0引言
这类齿轮因需满足特殊设计标准，其齿形构造复杂，无法借助常规的直齿轮或锥齿轮加工设备来实现制造。若借助仿形铣床，并使用人工分度的工艺，不仅效率低下，还会导致操作者承受较大的工作负担。我们研发的四轴联动数控刨齿机，能够自主完成特殊齿形锥齿轮的分度、进给以及展成加工等全部流程。
1四轴联动刨齿机的结构和工作原理
四轴联动刨齿机包含机床主体,两个坐标刀座,两个坐标平台,以及控制硬件和控制程序,如图1所示。
机床主体选用传统通用牛头刨床(BA6050)的底座，主动力装置带动滑枕运作，滑枕推动刀座沿着水平轴也就是z轴方向进行持续的往复直线移动，用以对工件进行切削处理，其刨削作业的核心运动机制与常规牛头刨床的加工方式基本相同。
这两套坐标平台是处理特殊齿形的必要设备。平台底座配备一个能水平转动的扇形结构，由伺服马达驱动它围绕垂直方向（也就是Y轴）进行转动，这个转动轴称为B轴。这个扇形结构上，装置了一个角度可以调整的支撑架，这个支撑架又安装了一个角度也能调节的工件夹持器。工件被固定在主轴上，伺服马达驱动主轴使工件围绕其自身的中心轴旋转，这个旋转轴称为C轴。工作台结构简图如图2所示。
两个刀座设置在刨床滑枕的末端，由直线运动的x轴和Y轴形成十字形布局。刀座包含两个部分，后座固定在刨床滑枕末端，中间座沿着后座上的轨道做Y轴方向移动，前端座沿着中间座上的轨道做x轴方向移动。x轴的进给行程相对较短，所以x轴位于前方，Y轴位于后方。刨刀安装在端座上，并配备启动退刀和抬刀装置。其结构简图如图3所示。
工作时候，x轴和Y轴负责横向位移，也负责垂直移动和切削进给，它们自身体积不大，运动轨迹和主要切削力方向垂直，因此所需动力不大，不过因为装在刨床的滑动端头，所以对结构要求是简单而紧凑，重量也要轻，为此选用了日本安川公司出的小型SGMPIEA31伺服电机和伺服系统。
为了提升传动准确度，增强传动效能，降低摩擦阻力，消除轴向空隙，并增强系统刚性，选用滚动导轨组件和滚动丝杠组件的构造，电机轴与丝杠轴的对接运用了半刚性联轴器的方式。
加工零件时，需先依据零件的基准锥角，手动设定零件的倾斜角度，接着借助固定在零件夹具轴上的对刀装置，对设置在刀座上的铣刀实施精准校准，启动数控铣齿设备后，无需人工干预，数控系统将操控刀座与工作台各方向同步联动，对锥齿轮的轮廓进行逐层切削，直至锥齿轮制作完成
2数控系统的硬件结构
得益于个人电脑广泛的软件支持，选用通用组件，借助通用微机的成熟技术，能够以经济实惠的方式和较短的周期实现数控装置的研制。本机构研制的数控平台运用了在个人电脑16位ISA工业总线直接扩展模块的架构方案。位置伺服控制器和数控系统硬件采用同一套计算机硬件资源，位置控制算法以中断服务程序的形式整合到数控系统的主程序里，整体架构简洁明了。图4展示了数控刨齿机控制系统的硬件结构图。
硬件系统由多个组件组成，包括中央处理设备，该设备带有定位管理功能，定位执行控制板卡，动力调节单元，动力执行单元以及检测装置等。中央处理设备是采用586技术标准的通用微型计算机，数字管理功能由定位管理软件完成。
工作台配备B轴与c轴两个旋转方向，各自由一台伺服电机负责推动，其中1B轴电机负责带动整个工作台进行旋转，承受的重量惯性非常可观，而c轴电机仅负责驱动工件轴转动，承受的重量惯性相对较小，基于此原因，选择了两个性能优良的电机进行搭配使用。刀架具备x轴与Y轴两个移动方向，这两轴承受的重量都不重，数值相差甚微。因此挑选了两台性能一致的小型交流马达，这样既能最大程度利用每台马达的优势，又能够很好地符合机械方面的运作标准。系统运行期间，定时器每5毫秒向主控计算机请求一次中断信号，DOS平台随即引导至中断服务程序，位置控制模块随后处理并输出各个控制轴的速度设定参数，这些参数通过SIA总线传输至位置伺服控制插板，再由高精度D/A转换设备将其转变为与电机旋转速率相匹配的控制电平。控制指令由伺服驱动发出，促使电机开始工作，各轴电机的旋转再经由专属的传动机构，将动力输送至工作台与刀架，让工件和切削工具沿着预定路线移动，用于定位的光电传感器被设置在每台电机的输出端，计算机的定位控制单元据此分别获取位移和速率的反馈信息。
数控刨齿机在实际运行环境中，工厂里通常布满强电设备，这些设备在开启和运行时，会引发明显的电源干扰和电磁杂音。为了确保系统稳定运行，实施了一系列增强稳定性的对策。这些对策主要包括，
为了减少电源系统带来的干扰，供电线路不仅安装了交流稳压器，还配置了浪涌防护装置、超隔离变压器以及低通滤波装置等设备。伺服系统的各个功能单元都单独供电，这样做是为了降低公共阻抗之间的相互影响，同时避免公共电源产生相互干扰。
伺服数控系统的弱电部分,用金属丝网包裹起来,然后装入铁质机箱,目的是为了阻挡电磁辐射。
(3)利用差动方式抑制共模噪声。
将系统里所有电子元件的模拟接地和数字接地各自独立设置，把供能部分和信号处理部分的地线也分隔开，尽量扩展线性电路接地导线的尺寸，这些做法显著增强了系统的稳定程度。
3控制系统的软件结构
数控刨齿机的加工特性决定了工作平台选用DOS系统，整体架构采用模块化设计，通过单CPU的工作时间分配机制，为各项任务分配特定时段，确保每项任务能在指定时段内执行完毕。本系统借助中断机制实现时段分配，所有程序均使用Turb0C++语言开发。主程序流程依据操作面板的指令，切换调用不同的功能模块程序。最关键的两大子程序分别是人工控制子程序和程序处理子程序，前者负责实现加工环节的人工干预，后者则承担自动执行加工任务的功能。
进行刀具选择、细微参数修正以及传动缝隙的检测时，人工干预是不可或缺的环节。而自动化操作（程序控制制造），则是在工件安装到位并完成对刀之后，实施对工件的加工任务。
由于需要满足即时性要求，位置调节方法选用了神经网路自适应复合调节方式，这种做法是借助一段时间的工作，神经单元经由自我教育能够选定最优的系数，每当机床作业告一段落，会把当前系数记录在存储介质上，下次启动时，便使用上次的系数作为起始值，倘若两次启动数控系统状况变动很小，这种系数设定通常能达到理想的成效。
4结论
新开发的四轴联动数控刨齿机已经通过测试，现已投入生产应用，并制造了一批用于变传动比差速器的特殊齿形锥齿轮，这些零件的加工精度达到了令人满意的程度。
