介绍一种将专用的齿轮加工的普通铣齿机改造成数控铣齿机的方法，其控制系统主要包括小型可编程逻辑控制器和伺服驱动器。改造后的铣齿机加工精度得到提高， 操作工的劳动强度降低，生产效率也提高了。
引言
某齿轮生产企业采用一直普通铣齿机加手动分度头以及成形铣刀铣出齿谷的方法加工齿轮。由于该厂主要加工35、36、37和38齿的齿轮，在大批量加工时，对分度头分度盘的磨损非常严重，定位圆孔被磨损成椭圆孔，严重影响齿轮的加工精度。而且齿轮加工对操作工的技术熟练度要求比较高，需要操作工在工作台进给的短暂时间内将齿坯旋转到下一工位，稍不注意便会造成工件报废，劳动强度大。为适应市场发展需要，企业利用PLC和伺服驱动器，对所有普通插齿机进行数控化改。不仅提高了齿轮的加工精度 ，还显著提高了生产效率。
1 设计方案
1）为了节省成本，采取原机械结构基本保持不变的设计方案，将分度头的分度盘用伺服电动机加同步带替换，实现齿轮的自动定位。
2)将主轴电动机M1、工作台电动机M2和伺服电动机M3进行联动控制。
3)为工作台增加左、右限位开关和一个中间定位开关，通过调整中间定位开关和右限位开关之间的距离，确定工作台进给的工作距离。
4)整机控制系统主要由台达公司的小型PLC DVP32EP00和伺服驱动器ASD-A0221L组成，控制方式分手动和自动两种，四种齿轮规格的选取通过两个按钮开关的0或1组合实现。
2 制过程
2.1 机的PLC电气结构
PLC抗干扰能力强，可靠性高，体积小，维护方便，是实现机电一体化的理想控制装置。PLC电气结构简图如图1所示。
在输入侧，B1和B2分别为工作台的左限位开关和右限位开关；B3为工作台中间定位开关；S1和S2分别为系统的启动和停止按钮；S3为自动和手动工作方式选择开关；S4和S5为齿数选择开关；S6和S7为主轴电动机启动和停止按钮；S8和S9为工作台启动停止按钮；S10为工作台进给方向开关；另外，还有一个开关直接与伺服驱动器的servo on信号端连接。
在输出侧，Y0端输出脉冲信号驱动伺服控制器；Y1端控制整机电源接触器KM1；Y2端控制主轴电动机M1接触器KM2；Y3和Y4端分别控制工作台电动机M2左行接触器KM3和右行接触器KM4；Y5端控制伺服驱动器接触器KM5；Y6和Y7端分别控制指示灯P1和P2的指示开关S4和S5的输入状态；Y10端控制蜂鸣器P3报警。
2.2 数控铣齿机工作流程
铣齿机工作台左限位开关B1同时还控制退刀的位置，操作工在这个位置上装卸齿轮加工件。在自动状态下，首先按启动按钮S1，系统启动。若工作台不在退刀位，则M2首先自动回到退刀位，此时操作工将齿轮加工件安装完毕后，再次按启动按钮，则工作台开始右行，同时主轴电动机M1开始运转，经过开关B3时，工作台暂停运行，这时伺服电动机M3转过一个齿的角度(消除分度头的齿轮间隙)，然后工作台继续右行，碰到右限位开关B2后，工作台开始换向左行，左行到开关B3时，工作台暂停运行，伺服电动机M3转过一个齿的角度后，工作台换向右行，如此往复，直到一个齿轮加工完毕，工作台自动退回左限位开关B1处，此时主轴电动机M1也停止运转，系统等待操作工发出操作指令。更换齿轮规格时，只需调整开关B3到合适位置，并用按钮S4和S5做出选择即可，该状态流程如图2所示。
手动状态主要是为系统调试设置的，在此状态下，系统启动后，每按一次启动按钮S1，伺服电动机转过一个齿的角度，主轴电动机M1由按钮S6和S7控制，工作台M2由按钮S8、S9和S10控制。
3 子齿轮比的设定
由于该铣齿机进行齿轮加工，对加工精度有很高的要求，因此需要对伺服驱动器的负载惯性比和电子齿轮比做精确设定，而电子齿轮比的设定犹显重要。以该铣齿机为例，分度头的机械减速比为40，伺服电动机的脉冲分辨率为10×103PPR，需要加工的齿轮类型为35、36、37和38齿。由于加工齿轮需要的是角度定位，需要将角度与伺服驱动器的脉冲数对应起来，如式(1)所示：
fk·i /10000 =pk/360°……(1)
式中：fk为伺服驱动器转过一个齿需要的脉冲数；i为电子齿轮比；pk为齿轮每齿的角度；k表示第k种齿轮。
i=N/M……(2)
式中：N为伺服驱动器电子齿轮比的分子参数；M为伺服驱动器电子齿轮比的分母参数。
pk=40×360°/nk……(3)
式中：nk为第k种齿轮的齿数；40为分度头的蜗轮蜗杆传动比。将式(2)和式(3)带入式(1)可得各齿轮所需脉冲数fk为：fk=10000×40M/(nkN)……(4)
从式(4)可知，由于fk为整数，因此需要M和nk能够约分，经过推导M的可能取值有1.197×103、2.331×103、4.921×103、6.327×103、44.289×103(>32.767×103 )，将这些数值分别带入式(4)，计算相应取值下的四种齿轮频率误差，进一步推导可知电子齿轮比M选择1.197×103最合适，可以用此电子齿轮比保证以上四种齿轮的加工精度。另外，考虑到加工速度及加工精度，选取电子齿轮比N=4×103。从式(4)可以推导出各齿轮所需脉冲数fk的数值。
以公法线长度变动ΔFW和齿距累积误差ΔFP对铣齿机改造前、后的加工性能做对比，如表1所示。
表1 铣齿机改造前、后性能对比
4 结语
整套控制系统结构简单，控制灵活，在实际使用中取得了良好的工作效果。机床改造后操作工只需要对加工件进行更换，铣齿由铣齿机自动完成，由原来的一人仅能操作一台铣齿机，变成一人可以操作多台铣齿机，而且大大减轻了操作工的劳动强度。整个改造由于采用了小型可编程逻辑控制器和普通伺服控制器，节省了硬件成本，降低了故障率，提高了自动化程度。
