YKHS2210数控弧齿锥齿轮铣齿机的研制
一 .国内小模数弧齿锥齿轮的生产现状
随着机械工业的发展以及国际市场竞争的日益剧烈，特别是我国进入WTO以后，齿轮制造业面临着国际水平的竞争和****的挑战。弧齿锥齿轮因其重合度高、传动平稳、噪音低而广泛应用于汽车、轮船、工程机械、工业缝纫机、电动工具等行业。特别是随着人民生活水平的提高，成衣业和装潢业的发展很快，使得小模数弧齿锥齿轮在工业缝纫机和电动工具行业得到了迅猛的发展。现在有迹象表明国际上几家生产电动工具的大公司纷纷来我国寻求加工小模数弧齿锥齿轮的企业，并且考察企业的生产小模数弧齿锥齿轮的加工设备和检测设备。目前我国生产小模数弧齿锥齿轮的企业都集中在江浙一带，加工设备都以机械传动的铣齿机为多，这些企业都有希望做大的愿望。鉴于市场的现状，我公司不但要生产机械传动的铣齿机，还要开发出数控铣齿机，才能使我所在这一领域更具竞争力。
随着国家工业化水平的提高，对弧齿锥齿轮传动要求也越来越高。因此，对弧齿锥齿轮进行数字化集成制造，将CNC技术应用到生产中去，无论是在提高弧齿锥齿轮传动质量方面，还是在扩大市场需求方面都有重要的意义。
数控弧齿锥齿轮铣齿机是一种涉及多学科（自动控制、计算机技术、数学、齿轮啮合理论、机械设计与制造等）的高科技产品，技术难度较大，有一定的科技含量。不论是“格里森”齿制还是“奥里康”齿制的弧齿锥齿轮，其齿面轮廓都是复杂的空间曲面。要通过刀具与工件的相对运动加工出复杂的空间曲面是困难的，所以机械型弧齿锥齿轮铣齿机是通过复杂的传动系统来达到刀具与工件的空间运动关系，其传动链较长，加工精度将受到很大的影响。
二.我平信公司生产铣齿机的现状
我们平信机电制造有限公司现在生产的YHS2210螺旋伞齿轮铣齿机是属于日本的“岗岛”机型，是将“格里森”机简化了，其特点是结构简单，性能稳定。但多了许多伞齿板和分度板作为机床的配件，如果一台铣齿机要加工多种规格的齿轮，就要配备多种伞齿板和分度板，加工的规格越多配件也会越多，这会增加用户的投资。所以YHS2210铣齿机更适合加工批量大的齿轮，通过用户长期使用后事实上也证明了这个特点。随着国内弧齿锥齿轮市场的发展，特别是电动工具行业的快速发展，使得用于电动工具的齿轮从规格和品种上得到了很大的增长，而数控铣齿机正是适应和适合多品种多规格齿轮的加工。鉴于以上多种原因，对弧齿锥齿轮铣齿机实施数控化是势在必行。
我公司在2003年8月开始开发设计YKHS2210数控弧齿锥齿轮铣齿机。这不仅可以为国家节约外汇，还可以为我们的用户提供具有更灵活更适合多品种小批量的铣齿机机型。所以我们认为此项目的开发会具有良好的社会效益和经济效益，同时也会有很好的发展前景。
三.数控弧齿锥齿轮铣齿机工作原理及主要技术性能指标
YKHS2210数控弧齿锥齿轮铣齿机是由床身部件、立柱部件、刀轴部件、工件主轴部件、工件主轴拖板部件、液压部件和控制系统(包括数控系统和电气部件)以及冷却排屑系统、润滑系统等辅助系统组成。
1.YKHS2210数控弧齿锥齿轮铣齿机的工作原理
YKHS2210数控弧齿锥齿轮铣齿机是用于加工小模数“格里森”齿制的弧齿锥齿轮的机床。机床所用的切削刀具是专用的高速钢成型刀，刀具安装并固定在刀具主轴的前端；将齿坯通过夹具安装于工件主轴上，由液压驱动拉杆将齿坯固定在夹具上，刀具主轴的轴线与工件主轴的轴线形成一个角度（根锥角）。切削时由刀具主轴的旋转运动、刀具主轴沿水平方向（X轴）和垂直方向（Y轴）的平移运动、工件主轴的旋转运动（A轴）、工件主轴沿进给方向的平移运动（Z轴）在数控系统按数学模型给出的联动方式的指令下完成一个切削循环，即切削出一个完整的齿槽。然后工件主轴后退一个退刀距离，工件主轴沿轴线方向旋转一个角度（分度动作），进入下一个工作切削循环。直至整个齿轮加工完毕。
YKHS2210数控弧齿锥齿轮铣齿机的控制系统采用德国西门子802D数控系统；刀具主轴转速和旋向由系统按程序发指令，由变频器执行改变刀具主轴驱动电机的转速和旋向；数控系统可以按程序发出指令，使X、Y、Z、A四根伺服轴同时联动；操作面板上的各个按钮通过系统中的PLC向铣齿机的各执行器发出启动和停止的指令，同时加工程序也可以通过系统中的PLC向铣齿机的各执行器发出启动和停止的指令。
数控系统性能
YKHS2210数控弧齿锥齿轮铣齿机的控制系统采用德国西门子802D数控系统。编程的方法为标准G代码基础上混合参数编程，机床操作者只需将模板程序复制成一个加工程序，然后在这个加工程序内输入需要加工的齿轮参数、刀具参数和有关的夹具参数，系统即可生成加工程序。
四.主要部件的研制
1.工件主轴的结构形式
工件主轴部件是本铣齿机的核心机械部件，工件主轴的作用是夹持齿坯，在切削时作回转运动，加工一个齿后要作一个分度运动；同时切齿时属于断续切削，对工件有轻度的冲击。所以工件主轴部件的特点是转速低，能承受轻度的冲击，回转精度要求高，分度精度要求高。
根据工件主轴的特点，其设计要点是：
(1) 工件主轴的回转速度很低，但回转精度较高，所以径向支承和轴向支承均采用滑动轴承，具有很好的接触刚性，能承受较大的冲击。
(2) 为了满足工件主轴要能分度的功能，采用高精度蜗轮蜗杆传动。
(3) 工件主轴部件中主关键零件精度的确定。本铣齿机加工的齿轮精度为7级，按该级精度的有关项次换算出并确定工件主轴箱体、工件主轴、蜗轮和蜗杆的尺寸精度和形位公差。
2.旋转拖板的角度数字显示装置的开发（用户选择功能）
数控弧齿锥齿轮铣齿机中有一副旋转拖板，拖板所处的位置将决定齿轮的根锥角。现在无论是机械铣齿机还是数控铣齿机，这副旋转拖板都是手动驱动的，旋转位置的确定是由一根角度标尺和一副游标保证。角度标尺和游标在加工时会存在误差（其误差的大小和加工成本直接有关），角度标尺和游标在安装时也会存在误差，操作人员在变换旋转拖板位置读数时的视觉会产生误差。旋转拖板与定位销轴之间为滑动轴承，配合为间隙配合。有间隙存在，就有成正比的误差存在。
一般铣齿机旋转拖板的角度分辨当量为1′～2′，精度为±2′。用角度标尺的方法显得精度不够，至少没有精度的富裕量。为了摒弃角度标尺和游标，我们在旋转拖板上安装一个旋转编码器，旋转编码器的出轴与旋转拖板的定位销轴通过弹性联轴器连接，可以弥补编码器安装的误差。旋转拖板角度的变化通过旋转编码器变成电信号输出给一个单轴的数显表（数控系统已经没有多余的通讯口），从而显示出旋转拖板的当前位置。同时为进一步提高旋转拖板的角度精度和重复精度，定位销轴与旋转拖板之间装一个滚针轴承以达到零间隙装配。
综合几套方案分析比较后，我们选择用一个3600线的增量型旋转编码器和一个带细分电路的数显表作为主要器件而组成一个拖板的角度显示装置。同时申请了实用新型**，**名称是：数控铣齿机旋转拖板的角度显示装置，申请号是：2.5。
3.数控系统及编程系统的开发
数控弧齿锥齿轮铣齿机采用德国西门子802D数控系统。一般地说，只要掌握德国西门子数控系统的编程规则和齿轮的加工原理，就可以编制出符合各种要求的齿轮加工程序。考虑到大多数用户不可能对齿轮加工原理作深入地研究，而且掌握德国西门子数控系统的编程规则并能灵活应用也不是一件容易的事。为了既方便用户，又能在加工过程中融入高科技的含量，还要保证整个系统的**性和可靠性，我们用西门子系统的参数编程方法，设计了一套对用户开放的，用来设置参数的子程序（模板程序），和对用户隐蔽的，由模板程序调用，能直接产生数控指令的子程序（加工程序）。我们把这些由我们自己自主开发的西门子系统参数程序（模板程序和加工程序）统称为编程系统。用户只要根据说明书的要求设置或修改参数，就可以编制出齿轮加工程序，或对齿面接触区进行调正。
编程系统所设置的齿轮参数，对齿轮各方面的要求作了必要的、简单的和**的描述，能自动而**地计算出*小的加工范围，从而*大程度地减少空行程，既提高了工作效率，又减少了用户确定加工范围的烦恼。
编程系统自动计算出*合理的跳齿数，保证整个加工过程中，工件轴始终向一个方向旋转，提高了分齿精度。在达到分齿要求的前提下，跳齿数*小。这样的优化处理，减少了用户确定跳齿数的麻烦和可能产生的不科学性。
编程系统依据弧齿锥齿轮的啮合原理和滚齿切削原理，自动计算出工件轴旋转速度与铣刀中心所作圆周运动的转速之比（滚比）。以往通过机床调整卡才能完成的复杂计算，由编程系统自动完成，并直接用来计算数控加工指令。这就降低了对用户的技术水平的要求。
编程系统设置的刀具、夹具参数，使用户在更换刀具、夹具后只要更改有关的刀具、夹具参数，就能自动找到工件零位，为加工过程中建立工件坐标系提供方便。
编程系统设置的加工模式选择参数，使用户能在达到同样几何尺寸的情况下，根据自己的特殊需要，权衡数量与质量之间的得失，选用不同的加工模式。
编程系统设置的调整接触区参数，把那些会对齿轮接触区发生影响的参数归集在一起，以满足调整接触区操作的特殊需要。尽管这些参数曾归类在前面所述的其它类别中，只要保证在调用加工程序前，设置这些参数的子程序是*后被调用的，那么这些参数真正起作用的值，也就是在这个子程序中所设置的值，在别的子程序中，如果对这些参数设置了其它值，将不起作用。
编程系统设置了“数据合理性检查”，对用户设置的参数进行必要的检查，对于超出范围的或其它不合理的参数设置（如可能引起机床行走超程或机床部件相互干涉），系统将不予接受，停止执行程序，这将提高系统的**性和便于用户查错。
编程系统隐蔽部分子程序，可防止用户误操作所造成的破坏，也是提高系统**性和可靠性的一种措施。
五.对该产品的评价
我公司开发生产的YKHS2210数控弧齿锥齿轮铣齿机经中国科学院上海科技查新咨询中心的科技项目咨询和查新，其结论为：项目总体水平在国内**，与国际上同类产品的先进水平相当。
2004年11月23日YKHS2210数控弧齿锥齿轮铣齿机通过上海市经委组织的专家小组的鉴定和验收。同时该项目作为科技成果被认定为上海市高新技术成果转化项目。
六.发展与展望
随着国际加工业的重心逐步移向中国，以及对弧齿锥齿轮的需求量的增加，弧齿锥齿轮铣齿机的需求量也会同步的增加，那么作为具有调整方便灵活、加工效率高、性能稳定的数控弧齿锥齿轮铣齿机必将形成也已经形成了趋势。而根据我们的市场调研结果也证实确有这个趋势。我们一定要抓住这个良机，并在此基础上不断改进，不断完善，并且在规格上加以扩展，不断满足用户的需求。
