齿轮加工CNC系统.pdf

3 本 文 属 国 家 “ 八 五 ” 重 点 科 技 攻 关 项 目 内 容收 稿 日 期 : 1997205220; 收 到 修 改 稿 日 期 : 1997211202齿 轮 加 工 CN C 系 统 3胡 赤 兵(甘 肃 工 业 大 学 )摘 要 齿 轮 切 削 加 工 机 床 数 控 化 的 关 键 在 于 不 仅 需 要 其 它 类 型 数 控 机 床 共 同 的 控 制 功 能 , 而 且 必 须 解 决 : 电 子 齿 轮 传 动 、 电子 差 动 传 动 、 函 数 分 频 等 功 能 模 块 的 设 计 与 制 造 技 术 ; 软 、 硬 件 结 合 , 粗 、 精 插 补 实 时 控 制 方 案 的 合 理 结 构 ; 参 数 自 动 编 程 软 件 , 以及 机 、 电 一 体 的 优 化 设 计 等 项 关 键 技 术 。关 键 词 齿 轮 加 工 CN C 电 子 齿 轮 电 子 差 动 参 数 自 动 编 程Abstract T he key of CN C of gear m ach ining lies no t only to obtain the sam e contro l function as o ther types of CN C m ach inetoo ls, but also to so lve the key technique of the design and m anufacture of the function modulus such as the electronic gear trans2m ission, the electronic differential transm ission, and the function frequency division; the integration of struction softw are and hard2w are; the reasonable construction of rough and fine interpo lation contro l m ethod; the op tim ization design of m echatronics, etc.Key words Gear2m ach ining CN C E lectronic2gear E lectronic2differential Param etric2autom atic2p rogramm ing齿 轮 的 种 类 繁 多 、 用 途 极 广 , 其 轮 廓 切 削 成型 的 方 法 也 很 多 。 传 统 齿 轮 加 工 机 床 大 都 采 用连 续 范 成 切 削 加 工 的 方 法 。 为 满 足 高 精 度 、 高 效率 、 多 品 种 、 自 动 化 切 削 加 工 齿 轮 的 实 际 需 要 ,运 用 高 新 技 术 改 造 传 统 齿 轮 加 工 机 床 、 实 现 数控 齿 轮 加 工 已 是 当 前 齿 轮 制 造 行 业 的 主 要 发 展趋 势 。众 所 周 知 , 工 件 齿 轮 在 切 削 成 型 的 过 程 中 ,机 床 必 须 具 备 以 下 几 种 基 本 运 动 : 形 成 工 件 齿轮 渐 开 线 母 线 、 属 于 “ 内 联 系 ” 传 动 性 质 的 范 成分 齿 运 动 ; 形 成 工 件 齿 轮 轴 向 导 线 、 属 于 “ 外 联系 ” 传 动 性 质 的 进 给 走 刀 运 动 ; 形 成 工 件 斜 齿 轮螺 旋 线 导 线 、 具 有 内 联 传 动 关 系 的 差 动 合 成 运动 。 传 统 齿 轮 加 工 机 床 上 , 范 成 分 齿 运 动 是 由 刀具 主 轴 (机 床 B 轴 ) 与 工 件 主 轴 (机 床 C 轴 ) 之间 能 够 提 供 适 当 传 动 比 的 齿 轮 箱 来 实 现 的 ; 工件 斜 齿 轮 的 螺 旋 角 则 是 通 过 另 一 组 联 结 轴 向 丝杠 的 差 动 齿 轮 所 产 生 。 由 于 众 多 机 械 传 动 零 件的 制 造 与 安 装 误 差 , 将 直 接 影 响 着 工 件 齿 轮 切削 成 型 的 精 度 ; 同 时 因 为 机 械 传 动 链 在 切 齿 过程 中 参 数 无 法 调 节 的 弱 点 , 限 制 着 工 件 齿 轮 轮廓 曲 线 成 型 的 种 类 。 这 里 实 现 数 控 齿 轮 加 工 的思 想 , 就 是 采 用 一 个 带 反 馈 的 电 子 控 制 系 统 对工 件 主 轴 转 角 位 置 的 控 制 , 以 替 代 那 些 刀 具 主轴 与 工 件 主 轴 之 间 、 轴 向 进 给 丝 杠 与 差 动 齿 轮之 间 所 采 用 的 齿 轮 箱 , 从 而 简 化 机 床 运 动 坐 标机 械 传 动 链 、 增 强 机 床 整 机 的 刚 性 、 提 高 机 床 切削 加 工 齿 轮 的 精 度 ; 借 助 界 面 友 好 、 容 错 性 强 、操 作 简 便 的 智 能 化 操 作 系 统 替 代 运 用 交 换 齿 轮调 整 加 工 齿 轮 齿 数 、 螺 旋 角 等 , 完 成 机 床 刀 具 主轴 转 速 、 切 削 深 度 、 进 给 走 刀 轨 迹 和 速 度 等 参 数调 整 , 以 简 化 机 床 的 操 作 和 调 整 、 缩 短 齿 轮 加 工辅 助 时 间 、 提 高 齿 轮 加 工 生 产 率 。一 、 系 统 结 构如 图 1 所 示 , 系 统 由 上 位 机 (32 位 工 业 控制 微 机 ) , 下 位 机 (即 主 控 制 系 统 ) , 工 业 PL C(可 编 程 控 制 器 ) , 操 纵 面 板 等 组 成 。系 统 采 用 软 、 硬 件 结 合 , 软 件 粗 插 补 、 硬 件精 插 补 的 实 控 方 案 , 以 满 足 齿 轮 加 工 的 特 殊 要求 。 软 件 插 补 的 方 法 是 通 过 上 位 计 算 机 系 统 对工 件 齿 轮 的 轮 廓 曲 线 进 行 计 算 处 理 , 借 助 主 控05 机 械 工 业 自 动 化 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. CPU 模 板 执 行 插 补 指 令 和 数 据 的 实 时 传 送 , 在功 能 模 板 的 控 制 下 实 现 特 定 粗 插 补 功 能 。 这 里硬 件 插 补 的 原 理 是 根 据 不 同 工 件 齿 轮 轮 廓 曲 线的 成 型 要 求 , 系 统 通 过 软 件 设 定 使 得 基 本 控 制单 元 实 现 相 应 的 藕 联 , 构 成 符 合 特 定 运 动 关 系的 函 数 发 生 器 、 以 达 到 数 字 硬 件 插 补 的 控 制 目的 。图 1 系 统 结 构 框 图上 位 机 完 成 前 台 工 作 , 即 预 处 理 (包 括M ID 和 通 讯 )、 诊 断 、 显 示 、 监 控 等 任 务 。 由 于 上位 机 不 介 入 机 床 运 动 坐 标 的 实 时 控 制 , 大 大 提高 了 对 其 基 本 机 型 的 选 择 范 围 , 亦 可 充 分 发 挥其 软 件 、 硬 件 的 基 本 支 撑 功 能 以 增 强 用 户 操 纵界 面 、 运 行 过 程 的 智 能 化 管 理 。主 控 制 系 统 如 图 2 所 示 由 主 控 CPU、 存 储单 元 、 及 由 电 子 齿 轮 、 电 子 差 动 等 单 元 组 成 的 功能 模 板 构 成 , 采 用 双 总 线 (标 准 总 线 和 自 定 义 总线 )结 构 。功 能 模 板 集 电 子 齿 轮 、 电 子 差 动 等 功 能 单元 为 一 体 , 在 软 件 的 设 定 下 功 能 模 板 能 够 脱 离上 位 机 和 主 控 CPU 独 立 完 成 机 床 运 动 坐 标 的闭 环 或 半 闭 环 实 时 控 制 。 功 能 模 板 能 够 提 供 标准 的 DA C 输 出 , 以 及 正 、 反 行 脉 冲 序 列 。 不 仅适 用 于 伺 服 控 制 方 式 , 也 可 适 用 于 步 进 控 制 方式 。 功 能 模 板 实 质 上 是 功 能 增 强 的 智 能 化 位 置环 板 , 在 程 序 指 令 的 控 制 下 可 进 行 多 种 操 作 , 不仅 能 够 完 成 诸 如 直 线 、 圆 弧 、 抛 物 线 、 椭 圆 、 双 曲线 、 正 余 弦 、 空 间 螺 线 等 众 多 曲 线 轨 迹 的 插 补 控制 , 而 且 可 以 实 现 对 机 床 运 动 坐 标 位 移 量 的 检测 , 同 时 还 可 产 生 中 断 控 制 信 号 。由 于 功 能 模 板 具 有 很 强 的 实 时 控 制 及 插 补功 能 , 从 而 大 大 简 化 了 主 控 制 系 统 的 软 、 硬 件 结构 。 通 常 主 控 制 系 统 完 成 机 床 运 动 坐 标 的 实 时控 制 、 手 动 调 整 等 任 务 。 通 过 标 准 总 线 实 现 上 位机 与 主 控 CPU 之 间 的 信 息 交 换 , 借 助 自 定 义总 线 完 成 各 功 能 模 板 、 以 及 主 控 CPU 之 间 的信 息 交 换 和 藕 联 。二 、 电 子 齿 轮在 工 件 齿 轮 渐 开 线 母 线 成 型 过 程 中 , 机 床图 2 主 控 制 系 统 原 理 框 图15第 20 卷 第 2 期 1998 年 4 月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 刀 具 主 轴 与 工 件 主 轴 之 间 的 范 成 分 齿 运 动 关 系可 由 下 式 描 述 :N c = N b $b$c K bKc(1)式 中 N b 刀 具 主 轴 角 位 移 检 测 或 指 令 脉 冲 数$b 刀 具 主 轴 检 测 或 指 令 脉 冲 当 量N c 工 件 主 轴 角 位 移 检 测 或 指 令 脉 冲 数$c 工 件 主 轴 检 测 或 指 令 脉 冲 当 量K b 刀 具 头 数 或 齿 数K c 工 件 齿 轮 齿 数由 于 刀 具 主 轴 与 工 件 主 轴 间 运 行 的 不 同 步性 , 将 直 接 复 印 在 工 件 齿 轮 上 , 造 成 工 件 齿 轮 的运 动 误 差 。 所 以 对 机 床 范 成 运 动 的 控 制 , 是 齿 轮切 削 加 工 机 床 数 控 系 统 设 计 中 的 关 键 。 这 里 采用 电 子 齿 轮 (即 同 步 锁 相 伺 服 控 制 单 元 )将 刀 具主 轴 与 工 件 主 轴 联 系 在 一 起 , 严 格 保 证 了 上 述关 系 。这 个 电 子 齿 轮 依 据 主 控 CPU 的 指 令 , 对工 件 主 轴 的 闭 环 或 半 闭 环 位 置 检 测 或 脉 冲 指 令与 基 准 信 息 即 刀 具 主 轴 的 闭 环 或 半 闭 环 位 置 检测 或 指 令 脉 冲 进 行 比 较 , 实 现 按 工 件 齿 轮 齿 数要 求 的 分 齿 运 算 , 完 成 工 件 主 轴 相 对 刀 具 主 轴的 无 差 同 步 跟 踪 。11 工 件 主 轴 跟 随 误 差 补 偿由 于 刀 具 主 轴 和 工 件 主 轴 之 间 同 步 运 行 中的 速 度 变 化 , 需 要 对 工 件 主 轴 的 跟 踪 误 差 进 行计 算 。 要 实 现 无 差 跟 踪 必 须 使 工 件 主 轴 的 参 照指 令 与 其 位 置 精 确 一 致 。21 同 步 锁 相 操 作 的 构 思同 步 锁 相 操 作 实 质 上 是 保 持 零 动 态 误 差 ,要 实 现 零 动 态 误 差 必 须 在 位 置 环 中 插 入 一 个 可使 给 定 速 度 无 差 的 合 成 运 动 , 以 及 使 升 、 降 速 仅有 极 小 误 差 的 向 前 进 给 功 能 。 这 里 借 助 功 能 模 板 得 到 了 这 种 精 度 ; 系 统 通 过 软 件 来 设 定 调 整 这 些 参 量 。31 同 步 误 差 的 检 测刀 具 主 轴 与 工 件 主 轴 之 间 的 运 行 同 步 误 差可 以 检 测 。 同 步 生 效 时 , 工 件 主 轴 按 零 跟 随 误 差方 式 运 行 。 系 统 设 有 一 个 观 测 位 置 的 “ 窗 口 ” 进行 工 件 主 轴 相 对 刀 具 主 轴 的 滞 后 误 差 的 监 测 ,这 个 “ 窗 口 ” 允 许 工 件 主 轴 位 置 偏 差 沿 期 望 的 理论 零 值 正 向 或 反 向 移 动 。三 、 电 子 差 动这 里 把 运 用 软 件 或 者 硬 件 将 两 路 或 多 路 检测 (或 指 令 ) 脉 冲 进 行 合 成 , 以 实 现 工 件 主 轴 跟踪 互 不 相 关 的 两 轴 或 多 轴 坐 标 的 同 步 运 动 控制 , 完 成 类 似 于 机 械 差 动 传 动 链 功 能 的 控 制 环节 称 之 为 电 子 差 动 传 动 。在 工 件 斜 齿 轮 螺 旋 线 导 线 的 成 型 过 程 中 ,在 工 件 蜗 轮 切 向 进 刀 的 切 向 过 程 中 , 以 及 采 用对 角 线 进 给 走 刀 的 切 齿 过 程 中 , 机 床 工 件 主 轴与 机 床 刀 具 主 轴 之 间 不 仅 需 要 实 现 严 格 的 范 成分 齿 运 动 , 而 且 尚 需 完 成 与 Z 轴 (即 刀 具 相 对工 件 齿 轮 的 轴 向 移 动 坐 标 )、 或 者 Y 轴 (即 沿 刀具 轴 向 的 移 动 坐 标 )、 或 者 Z 轴 和 Y 轴 进 给 有关 的 附 加 合 成 运 动 。 其 运 动 关 系 可 由 下 式 描 述 :N c = N b $b$c K bKcN z $z$c sinBP Mn K cN y $y$c co sAP Mn K c(2)式 中 N z Z 轴 位 移 检 测 或 指 令 脉 冲 数$z Z 轴 检 测 或 指 令 脉 冲 当 量B 工 件 斜 齿 轮 螺 旋 角M n 工 件 齿 轮 法 向 模 数N y Y 轴 位 移 检 测 或 指 令 脉 冲 数$y Y 轴 检 测 或 指 令 脉 冲 当 量A 刀 架 安 装 角 度在 工 件 成 型 过 程 中 , 由 于 工 件 主 轴 的 附 加转 动 与 Z 轴 或 者 Y 轴 , 或 者 Z 轴 和 Y 轴 进 给 位移 的 任 何 不 同 步 性 , 均 会 直 接 复 印 在 工 件 齿 轮上 , 造 成 工 件 齿 轮 的 齿 向 误 差 或 齿 形 误 差 。 所 以对 机 床 复 合 传 动 运 动 的 控 制 是 系 统 设 计 的 又 一技 术 关 键 。这 里 借 助 电 子 差 动 传 动 链 实 现 上 述 轴 向 、25 机 械 工 业 自 动 化 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 切 向 及 复 合 差 动 传 动 。 这 个 电 子 差 动 传 动 链 结合 了 来 自 刀 具 主 轴 的 检 测 (或 指 令 )脉 冲 以 及 来自 与 轴 向 或 切 向 进 给 有 关 的 检 测 (或 指 令 ) 脉冲 , 以 严 格 保 证 上 式 给 出 的 运 动 关 系 。图 3 中 f y、 f z、 f b、 f c 分 别 为 Y 轴 、 Z 轴 、 B轴 、 C 轴 的 位 移 检 测 脉 冲 , f 3c 为 电 子 差 动 、 电 子齿 轮 传 动 链 输 出 的 工 件 主 轴 位 移 的 指 令 脉 冲 。图 3 电 子 差 动 与 电 子 齿 轮 传 动 框 图四 、 参 数 自 动 编 程工 件 齿 轮 及 其 切 削 刀 具 种 类 很 多 , 轮 廓 曲线 通 常 也 颇 为 复 杂 , 但 是 它 们 在 零 件 图 纸 上 的描 述 却 比 较 简 明 , 往 往 采 用 不 多 的 一 些 特 征 参数 即 可 清 楚 地 予 以 表 达 。 工 件 齿 轮 在 切 削 成 型之 前 , 有 关 诸 如 刀 具 主 轴 转 速 、 吃 刀 深 度 、 进 给走 刀 速 率 等 切 削 参 数 的 选 择 和 调 整 , 正 是 依 据这 些 工 件 齿 轮 及 其 切 削 刀 具 的 特 征 参 数 , 结 合机 床 设 定 的 固 有 参 数 以 及 工 件 与 刀 具 的 安 装 参数 , 通 过 分 析 、 计 算 、 优 化 来 进 行 操 作 的 。 这 些 貌似 简 单 , 实 质 繁 杂 的 操 作 直 接 影 响 着 工 件 齿 轮加 工 的 质 量 和 效 率 。本 系 统 设 有 界 面 友 好 、 操 作 简 捷 、 容 错 性 强的 智 能 化 参 数 自 动 编 程 软 件 。 这 个 参 数 自 动 编程 软 件 包 括 输 入 模 块 , 具 有 工 艺 库 和 运 算 库 支撑 的 参 数 处 理 模 块 , 以 及 具 有 数 控 代 码 库 支 撑的 后 置 处 理 模 块 。 其 中 工 艺 库 优 化 收 集 了 大 量经 过 实 践 验 证 的 齿 轮 加 工 工 艺 数 据 , 运 算 库 归纳 了 机 床 及 其 数 控 系 统 功 能 和 范 围 内 不 同 操 作和 调 整 所 需 的 各 种 运 算 公 式 。 本 系 统 参 数 自 动编 程 软 件 原 理 框 图 如 图 4 所 示 。在 实 际 操 作 中 , 仅 需 输 入 表 征 工 件 齿 轮 及其 切 削 刀 具 的 特 征 参 数 (诸 如 工 件 齿 轮 类 型 参数 、 齿 数 、 模 数 、 螺 旋 角 、 齿 宽 等 、 工 件 材 料 , 以 及切 削 刀 具 类 型 参 数 、 头 数 或 着 齿 数 、 螺 旋 升 角 、图 4 参 数 自 动 编 程 软 件 原 理 框 图刀 具 材 料 等 ) , 工 件 与 刀 具 在 机 床 上 的 实 际 安 装参 数 , 经 过 参 数 自 动 编 程 软 件 处 理 后 可 自 动 地输 出 数 控 齿 轮 加 工 程 序 。 上 述 参 数 的 输 入 均 是在 系 统 显 示 屏 的 提 示 下 逐 一 进 行 的 , 整 个 参 编过 程 既 可 在 线 操 作 , 也 可 离 线 操 作 。五 、 结 论(1) 应 用 本 文 思 想 研 制 的 XKY318021 四坐 标 联 动 全 数 控 滚 齿 机 (试 验 样 机 )、 YKQ 3180型 数 控 滚 齿 机 (产 品 样 机 )、 Y