CN106270809A - 一种弧齿锥齿轮机床数控系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种弧齿锥齿轮机床数控系统及其控制方法。系统包括交流伺服驱动器、交流伺服电机、数控装置、上下料装置和机床；机床的A轴、B轴、C轴、Y轴四轴联动；床鞍在平行于铣刀盘轴线的导轨上沿Y轴方向运动；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；工件箱在圆弧导轨上绕B轴转动；上下料装置的Z轴支撑臂设置在底座上，可绕Z轴转动；水平支撑臂水平固定在Z轴支撑臂上；水平支撑臂与机械手通过X轴连接；机械手可绕X轴转动；X轴与C轴在同一水平面上；数控装置控制交流伺服驱动器，由交流伺服驱动器控制交流伺服电机的运转。本发明的系统及其控制方法，可以实现弧齿锥齿轮的全自动加工，减小人力投入。

Description

一种弧齿锥齿轮机床数控系统及控制方法

技术领域

本发明涉及数控机床领域，特别是涉及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，其使用量大且使用面广。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。这种方式操作麻烦，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，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。并且现有技术中弧齿锥齿轮的加工过程中都是通过人工实现上下料，使人力的投入较大。

发明内容

本发明为了提高弧齿锥齿轮的加工精度，提高加工效率，实现全自动加工，提供了一种弧齿锥齿轮机床数控系统及控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种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、上下料装置和机床；

所述机床，包括A轴、B轴、C轴、Y轴、S轴，A轴为回转控制摇台，B轴为旋转工件箱，C轴为回转工件主轴，Y轴为进给床鞍，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；

所述上下料装置包括底座、Z轴支撑臂、水平支撑臂、机械手；所述Z轴支撑臂设置在所述底座上可绕Z轴转动；所述Z轴为机械手水平旋转轴；所述Z轴位于所述Z轴支撑臂的中心；所述水平支撑臂水平固定在所述Z轴支撑臂上，用于支撑所述机械手；所述水平支撑臂与所述机械手通过X轴连接；所述X轴为机械手竖向旋转轴；所述机械手可绕X轴转动；所述机械手用于抓起或放下弧齿锥齿轮；所述X轴与所述C轴在同一水平面上；

所述交流伺服驱动器，接收数控装置的位置信息指令，驱动与所述交流伺服驱动器相连的所述交流伺服电机运转，并将所述交流伺服电机的位置信息反馈给所述数控装置；

所述数控装置，以编制好的数控程序控制所述交流伺服驱动器，再由所述交流伺服驱动器控制所述交流伺服电机的运转来完成弧齿锥齿轮的加工工作；

所述交流伺服电机，机床的A轴、B轴、C轴、Y轴和所述上下料装置的Z轴、X轴和机械手分别通过联轴器与对应的交流伺服电机连接。

可选的，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变频电机实现无级调速控制。

可选的，所述数控装置包括用于显示程序输入的控制面板。

本发明还提供了一种弧齿锥齿轮机床控制方法，应用于如权利要求1-3任一项所述的弧齿锥齿轮机床数控系统，该方法包括如下步骤：

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；

步骤2：设置上下料参数：X轴上料旋转角度、X轴下料旋转角度、Z轴上料旋转角度、Z轴下料旋转角度；

步骤3：控制所述上料装置的机械手抓取待加工件，并将所述待加工件安装在回转工件主轴上；

步骤4：选择合适的刀具转速，启动铣刀盘旋转，开启冷却装置；

步骤5：等待床鞍进到位后，铣刀盘和齿轮工件接近；

步骤6：A轴、C轴按切齿速度同步做范成运动，直到加工完当前齿；

步骤7：床鞍退出到位，铣刀盘和齿轮工件分离；

步骤8：A轴回转到位，准备加工下一齿；

步骤9：C轴执行分齿动作，所述机械手抓取所述齿轮，直到分齿完成；

步骤10：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，所述机械手将所述齿轮放置预定位置；否，从步骤3继续执行。

可选的，步骤6是通过数控装置的切齿功能指令完成，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。

可选的，步骤8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控制，步骤8中工件齿轮轴的回转可选择执行；当C轴机械间隙较小时采用反向控制方式，选择反向控制方式时，A轴、C轴同时回转，效率高；机械间隙较大时采用同向控制方式，选择同向控制方式时，步骤8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。

可选的，步骤9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。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的弧齿锥齿轮机床数控系统，各轴(A、B、C、X、Y、Z)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，同时可极大提高机床加工效率，上下料装置的引入，实现了弧齿锥齿轮的全自动加工，减少了人工的投入。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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种弧齿锥齿轮机床数控系统实施例的系统结构图。

图2为本发明一种弧齿锥齿轮机床数控系统实施例的机床和上下料装置的结构图。

图3为本发明一种弧齿锥齿轮机床控制方法实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种弧齿锥齿轮机床数控系统及控制方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种弧齿锥齿轮机床数控系统实施例的系统结构图。

参见图1，该弧齿锥齿轮机床数控系统，包括数控装置101、交流伺服驱动器102、交流伺服电机103、机床104和上下料装置105；

所述数控装置101，以编制好的数控程序控制所述交流伺服驱动器102，再由所述交流伺服驱动器102控制所述交流伺服电机103的运转来完成弧齿锥齿轮的加工工作；

所述交流伺服驱动器102，接收数控装置101的位置信息指令驱动与所述交流伺服驱动器102相连的所述交流伺服电机103运转，并将所述交流伺服电机103的位置信息反馈给所述数控装置101；

所述交流伺服电机103驱动所述机床104和所述上下料装置105完成弧齿锥齿轮的加工。

图2为本发明一种弧齿锥齿轮机床数控系统实施例的机床和上下料装置的结构图。

参见图2，所述机床104，包括A轴、B轴、C轴、Y轴、S轴，A轴为回转控制摇台201，B轴为旋转工件箱202，C轴为回转工件主轴203，Y轴为进给床鞍204，S轴为铣刀盘轴205，所述A轴、S轴和Y轴的轴线方向相同，均沿进给床鞍的进给方向；所述B轴的轴线为竖直方向，所述旋转工件箱202绕所述B轴转动；在所述B旋转工件箱转动时，带动所述C轴的轴线在水平方向上转动；A轴、B轴、C轴、Y轴四轴联动；机床104床身上设有一组平行于铣刀盘轴205的导轨，所述进给床鞍204在导轨上沿Y轴方向运动，使工件齿轮与铣刀盘啮合或分离；工件主轴203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；所述旋转工件箱202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；

所述上下料装置105包括底座206、Z轴支撑臂207、水平支撑臂208、机械手209；所述Z轴支撑臂207设置在所述底座206上可绕Z轴转动；所述Z轴为机械手水平旋转轴；所述Z轴位于所述Z轴支撑臂207的中心；所述Z轴沿竖直方向；所述水平支撑臂208水平固定在所述Z轴支撑臂207上，用于支撑所述机械手209；所述水平支撑臂208与所述机械手209通过X轴连接；所述X轴为机械手竖向旋转轴；所述机械手209可绕X轴转动；所述机械手209用于抓起或放下弧齿锥齿轮；所述X轴与所述C轴在同一水平面上；

所述机床104的A轴、B轴、C轴、Y轴和所述上下料装置105的Z轴、X轴和机械手209分别通过联轴器与对应的所述交流伺服电机103连接。

可选的，所述铣刀盘轴205安装在摇台上的偏心鼓轮上，铣刀盘轴205的旋转由变频电机控制，数控装置101通过控制模拟量对变频电机实现无级调速控制。

可选的，所述数控装置101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101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102，再由交流伺服驱动器102控制交流伺服电机103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，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。

本发明提供的弧齿锥齿轮机床数控系统，各轴(A、B、C、X、Y、Z)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，上下料装置的引入，实现了弧齿锥齿轮的全自动加工，减少了人工的投入。

图3为本发明一种弧齿锥齿轮机床控制方法实施例的方法流程图。

参见图3，该一种弧齿锥齿轮机床控制方法，应用于本发明的弧齿锥齿轮机床数控系统，该方法包括如下步骤：

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；

步骤2：设置上下料参数：X轴上料旋转角度、X轴下料旋转角度、Z轴上料旋转角度、Z轴下料旋转角度；

步骤3：控制所述上料装置的机械手抓取待加工件，并将所述待加工件安装在回转工件主轴上；

步骤4：选择合适的刀具转速，启动铣刀盘旋转，开启冷却装置；

步骤5：等待床鞍进到位后，铣刀盘和齿轮工件接近；

步骤6：A轴、C轴按切齿速度同步做范成运动，直到加工完当前齿；

步骤7：床鞍退出到位，铣刀盘和齿轮工件分离；

步骤8：A轴回转到位，准备加工下一齿；

步骤9：C轴执行分齿动作，所述机械手抓取所述齿轮，直到分齿完成；

步骤10：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，所述机械手将所述齿轮放置预定位置；否，从步骤3继续执行。

可选的，步骤6是通过数控装置的切齿功能指令完成，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。

可选的，步骤8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控制，步骤8中工件齿轮轴的回转可选择执行；当C轴机械间隙较小时采用反向控制方式，选择反向控制方式时，A轴、C轴同时回转，效率高；机械间隙较大时采用同向控制方式，选择同向控制方式时，步骤8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。

可选的，步骤9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，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。

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，适合小批量或大规模生产。

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的数控化改造。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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、上下料装置和机床；

所述机床，包括A轴、B轴、C轴、Y轴、S轴，A轴为回转控制摇台，B轴为旋转工件箱，C轴为回转工件主轴，Y轴为进给床鞍，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；

所述上下料装置包括底座、Z轴支撑臂、水平支撑臂、机械手；所述Z轴支撑臂设置在所述底座上，可绕Z轴转动；所述水平支撑臂水平固定在所述Z轴支撑臂上，用于支撑所述机械手；所述水平支撑臂与所述机械手通过X轴连接；所述机械手可绕X轴转动；所述机械手用于抓起或放下弧齿锥齿轮；所述X轴与所述C轴在同一水平面上；

所述交流伺服驱动器，接收数控装置的位置信息指令，驱动与所述交流伺服驱动器相连的所述交流伺服电机运转，并将所述交流伺服电机的位置信息反馈给所述数控装置；

所述数控装置，以编制好的数控程序控制所述交流伺服驱动器，再由所述交流伺服驱动器控制所述交流伺服电机的运转来完成弧齿锥齿轮的加工工作；

所述交流伺服电机，机床的A轴、B轴、C轴、Y轴和所述上下料装置的Z轴、X轴和机械手分别通过联轴器与对应的交流伺服电机连接。

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变频电机实现无级调速控制。

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控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3任一项所述的弧齿锥齿轮机床数控系统，该方法包括如下步骤：

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；

步骤2：设置上下料参数：X轴上料旋转角度、X轴下料旋转角度、Z轴上料旋转角度、Z轴下料旋转角度；

步骤3：控制所述上料装置的机械手抓取待加工件，并将所述待加工件安装在回转工件主轴上；

步骤4：选择合适的刀具转速，启动铣刀盘旋转，开启冷却装置；

步骤5：等待床鞍进到位后，铣刀盘和齿轮工件接近；

步骤6：A轴、C轴按切齿速度同步做范成运动，直到加工完当前齿；

步骤7：床鞍退出到位，铣刀盘和齿轮工件分离；

步骤8：A轴回转到位，准备加工下一齿；

步骤9：C轴执行分齿动作，所述机械手抓取所述齿轮，直到分齿完成；

步骤10：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，所述机械手将所述齿轮放置预定位置；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6是通过数控装置的切齿功能指令完成，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8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控制，步骤8中工件齿轮轴的回转可选择执行；当C轴机械间隙较小时采用反向控制方式，选择反向控制方式时，A轴、C轴同时回转，效率高；机械间隙较大时采用同向控制方式，选择同向控制方式时，步骤8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9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，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。