在三轴数控铣床上使用PLC模块控制回转工作台切锥齿轮螺纹 机械设计制造及其自动化专业毕业设计外文翻译.doc

Int J Adv Manuf Technol (2010) 49:10691077DOI 10.1007/s00170-009-2466-0合 肥 工 业 大 学毕 业 设 计 翻 译 文 献设计题目： 数控回转工作台设计 学生姓名： 学 号： 专业班级：机械设计制造及其自动化08-3班 指导老师： 院系名称： 机械与汽车工程学院 2012年02月12日原文：在三轴数控铣床上使用PLC模块控制回转工作台切锥齿轮螺纹S. Mohsen Safavi & S. Saeed Mirian &Reza Abedinzadeh & Mehdi KarimianReceived: 25 November 2008 / Accepted: 23 November 2009 / Published online: 5 January 2010# Springer-Verlag London Limited 2009概述 时下数控加工越来越多地使用“机电一体化”。数控技工，电气，数据处理系统相结合可导致新的生产方法。近年来，数控技术的发展已经使人们有可能进行非线性校正的螺旋锥齿轮的切削运动。在本文中，我们试图使用一个三轴数控铣床利用传统的间断多种切削的实现方法，通过使用一个万能铣床的一个额外的PLC模块接口连接牵引工作头来制造螺旋锥齿轮。这项研究由（a）螺旋锥齿轮的几何造型，（b）模拟传统和新的非传统方法使用CAD / CAE系统，（c）数控加工和PLC编程的过程规划，（d）用三轴数控铣床实验切削发现该方法的有效性组成。结果表明，发明的实验SBGs切割方法不仅是较先进的数控加工更廉价，同时也与传统的切削加工相比能在较短的时间内生产齿轮。因而，它是一个制造SBGs经济的方法。关键词 齿轮制造.螺旋锥齿轮.CAD/CAM/CAE技术.数控.PLC.交流电机.逆变器.接近传感器.光电传感器.旋转编码器S. M. Safavi : S. S. Mirian : R. Abedinzadeh (*) :M. Karimian (*)机械工程部,伊斯法罕科技大学,伊斯法罕, 伊朗e-mail: abedinzademe.iut.ac.ire-mail:m_1 引言齿轮作为传输并行的交叉和交错交叉轴的机械动力或运动变速的方法是重要且精密的机械。虽然在视野中中隐藏着，齿轮依然是在我们的文明中最重要的机械元件之一。他们在各种各样的条件下以极限的速度运行。用以生产齿轮的机器和过程是现存最精致的。无论是生产或大或小的批量，在细胞中，或车间作业批次，齿轮制造过程的序列要求四项工艺过程1：1. 下料2. 齿轮切削3. 热处理4. 研磨根据他们的类型和应用所需的强度和韧性，由铸造，挤压，锻造，粉末冶金，塑料模具，齿轮滚动，和机械加工制造齿轮。在这些过程中，机械加工更加频繁地用于高精密齿轮2。在各种类型的齿轮，螺旋锥齿轮（SBG）是最复杂的类型，用于传输之间的角度交叉轴的旋转运动。SBGs有纵向沿齿的长度方向弯曲的齿。这些齿轮比直齿齿轮的主要优势在于，由于曲线形的原因在同一时间能保证齿的轮廓啮合更多的齿等，啮合时运动平稳性能得以保证3。在直升机的变速箱，摩托车齿轮，减速机，和其他工业部门中至关重要的研究齿轮应用的问题上，螺旋锥齿轮的设计和制造仍然是一个热门话题。对现今制造业而言，齿轮由特殊机床，滚齿机和成型机加工而成。近期，专用数控齿轮制造机床用于工业实践。这也许可以解释为什么关于齿轮制造的论文在开放研究领域的稀少。近期，基于数控技术的齿轮制造机床已被开发并且越来越多地应用于工业实践中。然而，它们的运动学结构仍然与工业数控铣床有着本质不同，因为前者是为特殊刀具而设计的。以往齿轮的研究主要关注齿轮的设计和分析。已对齿轮的几何特征和设计参数进行了研究48。Tsai 和 Chin 4提出了一个基于基本运动装置和沿相切面为渐开线几何形状的锥齿轮的数学曲面模型（直线和SBGs）。后来被Al-daccak等人拿来和基于确切的球面渐开线曲线的其他模型进行比较5。Shunmugan等人提供了一个不同的模型，它的精确性（与专用机床制造的螺旋锥齿轮相比）依照标称偏差所证明。对于花冠齿轮，只有几个结果适合。Litvin和Kim 8提供一个由正齿轮修正节圆的渐开线产生的方法。Umeyama9设计了一个节圆的标准轮廓和一个修改螺旋齿轮传动误差值测定的顶部/底部的面齿轮轮廓。Tamura等人10, 11 研究了使用一个平面齿的锥齿轮点接触模型。这些研究与特殊的专门设计制造齿轮齿廓的齿轮机，如滚齿机和成型机有关。Suh等人12研究了一个曲面加工螺旋锥齿轮的制造方法的可能性，并用使用一个四轴数控铣床与回转工作台展示工具路径生成从而证明其可能性。还介绍了一个基于模型的螺旋锥齿轮的检查方法13。在本文中，我们试图提出一个在三轴数控铣床上使用PLC模块控制回转工作台来制造SBGs新的过程。在生产速度方面，很明显，这种方法将低于专用机床。除产率外，这种方法在以下几方面具有优势：（1）传统的方法需要大量投资获得各类大小和几何方面非常有限的专用机械和专用齿轮类型的齿轮类刀具；（2）通过这种方法，可以利用工业三轴数控铣床生产各种类型的齿轮； （3）这种方法比专用机床更具有经济性。开发一个自动的计算机模型来完全模拟过程并获得加工参数是和以往的成果区分我们的工作的要点之一。所有以前的研究一直致力于计算复杂的数学公式和设计几何模型。鉴于上述情况，实验测试应给予特别重视，而不是呈现SBGs的几何或数学模型。这是第一次机电工具和一个三轴数控铣床同时使用用来制造一个特殊的齿轮，甚至是机械部件。2 螺旋锥齿轮的几何规范大多数时候，一个齿轮的几何参数由工程图纸提供。一些参数（主要参数）需要由几何定义。图1显示模数，螺旋角，齿轮的齿数。表1总结了这些参数，包括在我们测试中已生产齿轮的参数之间的关系。要计算这些参数，我们使用叫GearTrax 的“驱动器组件开发软件”。螺旋锥齿轮的设计需要高精度的数学计算，生成这种齿轮传动不仅要求高品质的设备和齿轮传动装置的制造工具，也需要特殊机床设置的发展。这种标准不是规范的，但必须在每个齿轮传动设计要求的质量有保证（取决于齿轮传动的几何参数和生成工具）的情况下决定的。图1 模块，螺旋角，齿轮的齿数表1 齿轮数据3 制造SBG像在引言中所讨论的，通过机械加工，各种类型和尺寸的齿轮都能制造，机械加工因为其高精度也是未被超越的。铣削是制造任何类型的齿轮中最常见的加工过程 14。刀具有相同的形式，如邻齿之间的空隙。标准刀具通常受聘于标准齿轮的切割。在美国，这些刀具由各类径节分为八类，并根据齿数表示标准表切齿轮。 格利森公司使用的面对滚齿过程是由基于可以分别考虑交配齿轮和小齿轮的锥齿轮的一般概念所生成，并由互补花冠齿轮所产生15。产生的冠齿轮的齿面由如图2所示工具刀片的切削刃的轨迹做成形运动加工而成。 由公式. 1所示，面对滚齿过程中的比例速度取决于工具的齿数和成型齿轮：wt和wc表示该工具的角速度和发电齿轮；Nt 和 Nc表示刀片组的数量和发电齿轮的齿数。图2 生成扩展外摆线成形齿轮滚动节圆的半径和工具由式2和3决定：S为机径向设置。 成形冠齿轮，可以被看作一个锥齿轮90 俯仰角的特殊情况。因此，一个通用术语“成形齿轮”由此而来。互补成形冠齿轮的概念被理解为当配套成形小齿轮的成形齿面和齿轮啮合时。在实践中，为了引入交配齿面的错配，成形齿轮的小齿轮和齿轮可能不互补相同。成形齿轮的旋转是由一个双曲线齿轮成型器的旋转支架所产生的（图3）。 为了利用三轴数控铣床制造SBGs，我们首先发展由几何造型及图形仿真模块组成的的CAD / CAM系统测试过程。商业软件Solidworks被用作创建CAD模型和MSC。Visual NASTRAN 4D（通过三维模型进行运动学分析机构的CAE系统）用作模拟齿轮制造过程及其分析结果（图4）。至于机床结构而言，很明显，工件的旋转运动是为数控加工SBGs的需要。基于可加工性分析16，数控加工SBGs一个工步至少需要四轴控制。因此，需要一个接有回转工作台的三轴铣床。成形切割或成形铣在我们的测试使用。刀具是呈放射状从轮毛坯中心向所需齿根齿宽，然后穿过整个齿面，回转工作台则绕工件中心回转，以获得所需的的齿宽。图3 锥齿轮切削的概念当一个齿的间隙已经完成，该刀具被撤回，齿轮毛坯使用分度头连接，下齿间隙被切断。基本上，这是一种简单灵巧地用机械加工制造SBGs的方法。需要的设备和刀具相对简单，并使用标准的三轴数控铣床。然而，刀具在每一步的进给值应当很小并且相当谨慎以防任何刮伤。 我们用GearTrax创建螺旋锥齿轮来模拟操作顺序，然后估计一些加工参数，如立铣刀的初始高度，位置接近传感器，电机转矩，电机转速和旋转频率。例如，在SolidWorks中，我们用来定位的主轴沿Z轴垂直的立铣刀和SBG顶点之间的距离为14.7毫米。图4 切削齿轮的仿真图5 CAE系统所取得的电机角速度图此外，根据我们使用CAE系统的图形报告，电机角速度和电机扭矩分别为1rpm和48牛米（图5和6）。 Mastercam软件是一种机械的软件，可以用来生成加工刀具路径。根据面齿轮的整个深度和宽度，在切削过程中刀具路径设计为一个矩形轮廓。其他加工参数和工具的规格也已提交给软件的刀具路径菜单。在轮廓窗口（图7），我们使用的有两种选择：1. 多路径让刀具有多步骤加工，从而能更好地进行切削加工。2. 在进入/退出动作之前，导入/出已延长或已缩短的刀具路径不会生成额外的几何体，这有助于控制补偿工作时，使人们有可能在更短的时间内编写的固定的轮廓刀具路径（图8）。虽然这种齿轮切割的形式目前在万能铣床上使用索引头实现，但这个过程是缓慢的，需要熟练的工人和操作员。图9显示在通用机器上完成工作时车间的布置安排。图6 CAE系统所取得的电机扭矩图图7 设置轮廓参数如其所示，刀具安装在一个心轴上，分度头用于旋转（切削齿轮齿廓）导引齿轮毛坯。回转工作台设定一个角等于螺旋角（35），分度头与回转工作台的纵向进给螺杆齿轮连接，使齿坯纵向移动旋转。图10展示了上文提到的传统切割的模拟。在所提出的方法中，我们已经使用交流电（AC）电机与蜗轮蜗杆减速对接。蜗轮齿轮箱用于减少交流电机的输出速度并且调节节圆锥元素和齿轨迹之间的角度，其角度称作螺旋角17。 由于需要刀具路径规划和向外轴的蜗轮蜗杆减速旋转运动之间的同步，应使用机电一体化系统来控制所有的四轴（一根轴控制回转工作台的运动其他三轴控制切削工具）同时使用。 机电系统包含五个主要部分：1. 可编程序控制器，电子设备，它可以被称为一个“序控制器。”它使用内部的微处理器根据序列的编码器和传感器的输入信号中的状态和值来执行计算工作。2. 变频驱动（VFD），是通过控制向电动机提供的电力频率来控制交流电动机的转速一个系统18。可变频率驱动器是一种特定类型的调速驱动。变频驱动器也被称为可调变频器，变速驱动器，交流驱动器，微型硬盘，或逆变器驱动器。由于电压随频率的变化，这些可变频率驱动器有时也被称为变压变频器19。我们使用交流电机驱动器作为PLC和交流电机之间的中间设备。图8导入/输出参数图9一张万能铣床上手动切割的照片图10 Visual Nastran 4D在万能铣床上使用引导头进行传统手动切割模拟 一些被用来配置交流电机驱动器的变量如下：1. 最大输出频率(Fmax=60 Hz)这个参数决定交流电机驱动器的最大输出频率（0至+10 V，4至20毫安，-10+10 V）。2. 最大电压频率(Fbase=60 Hz)设定此值应根据电机铭牌上电机额定频率。最大电压频率决定伏每赫兹。对于60 Hz的设置，变频器将保持恒定为7.66V / Hz(460 V/60 Hz=7.66 V/Hz)。此参数值必须等于或大于中点频率。3. 最大输出电压(Vmax=220 V)此参数确定交流电机驱动器的最大输出电压。最大输出电压设置必须小于或等于电机的额定电压电机铭牌上所标明的电压。此参数值必须等于或大于中点电压。4. 中点频率(Fmid=.5 Hz) 此参数设定V / F曲线的中点频率。使用此设定，最小频率和中点频率之间的V / F比可确定。此参数必须等于或小于最大电压频率。5. 中点电压(Vmid=220 V) 此参数设定任意V/ F曲线的中点电压。使用此设定，最低频率之间的V / F比可确定。此参数必须等于或大于最小输出电压且等于或小于最大输出电压。然而，当V / F曲线设定为1至4时这个参数是无效的。6. 最低输出频率(Fmin=0.5 Hz) 此参数设定交流电机驱动器的最低输出频率。此参数必须等于或小于中点频率。7. 最小输出电压(Vmin=1.1 V)此参数设定交流电机驱动器的最低输出电压。此参数必须等于或小于中点电压。如式4所示有一个不同参数之间的交流驱动器中的逻辑关系：其中T是扭矩，是通量，I是安培，V和F代表的电压和频率。在图11中，已示 V/F曲线。在一个变频器里，电机的转速通过改变频率改变。因为它可取的任何（不一定必要）工作频率以提供最大扭矩，变频器设计成使磁通密度在每一个工作频率相同。变频驱动有时在不增加电压的情况下，在正常的最高频率以上操作。在正常频率的1.5至2倍，可用扭矩往往随着曲线减少，以提供足够的恒功率运行。3. 旋转编码器，也称为轴角编码器，是用模拟或数字代码转换成一个轴或轴角位置的机电设备，使它成为一个角度传感器。它可以判断向外轴的位置，或测量工件装上外向轴的转动。图11 V/F 曲线图12 编码器的工作原理 一般来说，如图12所示，由LED发出的光通过狭缝的旋转磁盘和一个固定的罩子，一个光电二极管阵列根据磁盘上的图案产生一个电子输出。最常见的编码器为每个计算的解析位置提供了一个数字脉冲并引用到位置。这些数字脉冲接着送入位于驱动器或控制器接口的高速计数器模块。4. 接近传感器，如果金属物体（在我们实验中的成形铣刀进入其振荡的电磁场其将产生一个输出信号，两个接近传感器被放置在系统定义的刀具路径的开始和结束处。在此过程中，两个指标的看台已被用来以更自由地控制接近传感器的位置(图13)。5. 光电传感器，通过使用光发射机（包括位于视线内发射线的接收器）检测对象存在的设备。表2显示了我们在本研究中使用的光电传感器的基本规格。电源供给有光亮模式和黑暗模式两个状态。在第一状态，控制输出打开接收光变成中断光。在第二状态，控制输出关闭接收光线和打开中断光。在这种模式下，当光束被阻断从发射到接收时检测到一个对象。这些传感器应安装在输出轴一环同心；这个套圈作为摩擦轴承和旋转外圈。输出轴及以上环使用的枢纽系统连接。图13 在SolidWorks中接近传感器和指示灯的位置表2 光电传感器规格型号电缆长度(L)检测目标(mm)每分钟检测目标FT-320-052 m150D0.5 光束从发射器穿过轴的轨道到对面的接收器上。它分别依据光的透射或堵塞评估其存在与否。 我们用梯形图，普通编程语言操作如图14所示的在机电一体化系统中的PLC。 基于梯形图PLC的操作如下：步骤1 读取外部输入信号，如传感器或旋转编码器 的状态。步骤2 计算输出信号，根据在第1步输入信号的值，并将其发送到交流传动（变频器），向前进/后退的方向运行交流电机或使用旋转编码器让电机打开一个特殊的角度（圆节距）。设定完数控铣床，完成整个系统的程序分为五个阶段：阶段1 成形铣刀到达第一个接近传感器（如图16中所示橘黄色的）。一旦传感器1检测到成形铣刀，+5 V信号发送到PLC。如同之前提到的，PLC发出一个输出信号，交流电机驱动器按前进方向运行电机。阶段2 成形铣刀机的旋转工件与刀具路径已经在Mastercam中生成。阶段3 刀具到达第二个接近传感器（绿色的）。传感器2检测成形铣刀，它发出的第二个信号给PLC，PLC发送一个停止的命令给变频器。阶段4 铣刀撤回停止工件并返回到第一位置。同时，交流电机驱动器按反方向运动，直到轴达到第一处位置，光电传感器通过输出轴传递的纵向裂缝接收到传输的辐射。阶段5 1到4个阶段连续进行，直到第一个齿隙被切除。PLC为上述四个阶段计数直到达到预定的加工顺序的数目。然后，它向交流电机驱动器发出了一个信号导引齿轮相同径节，接着所有上述阶段将被再次重复。径节由1,024脉冲/转的旋转编码器测量。图14 一张电器面板的照片，包括PLC和变频器图15 一张实验切削的照片图16 一张机械加工SBG的照片图17切割螺旋锥齿轮的大致过程 传统程序（图9）是相当缓慢的，需要相当谨慎操作。同样，在一个普遍铣床上利用的过程基本是一样的。相反，在安装后，各项操作均完全自动完成。实验切削加工配置和复印件如图15和所示16。 根据本发明该方法的最大优势体现在加工时间上。例如，只用了2分钟，就能完全切削一个齿隙。同时，用传统方法切削相同齿隙要花半个多小时。 本方法更大优势体现在手动切割上，它能在结束切削过程之前瞬间设定刀头角度补偿。4 加工策略工件是木材，加工坯料由车削圆锥（面角的齿轮）预机械加工成形。在我们的实验中使用的5号标准刀具安装在机床主轴上，齿轮毛坯安装在蜗轮蜗杆减速齿轮的外轴。其后工具送入（约30个加工顺序，以防破损）齿轮坯的中心所需的齿深度。当一个齿隙已经完成，该工具被撤销；基于程序使用交流电机导引齿轮毛坯然后再切割下牙间隙。 看过上述提到的所有阶段，下面的图表可以被视为本方法的大致过程（图17）。5 结论在本文中，我们试图使用一个三轴数控铣床利用成形铣削方法制造螺旋锥齿轮。对于这样一个目的，我们研究了切割过程的CAD / CAM模型和刀具路径计算算法。所有以前的工作一直关注使用复杂的数学程序设计方面，但对实验的制造方法尚未注意。基本上，使用成形切割的方法进行齿轮加工简单而灵活。需要的设备和刀具相对简单经济，且使用标准的数控铣床。因此，它并不需要熟练的操作员设置系统。与需要专用机床的传统的齿轮切割方法相比，所提出的方法可以很容易地被修改，以产生任何类型和规模的的SBGs或任何其他类型的齿轮。在手动切割相比，它是一个完整的自动方法，即从计算机模型派生的所有加工参数。它也是一个多合成的系统（用到了机电一体化和数控系统），也是一个动力和不断发展的技术。参考文献1. 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