電機可分別對應為范成運動電機、進給運動電機、主軸運動電機，它們都采用了相同的模塊化結構，實際使用時只需要選擇不同型號的電機和設置不同的電機驅動參數即可，具有很好的模塊化特性。
4 數控系統構建的關鍵技術
4.1 參數化數據庫的設計
數控系統的應用軟件中引人參數定制的思想，把根據經驗、資料、計算以及實際測試所得到的數據保存在系統數據庫，對優化過程中涉及的參數和約束條件進行事先定制，從而最大限度地減少參數輸入。系統內置有滾齒切削參數數據庫，其包含滾齒機、滾刀、工件3個子庫。各子庫內包含各種不同型號的滾齒機、滾刀、工件的可以預先定制的信息。如機床庫中包含主軸轉速范圍、機床功率和效率、換刀時間、每次換刀成本、工時費用以及表面粗糙度限制等。滾刀庫包含滾刀材料、內外徑、頭數、耐用度范圍及滾刀前、后角等。工件庫包含工件模數、工件材料等。從而實現滾齒機、滾刀、工件的系列化和標準化。
用戶可以使用系統進行切削參數優化。在進行切削參數優化之前，首先根據自身需求在數據庫中選擇已預先定制好的滾齒機、滾刀、工件的相關參數，并輸人優化所需的其他相關參數信息。然后在切削參數數據庫提供的相關信息的基礎上，通過調用參數計算模塊得到參數優化過程中所需的一些參數值。由于該計算模塊內部使用了一些經驗公式以及部分從資料或實際側試中得到的數據，考慮到這些公式和數據的局限性，其所得的參數值難免出現與實際情況不符的現象。所以系統僅將這些值作為參考值，用戶可以根據實際情況酌情修改。待用戶確認了各個參數值后，系統將各參數載入優化程序，并開始對滾齒切削參數進行優化處理。
4.2 誤差補償系統
診斷產生齒輪加工誤差的目的是為了減小或消除齒輪加工誤差，是滾齒機加工的重中之重，一般是從提高齒輪加工的原始精度和加工時采用補償措施來提高齒輪加工的精度。
圖4所示為數控系統的誤差補償模塊，主要由嵌人式控制系統、步進電機、減速器、光電編碼器等組成。系統采用測得的齒距累積誤差作為補償控制信號，經數據處理后所建立的數學模型在微機中產生相應的補償信號，該信號與光電編碼器信號、工作臺零位信號在同一時刻進人嵌入式微處理系統，又經數據處理之后，通過步進電機驅動系統、步進電機、減速器再進人機床差動鏈、分齒鏈到工作臺，產生補償運動。補償控制中，光電編碼器的角位移脈沖信號經接口電路送人嵌人式系統，作為啟動A/D轉換的信號。在軟件方面，采用逐點補償的方法，即將測得的左右齒廓齒距累積誤差換算為角度誤差信號，經一系列處理后，在嵌人式系統中建立誤差修正表。補償時，每到一個補償點，根據該點誤差修正量，由控制器發出相應的修正脈沖，驅動步進電機使工作臺帶動工件產生附加轉動，以實現對應點的補償修正。
圖4數控系統的誤燕補償模塊
4.3 實時方案的選擇
在數控系統的底層，采用嵌人式Linux的操作系統取代傳統的單片機終端，這使得原來紛繁復雜的硬件實時電路設計轉化成為對嵌人式Linux操作系統實時性能的處理。
根據實時性能的支持程度不同，流行的嵌人式Linux實時解決方案可以分為以下兩類:
(1)致力于硬實時支持的方案，例如RTLinux和RTAI。它們在Linux內核之外單獨實現一個精簡的實時內核，兩個內核同時存在，依靠優先級的不同完成不同的任務。這類方案的優點是層次清晰，對基本的實時性能支持明確，且可預測。另外在調度機制方面已經實現了基本的優先級調度。
(2)致力于軟實時的支持方案，例如RED Linux , KURT和Hard Hat Linux，這幾種方法的實現思路迥異，但都是通過直接修改Linux內核源代碼，替換與時間或調度相關的代碼段。這樣的方式雖然也能夠實現一定程度的實時工作，但卻不適合具有高實時性要求的控制系統。
為了給嵌人式控制器選擇一個合適的實時性實現方式，通過對上面幾種‘nux實時化方案進行分析，最后選擇RTAI作為嵌人式控制系統的實時化平臺。依據如下:
(1) RTAI的雙內核結構既可以滿足實時應用對時間約束的要求，又可以利用Linnx原有內核的豐富軟件資源;
(2) RTAI能夠實現內核的可搶占性，實時中斷機制，以及動態優先級調度等基本實時機制，能夠滿足嵌人式控制系統的實時性需求;
(3)相對于RTLinux, RTAI的功能更明確，易于跟蹤Linux版本的升級，可基于嵌人式Linux的開放式控制平臺應用更新的Linux穩定版本;
(4)完全開放源碼，方便針對嵌人式控制應用的內核調度機制進行改造。
主要實時功能模塊配置方式如下:
工作臺位置控制motor)決定機床精度和運行安全，它從插補緩沖區intERPolate_fifo)計算出下一周期的實際坐標增量，輸出到伺服單元驅動步進電機工作。因此將其設計成周期性RTAI線程，運行周期為4ms, 1級優先權。
功能控制任務control)是利用fifo從用戶層向內核層傳遞控制命令、如點動、暫停、自動等，并實現對I/O口的控制。此任務采用實時中斷策略，在接受到控制命令后，內核暫時中斷位置控制任務。
滾刀插補任務intERPolate ( )要從插補準備緩沖區prepare_fifo中取出數據，然后進行插補運算，將結果送人到intERPolate_fifo( )。此任務也設計成周期性RTAI線程2級優先權，運行周期和位置控制任務頻率設置成相同。
狀態檢測任務monitor)將傳輸到v0口的各個速度傳感器、壓力傳感器狀態保存在status_ fifo()中，同時負責對運行時電壓、電流等值的狀態進行判斷。因為要對機床狀態進行實時監控，因此設置此任務運行周期為10ms，優先級為3級。
5 系統仿真
系統具有參數化仿真滾齒加工過程的功能。首先輸人有關齒輪的毛坯圖和刀具圖參數，用它們分別模擬范成對象和范成工具。然后根據CAD軟件優化得到的非圓齒輪設計參數，繪制出其毛坯圖。待加工齒輪的參數，也是所需刀具的參數，據此繪制刀具圖。使兩者按確定的嚙合規律相對運動，刀具的齒形就會逐步包絡出齒輪的齒形。也可通過直接輸入非圓齒輪的特征參數進行仿真。
6 結論
該非圓齒輪滾齒加工數控系統具有模塊化、參數化的特點，集成程度高，實時性和精度都能滿足設計要求。其電機控制模塊、誤差補償模塊、實時模塊都可以略加改造適用于其他的齒輪加工數控系統，同時其基于嵌人式Linux的軟件設計具有完全自主的知識產權，克服了原來的單片機和DOS下數控系統的弱點，而且具有開放性、可擴展性和穩定性的特點，同時可以利用Linux的網絡特性，實現數控系統的遠程控制、資源共享等等。
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本文標題：非圓齒輪的滾齒加工數控技術研究
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