深入研究了齿轮加工数控系统的体系结构，分析了非功能齿轮加工数控系统、基于软件插补的全功能齿轮加工数控系统和基于硬件控制的全功能齿轮加工数控系统的体系结构、特点和应用范围。最后，分析了齿轮加工数控系统体系结构的发展趋势。图1传统齿轮机床传动链示意图图2非全功能数控齿轮机床传动链示意图图3基于软件插补的齿轮机床数控系统结构。传统的齿轮机床运动关系复杂。以滚齿机(或蜗杆砂轮磨齿机)为例，齿轮机床中有分度链、差动链和进给传动链，如图1所示。调整既复杂又耗时。快速接近、前进和后退的位置和距离都需要仔细调整或试切，还需要很多辅助部件。为了提高齿轮加工的精度和效率，20世纪80年代以后，国内外开始了齿轮加工机床的数控化改造和生产。特别是近年来，由于微电子技术的飞速发展和基于现代控制理论的高精度、高速响应交流伺服系统的出现，为齿轮加工数控系统的发展提供了良好的条件和机遇。我们将数控齿轮加工系统分为全功能和非全功能两类。
1 非全功能齿轮加工数控系统的结构
配备这种数控系统的机床的进给轴是数控轴，多采用伺服系统。由于齿轮加工的数控化在20世纪80年代刚刚起步，在数控技术还不能满足齿轮加工机床高同步性要求的时候，差速链和差速链还是传统的机械传动(图2)。比如南京第二机床厂的YKS3120滚齿机，重庆机床厂的YKX3132滚齿机，天津第一机床厂的YK520插齿机等。都是2 ~ 3轴数控齿轮加工机床。这种数控加工方法比机械式齿轮加工机调整方便得多。它们可以通过几个坐标轴的联动来实现齿廓修形齿轮的加工，省去了传统的靠模装置，提高了生产率和加工精度。然而，这种用于齿轮加工的数控系统属于经济型数控系统。由于其传送链和差速链仍然是传统的机械，齿轮加工的精度取决于机械传动链的精度。目前，这种齿轮加工数控系统多用于现有机械齿轮加工机床的数控改造。
2 全功能齿轮加工数控系统结构
近年来，由于计算机技术的飞速发展和高精度、高速度响应的伺服系统的出现，全功能数控齿轮加工机床已成为国际市场的主流产品。全功能数控是指不仅齿轮机床各轴的进给运动是数控的，而且机床的展成运动和差动运动也是数控的。目前，差动链和差动链的数控加工方法是不同的。有两种类型：基于软件插补和基于硬件控制。基于软件插补的齿轮加工数控系统。一般这种数控系统的刀具主轴由变频装置控制，工件主轴由伺服电机通过数控指令直接驱动(图3)。目前国内数控齿轮加工机床配置的数控系统多为国外知名品牌的通用数控系统，所以都采用这种基于软件插补的数控加工方式。根据齿轮加工过程中的参数，确定刀具和工件之间的运动关系。例如，在滚齿机上加工圆柱齿轮时，应满足以下要求：nB=ZNCZB (1)，其中nB，nC——为机床的刀具主轴(B轴)和工件主轴(C轴)的转速，r/min zB，zC——分别为刀具和工件齿轮的齿数(号)。斜进给切齿时，蜗杆砂轮磨齿机的深进给和慢进给磨齿过程是缓和的，因此是必要的
运动关系为NC=zbnb sinbvz coslvyzcpmnzcpmnzczc(2)其中vy和vZ——为y轴和z轴的移动速度，mm/min b和l——为斜齿轮和刀具的安装角度，mn——为齿轮的法向模数。基于软件的mm插补方法的优点是工件主轴转速完全由数控系统软件控制。因此，通过编制合适的软件，可以用通用刀具快速、准确地加工非圆齿轮和变位齿轮，加工精度远高于传统的机械仿形加工方法。例如，合肥工业大学CIMS研究所为重庆机床厂的YK3480CNC数控非圆滚齿机开发的STAR-930E数控系统，成功地实现了非圆齿轮的高速、高精度滚齿和插齿加工。目前，由于控制精度和动态响应的原因，基于软件插补的齿轮加工数控系统不能满足高速高精度磨齿机的要求。随着计算机速度的不断提高，新的控制方法的出现，控制精度的提高，这种方法的应用会越来越广泛。图4基于硬件控制的齿轮机床数控系统结构基于硬件控制的齿轮加工数控系统在传统的齿轮机床中，刀具和工件由同一个电机驱动，传动链很长，传动元件(如锥齿轮、万向联轴器等。)其精度不易提高，所以机床精度的提高是有限的。目前多采用光电盘式脉冲分频分度传动链。砂轮以固定速度旋转，并带动信号传输元件(如光电盘)。光电盘信号数字化分割后，控制工件轴伺服电机以一定速度旋转，实现精密分度传动关系。同时，机床的差动链也包含在控制系统中，系统结构如图4所示。IPC负责控制刀具主轴的转速和工件各进给轴的运动，而工件主轴则完全由硬件控制。控制电路实现分度和差动，即实现表达式(2)，其中控制电路中的微分系数和膨胀比是可调节的，并由IPC修改。在齿轮切削过程中，工件的旋转运动、刀具的旋转运动以及进给轴之间的运动在公式(2)中有严格的描述。将转速换算成各轴的脉冲频率，代入式(2)得到各轴脉冲频率的关系为FC=zbncfb sinbncfz coslncfykbbfkfny kzfz zcnbpmnzcny(3):NC和NC——为B轴和C轴每转一圈反馈的脉冲数，NZ——分别为Y轴和Z轴每运动1mm反馈的脉冲数。等式(3)由锁相伺服系统实现，其结构如图5所示。图5基于硬件控制的齿轮锁相伺服系统
加工数控系统的优点：采用硬件控制，特别是采用高同步精度的锁相伺服控制时，精度高，响应速度快。缺点：结构上比较复杂，比软件插补的方式多一个硬件控制电路部分。硬件控制的电子齿轮比[差动系数、主传动比，即式(3)中的有关系数]目前还不能做到实时修改，即不能实时改变工件主轴的转速，因而不能用于加工非圆齿轮等。目前国外知名品牌的齿轮加工数控机床如Gleason、Reishauer、Pfauter等基本都采用这种控制系统。