FANUC | 在齿轮机上的应用（中）— 功能篇

首先介绍一下实现齿轮加工的基本功能，再逐步扩展到更高端的需求。

齿轮加工的方法无外乎两种，成形法和展成法。对于展成法，需要在加工时，强制保持工件和刀具的传动比。在数控机床上，如何实现软件上的展成传动链呢？在FANUC系统上有电子齿轮箱和柔性同步控制两种实现方式，我们下面为大家分别说明。

FANUC的电子齿轮箱是专用于齿轮加工的功能，其基本原理是，从动轴的移动指令，是在主动轴位置反馈的基础上，叠加比例关系后，再控制从动轴进行移动，这种方式能够实现主、从轴的定比传动，使从动轴，一般就是工件轴跟随主动轴就是刀具轴进行定比旋转。我们一般也称为EGB，FANUC的EGB特别适合实现齿轮加工中刀具和工件的展成关系，为什么这么说呢，因为他有以下两个特点：

首先，主从式的控制结构，也就是我们常说的基于反馈同步，从流程图上可以看出，从动轴的指令来源是主动轴的反馈，那么基于这种控制方式，实际上主动轴并不是整个流程中的控制对象，控制对象只有从动轴，影响传动精度的因素得以减小，容易获得更高的传动精度。因此，在滚齿等展成法加工的齿轮机上，推荐使用电子齿轮箱功能来实现滚刀轴和工件轴的定比传动。

FANUC的EGB可以有两种方案，如图所示，区别就在于如何获取主动轴的反馈。对于精度要求较高的场合，可以选择B方案，在主轴侧安装位置编码器，将主轴的位置反馈传送给从动轴作为位置指令。如果希望控制成本，在精度符合要求的条件下，可以采用A方案，即省去位置编码器，直接从主轴放大器上获取主轴的位置反馈。

除电子齿轮箱EGB功能以外，FANUC还提供诸多与电子齿轮箱相关的功能，如表所示，EGB自动相位同步可以自动对合工件轴与刀具轴的加工起始点，即便中途断电，也可直接再加工，无需重新对齿。而如果刀具轴和工件轴全部使用主轴电机，则可以使用主轴EGB功能实现两轴间的比例同步。

为了实现主从式同步，除了电子齿轮箱功能外，还有一种方案就是柔性同步控制。

柔性同步控制，也能够实现两轴间的比例同步关系，对比电子齿轮箱和柔性同步的控制流程图，可以看出是有所不同的。柔性同步控制的特点是平行式同步，并且可以实现多达4组的同步关系，适合复杂齿轮的加工需求。柔性同步控制功能也有两大特点：

从控制框图上来看，柔性同步和EGB的区别是，EGB是反馈同步，从动轴跟随主动轴的反馈信号，而FSC是指令同步，从动轴跟随主动轴的指令信号，所以说从同步的机制上是根本不同的。采用平行式的控制方式，两轴间的指令同步发出，不存在指令前后的问题，这样避免了从动轴指令滞后造成的误差。

柔性同步控制下的同步关系十分灵活，叠加式的同步关系，可以将两个主动轴的指令叠加到一个从动轴上。而迭代式的同步关系，可以将一组内的从动轴作为另一组的主动轴，实现一环套一环的同步关系。其中叠加式的同步关系在齿轮机中使用的较多，例如蜗杆砂轮磨齿加工，工件轴除了需要和砂轮轴同步，有时还需要和其他进给轴保持定比传动关系，这种情况下，就可以采用柔性同步控制功能，满足加工需求。

那么刚才介绍了用于实现定比传动两大功能：电子齿轮箱和柔性同步控制，电子齿轮箱是反馈同步，从动轴跟随主动的反馈，柔性同步控制则是指令同步，主、从动轴的同时接收指令。那么结合两个功能的特点和实际加工需要，通常情况下，推荐大家使用电子齿轮箱功能实现刀具轴和工件轴的同步，而其他附加轴的同步关系，可以考虑使用柔性同步控制实现。

EGB和柔性同步控制满足了定比传动的要求，但齿轮加工中的误差（非直驱时，有减速比就会存在累计螺距误差、减速机构本身的误差，直驱下电机转动时磁极间的扭矩变化造成的累计误差）如何消除呢？对此，可以使用FANUC的学习控制功能。

学习控制功能是指在重复同一动作的指令中，将“上一次的位置偏差”反映在下一次的补偿中，通过对误差补偿量在每个循环中进行修改（称为学习），使得伺服延迟误差极小化的技术。

如图所示，对于20Hz的周期性误差，应用学习控制后，位置偏差改善了90%。

齿轮加工中，由于大多数齿轮加工中都会出现周期性误差，所以说学习控制就非常适合在这种场合下使用，并有效消除这些周期性干扰。

在齿轮加工中，诸如滚齿、磨齿等周期性加工，刀具轴切削力以及工件轴的累计误差造成的扰动扭矩，将会随齿轮旋转而周期性出现，此时学习控制可以有效的收敛这类误差，避免周期性干扰。

为了配合学习控制发挥最佳的性能，推荐组合直驱电机来使用，因为学习控制对驱动的安装精度要求较高，采用传统的伺服电机和传动机构，一方面不太容易发挥出学习控制的效果，另一方面，在学习控制方式下，如果传动环节过多甚至有可能损坏机械。举例，在某个机床厂家在凸轮磨上使用学习控制，C轴也就是旋转轴，没有采用直驱电机，而是使用的电机-联轴器-轴的方式，由于联轴器的安装精度不理想，但是为了保证工作，使用的是弹性联轴器，结果在使用了一段时间后，联轴器里面的弹簧片便损坏，因为使用学习控制功能后误差会不断收敛，但是如果机械没有能力达到，这样系统侧就会一直调整，导致机械上出现振动，由于使用的是弹性联轴节，所以振动基本就被吸收了，但是超过极限后，联轴节就会损坏。而直驱电机，因为减少了机械传动环节，那么机械上影响精度的环节就减少了，学习控制就能够发挥最大的效果。

在上期中介绍过，FANUC有三种常用于齿轮加工的直驱电机，BiI、BiS系列都属于主轴电机，切削功率满足的情况下，相对比较简单，而对于DiS伺服电机，相应的机床轴改为直驱之后，切削特性、负载特性等相关的问题也会随之而来，其实以上两个问题在机床上一直存在，只不过之前采用的是蜗轮蜗杆、丝杆、减速等的中间传动环节。这些影响因素经过中间传动环节后对电机的影响已经能够很小，而现在机床轴由电机直接驱动，那么切削抗力、负载特性的影响也就成指数级增加，那么如何解决这两方面问题呢？下面就为大家介绍FANUC的几项核心技术。

首先，为了消除切削抗力或其他进给轴移动产生的干扰，可以使用涉力补偿功能，该功能能够事先预估干涉力，并进行补偿。

其次解决工件轴特性随工件重量变化带来的问题有两大技术。

解决负载特性变化的方法之一：跟随共振滤波器，介绍传统滤波器的作用（一般用滤波器消除高频时的振动），工件变化后，共振频率发生变化，所以普通的减振滤波器不适用了。必须使得滤波器频率随惯量一起变化。而使用此功能时系统会根据扭矩指令的变化，调整滤波器频率，相当于是有一个可以自动调整的滤波器，这个滤波器的频率能够跟着负载特性自动变化。

解决负载特性变化的方法之二：惯量推定功能。当工件发生变化后，负载特性发生变化，相应的系统参数也可能需要调整，如果手动调整将非常繁琐。而使用惯量推定功能自动完成这些步骤，即可轻松应对不同工件的质量变化。

直驱电机能够减少传动环节，降低传动误差，配合FANUC以上三个关键技术，可以有效的解决直驱电机下切削抗力的干扰以及负载特性变化的问题，最大程度的发挥直驱电机高速高精度的优势。

5FANUC齿轮机工艺界面

一台好的齿轮机，除了能加工出高精度的齿轮以外，操作便利、监控直观也是必不可少的。目前来看，通用数控系统的操作界面一般只适用于加工中心和车床，虽然说齿轮加工程序也是由G代码组成，但是在数据修改、机床监控上，都与通用机床有所区别，所以通常需要针对齿轮机床开发专用的工艺操作界面。

开发齿轮机专用的工艺界面具有以下优势：

其一，齿轮加工的G代码程序是根据工艺流程分解而来，模数、螺旋角等工艺参数在加工程序中体现的并不直观，因此输入和修改工艺参数时，出错的概率也会提高，管理也不方便。而编写专用的工艺界面，可以配合图形、流程，引导操作人员修改和确认，提高机床操作的便利和直观性。

其二，部分齿轮机比如弧齿锥齿轮铣齿机，数据运算量相对较大，如果全部转换为G代码，不仅转换比较繁琐，而且实际执行时也可能会降低机床效率，开发工艺界面时，可以方便的将这些数据运算嵌入到NC内部，形式上仍基于通用运算格式，由于是在NC的FROM上进行运算处理，因此也不会降低程序的执行效率。

其三，部分机床厂家制造的齿轮机，其工艺算法和数据可能具有排他性，同时也避免客户错误的修改程序，因此希望能够将加工程序、关键算法进行隐藏。

其四，强化监控，如果能够在系统侧直观的观察机床的运行状况，比如各轴的移动状况，加工进度数据等等，那么机床管理、安全生产的便利性便能有极大提高。

开发工具方面，FANUC提供以下三种开发软件以满足不同机床生产商制作工艺界面的需求：

FANUC PICTURE，这一工具可以让厂家在PC机上快速设计和制作出机床操作画面，而且图形化操作的方式简便易用，可以在较短的时间内掌握并运用。此外，为了进一步满足客户的需求，北京发那科还设有成熟的培训课程，可以免去您独自看书探索的时间，更快掌握工具并制作出个性化、美观的界面。

宏执行器，是一种采用宏语句的格式进行开发的工具，除了可以进行界面开发以外，还可以由用户自定义加工循环或指令，并封装在NC内部，不向用户开放。

C语言执行器，最大的特点是可以实现复杂、大规模的数据运算要求。

以上就是我们本期的全部内容，在下期，我们将为大家呈现一些FANUC齿轮机的成熟方案，我们下期再见。