本文将主要讨论格里森609拉齿机数控化设计之机械传动方案和硬件控制方案，有关软件设计的思路。
拉齿机是一种精密、高效精加工中型及大型非滚切准双曲面齿轮和弧齿锥齿轮的机床，所加工齿轮主要用于卡车、拖拉机及其它工程机械。格里森公司生产的609号拉齿机为传统机械型拉齿机，它加工不同齿数的齿轮时需更换不同的挂轮，因此在频繁更换加工品种时调整极为不方便。随着汽车生产由大批量少品种向中小批量多品种的发展，不仅需要通用加工设备的柔性化，对于像拉齿机这样的专用加工机床也提出了柔性化、数控化的要求。
本文将主要讨论格里森609拉齿机数控化设计之机械传动方案和硬件控制方案，有关软件设计的思路。
齿轮精切成形法
弧齿锥齿精切加工方法
在东风车桥有限公司，609拉齿机被用于东风卡车后桥被动齿轮的精切。其加工方法采用成形法（formate），即采用无滚切运动方式，用单循环刀盘快而准地精加工粗切后的齿轮。刀盘均匀地每转一周就完成一个齿沟的加工。分度在刀盘最大的空档中进行。
所谓成形法，就是利用与被加工齿轮齿槽截面相一致的刀具齿形，在齿坯上加工齿面。由于成形法所用的刀具，其切削刃的形状和齿轮的齿廓相近似。加工时，刀具和工件没有相对的滚切运动，刀具只作切削运动。对传动比i＞2.5的弧齿锥齿轮，用成形法加工，其生产率可提高4～5倍。609拉齿机采用成形法加工的刀盘为双面精切刀盘，其双面精拉刀齿示意图如图1所示。
图1 双面精拉刀齿示意图
双面精切刀盘的圆周方向可分为两个区域：切削加工区和工件分度区。在切削加工区内安装有5个外切刀齿及5个内切刀齿，且内、外切刀齿相间排列，相邻两刀齿间圆心角为30°。在机床正常工作时，精拉刀盘逆时针旋转，被加工齿轮保持不动，从刀齿1到刀齿10依次进入拉齿状态，从而完成一个齿沟的加工；在刀齿10切出到刀齿1再次进入切齿状态期间，被加工齿轮完成一次分度，转动一个齿距，以便下一个齿沟的加工。如此循环，直到切完全部齿间为止。
16 英寸精拉刀盘为12 等分，10个齿，另2个等分无刀槽，用作分齿空间。内外刀齿交错分布，最后两个刀槽为标准刀槽，其余刀齿在形成直径上分别带升量。可以同时拉削出大轮两侧。刀盘连续旋转的速度一般为12转/分。经计算分齿时间为：0.833s（标准空2个刀齿）。
成形法加工循环
切削加工循环包括如下动作：
● 当工件箱位于水平装卸位置时，如图2所示，将粗切后的齿轮安装在工件主轴上。由于工件主轴远离刀盘，进行齿轮的装卸也就格外安全。
图2 609拉齿机工件箱装卸工件位置示意图
● 用对齿规控制齿轮相对于刀盘的位置，然后工件卡紧。
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● 工件箱升起至切削位置，如图3所示，机床有一横梁用来固定刀盘与工件之间的位置。此横梁由液压夹紧。在整个切削过程中始终维持夹紧压力。
图3 609拉齿机工件箱加工位置示意图
● 横梁夹紧后，刀盘旋转启动，向下切入位于齿坯最低处的齿沟，切削力垂直向下而指向机床底座方向，这一方式充分利用机床的重量而获得了最大的刚性。为提高齿面的光洁度和齿距精度，在切削时工件主轴被另一套液压机构锁紧。当工件主轴分度时锁紧自动松开。
● 当刀盘转至其空档位置时，工件主轴进行快速分度。刀盘转一圈，完成一个齿的加工。当所有齿加工完毕，横梁夹紧松开，工件箱落下。必须注意的是：刀片在齿沟时，绝对不允许工件箱落下，否则会损坏刀具。
格里森609拉齿机分度工件箱具有的技术特点
● 分度工件箱有落下位和升起位，或称为工件装卸位和工件加工位。
● 具有旋转工作台任意角度进给的特点，但它不需要与几何轴进行插补。
● 具有分度工作台定位锁紧的特点，但分度的角度不受限制。
● 分度的启动由刀盘的旋转角度决定，分度动作必须在刀盘空档完成，因此对分度时刻和分度时间有严格要求。
采用谐波减速器的分度驱动方案
609拉齿机分度传动方案见图4。伺服电机为2.3nm的1ft6伺服电机，额定转速6000r/min。该电机通过一减速比为80∶1的谐波减速器和一组153∶31的齿轮减速驱动工作台分度。
图4 机械传动机构示意图
分度伺服电机选型
609拉齿机数控改造过程中，由于受原有尺寸结构的限制，分度传动装置在设计过程中应力求紧凑，其结构示意图如图4所示，采用两级减速传动（谐波减速器和齿轮传动）。
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由于该传动装置在分度时属于空运转，伺服电机的输出功率用于克服摩擦阻力及使输出轴在规定的时间内转过规定的角度。又由于被加工齿轮及分度轴的直径和轴向尺寸较大，因此在伺服电机选型时，以被加工零件及分度轴为一整体作为研究对象。609拉齿机技术参数如下：
机床主轴（精切刀盘）的转速n1：12 r/min；
用于分度的最大圆周角度θ：60°；
被加工齿轮及分度轴的最大尺寸d×l（mm×mm）：φ310×200～250；
被加工齿轮的最少齿数zmin：30。
被加工齿轮及分度轴的转动惯量计算：
将传动齿轮、中间轴等运动部件的转动惯量折算到输出端，取输出端总的转动惯量为：
分度传动装置分度时允许的最长时间计算如下：
考虑到信号的延迟、锁紧机构的松开与夹紧等动作的时间开销，出于安全起见，分度传动装置分度时允许的最长时间tmax设置为0.2s。
分度传动装置分度时的最大角位移计算如下：
为了简化计算，假设在分度时，被加工齿轮及分度轴只有匀加速和匀减速两种运动。即：被加工齿轮及分度轴从静止状态匀角加速度到最大速度ωmax，然后匀角减速度到最小速度0，到达预期的分度位置。则有：
最大速度
匀角加速度
考虑到分度时，存在瞬时冲击，取其最大角加速度α＝2.5α1＝52.375rad/s2
被加工齿轮及分度轴所需最小扭矩为：m＝jα＝4.4483×52.375＝232.98nm
所以，分度时被加工齿轮及分度轴所需最小功率为：
pmin＝mωmax＝232.98×2.2095×10-3＝0.515kw
通常在油润滑情况下，谐波减速器的传动效率η1为50%～80%，直齿轮传动效率η2为85%～95%，滚动轴承传动效率η3为92%～97%。
取整个传动装置的传动效率η＝η1×η2×η3＝50%，则：
所需伺服电机的输出功率p＝pmin/η＝0.515/0.5=1.03kw
因此选择伺服电机的型号为1ft6034-4ak71-3aa6（额定功率为1.5kw左右），其额定扭矩为2.3nm，额定转速6000r/min。nextpage
谐波减速器选型
由于所选择伺服电机的型号为1ft6-4ak71-3aa6，其额定扭矩为2.3nm，额定转速6000r/min。而为了减少传动过程中的冲击，输出轴的最高转速也不能过大，现取为17r/min左右。因此分度传动装置的传动比很大，约为350左右。
由于改造过程中受原有尺寸、空间结构的限制，现拟采用两级减速传动（谐波减速器和齿轮传动），传动比分别设定为80∶1、153∶31。则在额定工作状态下，谐波减速器的输出扭矩约为：t1＝2.3i＝2.3×40＝92nm。
因此选择谐波减速器的型号为csf-2uh-32-8，其传动比为80∶1，采用油润滑时，输入最大转速为7000r/min，许用输出扭矩为118nm，满足设计要求。
基于profibus的硬件控制方案
传统计算机数控系统和每台伺服单元相连都需要一根电缆线，系统连线复杂，故障率高。而利用现场总线profibus-dp构建数控系统，使得该系统通过高速串行总线与各伺服单元相连，仅需一根电缆或一对双绞线即可。
采用基于profibus总线的数控系统，其输入输出信号通过profibus传送，位置调节（速度给定和位置反馈信号）也是通过profibus完成。pcu为profibus的主设备，每个profibus从设备（如pp72/48、611ue）都具有自己的总线地址。从设备在总线上的排列次序是任意的。pp72/48的总线地址由模块上的地址开关s1设定。611ue的总线地址则需利用工具软件simocom u设定。
为了提高分度精度，控制系统采用18000线的角度编码器（型号为rod280）直接测量工作台的分度角度构成全闭环系统。控制系统硬件方案见图5。
图5 控制系统硬件方案
总线配置与设定
● 总线地址配置
sinumerik 802d具有一个系统数据块，该数据块允许使用参数md11240:profibus_sdb_number选择simodrive611ue驱动和i/o 模块的配置。由于该系统中只配置了1个驱动模块和1个pp模块，因此md11240的设定可以有多种选择。本设计中设定md11240＝5。其总线配置如下：
pp72/48模块：1＋1，驱动器：单轴＋双轴＋单轴＋单轴
● 驱动器模块的设定与定位
由于系统规定只有总线地址10和20的两个驱动器可以连接圆光栅直接测量工作台的分度角度，所以将5号驱动器（pb地址为10）定义为旋转分度轴。
数控系统与驱动器之间通过总线连接，系统根据下列参数与驱动器建立物理联系：
md30110（ctrlout_module_nr[0]）＝5；定义速度给定端口（轴号）
md30220（enc_module_nr[0]）＝5；定义位置反馈端口（轴号）
● 位置控制使能
对于不使用的轴1-4，md30130和md30240均置0，设定为仿真轴，即系统不产生指令输出给驱动器，也不读电机的位置信号。5号轴的位置控制使能设定如下：
30130（ctrlout_type）＝1；控制给定输出类型
30240（enc_type）＝1；编码器反馈类型
旋转轴的定义
将分度回转轴定义为b轴，设定到系统第5轴中，相关参数配置见表1。
表1 旋转轴定义
虽然系统中未使用几何轴，但还是需要进行相关设定，这是为了消除系统报警并使mcs坐标显示正常的需要。nextpage
半闭环与全闭环控制系统
在进行半闭环与全闭环的相互切换时，需要对伺服驱动系统和数控系统作相应的设定调整。半闭环与全闭环的相互切换所涉及的系统参数见表2。
表2 半闭环与全闭环的相互切换所涉及的系统参数
传动系统参数设定
传动系统的参数决定坐标轴的实际移动量。其参数设定见表3。
表3 传动系统系统参数
坐标速度和加速度
坐标速度和加速度系统参数决定坐标轴的运动速度。其参数设定见表4。
表4 坐标速度和加速度系统系统参数
工件箱分度时间的校验
加减速时间常数tr＝（md32000）/（md32300）/60＝0.036s
加减速距离＝（md32000）×360/60×tr＝2.592°
加工30齿的齿轮，分度角度为30°，其匀速时间为：（12－2.592）/72＝0.131s
因此总的分度时间为：0.131＋2×0.036＝0.203s
结 语
格里森609号拉齿机是格里森公司生产的传统机械型拉齿机，它加工不同齿数的齿轮时需更换不同的挂轮。上世纪90年代中期，英国curdworth公司，专门从事齿轮加工机床制造与翻新的公司，曾对609号机床进行大修改造。现就格里森公司原609拉齿机与英国curdworth公司和湖北汽车工业学院的翻新改造进行技术比较，见表5。
表5 技术比较
本项目于2006年1月全部竣工交付生产，经现场运行表明：
● 基于profibus总线的控制系统运行稳定，可靠；
● 应用圆光栅直接检测分度角度，构成全闭环伺服控制系统，保证了工作台的分度精度；伺服分度结束对工作台实施径向液压夹紧，保证了工作台的定位精度。
● 友好的人机界面，可很方便地调整各种参数以适应多品种齿轮从动轮的加工；
● 完善的软硬件保护和报警指示，有效避免误加工、误动作等危险情况的发生，并方便维修。
