数控插齿机（精选6篇）
数控插齿机 篇1
0引言
随着国内外制造业的飞速发展, 赶超国内外先进数控插齿机是现阶段实现制造业转型升级的必经之路。 现阶段制约我国数控插齿机发展的主要因素还是技术落后, 创新能力的不足。 为了扭转现状, 客户提出的新功能、新需求成了诸多制造企业改革的动力和趋势。
正因如此, 接到客户专机任务之后, 技术部门组织人员不遗余力的进行专用机床的研究与分析,并以此为契机, 设计出适应市场需求的数控插齿机, 实现自我革新。 YKS5132J专用数控插齿机,即在此环境下应运而生。
1 YKS5132J数控插齿机特殊电气控制功能的设计与实现
1 . 1 YKS5132J数控插齿机工作台气缸自动夹紧电气设计
根据客户要求, 工件夹紧采用自动方式, 为实现该功能,我们采用旋转气缸与液压缸相结合的夹紧方式进行工件的夹紧放松控制, 其动作流程图如图1所示。
气缸夹紧和液压缸夹紧相结合的方式是小型数控插齿机转型升级的一小步,对于小型自动化数控插齿机的发展具有积极意义。
1 . 2 YKS5132J数控插齿机自动循环手拨开关电气设计
为了提高生产工人的效率, 减少操作步骤, 客户提出在该机床上安装手拨开关, 减少在机床面板上的操作,因此增加了手拨开关的设计。 手拨开关主要功能在于, 拨动手动开关即循环启动, 减少因操作面板按钮太多而误操作以及节约时间。 其电气原理图及PLC逻辑图如图2和图3所示[1，2]。
1 . 3 YKS5132J数控插齿机安全光幕和自动气动门设计
光幕是客 户鉴于安 全而提出 来的 , 该光幕提 升了机床运行的安全性能。 在机床循环启动时, 能够避免自动门关闭夹伤工人。 其原理是光幕对射信号被遮挡后, 自动门暂停关闭, 移除遮挡物后, 继续执行自动门关闭动作, 电气原理图及PLC梯形图如图4 、 图5和图6所示。
1 . 4 YKS5132J数控插齿机三色警示灯设计
按照技术协议,三色灯在待机状态是绿灯闪烁,正常工作绿灯常亮, 故障报警红灯闪烁, 刀具寿命到黄色灯闪烁[3]。 三色灯电气原理图及PLC梯形图如图7和图8所示。
2 YKS5132J数控插齿机西门子808D数控系统参数设置
2 . 1西门子808D数控系统轴参数设置
808D数控系统X轴 、 C1轴 、C2轴参数如 表1所示 。
2 . 2西门子808D数控系统 主轴变频 器参数设 置
施耐德变频器参数如表2所示。
2 . 3西门子808D数控系统界面参数设置
机床加工X轴、C1轴、C2轴定位参数如表3所示。
3现场实验与结果
通过部装车间现场的调试与分析, 现今机床电气方面的各项动作和功能已满足客户要求。 客户到车间现场验收, 认可已完成的工作,并提出了以下几部分电气方面的改进要求:
( 1 ) 节拍达到自动加手动共计60 s ;
( 2 ) 机床停车主轴停车不稳, 要求更改停车方式, 保证停车的稳定性;
( 3 ) 控制面板用户界面增加已加工工件计数功能。
按照客户提出的这些更改项, 我们进行了相应的设计更改,如今电气部分已完成整改。 如图9所示,为部装现场加工客户工件的现场运行画面。
4结束语
通过公司各部门人员的共同协作, 以及对客户协议充分的研究与分析,设计出了YKS5132J数控插齿机, 达到了客户的要求。 YKS5132J专用数控插齿机在普通机床的基础之上实现了创新,在传统功能的基础上增加了众多新技术, 实现了新功能, 对于我们新技术的发展和应用具有借鉴意义。 肯定成绩的同时更应正视不足。 虽然该产品已经完成, 并通过客户的认可, 但该机床仍然存在漏油、 稳定性差等问题, 我们需要坚持不懈的去改进和完善。
参考文献
[1]西门子.SINUMERIK 808D简明调试手册[Z].2012.
[2]西门子.808D_PLC子程序库手册[Z].2012.
[3]西门子.SINUMERIK 808D调试指南[Z].2012.
小模数滚齿机的数控改型设计 篇2
仪表、机械、电子、电动工具等行业对小模数齿轮的加工精度和效率的要求越来越高, 但普通小模数滚齿机很难达到这一要求, 因为高精度小模数齿轮的加工目前仍采用滚齿机展成法滚切加工。尽管小模数齿轮加工的设备体积很小, 但根据加工的要求其整体结构的传动系统一点不会比大型齿轮机床差, 且要求的高速传动更给制造带来很大难度, 就是专业的齿轮机床生产厂家在一些关键零件的制造上往往也很难有效控制精度, 加上极高的装配要求, 普通的滚齿机切削精度几乎达不到现标准的6级精度[2], 由于机床体积小, 传动链长, 结构复杂, 给维修带来极大的不便, 拆装之后也很难在用户现场调整恢复精度。
随着数控技术不断进步, 滚齿机使用的数控系统不断以崭新的面貌问世, 用电子齿轮箱和伺服系统取代原来的机械传动链, 使得这种滚齿机的制造简单化、批量化成为可能, 也有效地提高了加工精度和效率, 满足用户的需求。
1 数控滚齿机解决问题的思路
以一种普通的小模数滚齿机为例, 该滚齿机可以加工模数为1.5mm, 最大直径为58mm, 最大螺旋角为45°的齿轮, 滚齿机主轴的转速可达2350r/min。其传动原理简图如图1。
1—主电动机;2—减速机构;3—差动、分齿机构;4—换向转换机构;5—滑座轴向进给机构;6—滑座快慢速转换机构;7—工作台蜗轮副;8—万向联轴节;9—刀具主轴
从传动原理简图看, 主电动机1经过减速机构2, 一路经万向连轴节8, 一对螺旋伞齿轮, 一对减速齿轮将动力传到刀轴9, 另一路经差动、分齿机构3将动力传到换向变速机构4, 再经滑座轴向进给机构5滑座快慢速转换机构6将动力传到滑座;差动分齿机构3分出动力传到工作台蜗轮副7, 带动整个传动链按照预先计算并调整好的进给速度, 进行展成滚切运动。在这一系列的传动机构中, 有38只齿轮, 一对皮带轮, 一个差动包, 一个离合器, 一个万向联轴节, 两对蜗轮副在工作, 机床出厂配备的齿轮多达207个。
同时液压系统辅助完成:滑座径向进给运动的驱动 (这个驱动机构还带有较复杂的微量进给定位装置) 实现完整的加工动作。
该滚齿机传动结构, 存在以下缺点:
1) 传动链很长也很复杂, 传动精度因刚性不足而降低, 造成加工精度下降;
2) 工作台蜗轮副制作要求精度高, 现行加工方式难以保证零件精度, 从而直接影响到被加工工件精度;
3) 限于该机床结构必须使用万向连轴节机构, 从而影响动力传递精度;
4) 内部空间小, 传动支撑多用滑动结构, 零件精度和装配要求高;
5) 结构紧凑, 机械、液压装置交错, 难以维修。
主传动链上的万向联轴节8直接影响了刀具主轴的动力传递精度和刚性;工作台下一对蜗轮副7 (i=1∶5, 蜗轮30齿, 蜗杆为6头) 又是加工的难点, 按照现有的加工设备和制造水平, 几乎无法加工出4级精度的蜗轮副[3];刀架和工作台的精度会直接反映在被加工工件上。传动链上所有齿轮都采用磨齿工艺, 势必大大增加了成本。如果不磨齿, 不仅影响传动精度, 运行噪声也很大。
在长串的传动链中, 各部件的传动齿轮精度、轴套配合间隙, 衔接环节的刚性甚至分齿挂轮都对被加工齿轮的精度产生影响。因为主传动的高速运行, 整个传动链都在高速运行, 润滑一旦出现问题, 立即引起其中零部件损坏, 造成机床故障。
针对以上问题, 采用数控方式首先可以缩短传动链, 在简化传动系统的同时, 提高零部件加工精度或改变结构形式, 进一步解决刀架、工作台两大关键部件的传动刚性和精度, 就能有效克服普通滚齿机的缺点。
2 数控改型设计的效果
采用4轴数控方式, 刀架驱动和工作台驱动采用电子齿轮箱, 不失为性价比最好的选择。数控改型设计的传动原理如图2所示。
主轴电动机1仅通过一对 (30/30) 的齿轮, 直接将动力传到刀具主轴2上;伺服电动机1通过一对轴交角90° (12/60) 的齿轮连接到工作台4上;伺服电动机2和伺服电动机3均通过滚珠丝杆直接驱动刀架滑座在滚切运动中的轴向和径向两个方向的进给。相应的液压系统改变如图3所示。
液压系统主要只执行刀架滑座运行的平衡和工件夹紧两个功能, 同时留有供用户备选的上下料以及工件去毛刺功能动力口。
比较上述普通和数控两种传动方式, 可见:
1) 刀架部件数控改型后传动链上取消了原来的万向连轴节和一对螺旋伞齿轮, 只留下一组齿数比为30/30的圆柱齿轮, 使得刀架的传动精度和刚性大幅提高;
1—主轴电动机;2—刀具主轴;3—伺服电动机1;4—工作台;5—伺服电动机2;6—伺服电动机3
2) 工作台部件将原有的蜗轮副变为一对90°轴交角的齿轮, 其传动比仍为1∶5, 经过磨齿, 这一对齿轮的精度可达4级精度[4], 保证了工作台的运动精度;
3) 伺服电动机都是直接驱动相关部件运动, 原有的减速机构、差动分齿机构、换向变速机构、滑座轴向进给机构、滑座快慢速转换机构都被取消, 机床的传动刚性自然大大提高;
4) 机床各部件运动精度保证应归功于数控系统的精确控制, 尤其是数控系统中的电子齿轮箱, 其精确的分齿控制确保了机床刀架和工作台严格按照要求的比例转速运行, 从而使加工出的工件精度可达5级[2];
5) 由于伺服电动机的大速比调节驱动, 传动结构也相应调整, 原来刀架滑座轴向进给的快慢速运动分别由主传动分支和一个电动机切换驱动, 现在的伺服电动机2取代了这两部分, 承担了滑座轴向进给和快速移动;
6) 伺服电动机3取代了原液压系统中复杂的微量调节机构和驱动油缸, 变固定移动速度为可调节的进给和快速移动速度;
7) 为了保证切削的平稳性, 将原有刀架平衡油缸改为平衡阀加增压油缸系统, 使该部分运行阻尼随时可调, 以适应不同零件的切削都达到满意的效果;
8) 液压系统 (包括驱动油缸) 也比原来大大简化, 其作用主要只平衡刀架切削力和尾架夹紧工件。并将原有去毛刺液压动力改为用户可选配置 (即标准机床不带有该功能, 用户需要可作为附件供给, 减少不需要该功能用户的负担) 。
9) 机械结构的简化, 不仅使制造便利易行, 而且多出的空间可以对机床的箱体刚性进行进一步优化设计, 还给维修装拆带来便利。
10) 原来的滑动支撑基本改为滚动支撑, 使加工、装配都变得容易, 润滑充分, 减少了传动故障的可能性。
原来普通滚齿机, 经数控改型设计制造后, 加工的齿轮精度稳定提高, 由于可调节的范围加大, 加工参数可以更接近实际加工所需的要求, 效率也有所提高。机床主要参数对比见表1。
可见无论是性能参数范围还是快速运行速度都有了进一步的改善提高。
3 结语
对比普通型和数控改型设计的滚齿机, 基本可加工齿轮规格参数都不发生变化, 也就是说机床的基本性能都很好的保持原有水平, 但主轴转速可以提高到3000r/min (主轴电动机转速可达10000r/min) , 且为很精准的无级调速;值得一提的是:滑座两个方向运动驱动轴改为数控方式, 可调节范围加大并变为无级调速, 当滑座径向进给运动和轴向进给运动连动时, 可以加工鼓型齿和小锥度齿轮, 使机床增加了新的功能。操作界面为参数输入方式, 很方便的输入需要的加工参数就可以进行切削, 并可以保存多种零件加工程序, 以后的加工只要调出存储的程序即可, 节省了大量的机床调整劳动量和出错率。数控滚齿机极大地简单了零件制造及装配调试过程, 克服了普通滚齿机因零件的先天不足, 装配切削调整繁杂, 重复劳动量大的弊病。
另外, 机床的可靠性大幅提高, 维修量极少, 即使检修拆装也很方便。进而在数控系统中配置远程监控后, 随时可掌控机床的运行状态, 及时发现问题, 提出解决方案, 最大限度降低用户因软故障带来的停机、加工件报废的甚至损坏机床的后果, 提高经济效益。
参考文献
[1]徐灏, 等.机械设计手册[S].北京:机械工业出版社, 1991.
[2]GB/T2363-1990小模数渐开线齿轮精度[S].国家现行标准1991.10.1.实施.
[3]GB100089-88:圆柱蜗杆、蜗轮精度[S].国家标准1990年起执行.
[4]GB/T13924-2008:渐开线圆柱齿轮精度[S].现行国家齿轮精度检测标准.
数控滚齿机的机器人智能拓展 篇3
现阶段产品生产企业实施智能化制造的措施之一, 就是充分利用现有的立/卧式车床、车削中心、内/外圆磨床、立/卧式加工中心、花键铣床、直齿/螺旋齿滚齿机、研齿机或磨齿机等数控装备, 对在用生产线进行“机器换人”式升级改造, 即引入工业机器人、生产装备智能化改造与流水线生产集成管理。
1 主动锥齿轮生产线现状
某主动锥齿轮生产线, 包含2台FANUC 0i TD系统的卧式数控车床、2台SINUMERIK 802D solution line系统的YKX3132M型数控滚齿机、2台SINUMERIK 840D power line系统的Oerlikon C50型铣齿机和2套SIMATIC-300PLC的环线送料机, 主要用来切削商用车主动锥齿轮。该生产线通常每班配备3名操作者, 使用电动葫芦进行毛坯上料、 (半) 成品下料、随机抽检和切削区监控, 除C50自带内置型上下料机械手和自动门外, 其余4台机床均为人工上下料并缺少自动门, 双班作业日产主动锥齿轮仅220件。为此, 投资91万元为生产线装配了1台行走距离8m的KAWASAKI BX200L型六自由度关节机器人, 以使流水式半自动化的在用生产线升级为自动化程度较高的柔性制造线 (Flexible Manufacturing Line, FML, 图1) 。
2 数控滚齿机的机器人智能扩充
承担花键滚切任务的10工序滚齿机MC2, 若要开发并应用机器人机能 (即RT机能) , 则必须立足于原机床的硬件设施与软件环境, 新增自动门气缸、自动吹屑气阀、相关电路 (略) 和气路等, 新编MC2与RT交互梯图、自动门开/关梯图、自动吹屑梯图及尾架顶尖2次夹/松梯图, 修改工件加工程序。
2.1 原机在用PLC程序和加工程序的备份
(1) 使用编程工具PLC802, 将原机在用PLC程序上装 (载入) 外设PC做好备份。802Dsl系统采用以SIMATIC-200指令组为基础的内置PLC, 其编程工具是基于Step7-Micro/WIN32基础开发的PLC802, 并被存放在随机资料的Toolbox工具盘内, 操作步骤有5步。
1在外设PC上, 双击工具盘内文件setup.exe, 选择项目“Programming Tool PLC802”, 设置安装路径和安装语言等, 完成PLC802的安装。2在外设PC和滚齿机断电的情况下, 将长度不超过15 m的RS232通信电缆的一端接至802Dsl系统PCU面板的X8接口, 另一端借助RS232←→USB转接口接至外设PC的USB端口。3在802Dsl系统侧, 同时按[SHIFT]切换键与[SYSTEM/ALARM]键以进入SYSTEM操作区基本画面后, 依次点击画面内[PLC]键、[Step7连接]键和[激活连接]键, 激活Step7的RS232串行通信连接。4在外设PC侧, 双击Win XP桌面的PLC802图标以打开编程工具并选择菜单命令“检视→通信”进入通信设定画面后, 设定远程地址为2, 经右上角接入点图标“PLC802 (PPI) ”进行PC接口设定, 点击图标“双击刷新”自动完成外设PC与802Dsl系统的通信连接, 待连接成功时PLC802会为802Dsl系统分配一个CPU图标。5在外设PC与802Dsl系统正常通信的前提下, 经PLC802操作主画面中标准工具条的[上装]按钮, 或是执行菜单命令“文件→上装”, 将802Dsl系统的在用PLC程序复制到外设PC中。如此, 既能做好MC2改造前的PLC程序备份, 又能奠定MC2后续新增PLC程序开发的基础。
(2) 使用机外存储卡, 即FAT32格式的定容量的CF卡, 将原机床在用的加工程序传送至存储卡, 做好加工程序的备份与后续修改工作。打开802Dsl系统PCU面板正面右上角的挡板, 在其50芯且支持热插拔的CF卡插槽内放入8GB的CF卡。按下CNC键盘上[PROGRAM MANAGER]键进入程序管理器基本画面后, 单击水平软键[NC目录]进入NC目录画面, 通过光标向下/向上键选中全部程序文件名并单击垂直软键[复制]。单击水平软键[用户CF卡]进入用户CF画面, 按垂直软键[粘贴], 即可使802Dsl系统侧加工程序向外传送至CF卡。
2.2 气路设计与I/O信号给定
(1) 现场核查MC2操作门的开闭行程及安装空间后, 选用行程为800 mm的单杆双作用SMC气缸CDM2B32-800Z, 选择二位五通型SMC先导式电磁阀SY5320-5DZ-01, AN系列消声器AN110-01与减压阀AR20-01-A, 以实现操作门的自动控制。根据残留积屑的尺寸及安装空间, 选用带磁座可调塑料冷却管, 选择二位二通型亚德客电磁阀2V02508与CV系列单向阀CV-02, 以实现工件切削后残留积屑的自动吹除。同时, 为改善供气质量, 在气路的进气端增设亚德客气动三联件BC2000 (过滤器+减压阀+油雾器) 。升级后YKX3132M型数控滚齿机的气动原理见图2。
(2) 经编程工具PLC802, 提取原机在用PLC程序内空置未用的数字量式输入点和输出点, 并将其赋予一定含义, 以实现滚齿机RT机能的扩充。先在PLC802的操作主画面中, 通过菜单命令“文件→打开”或快捷键“Ctrl+O”打开已上装至外设PC的PLC程序, 单击标准工具条上编译图标√□, 对PLC程序进行编译, 用以后续显示交叉引用;再单击左侧游览条内[交叉引用]图标进入交叉引用窗口后, 窗口列表会清晰地显示出PLC程序内所用的全部操作地 (元素或地址) 及其位于哪个程序块、第几条网络、是常开触点信号还是常闭触点信号或者为线圈, 进而找出PP72/48模块上空置未用的数字量式输入点和输出点;三是基于RT机能的扩充要求, 既要给定自动门开/关动作的6个控制信号, 又要给定自动吹屑动作的1个控制信号;既要给定RT→滚齿机MC2的5个输入信号 (包含尾架顶尖夹/松和MT循环启动的RT侧激励信号2个) , 又要给定MC2→RT的7个输出信号;四是据“功能相近者优先排序, 新增元素彼此尽可能临近”的原则, 将这19个控制信号与已提取到的空置未用的输入/输出点一一对应 (表1, 角标*表示过程映像信号隶属于机器人外设控制柜内SIMATIC-200PLC) , 以便确定其在PP72/48模块的接线位置及相应线号的打印, 进而为后续PLC程序开发和现场对应接线奠定基础。
2.3 数控滚齿机RT机能用PLC程序开发
在配置了SINUMERIK系统的CNC机床上, 若要实现过程映像输入/输出信号与M代码辅助机能的逻辑控制、完成数据的采集分析和任务处理, 就得应用内置式PLC, 并编写具有一定逻辑顺序的梯图程序。
(1) 新编MC2与RT交互梯图。在FML中, MC2已由早先的单机运转变为RT控制下的联机运转。据此, RT应获知MC2是否准备就绪、有无报警、所处加工方式、是否切削完毕及操作门是否打开等实时状态, 以决定下步指令能否安全发出;当然, RT也要将自己所处加工方式和实时位置等告知MC2, 以便MC2对即时的开/关门、夹/松工件、切削起/停等动作做出判断———条件满足方可动作。
MC2与RT握手的梯图中, 若MC2的液压泵正常运转 (Q2.0=1) , S120驱动器正常启动 (I8.3=1) , 紧急停止已释放 (V27000000.1=0) 且3个坐标轴均已回零完毕, 则Q4.1线圈通电使中间继电器KA41通电, 进而RT获知MC2已准备就绪。若MC2侧有报警使辅助逻辑线圈M60.0通电 (其常闭触点*M60.0=0) , 则持续通电的线圈Q5.2变为失电状态, 进而RT获知MC2出现报警并停止发送下步指令。若MC2在自动方式 (V31000000.0=1) 下已执行加工程序结束代码M02 (V25001000.2=1) , 其操作门已打开到位 (I1.4=1使M60.7=1) , MC2获知RT处在自动方式 (I8.5=1) , 则Q2.7线圈通电并自锁→中间继电器KA27通电→RT获知MC2已切削完毕。
MC2循环启动控制梯图中, 要在MC2单击运转的循环启动逻辑下, 添加联机运转的RT发出循环启动指令I8.6的逻辑。此时, 3个坐标轴已回零完毕的MC2应处在自动方式, MC2的尾架顶尖已在RT控制下2次夹紧工件到位 (C2=1使Q0.6=1) , MC2侧面的挂轮箱门已关闭 (I4.7=1) , MC2MC2获知RT处在自动方式 (I8.5=1) 且RT停在安全位置 (I4.5=1) , 则接口信号线圈V32000007.1通电并使MC2在802Dsl系统控制下循环启动。
(2) 新编自动门开/关梯图。在FML中, MC2的操作门不仅要在单机调试下经MCP按钮手动打开与关闭, 还要在联机运转下经由加工程序内的辅助功能M代码自动打开与关闭。对于I/O点富余较多的联机运转下的MC2, 也可经由RT发布MC2操作门打开指令与关闭指令。MC2操作门不管怎样打开 (关闭) , 既要做到光电开关获知其是否已打开 (关闭) 到位, 以保证开门状态下装/卸料 (关门后主轴方可运转) ;又要做到打开到位检知信号延时3~5 s后送至RT侧, 以保证RT准确获知MC2切削工件完毕的信号Q2.7;还要做到门打开气阀与门关闭气阀的互锁控制———彼此串接对方线圈的常闭触点, 以确保两者线圈不会同时得电。本案例采用辅助功能代码M46自动开门, M47自动关门。
手动除屑改造为电控吹气自动除屑。也就是, 先由加工程序内的辅助功能代码M54开启自动吹屑气阀, 再在主轴停转前经程序段“G04 F5”延时吹屑5 s, 最后用M55代码切断M54自动吹屑回路。对于M54和M55等辅助功能代码, 在接口信号V32000006.1=1 (0) 时, PLC向NCK传送的读入禁止有效 (无效) , 程序段不可 (可以) 向下继续执行, 此点类似于FANUC系统内M/S/T码执行完毕的FIN信号G4.3。
(3) 新编尾架顶尖2次夹/松梯图。先前, MC2的尾架顶尖 (下称尾架) 既可在JOG方式下经MCP按钮手动上升与下降, 也可在MDA或AUTO方式下经加工程序内M代码自动上升与下降。但在FML中, MC2的尾架不仅要具备单机调试的手动升/降机能和单机运转的自动升/降机能, 还要具备联机运转的RT使其升/降机能, 并可在1次指令下2次夹紧工件。
RT侧MC2尾架升/降的控制策略:AUTO方式 (V31000000.0=1) 下MC2操作门已打开到位M60.7=1→MC2无任何报警M60.0=0→MC2经信号I8.5获知RT处在AUTO方式→MC2尾架已上升到位I6.3=1→RT向MC2传送尾架下降命令I8.2=1→线圈Q2.4通电使液压阀YV3动作→尾架1次下降夹紧工件→下降延时T6=3 s后触发2次上升命令M70.0→线圈Q2.3通电使液压阀YV4动作→尾架上升松件 (T7=0.5 s) →延时0.7 s (T7+T8) 后触发2次下降命令M70.1→线圈Q2.4再次通电使液压阀YV3动作→尾架2次下降夹件并保持→加计数器C2计数达到预置值 (PV) →MC2经信号Q0.6向RT传送MC2已2次下降夹件完毕→RT回退至安全位置并将其状态经信号I4.5告知MC2→RT经信号I8.6向MC2发送循环起动命令→MC2执行加工程序以切削工件→切削完MC2经信号Q2.7告知RT→得知MC2操作门已打开到位的RT至卸料处夹持住工件→RT经信号I4.6向MC2发送尾架上升松件命令→线圈Q2.3通电使液压阀YV4动作→尾架上升松件已到位I6.3=1→MC2经信号Q0.5向RT传送MC2尾架已松件结束→RT将MC2已切削完的工件取出并再次上料→下一个循环开始。
3 应用效果
(1) 在滚齿机开发并应用机器人机能, 不仅使其操作门由按钮手动控制改造为M代码 (M46~M47) 自动控制, 还使其工件残屑由外置气枪手动清除改造为M代码 (M54~M55) 自动吹除;不仅使其尾架顶尖的1次夹紧改造为2次夹紧, 还使其循环起动的单机控制改造为FML联机控制;不仅使流水式半自动化的主动锥齿轮生产线升级为自动化程度较高的柔性制造线, 还使生产线双班作业下日产锥齿轮数量由220件提升至 (290~310) 件;不仅使生产线的操作人数由3名减为2名, 还大大减轻了操作者搬运工件的苦痛及消除了搬运中潜在的安全隐患。
(2) 在滚齿机开发并应用机器人机能, 汽车行业的同类设备可参照执行, 航空、铁路、船舶等行业的相关设备也可参考借鉴。同时, 为充分适应我国智能化制造的现状, 各机床制造厂商应在新造设备时预留机器人机能, 促使未来的制造业快步向智能工厂迈进。
参考文献
数控插齿机 篇4
南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司自2003年引进德国的HOFLER和NILES成型磨用于生产, 至今共有24台各类内、外齿及特殊成型磨, 在实践中积累了一定的经验。HOFLER和NILES成型磨目前在国内使用也是最为广泛的, 因此本文就这两种成型磨的应用作一些探讨, 希冀共同提高国内轮齿精加工的工艺水平。
1 数据编辑补缺
在成型磨的调试中, 首先进行的是工件数据的编辑, 其中大部分是根据图纸上的齿轮参数直接输入的, 如齿数、模数、压力角、螺旋角和齿宽及齿顶倒角等, 但部分操作者对齿根区域的数据编辑没有把握。实际上, 齿根区域数据的编辑可分两种情形:
(1) 要求对齿根进行磨削的齿轮, 一般多为用标准滚刀预制齿的软齿面齿轮。此时, 可利用测量系统测出工件的实际齿根圆直径, 通常可把检测出的最小齿根圆直径值减小0.05～0.1 mm作为机床上所要输入的齿根圆直径-砂轮dfe (砂轮进深位置) 进行设置, 而齿根圆角系数rhof (NILES成型磨为齿根圆角半径, 即齿根圆角系数与模数之积) 通常可按0.25预设后, 再按工件的实际齿根形状微调, 然后再到“绘制横截面齿廓图” (NILES成型磨为便于观察还可进入“工具/运动”下的“修形”菜单) 中观察系统自动生成的砂轮顶部圆角的形状并与工件实际齿根区域的形状进行比较和调整, 直至目视相似再开始试磨。
(2) 严禁对齿根进行磨削的齿轮, 一般多为先用留磨圆弧突角滚刀预制齿的淬硬齿轮。在此情形下, 机床上所要输入的dfe一定要大于测量系统测出工件的实际齿根圆直径, 通常可按工件齿根沉切的大小在实际齿根圆检测值的基础上再加0.15～0.4 mm进行设置, 也可用卡尺直接量出齿根圆弧 (由滚刀的留磨圆弧突角所形成) 在轮齿端截面切向最深点的直径值作为机床上dfe的预设值进行设置。关于渐开线起始点dfs (NILES成型磨上为dNf) 的设置, 如图纸上有明确要求时, 渐开线起始点的设置应略小于图纸上所要求的渐开线起始点;如图纸上无明确要求时, 机床上的渐开线起始点应略小于用卡尺或测量系统测出的工件用留磨圆弧突角滚刀所形成的渐开线起始点的直径值。齿根圆角系数一般在0.1～0.3之间, 工件的齿根圆角越大, 机床上设置的齿根圆角系数或半径相应越大。在dfe和dfs通过上述方法都已设定的条件下, 齿根圆角系数或半径一般可取系统所能接受的最大值, 这样就可最大限度地保证工件的齿根圆弧与所磨的渐开线起始点处的圆滑过渡。
齿顶圆的设置:当图纸上齿顶圆直径有公差时应取齿顶圆最大值或略大于最大值, 也可利用测量系统测出的工件齿顶圆直径值, 并取最大值或略大于最大值, 这样就可避免因机床上设置的齿顶圆直径小于工件实际的齿顶圆直径而造成所磨齿形的齿顶部位有异常突起的现象。
最后, 所有的工件数据输入完毕后, 可以运用系统自动“绘制横截面齿廓图”的功能来帮助检查:如图形显示异常则说明数据的输入存在错误, 必须重新校核。NILES成型磨还可通过检查“齿轮尺寸”菜单中“齿形修正系数”与图纸所设计的齿轮变位系数是否相近来复核。
2 磨削安装角
成型磨在磨削直齿轮时, 砂轮轴线与直齿轮轴线相垂直, 故砂轮与齿轮的接触线位于其啮合的端截面层, 砂轮截形与齿槽截形的中心线相吻合, 因而砂轮具有轮齿端截面的曲线形状并由上下冲程的进给完成轮齿的磨削过程。而在磨削斜齿轮时, 即使砂轮的轴线完全位于齿轮的法向平面内, 砂轮和齿轮之间的接触线与磨削直齿轮时也完全不同, 砂轮截形既不同于齿槽的法向截形, 也不同于齿槽任何截面的形状, 而是分别沿着左右两齿面在空间形成一条螺旋线, 故其接触线实际是左右两齿面一前一后参与磨削形成的, 不仅其切削线的高度影响到磨削时的金属去除率, 而且在径向截面的投影上左右两齿面接触线的位置会由于在轴向的交叉和偏移而对齿型的磨削形成具有较大的影响, 特别是在螺旋角较大或宽斜齿面大鼓形时更为明显。
如果适当改变磨削安装角, 则径向截面的投影上左右两齿面接触线的位置在轴向的交叉和偏移可以有所优化, 从而对齿型的磨削形成具有较为积极的作用。进口数控成型磨由于配备了相关的优化软件可以对其进行计算从而实现了快捷选择:以NILES成型磨上的投影图为例, 可在“磨削及修整工具”中调出“接触线显示”, 通过手动增加和减小安装角的功能键, 系统就能自动在“接触线描述”的画面上逐渐显示随着安装角的变化径向截面的投影上接触线 (NILES成型磨用黑线表示) 的变化情况。具体有如下3种典型表现:
(1) 轴向最小交叉。
即径向截面的投影上由渐开线起始点开始的有效部分和轴向的夹角最接近垂直, 也可从径向截面的投影上观察, 看到接触线上渐开线起始点处的夹角最接近垂直时即为接触线的轴向最小交叉。轴向最小交叉时, 砂轮与齿轮的端截面的型面角偏差最小, 接触线几乎位于齿轮的端截面层, 因而左右齿面的接触线分别最接近齿轮端截面的齿形, 同时接触线在左右单个齿面上的轴向高度相应也最小, 故此安装角在单面磨时可获得最佳的齿型磨削成形效果。所以单面磨时应优先选用此安装角, 对应于HOFLER成型磨为“在一个齿面上最小切削线高度”选项, 对应于NILES成型磨为“最佳安装角”选项。
(2) 轴向最小偏移。
径向截面投影上左右两齿面接触线和节线的两交点的连线与水平线的夹角最小时称为接触线的轴向最小偏移。轴向最小偏移时, 对双面磨而言砂轮对两齿面磨削力的作用点沿轴向最为接近, 即两齿面的磨削最接近同时发生, 因而砂轮对两齿面磨削力的偏移也最小并在磨削时可更好地相互平衡从而获得最佳的齿面质量, 特别是在冲程切入切出时和在宽斜齿轮磨削时对齿向波纹能起到较好的平滑改善的作用, 同时切削线的总高度为最小, 对冲程超程量的要求也最小, 所以特别适用于双面磨。此安装角对应于HOFLER成型磨为“最小冲程超程量”选项;对应于NILES成型磨为“最大安装角”选项, 但NILES双面磨在很多时候特别是在有较大的齿向修形时系统会拒绝接受“最大安装角”而自动选择“最佳安装角”。目前常见的操作误区就是在NILES双面磨时直接采用了这个“最佳安装角”, 由上分析可知其实这个角度是相对单面磨而言的。故此时操作者不应保存系统的自动选择, 而应在其计算的“最佳安装角”和“最大安装角”之间手动选择一个系统所能接受的最大角度作为磨削安装角才更为合理。
(3) 节点最小偏移。
即径向截面的投影上接触线的节点 (NILES成型磨用绿点表示) 最为接近端截面上的节点。此时因径向截面的投影上接触线的节点相对于端截面节点为最小偏移因而可在检测时获得左右齿面更为对称的齿向修形, 这个角度和轴向最小偏移时的安装角仅有少量的差异, 一般为略小一点, 若非检测时对左右齿向修形的对称性有严格要求, 可直接采纳轴向最小偏移时的安装角。此安装角对应于HOFLER成型磨为“节圆处最小偏移”选项;在NILES成型磨上则应在选择“最大安装角”后通过手动微调减小的方式选择“接触线描述”的画面上绿点最为接近端截面上节点时的安装角。
此外要注意的是, 砂轮安装角的优化受到砂轮直径变化的微量影响, 且为了避免软件的错算, 在优化前应暂不输入齿顶倒角。
3 砂轮修整参数
成型磨在中小批量生产时一般选用可修整砂轮, 因此通过合适的修整参数组合来提高可修整砂轮的磨削特性从而提高磨削效率和磨削齿面的表面质量非常关键。
(1) 修整次数和径向修整进给量。
径向修整进给量是修整滚轮相对于砂轮径向的进刀量, 将影响砂轮的基准粗糙度:随着修整径向进给量的增加, 砂轮将被修得更加粗糙, 故粗磨时选用大的径向修整进给量, 一次修整;半精磨和精磨时选用小的径向修整进给量, 多次修整。修整次数的选择范围为1～3次, 径向修整进给量为0.01～0.05 mm, 须注意在不合理的速比 (过分接近0或1) 和最小的重叠比 (过分接近或等于1) 时, 过大的径向修整进给量将会加剧修整滚轮的磨损, 甚至有可能使修整滚轮和砂轮破损。
(2) 重叠比。
又称接触比, 是修整刀具的有效宽度与修整刀具的进给比, 即一个砂轮齿形相对修整滚轮半径位置的处理频率, 它直接影响着砂轮修整的进给率。重叠比会严重影响砂轮的表面粗糙度进而影响到磨削齿面的表面粗糙度。重叠比越小, 砂轮表面越粗糙;重叠比越大, 砂轮表面越精细。理论上最小重叠比可为1, 但为了保护修整滚轮, 通常最小只设到1.1, 最大可设置成8～10甚至更大 (但不超过15) 。粗磨时为了获得较高的磨削效率应把重叠比设小, 一般取1.5～5, 当为了降低磨削烧伤及裂纹产生的敏感性时, 可取1.1～2;半精磨和精磨时为了获得较好的磨削表面质量, 应把重叠比相应设大, 一般取4～8。
(3) 速比。
相对砂轮圆周速度的修整滚轮的圆周速度比。速比是有符号的, 以修整滚轮和砂轮在切点处的旋转方向辨别:同向为正, 逆向为负。速比也会严重影响砂轮的粗糙度, 通常为使砂轮表面粗糙, 应以同向旋转进行修整, 且随着速率的递增, 砂轮也越发趋向粗糙, 一般可在0.4～0.8之间选择, 而精磨可在-0.4～-0.8之间选择, 但必须注意在修整时, 修整滚轮相当于是把砂轮作为工件进行切削的刀具, 故为保护修整滚轮应避免选用接近0和1这两个禁区的速比。但在磨削软齿面齿轮特别是灰口铸铁等较软材料或为了追求与精磨相似的修整条件时, 也可在粗磨时选用逆向速比, 如砂轮初始成形时, 这样可以延长修整滚轮的使用寿命。
选用砂轮修整参数的前提是合理选择砂轮材料及其型号, 主要取决于齿轮材料的可磨削性及其所要求的表面质量、修整滚轮和可修整砂轮的耐用度及所要求的磨削功率。从经济性角度出发可选择白刚玉 (Al2O3) 砂轮, 从避免磨削烧伤及裂纹和提高齿面质量角度出发可选择铬刚玉、微晶刚玉 (SG) 或碳化硅 (SiC) 砂轮, 其磨削特性则主要取决于上述3个砂轮修整参数的组合。砂轮修整参数的组合既影响着可修整砂轮的磨削能力, 也影响着所磨齿轮齿面的表面特性, 而这两者又是互相制约的, 一般粗粒度和高孔缝率的砂轮进行粗修整后具有高的磨削能力和大的磨削功率, 但也将导致大的齿面粗糙度;而细粒度和低孔缝率的砂轮经精细修整后将产生高的齿面光洁度, 但同时也降低了最大可能的砂轮磨削功率。实际生产中可根据粗、精磨的具体工艺要求, 合理匹配砂轮修整参数, 使得同一片可修整砂轮既可用于粗加工也能用于精加工。
4 磨削工艺参数
成型磨工艺中磨削参数的选择主要基于优化磨削质量、磨削效率及经济性等因素的考虑, 除了与上述的砂轮及修整参数有关外, 还与齿轮材料、硬度及其批次质量、热处理质量、磨削油的供给情况等有关。按切削用量的三要素具体分析如下:
切削速度:选用可修整砂轮时一般所采用的切削速度为30～40 m/s左右, 粗磨时为避免磨削烧伤和裂纹的产生, 可适当降低至其下限的80%, 而在精磨时为提高表面质量, 可适当提高至其上限的120%, 但绝不可超过砂轮所允许的最大线速度。
进给量和切削深度:进给量对于成型磨而言即为冲程速度;切削深度即砂轮相对于工件的每冲程的径向吃刀量 (双面磨时) 或砂轮相对于工件的每冲程的齿面切向吃刀量 (单面磨时) 。这两个值与切削速度的选定共同取决于相对金属去除率V′w和特别金属去除率Q′w及所要求的齿面质量。虽然冲程量在HOFLER成型磨最高可达12 000 mm/min, 在NILES成型磨最高可达8000 mm/min, 但实际选择时还需视材料的可磨削性及加工要求、所选砂轮等工艺条件而定, 一般白刚玉砂轮取值1200～4500 mm/min, SG砂轮取值6000 mm/min甚至更高。对齿面质量要求较高 (即精磨) 时或工件易产生磨削烧伤及裂纹时偏向于采用较低的冲程速度和较小的吃刀量, 反之则可选用较高的冲程速度和较大的进给量以提高磨削效率。
在磨齿工艺中, 切削用量三要素的选择及砂轮中间修整间歇Zd的确定是否合理综合起来主要是由Q′w和V′w来评判和限制的。
金属去除率Qw是指去除的金属体积Vw (单位为mm3) 与磨削时间Δt (单位为s) 之比, 即Qw=Vw/Δt;V′w是指Vw与砂轮磨削宽度ap之比, 即V′w =Vw/ap, 其单位为mm3/mm。同时综合这两个指标可用Q′w来衡量, Q′w是指砂轮每毫米宽度ap每秒钟磨削所去除的金属体积, 即Q′w =Qw/ap=Vw/ (Δt·ap) , 其单位为mm3/ (mm·s) 。Q′w不能任意增加, 否则将导致磨削烧伤及裂纹产生的可能性大增, 其能采用的最大值取决于诸如砂轮 (材料、硬度、粒度、粘结剂) 和修整参数、齿轮材料硬度、磨削油及供应情况 (压力、喷嘴和油温) 等, Q′w与切削速度、进给和吃刀量等成正比, 在Q′w设定的前提下, V′w与砂轮的直径成反比, 与砂轮中间修整间歇Zd成正比。
在磨削普通材料及中碳合金感应加热表面淬火钢时, Q′w粗磨最大可设置到10～12 mm3/ (mm·s) 左右, V′w粗磨不超过1200 mm3/mm, 半精磨低于900 mm3/mm, 精磨低于600 mm3/mm;磨削低碳合金渗碳淬火钢特别是对磨削烧伤和裂纹较敏感的材料时, Q′w粗磨一般不超过5～6 mm3/ (mm·s) 左右, V′w粗磨600 mm3/mm左右, 半精磨及精磨低于450 mm3/mm。另外需注意:当加工内齿轮、特小或特大模数、较少齿数的齿轮和内齿轮时由于其排热、冷却等条件变差或具有大的磨削烧伤及裂纹敏感性时, 所选的Q′w、V′w和切削用量等在粗磨时应适当降低30%左右。
5 磨削烧伤及裂纹
砂轮及修整参数、工艺参数如选择不当极易导致磨削时大量热量产生, 这些热量若不能及时被磨粒和冷却液带走, 将在磨削区域产生超过回火温度的过热而形成回火或产生超过加热奥氏体的温度而形成淬火使金相组织及应力发生变化, 从而导致磨削烧伤和裂纹的产生。另外, 磨齿前注意热处理的影响和工艺编排、避免与轮齿精度相关工序的不良操作也很重要。
首先应注重热处理质量的提高, 减少残奥含量、残余内应力及变形不当造成结构尺寸的变化, 避免硬度超过HRC60, 尤忌超过HRC62, 否则将大大降低渗碳淬火钢的可磨削性;其次应减少轮齿预加工的错误, 降低预制齿的齿面误差, 避免预制齿后由于节圆的找正不当将位置误差传递到齿面误差。
另外, 在工艺编排上发现下述措施可在一定程度上降低对磨削烧伤及裂纹产生的敏感性:齿轮磨前进行喷丸处理 (高速喷丸能抵消残余内应力) , 热处理后自然时效时间相对延长 (因其残余内应力得以充分释放) , 磨前特别是在冬季气温较低情况下进行恒温处理。
磨齿时提高齿轮的找正精度, 增加对中时在齿形、齿向及齿槽的数量并适当多放加工余量, 可避免在粗磨时由于过切而造成的磨削烧伤及裂纹;磨削过程中还应监视磨削轴的电流消耗量和固 (液) 体声测仪特性曲线的变化以便及时发现磨削异常并调整各类参数。另外还应保持足量的磨削油, 适当降低油温并恒温控制, 注意及时调整喷嘴压力和冲洗位置, 并在砂轮的齿形根部加修附加台阶 (HOFLER成型磨) 或加修后角 (NILES成型磨) 以改善磨削油冲入的条件, 从而促进磨削热的散发。
当发现有磨削烧伤及裂纹产生时, 首先要用粗砂皮手工打毛烧伤齿面, 顺着裂纹用金刚锉锉削以阻断裂纹扩散;其次是重选砂轮及修整参数, 减小吃刀量, 适当降低切削速度和冲程速度, 尽量减少冲程数, 增加周期循环数, 减少砂轮的中间修整间歇等进行修磨。修磨时注意控制实际磨削电流不超过10A, 裂纹及烧伤在修至目视看不出时一般单齿面公法线至少还需修掉0.03～0.1 mm左右才能真正把烧伤及裂纹修磨掉。不过, 对磨削烧伤和裂纹敏感性较大的工件在大批量生产时还是应优先选用CBN砂轮, 因其具有良好的导热性和较大的热容性, 故对磨削烧伤及裂纹产生的敏感性具有较明显的降低作用, 而且大批量生产也摊薄了其单件成本。
当磨削裂纹通过上述磨齿工艺的优化仍无法解决时, 应注意热处理回火的不及时、不充分甚至金相组织超差的可能性, 可考虑对齿轮进行二次回火:对于垂直齿向的微裂纹可在180℃左右重新回火, 清理后再修磨;对于较严重的龟裂纹可将温度提高至300℃左右进行回火, 清理后再修磨。因展成磨与成型磨相比对磨削烧伤和裂纹的敏感性要低, 所以可利用展成磨进行磨削烧伤及裂纹的修磨处理, 也可在成型磨削前安排展成磨进行拉毛工序。
6 不良品修活
生产中不可避免地会出现工件下场后检查不合格而需要重新上场修活。此时的困难就是因为工件公法线已进公差, 用砂轮对中在齿面上会留有0.02 mm的刀痕, 因余量不足而使得刀痕磨不掉;采用测量系统对中, 会由于测量系统的误差导致砂轮直接偏磨把余量吃光甚至超差, 因此需对测量系统对中进行优化。
测量系统对中优化的原理是:首先根据检测到的左、右齿面的最小公法线余量在两齿面均分后决定工件的对中位置 (即工作台的分度位置) , 再由此位置所定位的两齿面的最大公法线余量计算出工件的毛坯公法线量, 即决定双面磨的径向起始位置或单面磨的切向偏移量。由此可见对中位置是由所检测到的两齿面余量最小点决定的, 因而当齿轮因个别轮齿超差不能准确地找到不良齿槽时就可以利用此法直接对齿轮所有的齿槽对中, 从而得到由不良齿槽所决定的对中位置。当然, 还需考虑补偿测量系统的对中误差。
对中误差的确定, NILES成型磨除可通过在两齿面间手动盘砂轮的办法确定Z_OFFSET外, 还有另一种更精确的办法 (也适用于HOFLER成型磨) :先用同类齿轮对中后记下工作台的分度位置A1, 在正常磨削完工后再用测量系统重新对中, 记下新的工作台的分度位置A2, 则可得出该机床的测量系统检测该类齿轮时的对中误差为A△=A1-A2 (工作台的分度位置之差) , 随后在修磨工件时, 就可以先用测量系统测出工件的对中位置, 然后在其位置上转动工作台直到读出工作台的分度位置改变了一个A△的量, 从而在机床上获得正确的工件对中位置, 解决上述修活时的困难。
7 扭曲干涉拓补
成型磨采用双面磨在有齿向修形时, 不同端截面处的齿形角会有变化, 变化量与齿向修形量成正相关的关系, 同样不同直径处的螺旋角也会不相等, 这种情况称为扭曲 (Twist) 或齿形 (齿向) 变形。因而不仅在对齿面质量要求较高的情形下, 还有当齿向修形时要求不同端截面处的齿形角相等的情形下, 都应采用单面磨。HOFLER双面磨及斜齿轮单面磨时可在“走刀”“预设值”下通过选择“最小偏差”选项来优化, NILES成型磨可在“修形”下的“扭曲”菜单中通过修整相应的扭曲点来优化。
当齿轮同时要求齿廓齿向都有修形时, 还应注意干涉等对齿型形成的影响:HOFLER成型磨会出现齿向鼓形量不够的情况, 可通过加大齿向鼓形量来补偿齿廓修形对其干涉所造成的影响;NILES成型磨则会在齿向的两端出现异常突起, 可通过编程时在X方向的微量正方向平移齿向鼓形或微量调整齿向鼓形量来避免此类现象的发生;实际生产中, 修整滚轮在使用过程中不可避免地会磨损, 从而影响到所修砂轮齿形, 此时也可利用齿廓修形上的鼓形等来补偿修整滚轮磨损所导致的工件齿廓内凹现象。另外要提醒的是NILELS成型磨在有齿廓修形时一定要先通过拓补计算成功后方可进行砂轮的修整, 否则可能会因为软件的错算而造成误动作, 拓补计算不成功时可通过微调齿廓的修形量或顶圆值等来使之成功。
数控插齿机 篇5
数控卧式滚齿机YK3610II为七轴四联动控制数控滚齿机, 机床滚刀主轴最高转速5000r/min, 机床最大加工模数为3mm, 最大加工直径100mm;机床精加工模数小于1.5mm的齿轮时, 工作精度可达到5级 (GB/T10095-2001) 。能满足模数小于3mm的直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮的加工以及采用径向法加工蜗轮的加工需求, 可以实现干切削和硬齿面切削加工, 具有高速、高效、高精度等特点。
TH (M) S系列高速卧式加工中心为高速加工高档数控机床, 主轴最高转速20000r/m, 快移速度60m/min, 定位精度0.008mm, 重复定位精度0.004mm, 能满足叶片、叶轮、空间曲面及箱体类零件的加工需求。经国家机床质量监督检验中心检验, 可靠性指标MTBF达到1000小时以上, 产品具有高速、高效、高精度、高可靠性等特点。
数控插齿机 篇6
工具制造行业的加工专用数控设备主要用于锉刀和旋转锉等工具生产。我国是锉类工具生产大国, 而我国锉类工具生产企业主要依靠上世纪八十年代生产的靠模机床加工产品。传统的机械式剁齿机存在自动化程度低、加工过程噪音大( 超过90d B), 产品一致性差等诸多问题, 生产现场密集的布置了生产设备和操作人员, 生产过程产生的噪音对工人的职业健康造成了巨大的危害。研发锉类工具数控自动化加工设备, 特别是锉刀锉纹数控加工成套设备, 可有效改善劳动者工作环境, 解决劳动力密集行业设备落后、人员短缺等问题, 并可以大大提高产品质量和加工效率, 提升产品档次。
2 传统加工工艺分析
传统加工采用机械靠模式机床进行锉纹加工, 采用连续送料方式, 由于在刀具切入工件到刀具离开工件的阶段, 工件都处于运动状态, 导致刀具对工件有一个向后的挤压, 导致锉纹的前角是一个变值, 且主锉纹呈凸起状。连续送料方式加工示意如图1 所示。该工艺加工的产品存在两个问题:1) 锉刀的前角变大, 该问题可以通过改变刀具角度得到解决;2) 主锉纹呈弧形凸起状,产品的寿命将大大缩短, 该问题是加工方式决定, 无法避免。要提高产品的寿命和一致性就必须对现有加工工艺进行改进。
3 关键控制技术分析
为解决传统工艺中存在的问题, 对控制工艺中的关键技术进行分析研究。
3.1 剁齿循环加工过程中的同步控制技术研究
在主轴电机的连续运动下, 带动凸轮周期运动, 从而带动剁齿执行机构往复运动, 在刀架机构本身的重力和预紧弹簧的作用下, 剁刀切入工件表面, 形成一道齿纹, 重复上述过程, 则实现连续剁齿过程。在此过程中就涉及到主轴和步进轴的同步控制技术。
3.1.1 间歇性送料方式
间歇送料方式的工作原理: 当剁齿刀接触工件表面时, 送料轴必须处于停止状态。待剁齿刀离开工件表面时, 送料轴又继续送料。
间歇送料方式下又可分为主轴变速模式和主轴匀速模式[1]。
1)主轴变速模式
送料区间主轴根据送料电机移动所需的时间,降低转速;在非送料区间主轴以设定转速旋转。
2)主轴匀速模式
主轴按照设定速度匀速转动,到达送料开始点,则启动送料电机;送料电机在送料停止点必须保证停止。
主轴变速模式效率最高, 但是需要频繁改变主轴转速; 主轴匀速模式虽不及主轴变速模式效率高, 但是主轴运转平稳, 控制方便。
3.1.2 连续性送料方式
连续送料方式的工作原理: 当剁齿刀切入工件表面时, 送料轴仍继续送料, 而无论剁齿刀当前所处的状态,需要保证剁齿刀在一个循环过程中, 送料轴完成一个齿纹距离的送料。
3.1.3 两种送料方式的性能比较及原因分析
3.2 齿纹截面曲线轨迹控制技术研究
锉刀齿纹截面曲线轨迹大多是水平线, 但也有圆弧、斜线等多种情况, 图2 是尖头扁锉的示意图。
对于齿纹截面曲线轨迹为圆弧或斜线的情况, 剁齿刀除了剁齿动作外, 还需要与X送料轴实现XOZ平面的联动插补, 在理论上方能实现齿纹截面曲线轨迹加工。关键是这种非水平线的截面曲线轨迹, 在每个齿纹距离内,Z轴移动的距离由梢长L、身厚H和尖厚h三个参数计算得到, 有可能Z轴需要移动的位移增量很小, 这微小的增量很可能被机械传动、控制量化误差等诸多环节所消耗掉, 所以针对这种截面曲线轨迹, 需要涉及到机械传动、伺服调整、运动控制的协同控制技术等多个环节。
4 同步控制技术的实际应用
4.1 协同运动优化控制算法的提出
剁齿机工作过程主要是主轴带动剁刀的上下运动,送料机构的平面运动, 如图3 所示。平面 α 表示送料机构,H、L分别表示剁刀的运动的最高点和最低点,C代表剁刀,S代表送料开始角度,E代表送料结束角度。剁齿过程必须满足以下条件:C沿Z轴做上下往复运动, 平面 α 在X轴方向上做进给运动,C在S-H-E区间运动时, 平面 α 可以运动, 称为送料区间; 当C在E-L-S区间运行时, 平面 α 禁止运动, 称为禁止送料区间; 平面 α 在X方向运动距离就是一个齿距dx[2]。
分析不同规格尺寸的锉刀以及单位长度上的锉纹数, 单个齿的送料距离都在10mm范围内, 在这个步距范围内, 剁齿频率在500~750rpm时, 不需进行调速也可以满足需求。为此, 在实际应用中采取一种优化控制算法:
(1) 加工第一齿时, 剁刀C由H经E至L这一过程中, 送料轴电机不会运动, 在这个过程中主轴按设定加工速度运动。
(2) 剁刀C自L至H到E运动时, 控制系统检测主轴编码器反馈角度值, 当剁刀C离开锉刀到达锉刀表面的S点时, 此时送料轴开始进入有效送料区间。系统首先根据当前主轴的设定转速和送料电机的送料距离判断是否需要对主轴进行调速, 如果此时步进电机在有效的送料时间内能完成送料操作, 且不会出现丢步现象, 则主轴匀速运动; 如果此时步进电机无法完成送料, 则降低主轴转速, 直到能满足步进电机送料需求, 这里涉及的调速是针对加工每一齿纹而言。
(3) 重复执行2 步骤, 直到剁齿结束。
4.2 送料轴送料方式的改进方法
为了降低噪音, 减少冲击, 需要步进电机升速和降速过程尽可能的慢。在自动控制方面采取以下措施:
1) 改变送料轴的控制方式, 由原来的以最快速度送料方式改为在允许送料区间内的全区间送料方式, 关系如图3 所示。根据有效送料区间的时间以及计算每一齿距所需的时间, 然后反推送料过程中允许的最大速度,有效的限定送料过程的速度,实现升速降速过程最平缓,从而有效的降低冲击, 减小噪音。
2) 分析运动过程的特性以及步进电机的响应特性后, 采用X轴在禁止送料区间提前送料的方式。首先计算X轴走5 个脉冲所需的时间( 提前走的脉冲数是在不影响剁齿效果的前提下确定的), 然后计算当前主轴转速下需要提前的角度, 利用当前的送料起始角度减去提前角度得到新的送料起始角度。这种方式扩大了送料有效区间, 通过此方法送料轴的噪音和振动也得到一定的降低。
5 结束语
在实际的数控剁齿机控制过程中, 采用以上的控制策略后, 有效解决了锉刀加工过程中的协同送料问题,能很好的实现锉刀加工的仿形功能, 而且能实现异形锉刀的加工需求, 并且机器在运行过程中, 更加的平缓, 冲击变得柔和, 有效的降低整机运行过程中的噪音和冲击。
摘要：本文分析了剁齿机数控系统中存在的技术难点,在分析了剁齿过程的运动特性的基础上给出协同控制的优化控制方法 ,并对送料轴送料方式做了进一步的优化改进。采用这些控制策略后有效解决了锉刀加工过程中的协同送料和齿纹截面曲线轨迹加工等问题,且能够大大降低了加工过程中的噪音和冲击。
关键词：协同控制,送料方式,冲击
参考文献
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