滚刀铲齿车床数控化再制造技术研究.doc

摘 要滚刀是一种高效齿轮加工刀具，它直接决定着齿轮的加工精度。目前滚刀精加工设备的滚刀铲齿车床，大都属机械式且人工金刚笔修整砂轮，难以满足复杂截形滚刀的高精度、高效率加工要求。为此，本文进行了滚车床的数控化再制造研究，它不仅有助于解决复杂高精度滚刀的加工问题也增量盘活了现有滚刀铲齿车床，具有较为重要的循环经济效益和应用价值。首先，论文介绍了普通滚刀铲齿车床的结构及加工原理，提出了滚刀床数控化再制造的思路，进行了滚刀铲齿车床数控化再制造的功能要求与标体系的研究，为滚刀铲齿车床数控化再制造提供理论依据；其次，确定了数控化再制造的总体方案，包括再制造的具体内容及控总体方案。最后，进行了机床零部件的再设计，它包括机械传动系制造设计、砂轮修整系统结构设计、磨头的结构改造设计等。初步试验表明：再制造机床的加工精度能够满足复杂高精度滚刀的加工由于再制造成本显著低于新购同类设备费用，具有较好的应用前景。关键词：数控化再制造，滚刀，铲齿车床，磨削27 / 31ABSTRACTHob is a efficient tool for machining gear which directly determines the machining precision of gear. At present，as an equipment for hob finish machining，hob backing-off lathe are mechanical，and moreover，the grinding wheel was manually finished by diamond pen，it is more and more difficult to meet the machining requirements of high precision and efficiency for complex truncated hob. Therefore，NC remanufacturing of the hob backing-off lathe was advanced. It not only contribute to solve the machining problem of complex high-precision hob，but also revitalize the existing hob backing-off lathe on a large scale，which highlights the circular economic efficiency and applied value.First of all，the structure and work principle of ordinary hob backing-off lathe is introduced in the paper. The method of NC remanufacturing for the hob backing-off lathe was advanced. The functional requirements and technical Indicator System of NC remanufacturing for the hob backing-off lathe have been researched，all of which provide a theoretical basis of the NC remanufacturing for hob backing-off lathe. Secondly，the total scheme on numerical controlled remanufacturing is established. The details and overall control scheme of control system are included. Based on the above research，the part of machine tool is remanufactured，such as the mechanical transmission system，abrasive wheel finisher system，grinding head part，and so on. As there manufacturing cost is greatly lower than the charge of buying the same function equipment. It gains better application foreground.Keywords: Numerical Controlled Remanufacturing, Hob, Backing-off Lathe, Grinding, 目 录1引 言11.1论文研究的背景11.2国内外研究现状11.3论文研究的目的及意义22滚刀铲齿车床数控化再制造总体方案设计32.1普通滚刀铲齿车床工作原理32.2滚刀铲齿车床数控化再制造总体方案设计42.2.1机床数控化再制造的主要内容42.2.2机械部分再设计方案42.3数字控制系统改造42.3.1数控系统类型的确定42.3.2控制系统总体方案的确定53数控化再制造专用数控系统硬件设计63.1数控系统硬件总体结构63.2数控系统的硬件选型63.3系统电气控制设计123.3.1系统电气控制总体方案123.3.2伺服驱动系统电气控制设计133.3.3修整轮电主轴变频调速控制端口电气原理图143.3.4系统辅助功能控制电气原理图154滚刀铲齿车床零部件再设计174.1铲齿车床的总体结构设计174.2主轴丝杠系统的修理要点184.3机械传动系统的再制造设计194.4主轴传动的结构设计194.5进给传动系统的结构设计204.6轴向传动的结构设计204.7径向传动的结构设计204.8砂轮数控修整器机械本体设计214.9磨头的结构改造设计22结 论24致 谢25参考文献261引 言1.1论文研究的背景普通机床是我国制造业使用最多的一种传统式机床，其中大多数的服役年龄较长，设备陈旧落后。现代工业飞速发展，普通机床已不能满足现代加工精度及提高劳动生产率的要求。集微电子技术、计算机技术、机械技术于一体的数控机床的出现，使零件加工精度提高，产品制造周期缩短，且改善了工作环境，大大提高了劳动生产率，因而越来越受到各生产企业的重视，是制造业现代化的必然趋势1。全部淘汰这些旧机床而采用新型的数控机床，不仅所需资金太大，而且会造成原有设备的闲置和浪费，不符合我国的国情。再制造工程是解决资源浪费、环境污染和废旧装备翻新的最佳方法和途径，是符合国家可持续发展战略的一项绿色系统工程1。它是以产品全生命周期设计和管理为指导，以使废旧产品实现性能跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，对废旧产品进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动的总称2-3。1.2国内外研究现状工具磨床自1889年美国辛辛那提公司开始制造以来，发展一直比较缓慢8。直至上世纪7080年代，为适应刀具、模具及切削加工的要求，以及全球制造业的发展，刀具刃磨才受到极大重视，工具磨床进入一个快速发展阶段。进入21世纪后，刀具的要求不仅在需求量上急剧上升，而且刃形复杂、精密度高的刃具要求也日益增多。高精度合金刀具的出现和广泛应用，将数控工具磨床推到刀具制造的最前沿，也改变了传统的磨削工艺过程。数控工具磨床一般采用世界先进的数据电气控制软件系统、精密导轨与丝杆运动系统、精密光栅和伺服电机反馈定位系统等先进模块设计，因此，这些数控工具磨床都具备高精密的磨削运动控制技术，都配有功能强大的3D加工模拟软件，用户可以根据自己的刀具结构和参数设计要求在线模拟出想要加工的刀具形状。各种工具磨床为刀具制造厂提供了很好的选择空间，用户可根据自己的产品加工特点和生产规模选择合适的工具磨床。近些年来许多发达国家，围绕数控工具磨床及刀具的数控刃磨技术进行了大量的研究。在国内，许多企业、高等院校和科研院所也对工具磨床技术进行了一些相关的研究。湖南大学与长沙第五机床厂共同推出了MK6340/3型数控群钻磨床，华中理工大学开发了MK60304四轴联动数控万能工具磨床，北京航空航天大学研制出了CNC6DG六轴钻头刃磨机床。概括起来，目前刀具制造用的工具磨床主要分为两大类4，一类是国内外简易手动多功能专用磨床，手动专用工具磨床的特点是结构简单操作方便，主要应用于非标专用刀具的生产和手工刀具修磨；另一类是进口的五轴、六轴联动数控工具磨床。1.3论文研究的目的及意义以加工生产齿轮刀具企业为例，他们用的滚刀时普遍采用的是C8955、CW8925A型滚刀铲齿车床，这种老式的滚刀铲齿车床使得滚刀的加工装备水平整体落后，滚刀的加工精度完全取决于操作工人的技能和经验；在每个铲程的来回都产生了很大的振动，即使对于安装有液压缓冲机构的CW8925A精度较高型的滚刀铲齿车床来说，整个车床的振动还是很大，严重的影响了滚刀的加工精度，并伴随着振动产生了很大的噪声，恶化了生产环境。此外，铲磨滚刀用的砂轮截型的修整，也只能够凭操作工人的技能和经验去完成，滚刀的加工精度很难得到保证；即使采用砂轮的离线修整可以获得较高的砂轮修整精度，但车床不得不因为砂轮的拆卸修整而停机，很大程度上也影响了加工的效率。由于以上多种原因使得滚刀的加工精度和效率仍得不到明显提高，制约了工具制造企业的发展。数控加工技术作为一种高新技术，是人们用来提高产品加工质量和加工效率的重要技术。大力发展和推广应用数控技术，用数控技术改造传统产业，是提高产业竞争力的重要手段6-7。基于设备数控化再制造思想，对企业现有的滚刀铲齿车床进行数控化再制造，它不仅解决了复杂高精度滚刀的加工问题，也增量盘活了现有滚刀铲齿车床，具有较为重要的循环经济效益和应用价值。机床数控化再制造的意义还在于：能充分利用旧设备资源，以极小的代价获得性能先进的数控机床，提高加工效率和加工质量；可全面提升企业现有机床性能，有效提高企业加工制造能力。同时，可大量节省在铸造、切削加工时所消耗的能源，并减少对环境的污染。磨床是一类量大面广的机床装备，在我国广大工具制造企业中应用非常广泛，主要用于零件的精密加工。滚刀是一种加工齿轮的刀具，决定着齿轮的加工精度，因此对滚刀的加工精度要求很高。滚刀铲齿车床作为一种铲磨床，主要用于滚刀的精密铲磨加工。但当前我国广大工具制造企业大量使用的现有滚刀铲齿车床大多陈旧、老化，效率低、精度低、能耗高及加工功能单一，且众多加工方式处于手动、半自动化阶段的滚刀铲齿车床大量闲置，不能发挥其应有效用的同时也造成了资源的浪费。因此，本研究既有明显的经济效益，又有显著的社会效益，它对提高我国工具制造业的市场竞争力有着重要的实用意义和理论意义。2 滚刀铲齿车床数控化再制造总体方案设计2.1普通滚刀铲齿车床工作原理本设计以大连机床厂于20世纪80年代生产的CW8925A型普通滚刀铲齿车床为硬件基础，它主要包括以下几个部分：工件主轴回转机构(A轴)；工作台纵向移动机构(X轴)；工作台横向移动机构(Z轴)；工件螺旋角调节机构(B轴)。该机床主要用于专门铲车或铲磨模数112mm的齿轮滚刀和其他各种类型的铲齿刀具，其中包括径向、斜向、轴向铲齿的刀具，带柄的左刃刀具，单头的或多头的刀具，直槽的或螺旋的刀具等，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；工件(滚刀)螺旋角的调节；实现工件主轴回转、工作台纵向移动和工作台横向移动的三轴机械联动控制，以完成滚刀的铲磨加工；砂轮电机、吸尘电机和润滑电机的启停。工作台横向移动机构这三部分所形成的三种空间运动合成获得的(如图2-1所示)图2-1滚刀加工原理图根据加工原理，滚刀的铲齿是由工件主轴回转机构、工作台纵向移动机构、工作台横向移动机构这三部分所形成的三种空间运动合成获得的。即滚刀的刀坯转动、铲磨砂轮的纵向运动及铲磨砂轮在铲磨切削加工中的横向往复运动。在滚刀铲磨加工中配合滚刀刀坯的旋转，滚刀铲齿车床的大托板需做轴向运动，以便形成基本蜗杆的导程为的螺旋面。与此同时，滚刀铲齿车床上的小托板由凸轮驱动做附加的径向运动，这样就可以加工出所需要的滚刀7。2.2滚刀铲齿车床数控化再制造总体方案设计2.2.1机床数控化再制造的主要内容根据上述普通滚刀铲齿车床工作原理和滚刀铲齿车床数控化再制造的功能要求与技术指标体系，我们提说如下机床数控化再制造的主要内容10：恢复原功能。对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；NC化。在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；翻新。对机械部分重新装配加工、修理，恢复原精度，对不满足生产要求的CNC系统用最新CNC进行更新；为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新。通过对机床工作内容的细致考察，并参照国外已有数控滚刀铲齿车床的结构、功能，决定在恢复机床功能的基础上，结合最新的数控技术成果，提出基于数字化(伺服运动控制卡)的数控化再制造的方法。滚刀铲齿车床数控化再制造的具体内容如下：2.2.2机械部分再设计方案1)该车床的床身、尾座等基础件都是重且坚固的铸造件，经过长时间的时效，其性能、质量比新机床更好，予以保留。2)原机床主轴丝杠系统的性能还比较稳定，对其进行严格检测后，进行修理加工，使性能达到新机床出厂时的标准要求，直接用于数控化再制造后的车床上。3)工作台的纵向移动机构(X轴)、工作台横向移动机构(Z轴)、工件主轴回转(A轴)、砂轮的旋转运动(C轴)、工件(滚刀)螺旋角的调节运动(B轴)都要由原来的手动改为自动控制，并为了满足新的加工要求，其结构上要作一定变动。4)为了实现砂轮的修整功能，新增砂轮修整机构，包括砂轮修整器横向移动(U轴)、砂轮修整器纵向移动(W轴)、修整轮的旋转运动(D轴)，均为数控控制。5)由于机床的传动精度、运动间隙等对数控系统的控制精度有很大的影响，故需要对原机床的传动系统和移动导轨重新设计，以提高数控系统的控制精度。2.3数字控制系统改造2.3.1数控系统类型的确定数控伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的静态特性、动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢和稳定程度等。所以，数控机床伺服系统是数控机床的重要组成部分。根据实现自动调节的方式不同。传统的数控技术已不适应现代制造业的需要，新一代数控系统正朝着智能化、开放化、柔性化、多样化的方向发展。而基于PC的开放式数控系统以其较强的灵活性，已成为数控系统的主流结构之一，模块化的程序设计大大增强了系统的通用性和可移植性，为系统日后的功能扩展提供了可能性。数控滚刀铲磨系统的加工范围广且功能要求多，对铲磨设备的快速响应能力提出了高的要求。因此，滚刀铲齿车床的数控化再制造使用的数控系统选择基于PC的开放式数控系统。2.3.2控制系统总体方案的确定综合考虑本系统的功能特征、加工精度、加工效率以及加工成本，本控制系统采用PC+NC型结构的半闭环开放式数控系统。本控制系统的总体控制方案原理图如图2-2所示。其中NC模块采用的是运动控制器行业内高性价比的PMAC运动控制卡。该数控系统的设计是在工业控制计算机(IPC)平台的基础上，以多轴运动控制器PMAC为运动控制核心，利用其硬件结构、软件结构的开放性，开发了基于PMAC的数控滚刀铲齿车床数字化、智能化开放式数控系统。此套系统开发周期短、运行速度快、控制精度高，是目前NC嵌入PC结构的开放式CNC系统的典型模式，有很强的借鉴作用。图2-2 数控系统控制方案原理图3数控化再制造专用数控系统硬件设计3.1数控系统硬件总体结构根据设计要求，本课题所研制的滚刀铲齿车床数控系统采用“工控机(IPC)+伺服运动控制器”的上下位机结构形式，其硬件结构图如图3-1所示。图3-1系统硬件结构图上位机采用工控机(IPC)，其运行速度快、存储量大、应用灵活，可以作为系统和用户之间的联系桥梁；下位机采用PMAC运动控制卡，它具有实时性强、稳定性好、效率高等优点，可以用来跟下层执行机构进行数据通讯。PMAC与IPC的通信主要是通过RS232串口来实现的，RS232的一端接在IPC的RS232端口上，另一端接在PMAC的JRS232端口，通过RS232串口将PMAC嵌入IPC。在实际应用中，用户通过上位机IPC进行系统相关的数据输入、参数设定、加工准备等27工作，然后跟PMAC通讯，再由PMAC根据上位机的要求发送指令给伺服驱动器，伺服驱动器再驱动伺服电机等执行机构执行相关指令，进行实际的生产加工。3.2数控系统的硬件选型系统硬件平台-IPC在生产实践中，数控系统的工作条件往往比较恶劣，工作环境面临着诸如高温、振动、电压电流变化的冲击、粉尘和长时间工作的严峻考验。而工业控制计算机（IPC）是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。自上世纪90年代以来，随着计算机技术的发展，控制系统的核心硬件计算机的发展也日新月异，计算机数控技术已进入了其发展的第三代基于PC平台(即PC-BASED)，IPC(工业计算机)具有普通PC所具有的优点，同时又具有较强的抗干扰能力，可以在生产现场条件下稳定的工作。IPC机与普通PC机相比具有以下优势：机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力；机箱内有专用底版，底版上有PCI和ISA插槽，可适合多种类型的运动控制卡；机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力；工控机上的CPU筛选要比普通PC机严格的多；芯片驱动能力比较强；对环境的要求比普通计算机低的多。凡是在PC机上可以运行的软件，如CAD、CAM、工厂级和车间级生产调度管理软件等，都可在IPC上运行；凡是在PC机上可插入的硬件模块和可接上的外部设备，如：网卡、图形加速卡、声卡、打印机和摄像机，在IPC上均可插入和接上。由于所有的设备和备件都可以轻易地在市场上买到，价格也便宜，也使得维修非常容易。目前工业控制机大大小小的品牌有十几个，如台湾的研华、深圳的研祥、凌华科技、威达、以及大众等，其中研华是世界三大工控机厂商之一。为了提高系统的可靠性，选用研华工业控制计算机IPC610，主频PIII 866MHz，128Mbit内存，20G硬盘，32位数据总线，32Mbit显存，并带有网卡、光驱和软驱。主板上有9个ISA总线插槽，4个PCI总线插槽，带VGA显示器。伺服运动控制器的选型在整个系统中，控制器起着核心作用，它将系统所需的各种加工构成要素规范而简便地组合起来。在本研究中选择了PMAC伺服运动控制器。PMAC的结构与功能介绍:PMAC是美国Delta Tau公司推出的可编程多轴运动控制器，具有响应速度快、精度高、开发周期短、编程和操作简单的特点，可以广泛运用于机器人、数控机床等多轴控制领域。它利用Motorola DSP56001/DSP56002数字信号处理芯片，以串口或总线方式与主计算机进行通讯，可同时操纵18个轴，最多可扩展128个轴，对存储在它内部的程序进行单独运算，执行运动程序、PLC程序、进行伺服28环更新。总体而言，PMAC是一个字符命令驱动设备，即主机给它的命令是字符串形式的。PMAC既可以独立工作，也可以按主机的命令进行工作。PMAC与主机的通讯可以通过总线方式进行，也可以通过串行口。且通过总线方式通讯时，还可以将中断引入主机，从而可以实现非常灵活和有效的控制管理。概括起来，PMAC主要具有如下的功能：伺服环和计算功能、变量与内存管理功能、输入输出功能、PLC功能。通用I/O口的扩展通用数字I/O功能模块主要由地址译码电路、光耦以及输出端口驱动电路等组成，与系统一起实现开关量信号的输入输出功能。PMAC的I/O接口电路板每组提供8个普通用途的数字输入和8个普通用途的数字输出，本系统采用的ACC-34AA共有四组I/O接口电路，即共有64个光电隔离的分立I/O点，每组8位I/O接口电路均需单独的24V电源供电以及数字接地端(GND)，输出端口采用标准集电极开路输出，低电平有效(高电压被PMAC软件译码为“0”，低电压为“1”)，同时还附加ULN2803A驱动电路提供驱动性能保证。在相应PLC软硬件功能模块的支持下，该功能模块主要用来完成主轴和各伺服轴的起停、正反转以及其它一些动作信号的输入输出控制，其地址译码电路主要为PLC检测和控制模块软件取址提供硬件基础，内置的光电隔离部分则有效地将计算机的数字量通道和外部过程模拟量通道隔离起来，大大减少了外部因素的干扰，提高了整机系统的可靠性和稳定性。为了实现I/O控制功能，需在PMAC板上扩展相应的I/O板，在本系统中采用的附件有ACC-1P和ACC-2P两个扩展板，其中ACC-lP是轴的扩展板，提供通用的输入输出接口，它主要通过3 4管脚的JMACH2端口与PMAC2A-PC/104通讯。附件ACC-2P是通讯接口板，负责PMAC2A-PC/104与外界的通讯，它主要通过50管脚的JMACH1端口与PMAC2A-PC/104通讯，PMAC2APC/104利用ACC1P+OPT1、ACC2P+OPT3扩展卡结合I/O操作指令来实现对I/O卡的输入输出信号进行读写操作，实现控制输入和输出状态。滚刀铲齿车床数控系统控制面板中需要由I/O控制卡和I/O指令来控制的功能有：控制X轴手动正向/负向进给、Z轴手动正向/负向进给、A轴手动正向/负向进给、U轴手动正向/负向进给、W轴手动正向/负向进给、B轴手动正向/负向进给、C轴定速进给、D轴定速进给、急停、回机械原点、修整轮电主轴开/关、磨轮电机开/关、吸尘电机开/关、润滑电机开/关等。以下是该16路输入接口和4路输出接口的控制映射表：M8-Y：$C0C0，8；X轴手动正向进给M9-Y：$C0C0，9；X轴手动负向进给M10-Y：$C0C0，10；Z轴手动正向进给M11-Y：$C0C0，11；Z轴手动负向进给M12-Y：$C0C0，12；A轴手动正向进给M13-Y：$C0C0，13；A轴手动负向进给M14-Y：$C0C0，14；U轴手动正向进给M15-Y：$C0C0，15；U轴手动负向进给进给M109-Y：$C080，9；W轴手动负向进给M110-Y：$C080，10；B轴手动正向进给M111-Y：$C080，11；B轴手动负向进给M112-Y：$C080，12；C轴定速进给M113-Y：$C080，13；D轴定速进给M114-Y：$C080，14；急停M115-Y：$C080，15；回机械原点M0-Y：$C0C0，0；修整轮电主轴开/关M1-Y：$C0C0，1；磨轮电机开/关M2-Y：$C0C0，2；吸尘电机开/关M3-Y：$C0C0，3；润滑电机开/关伺服电机及其驱动器的选择伺服电机是将电信号转换成转轴的角位移或角速度的补助马达间接变速装置，是可以连续旋转的电机械转换器，是在自动化控制系统中控制机械元件运转的微特电机。伺服电机的功能是精确地控制自动化控制系统中机械元件速度、扭矩，准确地控制机械元件的位置。台达伺服驱动系统是当前应用广泛的伺服单元之一，主要用于钢铁、机床、轻工、纺织、印刷、包装等行业。台达伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于1015和小于1525)等特点。因此在该系统的开发中选用了台达伺服电机作为系统各伺服轴的驱动电机。在计算出各部分转矩之后，依据运行矩频特性选择了电机规格。检测元件的选型1)检测元件概述检测装置是数控机床闭环和半闭环控制系统重要的组成部分之一。它的作用是检测工作台的位置和速度，发送反馈信号至数控装置，构成闭环控制系统，使工作台按规定的路径精确的移动。闭环系统数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度。因此，研制和选用性能较优的检测装置是数控机床加工精度的重要保证之一。一般来说，数控机床上使用的检测装置应该满足以下要求：a.准确性好，满足精度要求，工作可靠，能长期保持精度；b.满足速度、精度和机床工作行程的要求；c.可靠性好，抗干扰性强，适应机床工作环境的要求；d.使用、维修和安装方便，成本低。数控机床检测元件的种类很多，若按被测量的几何量分，有回转型(测角位移)和直线型(测线位移)；若按检测信号的类型分，有数字式和模拟式；若按检测量的基准分，有增量式和绝对式。检测元件的精度通常用分辨率和系统精度来表示。分辨率指测量元件所能正确检测的最小数量单位，由传感器本身的品质所决定。系统精度指在测量范围内，传感器输出所代表的速度或位移的数值与实际的速度或位移的数值之间的最大误差值。在选择检测元件时，要使所选检测元件的分辨率和系统精度比要求保证的精度高一个数量级。但是精度越高的检测元件，其价格相应的也越昂贵。因此，在选择检测元件的时候，要考虑整个系统的精度要求，以免造成不必要的浪费。2)检测元件选型a.编码器的选型编码器是一种旋转式检测元件，通常装在被检测的轴上，随被测轴一起旋转，可将被测轴的角位移转换成增量式脉冲或绝对式代码的形式。根据输出信号的方式不同，可分为绝对值式编码器和脉冲增量式编码器；根据内部结构和检测方式不同，可分为接触式、光电式和电磁式三种。在数控机床上光电式编码器应用最为广泛。光电式编码器的工作原理是利用光电原理把机械角位移变成电信号。增量式光电编码器可以进行多周数据递增或递减计数，适合对速度、加速度、线位移量和角度量的测量。PMAC运动控制器可直接接收增量型编码器的反馈，通过其驱动软件设置的33译码选择方式和方向译码后将反馈与给定的位置指令进行比较，并将通过运算得到的速度值与给定速度指令比较，分别对位置环和速度环进行伺服控制。本数控滚刀铲齿车床系统中X、Z、A、U、W、B和C方向选用的编码器均为台达伺服电机配套的电机编码器，其自带的13位增量式编码器直接安装在轴端。本系统采用的是半闭环控制，在导轨上没有安装光栅，丝杠、导轨等大部分机械传动环节未包括在系统的闭环环路内。表示编码器分辨率的位数与编码器信号输出(A相、B相)的脉冲数并不相同，编码器脉冲数4(倍增)之后才等于表示分辨率的位数。13位增量式编码器为2500线，即一圈发出2500脉冲，采用X4正交译码CCW，在PMAC卡中做4倍频译码。b原点及限位检测元件的选型机械原点是整个系统得以准确运行的关键基准点，如加工原点(即工件坐标系原点)就是以机械原点为基准进行设定的，如果该基准点定位不准将对整个系统的定位精度以及加工精度产生严重影响，因此需要对原点信号的检测元件进行选型设计。欧姆龙传感器具有体积小巧节省空间的特点，可内藏于系统的相关部件中，不会与系统中的其他部件发生干涉而影响运动，并且它采用通用插件安装，使得现场安装调试更加简单方便，而且具有很好的抗干扰性，能抵抗变频器等发出的干扰信号，因此在本系统中原点信号的检测元件均采用的是欧姆龙传感器。结合各轴实际情况，对于本系统中的直线轴X、Z、U和W选用的是欧姆龙接触式直线位移传感器ZX-TDA11；而对于旋转轴A和B则选用的是欧姆龙光电传感器E3Z-D67作为原点传感器。限位信号的检测对于整个系统的安全起着至关重要的作用，一方面可以保护滚珠丝杆螺母以免与轴承座发生碰撞；另一方面也可以防止滚动导轨滑块发生滑落，因此需要在运动轴的两端设置行程限位开关作为限位检测元件以获取限位信号。当限位检测元件检测到某轴运动到限位位置时将发出系统中断信号，控制系统接收到该信号后马上做出相应处理(让该轴立即制动)以保证系统中各部件不被损坏。同时考虑到各轴运动的速度可能比较快，就需要限位检测元件具有高的灵敏性及很好的抗干扰性，本系统中选用欧姆龙接近光电传感器EE-SX671作为最大行程位置检测元件。电主轴及变频器的选型电主轴是“高频主轴”(High Frequency Spindle)的简称，有时也称作“直接传动主轴”(Direct Drive Spindle)，是内装式电机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”，具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度、回转精度高、噪声低、振动小等优点，因而在现代数控机床中获得了愈来愈广泛的应用。出于D轴金刚石修整轮作业时须具备高旋转线速度，并考虑到使结构小型化、紧凑，减少振动，提高砂轮的修整精度等技术要求，选用电主轴作为金刚石修整轮(D轴)动力源，金刚石修整轮直接安装在电主轴的轴端。根据设计要求，经过查阅资料，选用JGD-80/0.75恒转矩高速电主轴，最高转速24000r/min，最高频率400Hz。由于砂轮在线修整系统的金刚石修整轮是由电主轴驱动的，因而电主轴的控制对于在线修整系统整机修整精度起着重要的作用。因变频器不仅具有调速平滑、范围大、效率高、启动电流小、运行平稳的特点，而且节能效果明显，故通过变频器对电主轴实现变频调速。变频器的容量及选型，大体上应注意以下几方面的问题：砂轮在线修整系统的金刚石修整轮的电主轴驱动具有恒转矩特性，变频器的容量按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。由变频器的额定值第五条中的过载能力可知，变频器的过载能力通常为150%，这只是对于在电机的起动或制动过程中才有意义，不能够作为变频器选型的最大电流来考虑。因此，在选择变频器容量时，应比变频器说明书的配用电机容量加大一档至二档，并应具有无反馈矢量控制功能。使电机在整个调速范围内，具有真正的恒转矩，满足负载特性要求。根据控制要求知，电主轴工作在高速状态，低速时基本上对转矩与转速不要求可控性，通过变频器的U/f控制就可以满足控制要求，因此不必选用复杂的而又高成本的矢量控制。基于以上考虑，本项目选用了安川VS616 G7系列的额定功率为750W的变频器。低压直流电源低压直流电源的作用主要是给PMAC运动控制卡及各种低压元器件(如行程开关、原点开关)供电，因此需要选用性能可靠、功率输出有保证的低压直流电源。本系统中需要额定输出电压分别为5VDC和24VDC的低压直流电源各一个。3.3系统电气控制设计3.3.1系统电气控制总体方案本系统是基于PMAC开发的滚刀铲齿车床数控化再制造专用数控系统，以PMAC为中心的PMAC与各转接板互联图如图3-2所示。图3-2 PMAC与转接板互联图系统电气原理总图如图4-4所示，并依照此电气原理总图对系统的电控柜进行设计。滚刀铲齿车床数控化再制造系统的电控柜集强电控制和弱电控制一体，数控装置安装于柜内。与普通机床的电控柜相比较，为了提高整个系统的抗干扰性，避免各种低压信号(原点、限位信号)受到强电的干扰，要求各种检测信号的输入尽量用屏蔽线连接。根据系统硬件体系结构，电控柜里需要安装的元器件主要有：工业控制机(IPC)、伺服运动控制器(PMAC2APC/104)及各转接板、各轴伺服驱动器、变频器、空气开关、交流接触器、直流开关电源、隔离变压器等。3.3.2伺服驱动系统电气控制设计为了实现PMAC伺服运动控制器对伺服驱动系统的控制功能，需要设计PMAC伺服运动控制器与伺服驱动器以及伺服驱动器与伺服电机间的接线图。图3-5所示的是X轴伺服驱动器与PMAC伺服运动控制器的接线图，其它轴的伺服驱动器与PMAC伺服运动控制器的连接与此类似。伺服电机由其对应的伺服驱动器为其提供动力电源。伺服驱动器连接上位控制器的CN1 I/O连接器端口中的VDD与COM+、COM-与DI1接线端要短接，位置指令脉冲(PULSE、/PULSE)与位置指令符号(SIGN、/SIGN)分别对应的与PMAC伺服运动控制器上的位置指令脉冲与位置指令符号相连接，位置脉冲输出端口(OA、/OA、OB、/OB、OZ、/OZ)将编码器的A、B、Z信号以差动(Line Driver)方式输出给PMAC伺服运动控制器。伺服驱动器上的CN2编码器连接器端口用于连接伺服电机的光电编码器，光电编码器在整个系统中用作位置环，属于半闭环反馈，整个伺服驱动系统位置环由PMAC来闭合。伺服驱动器采用位置控制方式，即驱动器接收从控制器送来的位置命令和从编码器反馈过来的位置信号，闭合电机的位置环，同时在内部闭合电流环。图3-3 PMAC与伺服驱动系统接线图3.3.3修整轮电主轴变频调速控制端口电气原理图变频调速系统的框图滚刀铲齿车床砂轮在线修整系统电主轴的变频调速系统由数控装置、变频器等构成。图4-4是一套结构简单、功能齐全、运行可靠的数字调速系统。各部分的主要功能如下：1)数控装置完成对整个系统的监控管理，协调各模块之间的工作，并进行复杂的控制决策。其控制量经D/A转换后输出到变频器。2)变频器根据接收到的控制信号调节输出频率，从而调节电主轴的转速。3)开关量控制模块通过数控装置的内置PLC可方便地控制电主轴的起动、停止、加减速等。电主轴MI/OD/A开功变频器图3-4变频调速系统的框图变频器调速控制设计1)砂轮在线修整系统电主轴调速工艺及变频控制方案在本修整系统中，电主轴调速功能主要有两个：一是初始调整时使用的低速，一般2000转/小时，这个速度操作者可以任意调整；二是调整好之后的定速修整加工，一般8000转/小时。但是随着砂轮半径的变化，定速修整的速度需要实时的进行调整，以满足修整要求，即在定速修整之前变频器需要根据实际情况调节定速修整的速度。根据上述要求，砂轮在线修整系统电主轴调速的功能配置有：启动运行按钮、正点按钮、反点按钮、初始低速调整时用的速度调节旋钮、调整好之后的定速按钮，此外还有变频器的报警信号显示、报警复位按钮和急停按钮。2)变频器控制端口电气原理图根据砂轮在线修整系统电主轴调速工艺及变频控制方案设计了电主轴变频调速控制端口电气原理图(见图4-5所示)。各个按钮的功能作用是：101SB104SB分别用于故障复位、正向点动、反向点动和急停。101RW和102RW是两个调节电位器，用于初始调整时的速度调节，其中101RW为主调节电位器，102RW用于零位和最大值的补偿调节电位器。KM1和KM2是接触器的触点，分别用于电主轴的运行信号和定速信号的输入。HL是变频器报警时的故障指示灯。图3-5变频调速控制端口电气原理图3)主/辅速切换功能的实现为了实现砂轮在线修整系统的工作要求，电主轴主要有两个速度，即初始调整速度和定速，而初始调整速度和定速的主/辅速切换需要通过变频器的主/辅速切换功能来实现。在系统运行初始，电主轴启动时运行的速度是初调整低速，设定该速度为主速度；调整完成后按下按钮切换的速度是定速，该速度即为辅助速度。为了变频器的主/辅速切换功能，设定变频器上电位器101RW的模拟量输入为主速，定速按钮切换的是辅助速度。a.设置主速，安川变频器模拟量输入端口有三个：A1是主速频率指令电压输入；A2是主速频率指令电流输入；A3是辅助多功能量模拟量输入频率指令。考虑到PMAC运动控制卡中的模拟量输入为电压主速指令，因此选用A1端子。b.设置辅助速度，由于定速修整的速度需要实时的进行调整，系统会根据相应参数(如砂轮半径的变化，修整精度的变化等)，实时的计算出定速修整的速度，然后控制变频器以调节定速修整速度的大小。为了与系统相配，选用A3端子进行辅助速度的实时调节设定，以满足系统的加工要求。c.主/辅速的切换，根据安川变频器的使用说明书可知，S5端子作为主/辅速1段速切换输入，因此选用S5作为定速的按钮输入。这样在S5端子接通时，电主轴将自动切换为定速，主/辅速的切换就实现了，系统开始砂轮的定速修整。3.3.4系统辅助功能控制电气原理图滚刀铲齿车床数控化再制造系统的辅助功能电机包括修整轮驱动电机、润滑电机、吸尘电机，修整轮驱动电机采用电主轴，电主轴通过变频器来实现控制，润滑电机和吸尘电机均采用原普通滚刀铲齿车床的三相交流(50Hz,380V)异步电机。为了实现对电主轴及三相交流异步电机的过载保护，在各电路上均使用了热继电器。系统辅助功能电机控制电气线路如图4-6所示。图3-6辅助功能控制电气线路图 4滚刀铲齿车床零部件再设计普通机床在进行数控化再制造时，需要综合考虑各方面情况对机床的零部件进行相应的再设计，不能简单地认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，应该对主要部件的结构进行相应的改造或再设计使其达到一定的设计要求，才能获得预期的数控化再制造目的。4.1铲齿车床的总体结构设计根据滚刀铲磨加工所需的基本运动，车床本体运动机构再制造后的结构如图3-1所示，由床身、工作台、主轴箱、头架、尾座、砂轮磨头组件、砂轮修整组件等主要基础部件组成。工件(滚刀)由头架和尾座支撑，被安置在车床工作台上，由头架驱动实现工件(滚刀)的旋转(A轴)；工作台由原溜板箱驱动以相对于车床床身作纵向进给运动(X轴)，由独立的电机驱动以相对于车床床身作横向进给运动(Z轴)；砂轮磨头组件位于中拖板的立柱之上，可相对于工件(滚刀)作径向进给运动；砂轮修整组件也安装于中拖板的立柱之上，由独立的电机驱动(包括U轴和W轴)，可随中拖板作往复运动，修整轮(D轴)安装于砂轮修整组件上，其回转轴线与砂轮(C轴)回转轴线始终平行，砂轮磨头组件和砂轮修整组件一起做滚刀螺旋角的调节运动(B轴)。图4-1 车床本体运动机构再制造后的结构示意图依据图4-1所示车床本体运动机构再制造图，在对普通滚刀铲齿车床进行数控化再制造时，拆除了原车床所有的传动机构，保留了床身、尾座、溜板箱、拖板等基础大件。主轴箱内保留主轴部件，研制了砂轮磨头组件及砂轮修整组件固定于车床中拖板上，中拖板由一只交流伺服电机通过滚珠丝杠驱动可实现径向进给。车床大拖板由一只纵向伺服电机通过纵向滚珠丝杆驱动实现磨头的纵向进给。磨头上的砂轮由一台交流伺服电机通过同步带驱动。砂轮修整组件的横、纵向运动分别由两个交流伺服电机通过滚珠丝杠驱动，修整轮由电主轴驱动，可通过变频器实现无级调速。主轴伺服电机通过减速器和联轴器与主轴相连，实现主轴的伺服控制。4.2主轴丝杠系统的修理要点由于原铲齿车床主轴丝杠系统的性能还比较稳定，出于再制造的考虑，对其进行严格检测后，再进行修理加工，使其性能达到新机床出厂时的标准要求，直接用于数控化再制造后的车床上。节约了资源和成本，也满足车床对主轴丝杠系统的要求，符合再制造的理念。主轴箱体15通过分析机床的说明书可知，CW8925A型滚刀铲磨床主轴箱是剖分式结构，因此为了把主轴系统变形控制在最小范围内，要求上下箱体的结合面、主轴系统各滑动和滚动轴承的支承孔以及主滑动轴支承孔前后端面等处接触率均要达到20点/(2525mm2)。为了达到上述要求，制定了如下的修理步骤：1)首先对下箱体与床身的结合面进行复检，然后刮研上下分箱体结合面；2)为了使各支承孔前后端面的接触率达标，采用专用芯轴如图4-2所示，刮研各档支承孔及主支承孔的前后端面；图4-2 芯轴研磨棒结构图3)锥销与两机件上的锥孔必须紧密配合，用涂色法检查。同时，通过重新铰上下箱体两定位锥销孔，使锥销与锥销孔接触率在80以上。主轴轴承16在箱体刮好后，装入主轴滑动轴承，用螺栓按做好的位置标记紧固，以主轴1：10锥度和后支承导套为基准对滑动轴承锥孔进行刮研，要求为20点2/(25 25mm)，然后研磨控制轴向间隙的垫圈，使其平行度小于2 m，粗糙度Ra为0.1 m。最后对主轴部件进行清洗、安装、调整，使主轴近轴端的径向跳动、轴向窜动都在5 m之内。同时，要求转动主轴时，手感无阻滞现象。传动丝杠的轴向精度控制为了提高传动精度，传动丝杠的轴向间隙应小于5 m，因此，必须对控制轴向间隙的垫圈进行研磨，使其平行度达到2 m之内。4.3机械传动系统的再制造设计普通机床在进行数控化再制造时，应尽量达到具有高的静动态刚度、运动副之间的摩擦系数小、传动无间隙、功率大、便于操作和维修等要求。通常，数控化再制造对机械传动系统有如下要求17：尽量采用低摩擦的传动副，如滚动导轨和滚珠丝杆螺母副，以减小摩擦力；选用最佳的降速比，为了达到数控机床所要求的速度，使刀架的运动尽可能的加速，以跟踪数控系统发出的指令；尽量缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度；尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节、消除传动齿轮间隙的机构等；尽量满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小，传动精度高，运动平稳，效率高以及传递转矩大的传动元件18-19。4.4主轴传动的结构设计原主轴由交流异步电机驱动，出于数控化再制造的考虑，为了实现对主轴的CNC控制，原有主轴交流异步电机以及主轴箱变速机构需拆除，仅保留原机床主轴组件，选择了一台交流伺服电机。伺服电机采用一级齿轮减速，通过一减速器与主轴相连，并利用双薄片齿轮消除间隙。再制造后的主(A)轴传动结构如图6所示。减速器与主轴之间采用了弹性联轴器连接，安装后应使减速器输出轴中心线与主轴中心线保持一致。伺服电机和主轴之间使用一个减速器，不仅满足了滚刀铲齿车床主轴低转速的要求，又起到了增大主轴力矩的作用。经过上述再制造以后，保持了原有滚刀铲齿车床主轴的高精度和高刚度特点，转动平稳，既具有良好的抗震性和热稳定性，又能够对主轴进行伺服控制和速度控制，满足数控的功能要求。图4-3再制造后的A轴传动结构图4.5进给传动系统的结构设计进给传动系统驱动方式的选型数控机床通常是用微机控制的伺服电机来执行机床的进给运动，目前，数控机床的进给驱动方式主要有“旋转伺服电机+滚珠丝杆副”和“直线电动机直接驱动”两种。下面简要介绍两种进给驱动方式的特点20-23。本数控化再制造项目的应用情况是属于中等速度、中等载荷、行程范围也不大(只需要在小范围内来回进给运动及短行程的沿工件轴向的直线进给运动)，且对加工对象、生产批量、性能价格比等因素进行总体评估后，决定进给传动系统均采用“旋转伺服电机+滚珠丝杆副”的驱动方式。并根据进给传动链最短原则，伺服电动机应与进给运动的丝杆连接。4.6轴向传动的结构设计原机床的轴向进给是由主