CN102129231A - 一种弧齿锥齿轮机床数控系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种弧齿锥齿轮机床数控系统，简化了传统的机械传动，无需更换挂轮，缩短了机床调整时间，简化了机械传动链，获得更高的加工精度和稳定的加工质量，而且机床调整方便，可根据不同切削方法的要求，对滚切、分齿、切齿进给、铣刀转速、摇台反向进行参数设定，同时可大大提高机床加工效率。另外，本发明提供的弧齿锥齿轮机床数控系统控制方法，无需编程，缩短调试周期，方便普通齿轮加工机床的数控化改造，齿轮加工参数在一个画面下完成，引入齿面曲率修正值，调整更准确、更快速、更方便，适合小批量及大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床领域，确切地说是指一种弧齿锥齿轮机床数控系统及控制方法。
背景技术
众所周知，齿轮是最基础的机械传动元件，其使用量大面广。而齿轮机床是机床工业公认技术含量最高、零部件最多、结构最复杂的产品之一。它广泛应用于汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山机械、冶金机械、石油、仪表、飞机和航天器等各种机械制造业中。弧齿锥齿轮以其良好的动态性能，在机械行业中占有相当重要的地位。但由于弧齿锥齿轮的齿面形状复杂，齿面计算公式是超越非线性方程组，从而给弧齿锥齿轮的加工带来了困难。
当前，配套齿轮加工机床的数控系统有的选用四轴联动加工中心，编程在UG环境下进行，直接利用了UG提供的刀轨生成功能。采用特殊手段进行后置处理，最后生成相应加工中心下加工弧齿锥齿轮的数控代码。这种思路操作麻烦，难度较高，一般操作人员很难掌握，且针对每种齿轮生产加工的调试周期较长，从而给配套机床的应用推广带来困难。
弧齿锥齿轮的加工设备大多采用湿式加工且生产效率偏低，从使用的机床来看，大多数是进口机械式铣齿机(多半来自美国或前苏联)，且多半是国外淘汰的二手设备，其价格不菲，生产调试非常麻烦，每生产一种规格齿轮，都要进行繁杂计算或频繁更换挂轮，要使整个齿轮副达到啮合要求，就要不断的试切、修正和调整，整个过程繁杂冗长，计算量大，对操作人员的相关知识要求高，计算结果有一点出错，就要重新计算，这使得加工一对齿轮的周期长且成本高。而且这种机床的数量也越来越少，根本满足不了市场需求；进口先进的弧齿锥齿轮数控加工设备不仅价格昂贵，而且维修保养困难，一般中小企业无力购置使用。一些配套进口数控系统的中小规模机床制造商，其不具备软件开发能力，只能手动编制宏程序进行加工，在操作、编程及维护方面不易掌握，加工调试周期长，分齿精度达不到预定的要求，使用效果大打折扣，缺乏竞争力，致使产品难易普及和推广。更值得一提的是，若控制系统不能引入修正项，对于弧齿锥齿轮其齿面曲率修正量的选择十分困难，可能要经过多次试切加工，才能获得理想的啮合质量，而且对操作人员经验的依赖性很大。
发明内容
针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于提供一种弧齿锥齿轮机床数控系统，简化了传统的机械传动，无需更换挂轮，缩短了机床调整时间，简化了机械传动链，获得更高的加工精度和稳定的加工质量，而且机床调整方便，可根据不同切削方法的要求，对滚切、分齿、切齿进给、铣刀转速、摇台反向进行参数设定，同时可大大提高机床加工效率。另外，本发明提供的弧齿锥齿轮机床数控系统控制方法，无需编程，缩短调试周期，方便普通齿轮加工机床的数控化改造，齿轮加工参数在一个画面下完成，引入齿面曲率修正值，调整更准确、更快速、更方便，适合小批量及大规模生产。
为了解决以上的技术问题，本发明提供的弧齿锥齿轮机床数控系统，包括交流伺服驱动器、交流伺服电机、数控装置和机床，其中：
机床，包括A轴、B轴、C轴、Y轴、S轴，A轴为控制摇台回转，B轴为工件箱旋转，C轴为工件主轴回转，Y轴为床鞍进给，S轴为铣刀盘轴，A轴、B轴、C轴、Y轴四轴联动；机床床身上设有一组平行于铣刀盘轴线的导轨，床鞍在导轨上沿Y轴方向运动，使工件齿轮能与铣刀盘啮合或分离；工件主轴绕C轴转动与铣刀盘绕A轴的旋转运动构成工件齿轮的齿形；工件箱可以在圆弧导轨上绕B轴转动，用于调整工件齿轮的安装角；
交流伺服驱动器，接收数控装置的位置信息指令驱动各自相连电机运转，并将其控制电机的位置信息反馈给数控装置；
数控装置，将编制好的数控程序控制交流伺服驱动器，再由交流伺服驱动器控制交流伺服电机的运转来完成弧齿锥齿轮的加工工作；
交流伺服电机，机床的A轴、B轴、C轴、Y轴通过联轴器将涡轮蜗杆或滚珠丝杆与交流伺服电机连接。
优选地，所述铣刀盘轴安装在摇台上的偏心鼓轮上，铣刀盘轴的旋转由变频电机控制，数控装置通过控制模拟量对其实现无级调速控制。
优选地，所述数控装置包括用于显示程序输入的控制面板。
优选地，所述交流伺服驱动器和所述交流伺服电机分别为4台。
另外，本发明还提供一种弧齿锥齿轮机床数控系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)设置齿轮加工参数：加工齿数、冠轮齿数、A轴摆角、C轴摆角修正值、切齿速度、回退速度、跳齿数等；
(2)选择合适的刀具转速，启动铣刀盘旋转，开冷却；
(3)等待床鞍进到位后，铣刀盘和齿轮工件接近；
(4)A轴、C轴按切齿速度同步做范成运动，直到加工完当前齿；
(5)床鞍退出到位，铣刀盘和齿轮工件分离；
(6)A轴回转到位，准备加工下一齿；
(7)C轴执行分齿动作，直到分齿完成；
(8)判断分齿是否完成，是，则床鞍退出到安全位置，并停止刀具旋转，关闭冷却；否，从步骤3继续执行。
优选地，步骤(4)是通过数控装置中切齿功能指令完成，数控装置根据摇台摆角，自动计算工件齿轮轴摆角，并加入C轴摆角修正值，执行切齿加工。
优选地，步骤(6)是由回退功能指令完成，根据工件C轴的控制方式选择同向或反向的不同，步骤(6)中工件齿轮轴的回转可选择执行；选择反向控制方式时，A轴、C轴同时回转，效率高，但C轴有反向运动，对于C轴机械间隙较小的情况可以采用；机械间隙较大时采用同向加工，选择同向时，则步骤(6)只执行A轴回转，C轴不再同步回转，使工件齿轮沿同一方向分齿，避免因C轴电机正反转引起的反向间隙误差。
优选地，步骤(7)是通过分齿指令完成的，分齿指令的执行是根据跳齿数多少，选择最短分齿路径执行分齿，即以满足设定分齿数，并与C轴转过的角度之差最小的齿进行定位分齿；对于分齿数不能一周均分的情况，采用均分误差限方法，严格控制相邻齿分齿误差不大于0.001度，可以不需要考虑采用编程或机械方法来提高分齿精度。
本发明提供的弧齿锥齿轮机床数控系统，各轴(A、B、C、Y)可分别由全数字交流伺服驱动电机控制，去除了机械式铣齿机中冗长的传动链，获得更高的加工精度和稳定的加工质量，而且机床调整方便，可根据不同切削方法的要求，对滚切、分齿、切齿进给、铣刀转速、摇台反向进行参数设定，同时可大大提高机床加工效率。另外，本发明提供的弧齿锥齿轮机床数控系统控制方法，无需编程，缩短调试周期，方便普通齿轮加工机床的数控化改造，齿轮加工参数在一个画面下完成，引入齿面曲率修正值，调整更准确、更快速、更方便，适合小批量及大规模生产。
附图说明
图1为本发明中弧齿锥齿轮机床数控系统的结构框图；
图2为本发明弧齿锥齿轮机床数控系统中机床的结构示意图；
图3为本发明弧齿锥齿轮机床数控系统中控制面板的显示图。
具体实施方式
为了本领域的技术人员能够更好地理解本发明所提供的技术方案，下面结合具体实施例进行阐述。
请参见图1-图3，图1为本发明中弧齿锥齿轮机床数控系统的结构框图；图2为本发明弧齿锥齿轮机床数控系统中机床的结构示意图；图3为本发明弧齿锥齿轮机床数控系统中控制面板的显示图。
本发明提供的弧齿锥齿轮机床数控系统，包括交流伺服驱动器2、交流伺服电机3、数控装置1和机床4，交流伺服驱动器2和所述交流伺服电机3分别为4台，其中：
机床4，包括A轴、B轴、C轴、Y轴、S轴，A轴为控制摇台回转，B轴为工件箱旋转，C轴为工件主轴回转，Y轴为床鞍进给，S轴为铣刀盘轴，A轴、B轴、C轴、Y轴四轴联动；机床4的床身上设有一组平行于铣刀盘轴线的导轨，床鞍在导轨上沿Y轴方向运动，使工件齿轮能与铣刀盘啮合或分离；工件主轴绕C轴转动与铣刀盘绕A轴的旋转运动构成工件齿轮的齿形；工件箱可以在圆弧导轨上绕B轴转动，用于调整工件齿轮的安装角；铣刀盘轴安装在摇台上的偏心鼓轮上，铣刀盘轴的旋转由变频电机控制，数控装置1通过控制模拟量对其实现无级调速控制；
交流伺服驱动器2，接收数控装置1的位置信息指令驱动各自相连电机运转，并将其控制电机的位置信息反馈给数控装置1；
数控装置1，将编制好的数控程序控制交流伺服驱动器2，再由交流伺服驱动器2控制交流伺服电机3的运转来完成弧齿锥齿轮的加工工作；
交流伺服电机3，机床4的A轴、B轴、C轴、Y轴通过联轴器将涡轮蜗杆或滚珠丝杆与交流伺服电机3连接。
数控装置1包括用于显示程序输入的控制面板。
根据弧齿锥齿轮的加工原理，齿面修正的方法及机床4参数的调整计算，加工时，数控装置1根据设置好的齿轮加工参数，在保证弧齿锥齿轮加工过程中铣刀盘相对于工件的运动关系的基础上，自动计算多轴加工轨迹，并转化为位置信息控制各轴相应的交流伺服驱动器2，再由交流伺服驱动器2控制交流伺服电机3的运转来完成齿轮的加工工作。
采用数控系统中成熟的自适应有限加加速的前加减速插补算法保证了铣刀盘与工件齿轮的运动关系高度一致，各轴的插补输出脉冲分配均匀，参与联动的轴同时启动，同步到达。这种算法在保证加加速度二阶连续的同时，进而对加速度的变化进行优化，有效地避免了加工过程中对机械本身的冲击，提升了被加工齿轮表面的光顺效果，也同时保证了刀具的均匀切削量，减少了刀具的磨损，延长了铣刀盘使用寿命。
参数设置：按控制面板上的【齿参】按键，显示如图3所示画面，通过按【移动键】，依次选择齿轮参数，并输入合适的值。特别强调的是，其中的弧齿锥齿轮其齿面曲率修正量的调整是通过C轴修正值实现的，不需要过多地调整就能获得理想的啮合质量，有效地摆脱对操作人员经验的依赖性。在齿参设置界面，还可对各轴坐标执行清零操作。
另外，本发明还提供一种弧齿锥齿轮机床数控系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)设置齿轮加工参数：加工齿数、冠轮齿数、A轴摆角、C轴摆角修正值、切齿速度、回退速度、跳齿数等；
(2)选择合适的刀具转速，启动铣刀盘旋转，开冷却；
(3)等待床鞍进到位后，铣刀盘和齿轮工件接近；
(4)A轴、C轴按切齿速度同步做范成运动，直到加工完当前齿；
(5)床鞍退出到位，铣刀盘和齿轮工件分离；
(6)A轴回转到位，准备加工下一齿；
(7)C轴执行分齿动作，直到分齿完成；
(8)判断分齿是否完成，是，则床鞍退出到安全位置，并停止刀具旋转，关闭冷却；否，从步骤3继续执行。
步骤(4)是通过数控装置1中切齿功能指令完成，数控装置1根据摇台摆角，自动计算工件齿轮轴摆角，并加入C轴摆角修正值，执行切齿加工。
步骤(6)是由回退功能指令完成，根据工件C轴的控制方式选择同向或反向的不同，步骤(6)中工件齿轮轴的回转可选择执行；选择反向控制方式时，A轴、C轴同时回转，效率高，但C轴有反向运动，对于C轴机械间隙较小的情况可以采用；机械间隙较大时采用同向加工，选择同向时，则步骤(6)只执行A轴回转，C轴不再同步回转，使工件齿轮沿同一方向分齿，避免因C轴电机正反转引起的反向间隙误差。
步骤(7)是通过分齿指令完成的，分齿指令的执行是根据跳齿数多少，选择最短分齿路径执行分齿，即以满足设定分齿数，并与C轴转过的角度之差最小的齿进行定位分齿；对于分齿数不能一周均分的情况，采用均分误差限方法，严格控制相邻齿分齿误差不大于0.001度，可以不需要考虑采用编程或机械方法来提高分齿精度。
与现有技术相比，本发明提供的弧齿锥齿轮机床数控系统及控制方法具有以下优点：
1、简化了传统的机械传动，无需更换挂轮，缩短了机床4调整时间，简化了机械传动链。
2、工件齿轮加工的分齿或跳齿可通过数控系统单一指令完成，速度快，无需分度盘，柔性好，分度精度高。
3、采用大功率伺服电机直联驱动进给，速度可实时任意调整，满足进给速度由慢到快的工进需要。
4、工件齿轮加工参数在一个画面下完成，引入齿面曲率修正值，调整更准确、更快速、更方便，适合小批量及大规模生产。
5、可控铣刀盘主轴变频电机实时转速，实现切削速度的自动调整。
6、无需编程，缩短调试周期，方便普通齿轮加工机床4的数控化改造。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种弧齿锥齿轮机床数控系统，其特征在于，包括交流伺服驱动器、交流伺服电机、数控装置和机床，所述交流伺服驱动器和所述交流伺服电机分别为4台，其中：
机床，包括A轴、B轴、C轴、Y轴、S轴，A轴为控制摇台回转，B轴为工件箱旋转，C轴为工件主轴回转，Y轴为床鞍进给，S轴为铣刀盘轴，A轴、B轴、C轴、Y轴四轴联动；机床床身上设有一组平行于铣刀盘轴线的导轨，床鞍在导轨上沿Y轴方向运动，使工件齿轮能与铣刀盘啮合或分离；工件主轴绕C轴转动与铣刀盘绕A轴的旋转运动构成工件齿轮的齿形；工件箱可以在圆弧导轨上绕B轴转动，用于调整工件齿轮的安装角；
交流伺服驱动器，接收数控装置的位置信息指令驱动各自相连电机运转，并将其控制电机的位置信息反馈给数控装置；
数控装置，将编制好的数控程序控制交流伺服驱动器，再由交流伺服驱动器控制交流伺服电机的运转来完成弧齿锥齿轮的加工工作；
交流伺服电机，机床的A轴、B轴、C轴、Y轴通过联轴器将涡轮蜗杆或滚珠丝杆与交流伺服电机连接。
2.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮机床数控系统，其特征在于，所述铣刀盘轴安装在摇台上的偏心鼓轮上，铣刀盘轴的旋转由变频电机控制，数控装置通过控制模拟量对其实现无级调速控制。
3.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮机床数控系统，其特征在于，所述数控装置包括用于显示程序输入的控制面板。
4.一种弧齿锥齿轮机床数控系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设置齿轮加工参数：加工齿数、冠轮齿数、A轴摆角、C轴摆角修正值、切齿速度、回退速度、跳齿数等；
(2)选择合适的刀具转速，启动铣刀盘旋转，开冷却；
(3)等待床鞍进到位后，铣刀盘和齿轮工件接近；
(4)A轴、C轴按切齿速度同步做范成运动，直到加工完当前齿；
(5)床鞍退出到位，铣刀盘和齿轮工件分离；
(6)A轴回转到位，准备加工下一齿；
(7)C轴执行分齿动作，直到分齿完成；
(8)判断分齿是否完成，是，则床鞍退出到安全位置，并停止刀具旋转，关闭冷却；否，从步骤3继续执行。
5.根据权利要求4所述的弧齿锥齿轮机床数控系统的控制方法，其特征在于，步骤(4)是通过数控装置中切齿功能指令完成，数控装置根据摇台摆角，自动计算工件齿轮轴摆角，并加入C轴摆角修正值，执行切齿加工。
6.根据权利要求4所述的弧齿锥齿轮机床数控系统的控制方法，其特征在于，步骤(6)是由回退功能指令完成，根据工件C轴的控制方式选择同向或反向的不同，步骤(6)中工件齿轮轴的回转可选择执行；选择反向控制方式时，A轴、C轴同时回转，效率高，但C轴有反向运动，对于C轴机械间隙较小的情况可以采用；机械间隙较大时采用同向加工，选择同向时，则步骤(6)只执行A轴回转，C轴不再同步回转，使工件齿轮沿同一方向分齿，避免因C轴电机正反转引起的反向间隙误差。
7.根据权利要求4所述的弧齿锥齿轮机床数控系统的控制方法，其特征在于，步骤(7)是通过分齿指令完成的，分齿指令的执行是根据跳齿数多少，选择最短分齿路径执行分齿，即以满足设定分齿数，并与C轴转过的角度之差最小的齿进行定位分齿；对于分齿数不能一周均分的情况，采用均分误差限方法，严格控制相邻齿分齿误差不大于0.001度，可以不需要考虑采用编程或机械方法来提高分齿精度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: FOSHAN MLT CNC TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: ZHAOQING HEPU POWER TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20131231 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 526040 No. 26 Yingbin Road, Zhaoqing hi tech Industrial Development Zone, Guangdong, Zhaoqing Applicant after: Zhaoqing Universal Power Technology Co.,Ltd. Address before: 526238 Guangdong city of Zhaoqing province high tech Industrial Development Zone Industrial Park, Sha Lek Kailong CNC Technology Co Ltd Applicant before: Zhaoqing Kailong Numerical Control Technology Co.,Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 526040 ZHAOQING, GUANGDONG PROVINCE TO: 528000 FOSHAN, GUANGDONG PROVINCE Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: ZHAOQING CITY KAILONG NUMERICAL CONTROL TECHNOLOGY CO., LTD. TO: ZHAOQINGHEPU POWER TECHNOLOGY CO., LTD. |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20131231 Address after: The town of Nanhai District, Guangdong city of Foshan province 528000 Tang Bian industrial zone of Foshan city Aishiku Foam Plastic Industrial Co., No. 3 factory Applicant after: FOSHAN MLT CNC TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 526040 No. 26 Yingbin Road, Zhaoqing hi tech Industrial Development Zone, Guangdong, Zhaoqing Applicant before: Zhaoqing Universal Power Technology Co.,Ltd. |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110720 |