吳焱明，董相文，孫云云

(合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009)

蝸桿砂輪磨齒機是一種高效率、高精度的磨齒機，它采用連續(xù)展成法原理，將蝸桿砂輪與工件齒輪進行嚙合，進而對工件進行加工，適用于各種漸開線圓柱齒輪的精密磨削［1］。

現有一臺傳統(tǒng)的機械式磨齒機，采用蝸輪蝸桿機構分度，為無差動結構的機床，在使用過程中發(fā)現磨削出來的斜齒輪精度普遍比直齒輪低半級到一級。為此，可以利用電子齒輪來代替原來的蝸輪蝸桿分度機構［2－3］，對其進行數控化改造。為了提高斜齒輪的磨削精度，可進一步利用數控技術的優(yōu)勢，通過機床多軸聯動，實現切向差動磨削［4］，獲得與直齒輪相當的斜齒輪磨削精度。

1 機床結構

需要改造的蝸桿砂輪磨齒機的軸系結構如圖1所示，砂輪主軸B軸是磨削刀具軸，系旋轉運動;工件軸C軸，為工件齒輪的旋轉軸;砂輪架進給軸X軸，系直線運動;切向位移軸Y軸，系直線運動，用以在切向差動磨削工件時進行切向移位;工件走刀軸Z軸，系直線運動。用以工件的上下走刀;修整走刀軸V軸，系直線運動;改造后，以上六軸均由伺服電機帶動滾珠絲杠進行運動，通過伺服編碼器反饋脈沖。修整進刀軸U軸，系直線運動，在修整砂輪時，手動完成修整器的進刀;工件架回轉A軸，在磨削斜齒輪時，手動調整工件架的角度等于斜齒輪的螺旋角。

圖1 蝸桿砂輪磨齒機的軸系示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件設計

由于蝸桿砂輪磨齒機的加工精度需求較高，并且實現斜齒輪的切向差動磨削需要進行四軸聯動［4］，故控制系統(tǒng)核心硬件選用PMAC運動控制器系列中的IMAC Flex，可同時控制8個伺服電機運動，具有32個輸入點與32個輸出點;由于磨削和修整過程中所計算和使用的參數較多，故決定選用工控機為上位機;控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件圖

控制系統(tǒng)主要由IMAC Flex運動控制器、工控機、安川伺服驅動器、手輪和輸入輸出元件等組成。其中IMAC Flex包括DTC-1C通信模塊、DTC-2I4A伺服模塊、DTC-24I4A伺服模塊、DTC-32I輸入模塊和DTC-32O輸出模塊。

工控機采用以太網與DTC-1C通信模塊進行連接，在Windows平臺上運行上位機軟件，用來計算并保存磨削和修整所使用的參數，并且運用這些參數自動編寫PMAC所能執(zhí)行的磨削過程和修整過程的運動程序，下載到PMAC中運行;除此以外，選用的工控機具有兩個以太網卡，將其同時與PMAC和因特網進行連接，方便進行設備的遠程調試與故障診斷。

手輪是為了方便用戶調整機床和對刀而設置的。手輪發(fā)出的脈沖信號輸入到DTC-1C通信模塊專用的手輪端口HM端口中，手輪上的軸選擇信號和手輪倍率信號輸入到DTC-32I輸入模塊中，PMAC根據所選擇的倍率控制所選擇的軸進行運動。

選用安川伺服電機作為驅動元件，將伺服驅動器和各軸的原點、正負極限、伺服報警等信號連接到伺服模塊，設置電機為速度控制模式［5］;通過將反饋脈沖輸入到PMAC中，從而進行全閉環(huán)控制，并且整定PID等控制參數［6］，進而達到較高的控制精度。

系統(tǒng)的輸入點主要包括:(1)手輪的倍率信號、軸選擇信號和手輪許可等，總共11個;(2)磨削、修整、急停、腳踏等開關按鈕信號，總共9個。這20個輸入信號都是輸入到DTC-32I模塊中。

系統(tǒng)利用DTC-32O模塊輸出的信號合計有21個，主要有以下3類:(1)11個開關量控制系統(tǒng)中各類電磁閥，實現開機潤滑、砂輪夾緊、工件夾緊、定時潤滑、修整讓刀等功能;(2)機床指示燈信號，3個開關量指示機床當前所處的狀態(tài);(3)7個開關量信號控制伺服電源、潤滑泵、冷卻泵、過濾器、修整電機等啟停。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

圖3 軟件系統(tǒng)模塊

通過對整個磨削加工過程和PMAC指令進行分析，決定采用C#編寫整個控制系統(tǒng)軟件并采用模塊化結構;設計了如下模塊:數據輸入、型號選擇手動調整、自動磨削、砂輪修整、I/O診斷，軟件系統(tǒng)模塊如圖3所示。

下面對各模塊的功能進行介紹:

(1)數據輸入。主要包括齒輪參數、砂輪參數、齒輪加工過程參數和砂輪修整過程參數等數據的設置。其中齒輪參數主要包括齒輪的齒數、模數、壓力角、螺旋角、變位系數等;砂輪參數主要包括砂輪的模數、頭數、寬度、外徑等;齒輪加工過程參數主要包括總磨削余量、精磨余量、進刀量和磨削速度等;砂輪修整過程參數主要包括修整時砂輪的轉速、修整的位移量、修整的進給量等參數。這些數據都保存到數據庫中。

(2)型號選擇。當用戶需要加工某種型號的齒輪時，只需要從數據庫中調出該型號對應的數據即可，不必再次設置各項參數，提高了加工的效率。

(3)手動調整。用戶可以通過按鈕或者手輪來移動各軸，進行如點進、點退、快進、快進、回原點等操作，從而手動完成磨削對刀和砂輪修整對刀;同時，還可以查看和設置PMAC的相關參數。

(4)自動磨削。控制系統(tǒng)軟件根據所選工件型號中對應的齒輪參數、砂輪參數和齒輪加工過程參數等，自動編寫工件磨削的PMAC運動程序，下載到PMAC中運行，從而通過伺服電機帶動B、C、Y、Z四軸聯動，并且自動在工件上下行程的兩端移動X軸來完成進刀，提高了加工的效率;同時顯示磨削過程參數與磨削進程信息，方便用戶觀察。

(5)砂輪修整。砂輪使用一段時間后會出現磨損，需要對砂輪進行修整。用戶手動完成砂輪修整對刀后，控制系統(tǒng)軟件根據所選的砂輪參數和砂輪修整過程參數等，自動編寫砂輪修整的PMAC運動程序，下載到PMAC中運行，從而通過伺服電機帶動B、V兩軸按照嚴格的速比進行運動，并且通過手動移動U軸來完成修整進刀，提高了砂輪修整的精度和效率。

(6)I/O診斷。查看和操作機床所有的輸入與輸出信號，同時可查詢機床的報警信息，并且自動提示報警產生的可能原因與解決辦法。

4 切向差動磨削的實現

所謂切向差動磨削，實質是當斜齒輪上下走刀(Z軸方向)的時候，連續(xù)沿工件切向 (Y軸方向)移動工件，保證蝸桿砂輪的同一個位置與工件齒輪嚙合，也就是保證齒輪的同一個齒向是由砂輪的同一個位置磨削，從而來保證斜齒輪的齒向精度。因此，切向差動磨削需要實現B、C、Y、Z四軸聯動［4］。

由于要保證蝸桿砂輪的同一個位置與工件齒輪嚙合，所以當工件沿Z向上下走完整行程時，工件也應該沿Y向走完整個切向行程，故:

vy=vztanβ

其中:vy為工件切向移位速度，vz為工件上下走刀速度，β為斜齒輪的分度圓螺旋角。

同時由于在磨削過程中工件沿Y向進行切向移位，所以在工件中會產生一個附加轉動，故工件轉速:

其中:nB為砂輪的磨削轉速，k為砂輪頭數，z為工件齒數，vy為工件切向移位速度，mn為斜齒輪的法面模數;其中“±”取決于砂輪的旋向和轉動方向、工件切向 (Y軸方向)的移位方向［4］。

因此，通過PMAC控制各軸的運動速度，利用B、C、Y、Z四軸直線插補的運動方式，從而實現了斜齒輪的切向差動磨削。

5 結束語

目前，該機床的數控化改造已經完成，利用PMAC運動控制器，在該機床上實現了斜齒輪的切向差動磨削，解決了該機床磨削斜齒輪精度不高的難題;控制系統(tǒng)軟件采用模塊化思想，各模塊之間互不干涉，提高了程序的可靠性;并且實現了磨削過程和砂輪修整過程的自動化操作，大大提高了生產效率。

［1］張寶珠.齒輪加工速查手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］周云峰，王文，張華.Y7215型蝸桿砂輪磨齒機數控化改造［J］.機電工程，2003(5):5 －6.

［3］魏巍.開放性的西門子840D在數控磨齒機中的應用［J］.制造技術與機床，2006(1):99 －101.

［4］吳焱明，陶曉杰.齒輪數控加工技術的研究［M］.合肥:合肥工業(yè)大學出版社，2005.

［5］安川∑-Ⅴ系列伺服電機用戶手冊［M］，2010.

［6］Turbo PMAC/PMAC2軟件參考手冊［M］，2011.