摘要：文章提出了研製基於直接驅動技術滾齒機的必要性；指出根據現代數控系統的性能，基於軟件插補的主從式同步控制方法最適合於這樣的滾齒機；介紹了這種控制方法的原理和資訊處理程序流程，並進行了精度分析。
關鍵詞：直接驅動 滾齒機 同步控制 軟件插補
1 引言
傳統的滾齒機是傳動原理最複雜的金屬切削機牀，其複雜的傳動鏈造成機械結構非常複雜，並且精度差、速度低、磨損嚴重、調整困難，根本無法適應高速、高精度加工齒輪的要求（特別是幹切削技術對滾齒機的要求）。自從20世紀80年代初數控技術引入齒輪加工機牀以來，滾齒機的技術水平有了明顯的提高，傳動鏈大大縮短，但仍然無法完全取消高精度齒輪副等機械傳動元件，使其加工精度、速度和可靠性等指標無法得到根本性的改善。突破傳統滾齒機的結構設計原理，研究和開發高速、高精度基於直接驅動技術的滾齒機是齒輪機牀的重大變革。我們進行了基於直接驅動技術的滾齒機的研究，即刀具軸和工件軸分別由電主軸和力矩電機直接驅動，去掉了傳動用的高精度齒輪副、蝸輪蝸桿副。這樣的設計使得機械結構大大簡化，同時極大地提高了加工效率和加工精度，但是也對數控系統提出更高的要求。難點在於基於直接驅動技術的滾齒機在更高的加工速度下，如何穩定地實現各聯動軸的同步控制。本文將對有關內容進行探討。
2 滾齒機各座標軸及其運動關係
從展示的三維概念模型我們可以清楚的看到滾齒機的六個座標軸，它們分別是：
A軸：滾刀架回轉B軸：滾刀主軸迴轉C軸：工作臺迴轉X軸：徑向進給運動Y軸：切向進給運動Z軸：軸向進給運動。
3 同步控制
3.1 同步的概念所謂同步，指在控制系統中，有至少一個的受控對象爲主控制對象，另外的受控對象爲從控制對象，當主控制對象的位置確定時（可能是實際值，也可能是設定值），可以根據主從控制對象之間特定的偶合關係計算出從控制對象的位置。當主控制對象位置發生改變的時候，從控制對象應該跟隨移動，確保其實際位置能與根據偶合關係計算出的位置儘可能快地協調一致，這個過程就叫做同步。對於滾齒機來說，B、Y、Z三軸爲主動軸，C軸爲跟隨軸。它們之間的偶合關係就是式（1）。
3.2 基於直接驅動技術滾齒機的同步控制滾齒機的同步控制有基於硬件和基於軟件插補兩種方式。前者是基於以鑑頻鑑相器爲核心的`鎖相伺服系統，透過鎖定各聯動軸的運轉頻率維持系統的平衡，將難以控制的高速滾刀軸排除在數控系統之外，減輕數控系統的壓力。但是它不能實時改變傳動比，控制柔性不高，而且結構複雜，增加成本。我們知道，滾齒機能夠穩定地進行乾式切削所需要的滾刀線速度爲250m/min至400m/min。對於圖1所示的滾齒機，按目前國內用戶常用的模數1mm、外徑爲32mm的滾刀取最大值計算： n＝V×1000／(32×π)＝400×1000／（32×π）≈3979r/min。由此可知，刀具軸的最高速度定在4000 r/min的水平是比較合適的。當今數控系統的性能是可以適應在這個速度下滾齒機的同步控制要求的。因而基於軟件插補的同步運動控制方式是控制基於直接驅動技術的滾齒機的同步運動的最佳方式。
基於軟件插補的同步運動控制可以透過軟件靈活控制傳動比，從而改變工件主軸的速度，大大提高了加工柔性。它具有基於跟蹤隨動原理的主從式控制方式和基於定值控制的平行式控制方式。國外先進數控系統提供了這兩種軟件控制方式的選擇。比如Siemens公司的840D數控系統，在進行軟件電子齒輪箱定義（EGDEF命令）時，就給出了主動軸和隨動軸兩種不同的偶合方式：0和1。若選擇0，計算工件軸C位置所需的3個主動軸的位置參數將是編碼器檢測到的實際值，工件軸的位置由另外三個聯動軸的實際位置決定，也就是主從式的控制方式。若爲1，則是預先給定的值，此時每個軸的地位是相同的，也就是平行式的控制方式。在平行式控制方式的模式下，各軸間沒有聯繫，只要保證好各自的預先設定的精度，我們就認爲滿足了要求，傳動誤差等於各軸的傳動誤差之和。而主從式控制方式由於其跟蹤隨動原理，隨動軸誤差將會控制在一定的範圍內，我們研製的基於直接驅動技術的滾齒機希望在各方面提高精度，在數控系統性能能夠勝任的情況下，我們選擇主從式的控制方式。
主從式控制方法的控制思想來源於基於硬件控制方法中的脈衝頻率鎖相控制思想，希望透過鎖定主動軸和從動軸之間的頻率關係維持系統的正常工作。它以計數器來代替鑑頻鑑相器，透過定時中斷和脈衝計數來獲得脈衝頻率，由軟件算法進行倍頻處理與形成偏差數值。下面介紹具體實現方法。圖3是主從式控制傳動關係資訊處理軟件實現原理。
傳動比誤差範圍與計數值Rc和理論傳動比i有關。在定時時間週期和編碼器分辨率已經選定的情況下，較小的傳動比和較大的工件軸轉速誤差較小，而較大的傳動比和較小的工件軸轉速誤差較大。對於基於直接驅動技術的滾齒機，由於其主軸轉速相比於一般的數控滾齒機，主軸轉速有了成倍的提高，其傳動誤差也會極大地減小。
4、小結
直接驅動技術與滾齒機的結合是滾齒機技術發展的方向，它大大提高了滾齒機主刀具軸和工件軸的轉速，使滾齒機在加工效率、加工精度以及綠色環保方面有了質的飛躍。本文介紹了這種高性能機牀系統最好的聯動控制策略主從式軟件插補控制，這種控制方式控制柔性好，並且主軸轉速越高精度越高，是非常適合於基於直接驅動技術高速高精度滾齒機的。隨着數控系統性能的進一步提升，這樣的控制方式不僅僅實用於滾齒機，還可以適用於任何一種高速高效的齒輪加工機牀。
