（机械电子工程专业论文）基于mtc200开放式数控系统的数控齿扇插齿机改造.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 现代数控技术是现代制造技术的基础，数控机床是提高产品质量、提高生产率必不 可少的物质手段。机床数控改造是恢复机床生命力的有效方法，其成本低、周期短，并 能增强原机床技术性能指标，已经成为适合我国国情，促进制造业技术进步的重要手 段。目前，国内汽车产业发展迅速，而扇形齿轮是汽车循环球齿条齿扇转向器必不可少 的零件，因此需要高效，高精度的齿扇加工机床。由于转向器用扇形齿轮齿形具有变速 比变鼓的特殊性，普通机床的传动机构不能实现变速比齿扇的加工，通常只能用专用数 控机床加工。因此，研究扇形菠轮的加工原理、改造旧的齿扇插齿机具有重要意义。 本文分析了数控技术的国内外发展概况，重点评述了现阶段比较流行的开放式数控 系统，并介绍了开放式数控系统m t c 2 0 0 的体系结构和技术特点。分析了齿轮插齿加工 的特点，并根据循环球式转向器的工作原理推导出定比、变比、定比鼓形和变比鼓形扇 形齿轮的加工原理和数学模型。对一台齿扇插齿机的结构进行了详细的阐述，并指出其 存在的具体问题，提出了总体改造方案。通过对原机床数控系统的配置进行了分析，论 证了力士乐m t c 2 0 0 数控系统的可行性。对原机床重新设计和编制了齿扇插齿机的总体 控制程序、p l c 程序和n c 加工程序。在系统调试阶段，对机床数控系统参数进行了监 测和优化，根据零件试切检验结果对机床误差进行了理论分析，提出了软件补偿。实践 证明，软件补偿地方法是可行的。 经过一段时间的运行表明，改造后的系统可靠性高、性能稳定、操作界面友好、生 产效率也有所提高，达到了预期的目标。 关键词：开放式数控系统，数控插齿机，扇形齿轮 沈阳工业大学硕士学位论文 r e c o n s t r u c t i o no fc n cg e a r s h a p i n g m a c h i n eb a s e do nm t c 2 0 0 o p e n c n c s y s t e m a b s t r a c t t h em o d e mc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) t e c h n o l o g yi st h ei b u n d a t i o no ft i l e m o d e m m a n u f a c t o r yt e c h n o l o g y c n cm a c h i n e i sa l le s s e n t i a lm a t e r i a lm e a n st oi m p r o v et h e p r o d u c tq u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i v i t y r e c o n s t r u c t i o no f m a c h i n eb yu s i n gc n c s y s t e m ，w h i c h h a st h ec h a r a c t e r so fl o wc o s ta n ds h o r tp e r i o d i sa ne f f i c i e n tm e a n st om s t i t u t et h em a c h i n e a n dt h a ti tc a nr e i n f o r c et h eo l dt e c h n o l o g yi n d e xt h i sm e a n sp r o m o t e st h ep r o g r e s so ft h e m a n u f a c t o r yi n d u s t r y ，w h i c hi sa d a p t e dt ot h ec i r c u m s t a n c eo fo u rc o u n t r y c u r r e n t l y ，t h e d o m e s t i ca u t o m o b i l ei n d u s t r yd e v e l o p sq u i c k l y ，a n ds e c t o rg e a ri sn e c e s s a r yp a r to f a u t o m o b i l e b a l lr e c i r c u l a t i n gs t e e r i n gg e a r s ow en e e de f f i c i e n ta n da c c u r a t es e c t o rg e a rs h a p i n gm a c h i n e b e c a u s eo ft h es h a p eo fs e c t o rg e a ri nt h es t e e r i n gg e a rh a st h ec h a r a c t e r so t 7v a r i a b l er a t ea n d v a r i a b l et o o t ht h i c k n e s s i ti si m p o s s i b l et om a c h i n i n gt h es e c t o rg e a ro fv a r i a b l er a t e b rt h e d r i v e ro fn o r m a lm a c h i n es ow ep r o d u c et h es e c t o rg e a ro n l yb yp r i v a t ec n cm a c h i n e l h e r e l b r e ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yt h em a c h i n i n gp r i n c i p l ea n d r e c o n s t l u c tt h el b m l a ls e c t o rg e a r s h a p i n gm a c h i n e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fc n cs y s t e m a n de m p h a s i so nt h ec u r r e n t p o p u l a ro p e n i n gc n cs y s t e mi nd e t a i l ，e s p e c i a l l yt h es t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yc h a r a c t e r so f m t c 2 0 0 s y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y z i n ga b o u tt h ec h a r a c t e ro t s e c t o rg e a rm a c h i n i n g a n dt h e p r i n c i p l e o fb a l l r e c i r c u l a t i n gs t e e r i n gg e a r ，i t i sd e d u c e dt h a t m a c h i n i n gp r i n c i p l e a n d m a t h e m a t i cm o d e lo fv a r i e t yo fs e c t o rg e a r s t h es t r u c t u r ea n dp m b l e mo fas e c t o rg e a r s h a p i n gm a c h i n ea r ei l l u m i n a t e d ，a n dt h e w h o l er e c o n s t r u c t i o ns c h e m ei s p u t t e d l b r w a r d a c c o r d i n gt ot h en e e do fc o n f i g u r a t i o no ft h et b r m a lm a c h i n e t h i sp a p e rd e m o n s t t a t e st h e f i m s i b i l i t yo fa p p l i c a t i o no fm t c 2 0 0s y s t e m 7 h ew h o l ec o n t r o lp r o g r a l n 、p l cp r o g r a m a n d n c p r o g r a ma r cr e d e s i g n e d d u r i n gt h ed e b u g g i n g o fs y s t e m ，p a r a n l e t e r so fc n c s y s t e ma r c m o n i t o r e da n do p t i m i z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f t e s t i n gm a c h i n i n g ，t h ep a p e ra n a l y z e st h e 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 e l t o ro f m a c h i n e , a n d p u t sf o r w a r ds o f tc o m p e n s a t o r ya p p r o a c h w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a ti ti s f e a s i b l eo f s o f tc o m p e n s a t o r y a p p r o a c h a f t e rap e r i o do f r u n n i n g ，i ts h o w st h a tt h er e c o n s t r u c t e ds y s t e mh a sh i g hr e l i a b i l i t y 、 s t e a d yc a p a b i l i t y a n df r i e n d l yi n t e r f a c e t h ep r o d u c t i v e e f f i c i e n c y i s i m p r o v e d ，a n dt h e a n t i c i p a n tt a r g e ti sa c h i e v e d k e yw o g i c l f l ：o p e n i n g c n c s y s t e m ，c n cg e a rs h a p i n gm a c h i n e ，s e c t o rg e a r 一3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：鞋蕴 日期：塑墅：! ：也 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： 驻违 导师签名：燃日期：坐篓：i ! ! ! 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 数控系统概述 1 1 1 数控系统发展概况 1 9 4 9 年，美国帕森公司与美国空军合作，研制了一种计算装置，用于满足日益复杂 的飞机叶片的自动加工，于是，帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。在半个世纪 里，数控技术经历了电子管数控系统、晶体管数控系统、集成电路数控系统到微型计算 机数控系统( c n c ) 四个阶段【”。 现代数控技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的机床控制新技术，它综合了微电子技 术、计算技术、现代控制技术、传感器检测技术、信息处理技术和机械制造技术，是先 进制造技术的核心。而采用数控技术的典型产品一数控机床是机电工业的重要基础装 备，是汽车、石化、电子等支柱产业现代化的重要手剧“。 进入9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换 代。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的 新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性和扩展 性，并向智能化、网络化方向大大发剧3 矧。 数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展， 数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前 馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动 参数动态补偿等功能。而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故 障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动 识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统己实用化刚。 总之，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速 度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。 1 1 2 数控系统开放化 ( 1 ) 数控系统基本原理 沈阳工业大学硕士学位论文 数字控制( n u m e r i c a lc o n l r o l - n c ) ，简称为数控，是一种自动控制技术，是用数 字化信号对控制对象加以控讳4 的一种方法。数字控截是相对于模拟控制而言的，数字控 制系统中的控制信息是数字量而模拟控制系统中的控制量是模拟量。数字控制与模拟控 制相比有许多优点，如可用不同的字长表示不同精度的信息，可对数字化信息进行逻辑 运算、数学运算等复杂的信息处理工作，特别是可用软件来改变信息处理的方式或过 程，而不用改动电路或机械机构，从而使机械设备具有很大的“柔性”。因此数字控制 己被广泛用于机械运动的轨迹控制和机械系统的开关量控制如机床的控制、机器人的控 制等。数字控制的对象是多种多样的，但数控机床是最早应用数控技术的控制对象，也 是最典型的数控化设备。数控机床是采用了数控技术的机床或者说是装备了数控系统的 机床。国际信息处理联盟( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o no f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g - - i f i p ) 第五 技术委员会对数控机床作了如下定义：“数控机床是一种装了程序控制系统的机床，该 系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。”定义中所提的程序 控制系统，就是数控系统( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 。数控系统是种控制系统，它 自动输入载体上事先给定数字量，并将其译码再进行必要的信息处理和运算后，控制机 床动作和加工零件。最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统。随着 微型计算机的发展硬件数控系统己逐渐被淘汰。取西代之的是计算机数控系统 ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 简称c n c 。c n c 系统是由计算机承担数控中的命令发 生器和控制器的数控系统。由于计算机可完成由软件来确定数予信息的处理过程从而具 有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的 性能大大提耐例。 ( 2 ) 数控系统开放化的背景 随着技术、市场、生产组织结构等多方面的快速变化，数控系统面临着许多新的挑 战。不断出现的新的加工需求，要求数控系统和数控机床具有更强的模块化特性和软硬 件重构的能力，同时这种重新构筑所需的成本和周期要较目前有很大的改观。数控系统 的供应商必须提供主机生产厂家把他们自己的专科技术集成进入系统的枫制，而无需向 系统供应商提供任何自己技术上的秘密，这一点对于数量越来越多的专业化机床厂尤其 重要。应提供逐渐改变数控机床生产厂家对数控系统高依赖性的手段，逐渐规范和标准 沈阳工业大学硕士学位论文 化数控系统的设计，大幅度地降低数控系统和数控机床的开发、维护和培训的成本和周 期。改变目前数控系统的封闭型设计，为适应未来车间面向任务和定单的生产组织模式 奠定良好的基础，使底层生产控制系统的集成更为简便和有效”q 】。 综上所述，寻求一种能够很好解决上述问题的新的数控系统的发展模式已成为必 然。从根本上讲，要适应数控系统的发展，必须重新审视原有数控系统的设计模式，建 立新的开放型的系统设计框架，使系统向模块化、平台化、工具化和标准化发展 1 2 , 1 3 l 。 ( 3 ) 开放式数控系统的相关概念 i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 是这样定义开放式数控系统的：“具有下列特 性的系统可以被称为开放系统：符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台 上，可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面( a no p e n s y s t e mp r o v i d e sc a p a b i l i t i e st h a te n a b l ep r o p e r l yi m p l e m e n t e da p p l i c a t i o n st or u no nav a r i e t y o f p l a t f o r m s f r o m m u l t i p l c - v e r d o r s , i n t e m p e r a t ew i t h o t h e r s y s t e m sa p p l i c a t i o n s , a n dp r e s e n ta c o n s i s t e n ts t y l e o f i n t e r a c t i o n w i t h t h e u s e r ) ”。 由此可见。开放式数控系统应当具有以下几个方面的基本特性，既互操作性、可 移植性、可伸缩性、可互换性1 1 5 ，1 6 1 ： 互操作性( i n t c m p c r a b i l i t y ) ：具备标准的接口、通讯和交互模型； 可移植性( p o r t a b i l i t y ) ：应用模块可以在不同制造商的多种平台上运行； 可伸缩性( s c a l e a b i l i v y ) ：可通过增办q 或删除特定模块来增减系统功能； 可互换性( i n t e m h a l l g e a b i l i t y ) ：具有相似性能特征的模块之间可以互换使用。 我们还可以从比较通常的意义上来理解开放式数控系统的实质，它应该是一种通用 计算机上的标准应用程序，面不再是像传统的数控系统那样包含有许多插件板的专用硬 件系统口 i t 。 ( 4 ) 基于p c 的开放式数控系统 目前，由于p c 的通用性，开放性，各种接口、协议的透明与稳定，基于p c 平 台的开放式数控系统正在得到广泛的应用。p c - - n c 的主要形态有三种1 啦2 】： 1 ) n c 板插入p c 中，就是实现n c 本体功能的插卡化，因此能够实现与用户接 口、主系统通信的开放化。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) p c 板插入n c 装置中、是在n c 内部加装p c ，p c 与n c 间用专用总线连接。 优点是n c 原型几乎可不加改动地使用，缺点是不能直接使用通用p c ，n c 的开放程 度受到限制。 3 ) 软件n c ，是指能够以软盘文件的形式来管理n c 程序，在没有“n c 意识”的 情况下，以p c 的感觉实施n c 。 以上三种形态各有所长，各有所短，而此次数控改造使用的m t c 2 0 0 属于n c 板 插入p c 中的形式。 1 1 3 机床的数控改造 数控改造隶属于机电一体化的一个分支。 机电一体化技术，英语为m e c h a t r o n i c s ，即以机械学、微电子学和信息科学 三者进行有机地、紧密地结合而构成的一种综合性优化技术。应用这种技术制造出来的 产品，即机电一体化产品，具有结构简单、功能强、效率高、能耗低等特点。尽管机电 一体化产品的大小不同、功能各异，但都由这5 部分构成：机械本体、传感器、接口、 微处理器和执行机构。其中传感器、微处理器和执行机构为主要部分。人们把传感器技 术、计算机技术、执行器技术称为机电一体化技术的三大支柱1 2 3 1 。 当前，机电一体化技术的覆盖函极其广泛，在改造传统工业方面尤其显示了它的无 比优越性。具体表现在 2 3 1 ： ( 1 ) 在原有的机械产品中增加信息处理装置或利用微电子装置( 数控系统) 代替原产品的部分机械控制机构。数控机床就是一种典型的机电一体化产品，它是 利用数据技术，接照事先安排的工艺流程，高精度和高效率地实现规定动作的自动 化机床。 ( 2 ) 在新的机械产品设计中，应用“机电一体化技术”开发出以电子技术为主的 新产品的功能大大超过纯机械型产品，如配电网中应用的自动重合器、分段器和自动配 电开关。 ( 3 ) 将电子技术和机械技术各自的优势结合起来，人们能开发出前所未有的高技 术产品，如智能工业机器人等。 一4 - 沈阳工业大学硕士学位论文 当前，我国还处于发展中国家阶段，财力有限、普通机床存量大，将普通机床改造 为数控机床，可以作到花钱少，效果大，更为适合我们的国情。还有部分早期的数控 机床因为数控系统部件的技术老化需要进行改造，使其起死回生。本次改造也是因为数 控系统老化而进行的刚。 总之，数控改造在提高传统产业的劳动生产率和产品质量，节约能源、合理利用资 源，实现企业科学管理等方面有着不可低估的作用，是未来高科技产业的生力军。 1 2 课雕出的背景 1 2 1 对扇形齿轮及其加工设备的需求 在现代汽车、机械、仪表等行业中，变速比机构的应用越来越广泛。比较典型的应 用就是汽车循环球式转向器。循环球式转向器由两个传动副组成：滚珠丝杆副和齿条齿 轮副。为了满足转向轻便和操纵灵活的要求，其传动比通常设计成变化的”1 。常用的变 传动比转向器通过等距齿条与变节径的齿扇啮合来实现。齿扇通常还被加工成轴向变厚 齿扇，这样通过轴向移位可以消除啮合间隙。 目蔚。一些能够实现变速比齿扇加工的插齿机大多采用基于糟密凸轮的枫械变速机 构，机床结构复杂，且一种工件对应一个凸轮，当被加工齿扇的参数变化时，其变速凸 轮必须随之更换，机床柔性差，使用不方便。随着变比齿扇种类的增多和应用的目益广 泛，对插齿机综合性能提出了更高要求。制造业的同仁都意识到c n c 技术及其软件的 应用是改变目前插齿工艺落后的最有效的手段。德国的利勃海尔( l i b e l l e r _ r ) ，美国 的费洛斯( f e l l o w s ) 等都推出了其品牌的多坐标控制的数控插齿机刚，我国的长江机 床厂、天津机床厂也研制了数控齿扇插齿机。随着汽车工业的高速发展，解决变速比齿 扇加工工艺落后、质量差的问题显得越来越重要。为了满足市场需求，汽车转向器行业 迫切需要高效、高精度的齿扇加工方法和设备，这正是本文工作的出发点。 1 2 2 课题的来源 中国豫北航空机械厂于前几年引进了由华中理工大学和长江机床厂共同研制开发的 数控齿扇插齿机。经过几年的运行，该机床数控系统己处于故障频发期，尤其是夏天， 由于河南天气较热，系统经常无故死机，严重影响了生产效率，增加了生产成本。而且 该机床的伺服驱动系统，主轴变频调速系统也频繁发生故障，经常需要维修。经过检 沈阳工业大学硕士学位论文 测，机床的机械精度和刚性等仍处于较好状态。所以决定对该机床的数控系统和伺服电 机和主轴电机进行改造。 本次改造的目标在于恢复了机床的全部功能，提高系统的稳定性，使平均故障率降 低，使整个生产线更加流畅，提高生产效率，减小废品率。 1 3 本文的主要工作 根据课题要求，本文的工作主要包括以下几方面内容： ( 1 )对齿扇加工原理和机床工作原理进行分析研究： ( 2 ) 对原机床存在的问题和相关结构进行分析，制定机床改造方案； ( 3 )对使用m t c 2 0 0 数控系统改造进行可行性分析； ( 4 )进行机械、电气系统改造； ( 5 ) 重新设计、编制全部数控系统程序； ( 6 ) 进行系统调试，恢复机床原有功能。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 齿扇的特点与加工方式 2 1 1 齿扇的特点 齿轮是机械产品的重要基础零件。齿轮传动是传递机器动力和运动的一种主要 形式，与皮带轮，摩擦轮，链轮等机械传动相比，它具有传动功率范围大，传动效 率高，传动比准确，使用寿命长，安全可靠，结构紧凑等优点，广泛应用于汽车， 航空，造船，军工等行业领域【2 7 】。 齿轮传动正朝着高效，高精度和实现特殊传动的方岛不断发展。齿扇就是为了实现 特殊传动而产生的一种特殊齿轮。如图2 1 所示，一般用于汽车的循环球式转向器中的 齿扇只有3 5 个齿。汽车在直线或接近直线高速行驶时，要求有较高的操纵稳定性和 较强的路感反应；而在低速转向时，则要求操纵轻便。转向器的齿条齿扇传动副采用变 速比，能够兼顾两者的要求，从而显著地提高汽车的操纵性能。由于齿扇变速比传动的 特殊性，普通机床的传动机构不能实现变速比齿扇的加工。因此，为了适应齿扇加工技 术特点，齿扇加工机床必须向数控机床方向发展，充分发挥数控加工的精度高、加工质 量稳定、可以加工复杂零件的特点圆。 豳2 1 齿赢示意圈 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 2 插齿的加工加工 在现代加工工业中，齿轮的加工方法多种多样，随着对齿轮精度要求的不断提高， 新的齿轮加工方法不断出现。目前传统的齿轮加工方法有切齿法，铸造法，冷扎法，热 扎法，冲压法，模锻法，粉末冶金法等，其中最常用的方法是切齿法。齿轮切制的主要 方法有：滚齿，插齿，剃齿，磨齿，研齿，铣齿等。 插齿是一种广为采用的切齿方法，可以作最终加工也可用作精加工前的切齿工 序。特别适合于加工一些用滚齿加工不出来或不太适合加工的齿形，譬如像内齿轮、多 联齿轮及带内凹的各种非圆齿轮等。变比或变鼓齿扇属于特殊的齿轮，因此非常适合采 用插齿加工鳓。 目前，随着工业生产对齿轮精度和质量的要求不断提高，在现代技术不断的发展 下，特男4 是电子。计算机技术的飞跃发展，使得插齿加工技术也在不断提高。这主要表 现在如下几个方面： ( 1 ) 高速化 因为新型工艺，以及新材料插齿刀的使用，高速插齿将得到更为广泛的应用，它极 大地提高了插齿效率，而且还可以得到更高的表面光洁度和加工精度。 ( 2 ) 智能化 根据机床的应力应变和温升情况，动态调整机床切削工艺参数，从而提高齿轮加工 精度和生产效率。如将应力应变传感器或热电偶放置于机床的控制要点，将采集的数据 输入机床的数学模型后经过频繁校正，可大大提高插齿机的应力或热变型的误差补偿效 果，达到提高齿轮精度的目的。 ( 3 ) 数控化 数控化是插齿机加工技术最重要的发展方向。数控插齿机可大幅度提高齿轮的加工 精度、生产效率和柔性1 3 0 】。 目前，齿扇的主要加工方式是数控插齿加工。 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 插齿机的工作原理及插齿工艺 2 2 1 插齿加工原理 插齿加工原理是对圆柱齿轮无间隙的啮合的原理，如图2 2 所示。这一对齿轮 中一个是工件，另一个是插齿刀。 撅坳 插齿时插齿机先趋近工件，与工件接触后开始进行刀切削，切削过程中，插齿刀与 工件连续不断的慢速旋转，形成对滚运动，并保证插齿刀转过一个齿，工件转过个 齿，或插齿刀转过一转，工件转z 。z ( z 。插齿刀齿数，z 工件齿数) 转的关 系。在对滚运动的同时，插齿刀作上下往复的快速切削运动，在齿坯上逐渐切出齿型。 由图2 3 可以看出，被加工齿轮的齿型的表面就是插齿刀与齿坯相对运动中刀刃先后位 置的包络线。 沈阳工业大学硕士学位论文 刁r ： 一渐开线 插齿刀的上下往复运动是切削运动，它的速度用插齿机在一分钟内往复次数n 表 h ：l o 磊0 0 v ：5 0 - 0 v ( 往复次数每分) 2 三上 、 。 4 7 ( 2 1 ) 式中：v 插齿切削速度，一般取1 2 2 0 米分： 插齿刀行程长度，l = b + ( 3 8 ) 毫米。 工件与插齿刀的转动形成圆周进给运动。当插齿刀在一分钟之内的往复次数一定 时，两者转动的快慢决定了插齿时的圆周进给量s 。s 。以插齿刀每往复一次时插齿刀 沿分度圆转过的弧长来表示，一般取s 。= o 1 2 o 3 毫糖往复行程。 插齿时，插齿刀不能在开始插削时就立刻切到全齿深，而要逐渐切到全齿深，否则 插齿刀会因为切削负荷过大而损坏，所以除了上述两个基本运动外，还需要个刀具的 径向进给运动。径向进给运动量以插齿刀每往复一次径向移动的距离s ，表示。当径向迸 给到全齿深时，由机床自动断开径向进给运动。 另外，为避免插齿刀在返回行程中损伤工件的已加工表面，旦减少刀卤与工件轮齿 表面之间的摩擦，在插齿刀的返回行程中，工件或插齿刀要作让刀运动。 - 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 2 数控齿扇插齿加工的原理及其优越性 数控齿扇插齿机的工作原理和普通插齿机的基本上一样，只是插齿刀具由齿轮形刀 具改为齿条刀具，如图2 4 所示。在数控插齿机中，数控系统控制x 、y 、c 轴和插齿 刀的运动，通过改变和算法，可以加工出各种非圆齿扇和修形齿扇，工件绕c 轴转动， 并作y 向运动，而齿条刀具则作x 向进给。从而完齿扇的加工。 刀具安装面 x 一 2 ，缈 一 f 羹 弋弋、一( 自扇中一堡! 三堡堡皇! 少 土x 齿扇 y 圈2 4 齿囊插齿机加工原理 数控插齿机具有以下优点1 3 l j ： 1 ) 数控插齿机的机械传动链大大缩短，机床刚性增强，切削用量加大。由于不需要 挂轮和行程挡块，机床的调整时间显著缩短，齿扇的生产效率得到了极大韵提高。 2 ) 提高了齿扇的加工精度。机械传动链缩短或被取代，机床的运动精度和定位精度 极大提高。计算机技术快速发展，伺服驱动系统的脉冲当量不断减小，新的智能控制算 法的应用，刀具磨损和热变形的自动补偿等等，使齿扇的加工精度明显提高。 3 ) 加强了齿扇加工的柔性。数控技术的采用，可实现任意的齿扇加工循环，便于实 现小批量多品种的齿扇加工，使数控插齿机易于与其他种类的机床组成柔性生产线。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 转向器用扇形齿轮加工原理 循环球式转向器广泛应用在轻型及中型汽车上，其结构如图2 5 所示，方向盘与螺 杆相连，其转动通过滚珠带动螺母齿条移动后者与摇臂轴齿扇啮合，带动摇臂摆动；再 经转向传动机构驱动车轮按照驾驶员的意志转向阮3 3 1 。如上文介绍，齿扇一般采用变速 比，而变速比传动具有其特殊性，传统的定速比啮合理论已不再适应这一新的传动形 式。因此，必须对其进行专门研究，以便为这种新型转向器的设计及制造提供理论依 据。 圉2 5 转向器传动示意圈 2 3 1 定比齿扇的舡原理及参数 定比齿扇是四种齿扇加工中最简单的种加工方式，定比的含义就是传动比恒定， 因此其加工的原理如下： 式中：f 传动比； y = 7 依 ，以 1 = 一 一1 2 一 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 m 模数，单位为m m ； z 全齿数； y 酋条位移； 协齿扇转角，单位为度。 2 3 2 变比齿扇的加工原理及参数 变比齿扇是一种变传动比的齿扇。在机床坐标系中，变比齿扇的速比曲线如图所 示。由图2 6 可知，当一纸s 妒馈和伊锄，甲伊2 时为定速比传动，即 ( 伊) = i 。和 f ( p ) = 。，在一仍9 一奶和吼茎妒仍时，速比曲线按线性规律变化。根据式 ( 2 2 ) ，可得切向运动y 轴与齿扇转动轴的联动运动规律如下： y = 一1 3 一 ( - 仍纯呻2 ) f( 仍s 吼一仍) j ( _ 仍吼茎妒。) 伊。妒，) ( 尹2 口s 妒，) ( 2 4 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 式中：f 。：阜： 。：睾： f 最大传动比； i 。最小传动比； 研模数，单位为1 1 3 1 1 1 ； z 一最大传动比对应的齿数； z 。摄小传动比对应的齿数； 霞齿扇轴转角，单位为度。 由图2 6 可知，当例= 死或p ：时，f 将不连续，转动速度将发生阶跃，意味着在这 些过渡点，传动将发生撞击，影响平稳性。为解决这一问题，可将速比曲线改为余弦曲 线或摆线等，这里不赘述。 2 3 3 定比鼓形齿扇的加工原理及参数 如图2 7 所示，加工鼓形齿扇时，通常x 轴的变位规律以y 轴为变量描述，即 x t v ) 。 图2 7 变位曲线定义 一1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 i ：+ 。y ：一1 y | ，增p x ( _ y ) 2 t三三二三i2一y，培目 ( - y 3 y 一y 2 ) ( - y 25 y 蔓一y 1 ) ( - y 。y y 】) 】y y 2 ) t y 2 y y ，) ( 2 5 式中：x o 加工起始点轴坐标( 由机床调整对刀时确定) x 正变位鼓形量； 口。当前累积进刀深度； 培伊：l 。 y z y l 而实际加工时，通常直接给出x ( 效) ，将式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 带入式( 2 5 ) 中， ! o n t 式： x ( 霞) = x o a p 矿”缸( ，一磐 x o 一口口+ a x 矿矿q ，一慧 x o 一口。 ( _ 妒，伊。一妒：) ( 妒：眈一妒；) ( _ 尹：s 伊。s “) 瓴纯妒：) 慨- 6 p 3 ) ( 2 6 ) 2 3 4 变比鼓形齿扇的加工原理及参数 变比鼓形齿扇是指既有变速。又有变位的齿扇，因此其加工的数学模型也就是将公 式( 2 4 ) 和公式( 2 6 ) 联立起来。这里就不在赘述了。 一1 5 一 厂，l，iil、l、 沈阳工业大学硕士学位论文 2 4 原机床存在的问题及改造方案 待改造的机床为长江机床厂生产的y k 5 6 1 2 型数控扇形齿轮插齿机，主要适用于各 种汽车定速比，变速比循环球齿条齿扇式转向器中以及动力转向器中齿扇轴轮齿的加 工。该机床为水平t 型和立式纵向布局，半封闭防护，吊挂式操作按钮站。机床的主驱 动采用交流变频调速系统，可实现无级调速切t l l h 插齿刀的上下往复运动采用双v 型 导轨结构，切削速度大幅度提高；选择了新型曲柄轴与让刀轴对接结构，简化了驱动箱 结构；让刀凸轮过度曲线采用修正梯形曲线，让刀滚子及各轴均采用了无间隙酉a 合的紧 锁装置，提高了系统的动态性能及稳定性。工件夹紧油缸采用新型的无配油盘回转油缸 结构。机床加工最大工件直径1 2 0 r a m ( 扩展到1 8 0 m m ) ，最大模数l o m m ，最大齿宽 8 0 m m ，切肖q 角3 1 5 0 7 5 0 ，插齿刀冲程数9 0 6 6 0 冲程m i n ，c 轴圆周进给量0 0 4 0 5 m m 冲程，c 轴转速0 0 4 4 6 r m i l l ，x 轴进给速度l 2 0 0 0 m m r a i n ，y 轴切向 速渡5 3 0 0 0 m m r a i n 。 机床三轴联动，交流伺服驱动，x 轴为径向进给运动，y 轴为切向进给运动，c 轴 为工件旋转运动，机床各轴布置如图2 ，8 。 y 沈阳工业大学硕士学位论文 经过几年的运行，该机床数控系统己处于故障频发期，系统经常无故死机，严重影 响了生产效率，增加了生产成本。所以决定对数控系统和伺服电机和主轴电机进行改 造。所以对原机床进行数控改造时，必须首先在机械上确认，该数控机床是否有改造价 值，其中包括以下各种指标： ( 1 ) 机床的机械精度； ( 2 ) 滚珠丝杠的精度： ( 3 ) 导轨的精度； ( 4 ) 机械安装配置：包括伺服电机的安装可行性、测量系统( 光栅编码器) 的安 装可行性等。 经过检验，该机床的机械部分基本完好。所以机械部分不必进行较大的改动。因为 旧的伺服系统经常出现故障，所以此次改造将原来的伺服电机换成新的i n d r a m a t 伺 服系统。由于所选的伺服电机的安装尺寸与原伺服电机不同，需要更换原来的安装法兰 和联轴器。 我1 门对原机床x 、y 、c 轴伺服电机安装部位进行了测绘，改制和新制了相关联接 部件和联轴器。保证了新的伺服电机安装精度。 一1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 3 1 力士乐数控系统m t c 2 0 0 的特点 3 1 1m t c 2 0 0 的特点 ( 1 ) 力士乐数控系统的广泛应用 传统的系统和驱动技术在现代工业中，正处于一个剧烈的转折期。因为随着现代 p c 技术的广泛应用，使得制造商和用户强烈地要求基于p c 技术的系统解决方案，以施 展p c 技术带来的便利。 来自博世力士乐的m t c 2 0 0 开放式c n c 系统，在全球应用广泛，不仅为用户提供 了最前沿的创新科技，同时也为优异的加工品质和效率提供了必要的保证。m t c 2 0 0 系 统集成了完整的n c 、p l c 和智能数字式驱动器控制技术。通过这种集成开放式c n c 系统，用户将享有最佳的性能优化并可不断升级的系统方案。无论是台独立的加工单 元，还是整个复杂的加工生产线，m t c 2 0 0 先进的p r o v i 过程智能诊断功能，将机床的 故障和警告信息主动显示和e - m a i l 推送，将停机和故障排除时间降至最短，提高生产 管理效率 3 4 1 。 ( 2 ) m t c 2 0 0 系统支持多种国际标准通讯协议 拥有创新科技开放式的c n c 系统，m t c 2 0 0 不仅能够方便地利用各种p c 技术， 而且集成了许多适用现代高度柔性生产系统需要的先进技术。为适应不同企业的通讯溺 络，m t c 2 0 0 支持多种国际标准通讯协议刚： e t h e r n e t - e r c o s n t e r b u s p r o f i b u s a s i n t e r f a c e d e v i c e n e t 。 ( 3 ) m t c 2 0 0 系统尤其适用的领域： 自动生产线和专用加工机床 并联加工机床和加工单元 沈阳工业大学硕士学位论文 加工中心 ，车削中心 钻削中心 汽车制造专用设备 ( 4 ) m t c 2 0 0 包含的多种特殊功能软件0 4 1 1 ) e - m a i l 故障信息推送 将系统的p r o v i 故障和警告信息，直接以e - m a i l 方式推送至设备维护工程师。由一 个使用向导将帮助你快速建立这项功能。支持微软公司的网络组件和其他标准邮件服务 器组件，推送机床的诊断信息酗特定的邮箱，传真或手机。 2 ) 智能维护管理系统 机床科学的维护保养管理，同样影响机床的正常运作。通过这项功能您可设定多个 机床维护任务，机床运行到了设定时间将在系统画面上显示警告和报警信息，每一个信 息又可包含详细的维护提示信息，可以是文本、a v i 动画、w e b 页面或p d f 文件，完 整的描述各项机床维护保养任务。与e - m a i l 故障信息推送结合，主动告知机床管理人 员及时的维护信息。 3 ) 远程诊断 使用标准网络浏览器连接至所需的远程服务器，通过高速和高度压缩的数据传送， 远程控制和诊断机床。可使用多个拖放式窗口，实时声像传送，实现完善的远程控制效 果。具备系统操作权限管理、使用标准t c p i p 网络协议和i n t c m e t 浏览器。 ( 5 ) m t c 2 0 0 具有优化的处理器控制方案一智能轴控制 3 4 1 1 ) c n c 轴的控制 通过s e r c o s 标准光缆通讯接口，保证m t c 2 0 0 系统高速控制电机轴和液压轴的 位置、速度和力矩，同时液压轴和电机轴都可以实现高精度的c n c 差补运动。 关键组件包括： 主轴一变频电机，矢量变频电机 主轴c 轴一电机伺服矢量变频 - 主轴转台刀架轴一电机伺服，矢量变频 1 9 一 沈阳工业大学硕士学位论文 直线轴一电机液压伺服 高速主轴一高速变频 2 ) p l c 轴的控制 不参与插补运动的独立伺服轴可由p l c 控制，p l c 控制轴具备高度的柔性，可在 位置控制、速度控制、力矩控制方式间切换。统一的p l c 接口功能块降低开发和培训 时问。电机和液压驱动器都具有标准的现场总线接口； i n 兀i i t b u s p r o f m u s d e v i c e n e t a s i n t e r f a c e d i s c r e t ei ( 9 3 1 2 与西门子8 4 0 1 ) 数控系统的比较 ( 1 ) 西门子8 4 0 d 数控系统概况。 s i n u m e r i k8 4 0 d 是西门子公司2 0 世纪9 0 年代推出的高性能数控系舭保持 西门子前两代系统s i n u m e r i k8 8 0 和8 4 0 c 的三c p u 结构：入机通信c p u ( m m c c p u ) 、数字控制c p u ( n c c p u ) 和可编程逻辑控制器c p u ( p l c c p u ) 。三部分 在功能上既相互分工，又互为支持。 在物理结构上，n c c p u 和p l c c p u 合为一体，合成在n c u ( n u m e r i c a l c o n t r o lu n i t ) 中，但在逻辑功能上相互独立。 ( 2 ) 西门子8 4 0 d 数控系统与m t c 2 0 0 的比较 n 数字化驱动 在s i n u