李洪濤，張明柱，鄧效忠

(1. 河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003； 2. 黃河交通學(xué)院，河南 焦作 450062)

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雙頭直齒錐齒輪銑齒機(jī)的數(shù)控化改造

李洪濤1,2，張明柱1，鄧效忠1

(1. 河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003； 2. 黃河交通學(xué)院，河南 焦作 450062)

摘要：Y2726型雙頭直齒圓錐齒輪銑齒機(jī)采用展成法加工鼓形直齒圓錐齒輪，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。為了在加工不同齒輪時(shí)避免更換掛輪和調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行了數(shù)控化改造設(shè)計(jì)。采用四個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)搖臺(tái)和兩個(gè)工件頭，去除了大多數(shù)機(jī)械傳動(dòng)鏈。兩個(gè)工作頭加工齒輪的展成運(yùn)動(dòng)，分別通過兩個(gè)伺服電機(jī)的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)完成，可依次連續(xù)完成大、小輪的粗、精銑齒加工。機(jī)床加工效率提高50%，齒輪加工精度達(dá)到了7級(jí)。

關(guān)鍵詞：直齒圓錐齒輪；銑床；數(shù)控系統(tǒng)；展成運(yùn)動(dòng)

0引言

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，為齒輪加工行業(yè)創(chuàng)造了提升裝備性能的條件。直齒錐齒輪在機(jī)械傳動(dòng)中大量使用，應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，提高其切齒加工機(jī)床的加工精度、效率、產(chǎn)品適應(yīng)性是行業(yè)研究開發(fā)的重點(diǎn)之一。引進(jìn)德國技術(shù)的Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機(jī)在我國有20多年的生產(chǎn)史，用戶遍及全國各地。該機(jī)床采用展成法加工，制造出具有鼓形齒形的直齒錐齒輪，是用于汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床和其他機(jī)械制造行業(yè)的齒輪加工專用設(shè)備，尤其對(duì)大批量的直齒錐齒輪的生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高[1]。但對(duì)于不同傳動(dòng)比齒輪副的制造，需要制作和更換傳動(dòng)掛輪，為企業(yè)生產(chǎn)準(zhǔn)備帶來了不便。為了避免更換傳動(dòng)掛輪，并進(jìn)一步提高加工效率、加工精度和加工靈活性，對(duì)該機(jī)床進(jìn)行了數(shù)控化技術(shù)改造，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，大大提高了機(jī)床的性能和檔次。

1Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機(jī)的工作原理和構(gòu)成

Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括刀盤、搖臺(tái)、工件頭，搖臺(tái)液壓滑臺(tái)、刀盤液壓滑臺(tái)、底座、液壓冷卻系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等主要組成部分。為了加工齒輪副中配對(duì)的大小兩個(gè)齒輪，機(jī)床有兩套搖臺(tái)和工件頭，分別用于加工大、小齒輪，由搖臺(tái)液壓滑臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)把待加工齒輪移動(dòng)到刀盤下，實(shí)現(xiàn)加工。刀盤在刀盤液壓滑臺(tái)的帶動(dòng)下前后移動(dòng)，可使刀盤接近或離開工件，從而實(shí)現(xiàn)輪齒的連續(xù)加工。

圖1　Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機(jī)

機(jī)床采用平面齒輪的加工原理，其加工方法屬于瞬心包絡(luò)法，即展成法或滾切法。

機(jī)床設(shè)有兩個(gè)裝有36片銑刀頭、直徑600mm的圓盤銑刀盤，按照被加工齒輪的齒間調(diào)整角，放置在產(chǎn)形齒的平面齒輪的位置。銑刀盤軸線位置固定，只進(jìn)行簡單的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，為了完成齒輪加工的展成運(yùn)動(dòng)，保證被加工齒輪和代替產(chǎn)形齒平面齒輪的刀盤進(jìn)行無間隙的純滾動(dòng)展成運(yùn)動(dòng)，被加工齒輪既要進(jìn)行自轉(zhuǎn)，還要繞著搖臺(tái)公轉(zhuǎn)，形成公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)匹配的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。這種形成展成加工的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)匹配運(yùn)動(dòng)，隨著加工齒輪副的齒輪齒數(shù)、傳動(dòng)比不同，需要進(jìn)行調(diào)整。此外實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)也極其復(fù)雜，傳動(dòng)原理如圖2所示。

圖2　Y2726型銑齒機(jī)展成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)圖(單個(gè)加工頭)

由搖臺(tái)蝸輪副實(shí)現(xiàn)搖臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工件頭公轉(zhuǎn)，使安裝在工件頭上的待加工齒輪公轉(zhuǎn)，由工件頭蝸輪副實(shí)現(xiàn)工件頭自轉(zhuǎn)，實(shí)地加工齒輪自轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)齒輪加工的展成運(yùn)動(dòng)，由刀盤旋轉(zhuǎn)切削出齒輪。行星機(jī)構(gòu)與離合器的配合使用實(shí)現(xiàn)分齒運(yùn)動(dòng)。

圖2中z1、z2、z3、z4為可更換掛輪，隨著待加工齒輪副的傳動(dòng)比、齒數(shù)進(jìn)行調(diào)整。不僅計(jì)算復(fù)雜，而且需要額外制造掛輪，增加了加工成本和機(jī)床調(diào)整、配置時(shí)間。由于搖臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和工件頭的轉(zhuǎn)動(dòng)有固定關(guān)系，采用現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)改造這部分傳動(dòng)既必要也可行。

2機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)的數(shù)控化改造主要針對(duì)展成運(yùn)動(dòng)進(jìn)行。采用兩臺(tái)交流伺服電機(jī)分別控制搖臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和工件頭轉(zhuǎn)動(dòng)。為了提高回轉(zhuǎn)精度和提供足夠大的轉(zhuǎn)矩，兩臺(tái)電機(jī)都通過精密渦輪蝸桿副將運(yùn)動(dòng)傳遞到搖臺(tái)和工件頭。傳動(dòng)原理如圖3所示[2]。

圖3　數(shù)控銑齒機(jī)展成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)圖(單個(gè)加工頭)

展成運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)根據(jù)要求聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)待加工齒輪的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。分齒時(shí)，搖臺(tái)電機(jī)不動(dòng)，僅由工件頭電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分齒。

展成運(yùn)動(dòng)時(shí)兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)角關(guān)系為：

(1)

(2)

式中，z1、z2分別為小輪和大輪齒數(shù)，θ1、θ2分別為搖臺(tái)和工件頭的轉(zhuǎn)角。

分齒運(yùn)動(dòng)時(shí)，工件頭電機(jī)的轉(zhuǎn)角為：

加工小輪時(shí)：

(3)

加工大輪時(shí)：

(4)

轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控加工程序控制伺服電機(jī)完成。改造后的數(shù)控錐齒輪銑齒機(jī)如圖4所示。

圖4　數(shù)控銑齒機(jī)

3電控系統(tǒng)的數(shù)控化

根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求，每個(gè)加工頭需要兩臺(tái)伺服電機(jī)，I、II兩個(gè)工位的加工頭共需4臺(tái)伺服電機(jī)。因此數(shù)控系統(tǒng)選用了性價(jià)比很高的德國西門子802C數(shù)控系統(tǒng)[3]。刀盤電機(jī)和液壓滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的PLC功能控制?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)中，創(chuàng)作性地將802C設(shè)置成了4軸兩兩軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5所示。

圖5　數(shù)控銑齒機(jī)控制系統(tǒng)電路圖

4數(shù)控加工程序及其操作

根據(jù)數(shù)控銑齒機(jī)的加工特點(diǎn)和西門子802C系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)加工方法和加工路線，編寫加工程序，加工過程如圖6所示。

圖6　數(shù)控銑齒機(jī)銑齒加工過程

對(duì)于要加工的不同齒輪，其主要參數(shù)包括：配對(duì)齒輪齒數(shù)、模數(shù)、引入角、引出角、分齒讓刀角、加工速度等，以R參數(shù)形式存入CNC系統(tǒng)中，無須改變機(jī)械傳動(dòng)部分，加工程序也無須變動(dòng)，簡化了工人的操作工作量和難度。

加工后的齒輪副如圖7所示。加工過程充分發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床的靈活、高效特點(diǎn)。在粗精切加工時(shí)選擇不同的進(jìn)刀速度，銑齒精度達(dá)到了7級(jí)，加工精度明顯提高。加工調(diào)整時(shí)間大大縮短，加工效率比普通銑齒機(jī)高50%。

5結(jié)語

改造后的數(shù)控雙頭直齒錐齒輪銑齒機(jī)，加工效率提高50%，加工精度達(dá)到7級(jí)，機(jī)床傳動(dòng)大部分采用了標(biāo)準(zhǔn)件，降低了機(jī)床機(jī)械制造成本，提高了機(jī)床精度和可靠性。

圖7　數(shù)控銑齒機(jī)銑齒加工的錐齒輪

機(jī)床采用數(shù)控方法操作、加工。減少了調(diào)整準(zhǔn)備時(shí)間和費(fèi)用，簡化了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

數(shù)控雙頭直齒錐齒輪銑齒機(jī)得到了齒輪生產(chǎn)廠家的廣泛認(rèn)同，機(jī)床已得到了快速推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1] 北京齒輪總廠. Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機(jī)說明書[M]. 北京：北京齒輪總廠，2004，9.

[2] Zhang Mingzhua, Wei Dongzhi, Li Hongtao. Numerical Control Innovation for Double Cradle Straight Bevel Gear Milling Machine[J]. Procedia Engineering. 2011，(15)：1149-1153.

[3] SIEMENS. SINUMERIK802C安裝調(diào)試[M]. Siemens Comp., 2000，4.

Numerical Control Innovation for Straight Bevel Gear Milling Machine

LI Hong-tao1，2, ZHANG Ming-zhu1, DENG Xiao-zhong1

(1. School of Mechano-electronic Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;

2. Huanghe Jiaotong University, Jiaozuo 450062, China)

Abstract:The Y2726-type double cradle straight bevel gear milling machine is widely used at home and abroad. The straight bevel gear is cut to barrel-type teeth by gear generating motion method. To avoid the change and adjustment of the transmission system at cutting different gears, this paper presents an innovation project that four servo motors are used to drive rotation of two cradles and two work piece heads with computer numerical control technology. Most transmission chains are removed. The gear cutting is finished by interpolation of two servo motors controlled by CNC system. The producing efficiency is improved over 50% and the precision of manufactured gear is reached to 7 classes.

Keywords:straight bevel gear; milling machine; CNC system; generating motion

收稿日期：2014-12-26

中圖分類號(hào)：TG547

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0042-02

作者簡介：李洪濤(1973-)，男，河南孟津人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)器人及機(jī)器視覺技術(shù)、汽車新技術(shù)。