滚齿机数控化改造设计.pdf

引 言齿 轮 传 动 应 用 广 泛 , 对 齿 轮 制 造 质 量 的 要 求 越来 越 高 , 需 求 量 也 日 益 增 加 , 而 鼓 形 齿 轮 可 改 善 齿轮 的 啮 合 状 况 , 使 齿 向 载 荷 分 布 均 匀 , 提 高 齿 轮 的抗 弯 强 度 , 降 低 传 动 噪 声 , 延 长 使 用 寿 命 。 鼓 形 齿 联轴 器 和 直 齿 联 轴 器 相 比 , 具 有 承 载 力 高 、 使 用 寿 命长 、 维 修 费 用 低 、 机 械 效 率 高 等 优 点 , 在 起 重 机 等 方面 应 用 非 常 广 泛 1 。 普 通 滚 齿 机 不 具 备 加 工 鼓 形 齿轮 的 功 能 , 部 分 滚 齿 机 通 过 加 装 仿 形 板 并 手 摇 机 床立 柱 来 实 现 获 得 鼓 形 齿 轮 加 工 功 能 , 但 这 种 方 法 存在 立 柱 进 给 灵 敏 度 差 、 工 件 齿 面 粗 糙 度 高 、 仿 形 板规 格 繁 多 、 操 作 费 力 等 弊 端 , 特 别 是 机 床 调 整 复 杂 ,调 整 周 期 长 , 产 品 适 应 性 较 差 , 加 工 质 量 较 低 , 严 重制 约 了 鼓 形 齿 轮 的 生 产 。本 课 题 来 源 于 生 产 企 业 对 鼓 形 齿 轮 加 工 的 实际 需 求 , 根 据 近 年 来 数 控 技 术 , 尤 其 是 开 放 式 运 动控 制 器 快 速 发 展 的 现 状 , 应 某 厂 方 要 求 , 对 某 厂 的Y 3 1 5 0 E 滚 齿 机 进 行 数 控 化 技 术 改 造 , 成 功 地 开 发了 一 套 基 于 H U S T C N C - H 3 X 的 开 放 式 运 动 控 制 器的 数 控 滚 齿 系 统 并 用 于 实 际 生 产 。 改 造 好 的 数 控 滚齿 机 调 整 简 单 , 机 械 性 能 稳 定 可 靠 , 使 鼓 形 齿 轮 的加 工 质 量 、 加 工 精 度 大 大 提 高 , 同 时 大 幅 度 提 高 生产 效 率 。1 滚 齿 机 加 工 原 理1 . 1 滚 齿 机 传 动 链 分 析滚 齿 机 应 具 备 下 列 传 动 链 : 主 运 动 传 动 链 、 展成 运 动 传 动 链 、 垂 直 进 给 运 动 传 动 链 、 轴 向 运 动 传动 链 、 径 向 进 给 运 动 传 动 链 2 。 滚 齿 机 的 工 作 运 动有 :( 1 ) 主 运 动 : 主 运 动 即 滚 刀 的 旋 转 运 动 。( 2 ) 展 成 运 动 : 滚 刀 和 工 件 的 回 转 , 由 伺 服 电 动机 分 别 驱 动 滚 刀 和 工 件 的 回 转 , 伺 服 电 动 机 按 控 制指 令 运 动 , 严 格 保 证 滚 刀 和 工 件 二 者 同 步 。 该 方 案投 入 大 , 成 本 高 , 对 运 动 控 制 器 的 实 时 控 制 要 求 较高 , 控 制 软 件 编 程 难 度 大 。( 3 ) 垂 直 进 给 运 动 : 垂 直 进 给 运 动 即 滚 刀 沿 工件 轴 向 作 连 续 的 进 给 运 动 , 以 切 出 整 个 齿 宽 上 的 齿滚 齿 机 数 控 化 改 造 设 计俞 鸿 斌1, 金 波1, 舒 柏 和2( 1 . 金 华 职 业 技 术 学 院 , 浙 江 金 华 3 2 1 0 0 7 ; 2 . 金 华 汉 生 机 电 控 制 工 程 有 限 公 司 , 浙 江 金 华 3 2 1 0 1 7 )摘 要 : 本 文 介 绍 了 运 用 基 于 H U S T C N C - H 3 X 开 放 式 运 动 控 制 器 对 滚 齿 机 进 行 数 控 化 改 造 的 原 理 , 用 此 方 法 改造 普 通 滚 齿 机 , 可 以 有 效 地 扩 大 机 床 加 工 鼓 形 齿 轮 的 功 能 , 大 大 提 高 了 机 床 性 能 , 获 得 较 大 的 经 济 效 益 。关 键 词 : 滚 齿 机 ; 改 造 ; 设 计中 图 分 类 号 : T G 6 1+2 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 6 7 1 - 3 6 9 9 ( 2 0 0 7 ) 0 2 - 0 0 1 4 - 0 3D e s i g n a n d R e f o r m i n G e a r H o b b i n g M a c h i n eY U H o n g - b i n1, J I N B o1, S H U B a i - h e2( 1 . J i n H u a C o l l e g e o f P r o f e s s i o n & T e c h n o l o g y , J i n h u a 3 2 1 0 0 7 , C h i n a ; 2 . J i n h u a H a n g s h e n gM e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c a l C o n t r o l E n g i n e e r i n g L i m i t e d C o m p a n y , J i n h u a 3 2 1 0 1 7 , C h i n a )A b s t r a c t : T h e p a p e r d i s c u s s e s t h e p r i n c i p l e o f t h e g e a r h o b b i n g m a c h i n e C N C R e f o r m u t i l i z i n gH U S T C N C - H 3 X o p e n m o t i o n c o n t r o l l e r . W i t h t h i s d e s i g n , t h e f u n c t i o n o f h o b b i n g m a c h i n e t o m a c h i n ec r o w n g e a r c a n b e e f f e c t i v e l y e x p a n d e d , t h e p e r f o r m a n c e a n d p r o c e s s i n g c a p a c i t y o f t h e C N C g e a rh o h h i n g m a c h i n e a r e g r e a t l y e n h a n c e d . a n d t h e e c o n o m i c a l b e n f i t c a n b e g a i n e d e c o n o m i c a l l y .K e y W o r d s : g e a r h o b b i n g m a c h i n e ; r e f o r m ; d e s i g n收 稿 日 期 : 2 0 0 7 - 0 3 - 2 7作 者 简 介 : 俞 鸿 斌 ( 1 9 7 1 - ) , 男 , 浙 江 永 康 人 , 硕 士 研 究 生 , 讲 师 , 技 师 , 主 要 从 事 数 控 技 术 、 机 械 C A D / C A M / C A E 研 究 。金 华 职 业 技 术 学 院 学 报第 7 卷 第 2 期2 0 0 7 年 4 月V o l . 7 N o . 2A p r . 2 0 0 7形 。 轴 向 进 给 改 造 为 由 伺 服 电 动 机 M 1 驱 动 , 调 节M 1 的 转 速 可 以 得 到 需 要 的 进 给 速 度 , 改 造 原 理 如 图l 所 示 。( 4 ) 径 向 进 给 : 工 件 向 滚 刀 方 向 作 径 向 进 给 , 垂直 进 给 运 动 和 径 向 进 给 联 动 加 工 鼓 形 齿 轮 。 水 平 径向 进 给 改 造 为 由 伺 服 电 动 机 M 2 驱 动 , 经 蜗 杆 副 、 丝杆 副 使 滚 刀 切 向 移 动 , 调 整 伺 服 电 动 机 转 速 可 以 得到 需 要 的 切 向 进 给 速 度 。因 厂 方 要 求 , 且 受 成 本 限 制 , 展 成 运 动 保 留 了普 通 滚 齿 机 原 分 齿 传 动 链 , 采 用 两 台 伺 服 电 动 机 进行 数 控 改 造 。1 . 2 总 体 设 计 方 案根 据 鼓 形 齿 轮 的 成 形 原 理 , 综 合 考 虑 滚 切 中 对机 械 进 给 系 统 跟 随 性 、 快 速 性 的 要 求 及 改 造 成 本 等因 素 , 在 保 留 原 普 通 滚 齿 机 分 齿 传 动 链 的 基 础 上 ,按 照 数 控 理 论 中 两 坐 标 圆 弧 插 补 原 理 , 对 机 床 的 刀架 垂 直 进 给 运 动 和 水 平 径 向 进 给 进 行 数 控 化 控 制改 造 , 实 现 鼓 形 齿 轮 加 工 。 按 工 件 精 度 和 切 削 力 的计 算 , 参 考 国 内 外 数 控 滚 齿 机 的 拖 动 方 式 , 采 用 伺服 电 机 驱 动 的 半 闭 环 伺 服 系 统 。在 数 控 滚 齿 机 上 加 工 鼓 形 齿 轮 , 要 根 据 其 工 件 图 参数 、 夹 具 尺 寸 、 滚 刀 参 数 、 工 艺 要 求 , 确 定 各 轴 位 置 ,X Y 两 坐 标 联 动 , 用 圆 弧 插 值 法 , 加 工 对 称 于 工 件 齿宽 、 带 圆 弧 的 鼓 形 直 齿 和 斜 齿 齿 轮 3 。 数 值 计 算 和 调整 原 理 见 图 2 。2 机 械 部 分 改 造在 满 足 实 际 应 用 需 求 的 情 况 下 , 为 了 降 低 成本 , 酌 情 减 少 数 控 轴 数 , 对 原 机 械 滚 齿 机 的 改 动 较少 。 , 对 不 同 尺 寸 的 鼓 形 齿 轮 通 过 参 数 化 设 置 便 可进 行 加 工 , 操 作 简 单 、 方 便 。进 给 X 轴 、 Y 轴 分 别 采 用 伺 服 电 动 机 通 过 数 控系 统 单 独 控 制 , 数 控 机 床 的 进 给 系 统 应 满 足 无 间隙 、 低 摩 擦 、 高 刚 度 等 基 本 要 求 , 需 要 完 成 的 机 械 改造 主 要 包 括 滑 动 丝 杠 改 为 具 有 预 紧 、 消 隙 功 能 的 滚珠 丝 杠 , 蜗 杆 - 蜗 轮 副 改 为 双 导 程 渐 开 线 蜗 杆 副 。 增加 轴 向 调 整 环 节 , 滑 动 轴 承 均 改 为 滚 动 轴 承 , 去 掉垂 直 进 给 传 动 链 及 调 整 挂 轮 机 构 。 使 刀 架 X Y 轴 数控 化 , 使 得 机 床 各 项 运 动 精 度 大 大 提 高 , 机 床 更 加柔 性 化 , 调 整 更 加 方 便 , 大 大 降 低 工 人 的 劳 动 强 度 。3 控 制 软 件 设 计 方 案3 . 1 控 制 系 统 方 案 制 定本 方 案 是 采 用 台 湾 亿 图 的 多 轴 运 动 控 制 器H U S T C N C - H 3 X 的 开 放 式 数 控 系 统 。 核 心 是 一 块 具有 P C 1 0 4 总 线 并 且 自 带 高 速 D S P 芯 片 的 开 放 式 多轴 运 动 控 制 卡 , 与 嵌 入 式 P C 主 机 构 成 多 处 理 器 结构 , 卡 上 自 带 D S P 芯 片 以 实 现 实 时 高 速 插 补 、 计 算功 能 , 可 完 成 空 间 直 线 、 圆 弧 插 补 , 大 大 减 轻 了 主 机负 担 , 还 提 供 了 程 序 缓 冲 区 , 该 运 动 控 制 卡 通 过P C 1 0 4 总 线 和 计 算 机 通 讯 , 一 方 面 将 从 各 控 制 轴 采集 到 的 数 据 送 给 主 机 进 行 计 算 , 另 一 方 面 , 将 主 机根 据 工 艺 及 数 学 模 型 进 行 运 算 生 成 的 运 动 控 制 指令 经 过 进 一 步 处 理 送 各 轴 伺 服 驱 动 器 , 完 成 各 轴 的运 动 控 制 , 加 工 出 满 足 工 艺 要 求 的 合 格 零 件 。图 1 滚 齿 机 改 造 原 理 简 图图 2 X Y 两 坐 标 联 动 圆 弧 插 值 法 加 工 鼓 形 齿 轮俞 鸿 斌 等 : 滚 齿 机 数 控 化 改 造 设 计第 2 期1 5图 5 滚 齿 机 系 统 硬 件 控 制 部 分 及 部 分 电 器 原 理 图图 3 T N C - A 3 系 列 控 制 器 L C D 面 板 及 按 鍵图 4 滚 齿 机 数 控 系 统 单 段 运 行 操 作 界 面( 下 转 第 1 3 页 )金 华 职 业 技 术 学 院 学 报 2 0 0 7 年3 . 2 控 制 软 件 设 计 方 法本 系 统 控 制 软 件 是 在 纯 D O S 下 用 C 语 言 开 发的 , D O S 系 统 的 开 放 性 、 单 任 务 、 准 确 的 时 钟 中 断 管理 及 其 良 好 的 稳 定 性 , 为 工 业 化 生 产 提 供 了 可 靠 的保 证 。 整 个 软 件 系 统 采 用 模 块 化 设 计 , 它 包 括 主 程序 模 块 、 子 程 序 模 块 及 加 工 程 序 模 块 三 大 部 分 。 控制 器 L C D 面 板 及 按 键 参 见 图 3 。 单 段 运 行 操 作 界 面参 见 图 4 。 其 中 系 统 初 始 化 包 括 自 制 小 汉 字 字 模 的装 入 、 显 示 器 图 形 方 式 的 初 始 化 、 控 制 器 滤 波 参 数的 整 定 等 。 系 统 诊 断 模 块 的 作 用 是 监 控 各 被 控 轴 的运 动 状 态 , 如 : 各 轴 有 无 运 动 误 差 超 限 、 伺 服 报 警 、 运动 完 成 、 限 位 开 关 动 作 等 。 实 时 控 制 模 块 , 由 中 断 服务 程 序 实 现 , 它 在 每 个 时 钟 中 断 周 期 内 读 入 各 轴 位置 , 根 据 加 工 对 象 的 加 工 工 艺 要 求 计 算 出 新 的 运 动控 制 指 令 送 运 动 器 解 释 执 行 。4 硬 件 电 路本 文 讨 论 的 改 造 方 案 采 用 开 放 式 运 动 控 制 卡去 驱 动 各 轴 电 机 , 摆 脱 了 国 外 进 口 的 限 制 , 充 分 发挥 了 P C 平 台 上 的 软 硬 件 优 势 , 丰 富 和 改 善 了 开 发环 境 。 硬 件 电 路 由 外 设 、 信 号 变 换 电 路 及 辅 助 电 路几 部 分 组 成 , 构 成 一 个 完 整 的 简 易 数 控 系 统 , 完 成程 序 的 输 入 与 处 理 、 显 示 、 电 机 驱 动 等 一 系 列 功 能 。滚 齿 机 系 统 硬 件 控 制 部 分 及 部 分 电 器 原 理 图 如 图 5所 示 。1 6参 考 文 献 : 1 陈 伯 时 . 电 气 拖 动 自 动 控 制 系 统 M . 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 1 9 9 7 . 2 实 用 数 控 加 工 技 术 编 委 会 . 实 用 数 控 加 工 技 术 M . 北 京 : 兵 器 工 业 出 版 社 , 1 9 9 5 . 3 杜 建 铭 , 李 富 生 , 吴 宏 , 等 . 基 于 开 放 式 运 动 控 制 器 的 滚 齿 机 数 控 改 造 方 案 J . 制 造 技 术 与 机 床 , 2 0 0 2 ( 1 0 ) : 4 7 - 4 8 .4 调 试 与 结 论在 集 中 器 的 调 试 过 程 中 , 我 们 采 用 了 分 模 块 调试 的 方 法 , 首 先 在 L C D 显 示 屏 上 显 示 存 储 单 元 中 的数 据 , 并 能 通 过 键 盘 来 选 择 相 应 数 据 的 显 示 ; 第 二步 调 试 4 8 5 通 讯 模 块 , 根 据 中 华 人 民 共 和 国 电 力 行业 标 准 : 多 功 能 电 能 表 通 信 规 约 ( D L / T 6 4 5 1 9 9 7 ) 中 的 约 定 , 使 电 表 中 的 数 据 能 被 顺 利 地 采 集并 存 储 到 集 中 器 中 ; 第 三 步 调 试 数 据 发 送 模 块 , 包括 以 太 网 和 G P R S 两 个 部 分 。 最 后 进 行 系 统 的 整 体联 调 , 实 现 了 电 表 数 据 的 实 时 抄 录 和 远 距 离 发 送 ;抄 表 系 统 管 理 中 心 通 过 集 中 器 对 电 表 的 远 程 控 制功 能 也 得 到 了 实 现 。 该 集 中 器 经 过 适 当 的 调 整 , 可以 应 用 于 供 水 、 供 气 系 统 中 , 做 到 水 、 电 、 气 三 表 合一 的 集 中 抄 表 , 具 有 良 好 的 应 用 前 景 。参 考 文 献 : 1 杜 春 雷 . A R M 体 系 结 构 与 编 程 M . 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 2 0 0 3 . 2 陈 赜 . A R M 9 嵌 入 式 技 术 及 L i n u x 高 级 实 践 教 程 M . 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 2 0 0 5 . 3 丁 毓 山 . 电 子 式 电 能 表 与 抄 表 系 统 M . 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出 版 社 , 2 0 0 5 . 4 钟 章 队 , 蒋 文 恰 , 李 红 君 , 等 . G P R S 通 用 分 组 无 线 业 务 M . 北 京 : 人 民 邮 电 出 版 社 , 2 0 0 1 . 5 崔 强 , 宋 玉 炎 . 基 于 无 线 通 信 的 自 动 抄 表 系 统 的 设 计 与 实 现 J . 现 代 通 信 技 术 , 2 0 0 3 , 2 8 ( 8 ) : 1 5 - 1 8 . 6 孙 磊 , 张 崇 巍 . 以 太 网 控 制 器 芯 片 R T L 8 0 1 9 A S 及 其 远 程 抄 表 系 统 中 的 应 用 J . 仪 器 仪 表 用 户 , 2 0 0 4 , 1 ( 4 ) : 3 7 - 3 9 .开 始网 卡 接 收 标 志位 是 否 为 1从 网 卡 接 收 数 据M C 5 5 接 收 标志 为 是 否 为 1从 M C 5 5 接 收 数 据数 据 处 理结 束是否否是图 6 数 据 接 收 子 程 序 流 程 图!( 上 接 第 1 6 页 )章 珏 瑞 等 : 基 于 嵌 入 式 系 统 的 电 能 抄 表 集 中 器 设 计第 2 期5 结 论本 设 计 已 成 功 地