非圆齿轮理论自提出至今已有几十年，由于设计与制造过程复杂，切齿问题得不到满意的解决，一直未能得到广泛应用。非圆齿轮相当于在凸轮上切出轮齿，因此兼具凸轮机构和齿轮传动的优点，但是在数控技术发展以前，其设计、制造一直比较困难。近年来随着数控技术的发展，出现了用数控插齿机、铣齿机等等先进的加工非圆齿轮的方法。在现代航空、仪表、机械等领域，非圆齿轮得到了越来越广泛的应用。
1 非圆齿轮常用加工方法
目前各种非圆齿轮加工可归纳为如下诸法:
(1)靠模加工法。根据啮合原理，通过采用靠模的方法，使刀具的节圆与其共扼的非圆齿轮节曲线实现无滑动的纯滚动，展成加工出非圆齿轮，此法适合于加工形状最为简单的非圆齿轮〔‘口。
(2)近似切齿法。采用分度加工即是一种典型的近似切齿法。此法的分度中有两个角位移和一个线位移。加工出来的非圆齿轮不能良好地啮合，须做后期的配研及跑合才能使用。
(3)断续展成法。即采用与擂削一般圆形齿轮原理相同的展成法加工非圆齿轮。只是在断续展成法中，刀具与非圆齿轮的相对运动是间断实现的，此法加工的非圆齿轮的齿廓由几条包络线形成，得到的齿廓为棱形，但其齿形误差比近似切齿法小。
(4)数控铣齿法。在数控铣齿机上加工非圆齿轮，为了实现刀具节曲线与工件节曲线共扼，必须有3种控制运动:固定在机床回转工作台上的毛坯绕自身轴心线的回转运动;环状铣刀在其轴线方向的移动;环状铣刀轴心与齿坯中心之间的中心距移动。此外还有铣刀绕自身轴心转动及沿毛坯轴向的走刀运动。
(5)数控插齿法。在数控插齿机上加工非圆齿轮应有3种控制运动:固定在机床转工作台上的非圆齿轮毛坯绕自身轴心线的回转运动，即分齿运动插齿刀绕回转中心转动，即圆周进给运动;非圆齿坯在其与插齿刀中心连线方向上的移动。此外还有机床主轴的往复运动和齿坯与主轴相配合的让刀运动。此法对内外齿形的非圆齿轮加工均适合。
(6)数控滚齿法。在数控滚齿机上加工非圆齿轮，必须有4种控制运动:滚刀绕其自身轴线旋转运动;固定在机床回转工作台上的齿坯随工作台的回转运动;滚刀轴线与齿坯中心的中心距移动;滚刀沿齿坯切向的进给运动。此外还在齿坯轴向有走刀运动。此法适合于加工节曲线凸出的外齿非圆齿轮。
而插齿机、铣齿机加工非圆齿轮的加工精度低，生产效率不高，且不能加工斜齿非圆齿轮。因此利用数控滚齿机实现非圆齿轮的滚切加工势在必行。下面着重讨论采用新型数控技术来构建模块化的滚齿加工数控系统。
2 数控滚齿加工工作原理
由于螺旋滚刀在其法向截面内相当于一个齿条，故在滚齿机上加工非圆齿轮的过程就相当于一齿条和非圆齿轮相啮合的过程，齿条的节曲线与齿轮的节曲线作纯滚动。因此，数控滚齿机加工非圆齿轮时主要有以下3种运动。
范成运动:滚刀与毛坯以恒定规律所作的相对运动;进给运动:为了切出轮齿高度，刀具向毛坯中心的径向运动，直至达到规定的轮齿高度;切削运动:刀具沿毛坯轴向的往复运动。以上3种运动中尤以范成运动最为重要。范成运动应该包括3种控制运动:(1)非圆齿轮毛坯绕自身回转中心的回转运动，即分齿运动;(2)滚刀的等速回转运动;(3)非圆齿轮毛坯沿毛坯与滚刀中心连线方向上的直线运动。
滚切过程得以实现的基本要求是滚刀节曲线与非圆齿轮节曲线无相对滑动的纯滚动，即二者沿非圆齿轮节曲线的切向速度值始终相等。滚刀回转时，除了形成切削速度，还相当于齿条在平移，如图1所示，(a)所示为加工起始位置，(b)所示为加工过程中任一位置。
图1滚刀加工非圆齿轮示意图
3 数控系统构建
3.1 硬件组成
滚齿机数控系统的硬件组成如下:
研华工控的IPC-610 H原装整机标准工控机(IPC-610H工控机选用PCA-6003 V主板和Intel PIII100f)微处理器，该机具有7个PCI插槽、2个1SA插槽,2个串口和2个USB接口，这些资源足够以后对系统的扩充和升级)，16口输六丫输出双向光电隔离板，驱动单元及步进电机。硬件通用程度高，结构简单，价格便宜，且能保证工作稳定可靠且调试方便。
3.2 软件设计
数控系统采用模块化结构设计的功能分割法，将各种控制功能都当作任务，编制成相对独立的程序模块，通过系统程序将各项功能联系成一个整体。为了利于用户操作，采用了汉字界面，同时设计有非圆齿轮参数化自动编程功能，输入待加工工件参数，可以自动生成加工程序，从而实现编程与加工一体化。
在进行系统程序设计时，采用了模块化和子程序嵌套技术。程序为3层结构，上层为系统总控程序;中间为各专用功能模块程序;底层为与操作系统有关的函数库和通信模块等等。图2为整个软件系统的构架框图。
图2系统软件程序框图
3.3 系统通讯方式
系统采用了基于CAN总线的模块化结构的通信方案。模块化结构的开放式数控系统，在单元化结构的人机界面与现场设备层之间增加了功能模块层。将现场设备按功能类型划分成若干功能模块，然后由相应的功能模块实现对这些现场总线设备的管理，完成基本控制功能或协调功能，执行各种控制算法。同时，由开放式人机接口对这些模块进行管理和组态。其控制系统结构如图3所示。
图3基于现场总线的模块化结构通信方式
模块化控制系统结构要比传统单元化的结构复杂，系统的扩展、伸缩也不如单元化灵活。但它将单元化结构的主控单元重新进行细分，并用相应的硬件模块来实现。同时，主控单元功能缩简化为人机接口模块。对于数控系统内部信息中高速、大数据量、强实时性的运动控制信息处理，采用单独运动控制模块来实现控制和同步，从而使总线上信息大为减少，对总线的带宽、实时性的要求大为降低。同时，可以满足一般数据量、有严格时序、高可靠性的数据传输要求。实际应用中选择了结构简单、性能可靠、成本低廉的CAN现场总线模块化结构的通讯接口。在功能模块与现场设备互联的问题上，考虑到市场上支持现场总线接口的数量种类有限，而且价格昂贵，采用可编程I/0来与市场上主流的专用接口伺服系统兼容。如图3所示，左边的电机可分别对应为范成运动电机、进给运动电机、主轴运动电机，它们都采用了相同的模块化结构，实际使用时只需要选择不同型号的电机和设置不同的电机驱动参数即可，具有很好的模块化特性。
4 数控系统构建的关键技术
4.1 参数化数据库的设计
数控系统的应用软件中引人参数定制的思想，把根据经验、资料、计算以及实际测试所得到的数据保存在系统数据库，对优化过程中涉及的参数和约束条件进行事先定制，从而最大限度地减少参数输入。系统内置有滚齿切削参数数据库，其包含滚齿机、滚刀、工件3个子库。各子库内包含各种不同型号的滚齿机、滚刀、工件的可以预先定制的信息。如机床库中包含主轴转速范围、机床功率和效率、换刀时间、每次换刀成本、工时费用以及表面粗糙度限制等。滚刀库包含滚刀材料、内外径、头数、耐用度范围及滚刀前、后角等。工件库包含工件模数、工件材料等。从而实现滚齿机、滚刀、工件的系列化和标准化。
用户可以使用系统进行切削参数优化。在进行切削参数优化之前，首先根据自身需求在数据库中选择已预先定制好的滚齿机、滚刀、工件的相关参数，并输人优化所需的其他相关参数信息。然后在切削参数数据库提供的相关信息的基础上，通过调用参数计算模块得到参数优化过程中所需的一些参数值。由于该计算模块内部使用了一些经验公式以及部分从资料或实际侧试中得到的数据，考虑到这些公式和数据的局限性，其所得的参数值难免出现与实际情况不符的现象。所以系统仅将这些值作为参考值，用户可以根据实际情况酌情修改。待用户确认了各个参数值后，系统将各参数载入优化程序，并开始对滚齿切削参数进行优化处理。
4.2 误差补偿系统
诊断产生齿轮加工误差的目的是为了减小或消除齿轮加工误差，是滚齿机加工的重中之重，一般是从提高齿轮加工的原始精度和加工时采用补偿措施来提高齿轮加工的精度。
图4所示为数控系统的误差补偿模块，主要由嵌人式控制系统、步进电机、减速器、光电编码器等组成。系统采用测得的齿距累积误差作为补偿控制信号，经数据处理后所建立的数学模型在微机中产生相应的补偿信号，该信号与光电编码器信号、工作台零位信号在同一时刻进人嵌入式微处理系统，又经数据处理之后，通过步进电机驱动系统、步进电机、减速器再进人机床差动链、分齿链到工作台，产生补偿运动。补偿控制中，光电编码器的角位移脉冲信号经接口电路送人嵌人式系统，作为启动A/D转换的信号。在软件方面，采用逐点补偿的方法，即将测得的左右齿廓齿距累积误差换算为角度误差信号，经一系列处理后，在嵌人式系统中建立误差修正表。补偿时，每到一个补偿点，根据该点误差修正量，由控制器发出相应的修正脉冲，驱动步进电机使工作台带动工件产生附加转动，以实现对应点的补偿修正。
图4数控系统的误燕补偿模块
4.3 实时方案的选择
在数控系统的底层，采用嵌人式Linux的操作系统取代传统的单片机终端，这使得原来纷繁复杂的硬件实时电路设计转化成为对嵌人式Linux操作系统实时性能的处理。
根据实时性能的支持程度不同，流行的嵌人式Linux实时解决方案可以分为以下两类:
(1)致力于硬实时支持的方案，例如RTLinux和RTAI。它们在Linux内核之外单独实现一个精简的实时内核，两个内核同时存在，依靠优先级的不同完成不同的任务。这类方案的优点是层次清晰，对基本的实时性能支持明确，且可预测。另外在调度机制方面已经实现了基本的优先级调度。
(2)致力于软实时的支持方案，例如RED Linux , KURT和Hard Hat Linux，这几种方法的实现思路迥异，但都是通过直接修改Linux内核源代码，替换与时间或调度相关的代码段。这样的方式虽然也能够实现一定程度的实时工作，但却不适合具有高实时性要求的控制系统。
为了给嵌人式控制器选择一个合适的实时性实现方式，通过对上面几种‘nux实时化方案进行分析，最后选择RTAI作为嵌人式控制系统的实时化平台。依据如下:
(1) RTAI的双内核结构既可以满足实时应用对时间约束的要求，又可以利用Linnx原有内核的丰富软件资源;
(2) RTAI能够实现内核的可抢占性，实时中断机制，以及动态优先级调度等基本实时机制，能够满足嵌人式控制系统的实时性需求;
(3)相对于RTLinux, RTAI的功能更明确，易于跟踪Linux版本的升级，可基于嵌人式Linux的开放式控制平台应用更新的Linux稳定版本;
(4)完全开放源码，方便针对嵌人式控制应用的内核调度机制进行改造。
主要实时功能模块配置方式如下:
工作台位置控制motor)决定机床精度和运行安全，它从插补缓冲区intERPolate_fifo)计算出下一周期的实际坐标增量，输出到伺服单元驱动步进电机工作。因此将其设计成周期性RTAI线程，运行周期为4ms, 1级优先权。
功能控制任务control)是利用fifo从用户层向内核层传递控制命令、如点动、暂停、自动等，并实现对I/O口的控制。此任务采用实时中断策略，在接受到控制命令后，内核暂时中断位置控制任务。
滚刀插补任务intERPolate ( )要从插补准备缓冲区prepare_fifo中取出数据，然后进行插补运算，将结果送人到intERPolate_fifo( )。此任务也设计成周期性RTAI线程2级优先权，运行周期和位置控制任务频率设置成相同。
状态检测任务monitor)将传输到v0口的各个速度传感器、压力传感器状态保存在status_ fifo()中，同时负责对运行时电压、电流等值的状态进行判断。因为要对机床状态进行实时监控，因此设置此任务运行周期为10ms，优先级为3级。
5 系统仿真
系统具有参数化仿真滚齿加工过程的功能。首先输人有关齿轮的毛坯图和刀具图参数，用它们分别模拟范成对象和范成工具。然后根据CAD软件优化得到的非圆齿轮设计参数，绘制出其毛坯图。待加工齿轮的参数，也是所需刀具的参数，据此绘制刀具图。使两者按确定的啮合规律相对运动，刀具的齿形就会逐步包络出齿轮的齿形。也可通过直接输入非圆齿轮的特征参数进行仿真。
6 结论
该非圆齿轮滚齿加工数控系统具有模块化、参数化的特点，集成程度高，实时性和精度都能满足设计要求。其电机控制模块、误差补偿模块、实时模块都可以略加改造适用于其他的齿轮加工数控系统，同时其基于嵌人式Linux的软件设计具有完全自主的知识产权，克服了原来的单片机和DOS下数控系统的弱点，而且具有开放性、可扩展性和稳定性的特点，同时可以利用Linux的网络特性，实现数控系统的远程控制、资源共享等等。
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本文标题：非圆齿轮的滚齿加工数控技术研究
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