陳金瑞，魏冰陽(yáng)，李大慶

（1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

弧齒錐齒輪銑齒機(jī)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二軸改造

陳金瑞1，魏冰陽(yáng)1，李大慶2

（1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

通過分析弧齒錐齒輪加工原理、機(jī)床的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)普通機(jī)械式銑齒機(jī)進(jìn)行了二軸國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)改造。完成了數(shù)控系統(tǒng)的可編程控制器PLC的二次開發(fā)，通過可編程控制器實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)手動(dòng)與自動(dòng)控制，重新設(shè)計(jì)了工作臺(tái)液壓進(jìn)給系統(tǒng)；開發(fā)了弧齒錐齒輪數(shù)控加工的交互界面，最后進(jìn)行了切齒試驗(yàn)。

弧齒錐齒輪；數(shù)控銑齒機(jī)；可編程控制器；液壓系統(tǒng)

0 引言

弧齒錐齒輪加工原理和設(shè)備復(fù)雜［1－2］，這類設(shè)備長(zhǎng)期以來主要依靠進(jìn)口。中國(guó)20世紀(jì)80年代進(jìn)口了大量的弧齒錐齒輪加工設(shè)備，這些設(shè)備以美國(guó)格里森、德國(guó)奧利康為主，由于這些設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)剛性好，性能穩(wěn)定，直到今天在中國(guó)錐齒輪生產(chǎn)中仍占有非常重要的位置［2－4］。為了充分發(fā)揮設(shè)備潛能，提高機(jī)床的數(shù)控化率，目前，國(guó)內(nèi)通常采用SIEMENS、FANUC等數(shù)控系統(tǒng)對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，文獻(xiàn)［5－8］在這些方面進(jìn)行了有益的探索。但較少采用國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格便宜，且符合中文操作習(xí)慣，后期維護(hù)費(fèi)用低［9－10］。鑒于此，本文采用國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了嘗試，以國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)GSK 980MDa對(duì)GH-35弧齒錐齒輪銑齒機(jī)進(jìn)行了數(shù)控化改造。本文擬在可編程控制器PLC二次開發(fā)，液壓系統(tǒng)控制，數(shù)控程序編制等方面進(jìn)行探討。

1 銑齒機(jī)數(shù)控改造方案

1.1 機(jī)床的展成運(yùn)動(dòng)

圖1 機(jī)床改造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

弧齒錐齒輪加工的展成運(yùn)動(dòng)由銑齒機(jī)搖臺(tái)的擺動(dòng)與工件軸的分齒運(yùn)動(dòng)組成。機(jī)械式銑齒機(jī)依靠齒輪傳動(dòng)鏈中交換掛輪來實(shí)現(xiàn)不同的滾比和分齒運(yùn)動(dòng)。為了保留原機(jī)床的高剛性和穩(wěn)定性，機(jī)械部分基本不變，只對(duì)傳動(dòng)鏈做局部改造。

圖1為機(jī)床改造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，原來驅(qū)動(dòng)搖臺(tái)回轉(zhuǎn)軸的普通電機(jī)改為交流伺服電機(jī)，從交流伺服電機(jī)到搖臺(tái)中間的齒輪傳動(dòng)鏈不變。將搖臺(tái)回轉(zhuǎn)軸定義為X軸。拆去掛輪到工件主軸部分的傳動(dòng)鏈，只保留與工件回轉(zhuǎn)軸相聯(lián)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)，改為交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。將工作回轉(zhuǎn)軸定義為Y軸。通過上位機(jī)控制搖臺(tái)回轉(zhuǎn)軸——X軸與工件回轉(zhuǎn)軸——Y軸的兩軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)搖臺(tái)與工件的展成運(yùn)動(dòng)。針對(duì)加工不同的齒輪，只需要改變數(shù)控系統(tǒng)的滾比參數(shù)即可。

銑齒過程中搖臺(tái)回轉(zhuǎn)軸與工件的回轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)原理如圖2所示。過程如下：

圖2 展成運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

（1）當(dāng)切齒時(shí)應(yīng)先對(duì)刀，搖臺(tái)回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到B1位置，相應(yīng)工件回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到B2位置，此時(shí)為產(chǎn)形輪同工件齒輪的節(jié)點(diǎn)，為銑齒對(duì)刀位置。

（2）搖臺(tái)回轉(zhuǎn)軸回到銑齒的起始位置A1點(diǎn)，對(duì)應(yīng)工件回轉(zhuǎn)軸同時(shí)轉(zhuǎn)到起始A2位置。

（3）開始銑齒，搖臺(tái)回轉(zhuǎn)角度α到C1位置，工件回轉(zhuǎn)角度β到C2，完成第1個(gè)齒的滾切。

（4）工作臺(tái)后退分齒，搖臺(tái)反向轉(zhuǎn)動(dòng)角度α回到A1，工件回轉(zhuǎn)軸繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)角度γ到D2，完成跳齒；工作臺(tái)前進(jìn)，滾切第2個(gè)齒。一直重復(fù)（3）、（4）步驟，直到將所有齒加工完畢。

圖2中的角度α、β根據(jù)搖臺(tái)X軸與工件Y軸展成運(yùn)動(dòng)所需要的滾比計(jì)算得到，角度γ根據(jù)所選取的跳齒數(shù)計(jì)算得到。

1.2 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由可編程控制器通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)工件銑完一個(gè)齒后，可編程控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)退回行程開關(guān)8處，刀盤和工件分離，工件開始分齒運(yùn)動(dòng)，工件分完齒后，可編程控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)給到行程開關(guān)9處，進(jìn)行下一個(gè)齒的滾切，如圖1所示。

圖3 工作臺(tái)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 液壓系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的主要作用是控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)主要通過可編程控制器PLC進(jìn)行控制，運(yùn)動(dòng)過程分為手動(dòng)控制與自動(dòng)控制，如圖3所示。

2.1 手動(dòng)控制

電磁鐵3、4主要用來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。手動(dòng)行程開關(guān)15控制電磁鐵3得電，液壓油進(jìn)入到液壓缸11左腔，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的進(jìn)給，手動(dòng)行程開關(guān)15并能手動(dòng)控制單向減速閥9的節(jié)流口面積的大小，從而控制手動(dòng)進(jìn)給速度。手動(dòng)行程開關(guān)14控制三位四通換向閥電磁鐵4得電，液壓油進(jìn)入到液壓缸11右腔，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)手動(dòng)后退，通過單向節(jié)流閥8調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)工作臺(tái)后退速度。

2.2 自動(dòng)控制

此部分主要用PLC編程的M指令控制三位四通換向閥電磁鐵5、6，實(shí)現(xiàn)在加工程序中自動(dòng)前進(jìn)與后退，從而實(shí)現(xiàn)工件分齒后退與銑削進(jìn)給。二位四通換向閥7起安全保護(hù)作用，當(dāng)工作臺(tái)自動(dòng)進(jìn)給超出行程范圍時(shí)，會(huì)觸動(dòng)二位四通換向閥7得電，使工作臺(tái)自動(dòng)后退。

3 數(shù)控系統(tǒng)M指令開發(fā)

加工過程中切完一個(gè)齒之后，需要液壓系統(tǒng)控制工作臺(tái)后退，搖臺(tái)與工件進(jìn)行分齒，分完齒之后，需要液壓系統(tǒng)控制工作臺(tái)進(jìn)給到切削位置。此時(shí)需要用PLC可編程控制器開發(fā)M指令進(jìn)行床位的退出與進(jìn)給的控制。

M指令開發(fā)主要利用DECB對(duì)二進(jìn)制代碼數(shù)據(jù)譯碼，如圖4所示。8位連續(xù)數(shù)據(jù)之一與代碼數(shù)據(jù)相同時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)位為1；反之沒有相同的數(shù)時(shí)，輸出數(shù)據(jù)為0。

當(dāng)指定地址M后面的最大8位數(shù)字時(shí)，對(duì)應(yīng)的代碼信號(hào)與選通信號(hào)被送給PLC，PLC根據(jù)這些信號(hào)的狀態(tài)先進(jìn)行相關(guān)控制。相關(guān)信號(hào)如表1所示。

圖4 DECB二進(jìn)制譯碼

表1 M指令相關(guān)控制信號(hào)

代碼信號(hào)F10～F13送給PLC后，選通信號(hào)F7.0置1，代碼信號(hào)采用二進(jìn)制形式表達(dá)程序指令值M。當(dāng)F7.0為1時(shí)，PLC讀取代友信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

如果一個(gè)程序段中有移動(dòng)、暫停指令，要想M功能指令在移動(dòng)、暫停指令執(zhí)行完成之后執(zhí)行，則需要等待F1.3信號(hào)變?yōu)?。

操作結(jié)束時(shí)，PLC將結(jié)束信號(hào)G4.3置為1。結(jié)束信號(hào)用于M指令功能。結(jié)束信號(hào)G4.3為1且必須持續(xù)一段時(shí)間，CNC才將選通信號(hào)置0，并確認(rèn)已收到結(jié)束信號(hào)。圖4生成的M指令如表2所示。

表2 輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的M指令

圖5 PLC控制時(shí)序圖

當(dāng)一個(gè)程序中只有一個(gè)M指令時(shí)，PLC各信號(hào)采用時(shí)序如圖5所示。

4 銑齒數(shù)控程序的編制

不同弧齒錐齒輪的加工，其切齒運(yùn)動(dòng)完全一樣，只是加工參數(shù)不同?；谶@一點(diǎn)，在數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)了一個(gè)齒輪宏變量人機(jī)交互界面。只需改變齒輪參數(shù)就可以加工不同的弧齒錐齒輪。并提供一種通用的程序，將程序嵌套到上位機(jī)中。程序由三部分組成：主程序、宏程序和參數(shù)，主程序用來實(shí)現(xiàn)對(duì)刀并調(diào)用子程序，宏程序的作用是銑削齒槽，并做分齒運(yùn)動(dòng)。改變?nèi)藱C(jī)交互界面中的宏變量就可以直接改變程序中的齒輪參數(shù)，操作起來極為方便。

與傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪銑齒機(jī)相比：齒數(shù)（＃507），跳齒數(shù)（＃508），滾切比（＃509）改變了以往機(jī)械式銑齒機(jī)靠齒輪傳動(dòng)鏈中交換掛輪來實(shí)現(xiàn)不同的加工齒數(shù)、跳齒數(shù)、滾比的調(diào)整。

當(dāng)銑齒過程中由于意外或人為的停機(jī)，銑齒程序重新啟動(dòng)后，為避免從第一個(gè)齒槽起重復(fù)加工，在齒輪對(duì)話框中設(shè)置了宏變量（＃502），輸入合適的輪坯的初始角，程序就會(huì)接著上次的加工繼續(xù)運(yùn)行。

5 弧齒錐齒輪的加工試驗(yàn)

圖6 弧齒錐齒輪銑削加工

改造后的數(shù)控弧齒錐齒輪銑齒機(jī)的齒輪參數(shù)為：齒數(shù)35，模數(shù)5 mm，壓力角20°，螺旋角35°。機(jī)床調(diào)整參數(shù)為：錯(cuò)刀距2.332 mm，刀盤半徑114.3 mm，刀盤內(nèi)刀齒形角22°，刀盤外刀齒形角－18°，刀位104.369 mm，角向刀位－63.778°，滾比1.413，數(shù)控GH-35弧齒錐齒輪銑齒機(jī)的加工過程如圖6所示。

加工完成后在JD45＋型齒輪測(cè)量中心上對(duì)齒輪齒面進(jìn)行了偏差測(cè)量，測(cè)得結(jié)果如圖7所示，實(shí)際齒面和理論齒面基本吻合，45個(gè)齒面點(diǎn)最大誤差0.079 2 mm。最大誤差出現(xiàn)在齒面凹面小端與齒根部，具有一定的偶然性，不影響齒面的精度，試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的目的。

圖7 齒面測(cè)量結(jié)果

6 結(jié)論

本文分析了弧齒錐齒輪加工展成原理及弧齒錐齒輪銑齒機(jī)的結(jié)構(gòu)和機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系，完成了可編程控制器PLC二次開發(fā)，液壓系統(tǒng)改造，數(shù)控程序編制等，試驗(yàn)證明了利用國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)改造弧齒錐齒輪銑齒機(jī)床的可行性。擴(kuò)大了國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，為國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在弧齒錐齒輪銑齒機(jī)床上的應(yīng)用開辟了新的途徑。

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TH132.41

A

1672－6871（2014）01－0021－04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51075121）

陳金瑞（1987－），男，河南鶴壁人，碩士生；魏冰陽(yáng)（1966－），男，河南嵩縣人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng).

2012－12－31