内齿轮加工机床的数控及电气系统设计.pdf

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1、文章编号:1001-2265(2010)05-0063-05收稿日期:2009-11-02作者简介:毛竹群(1977?),女,西安工程大学机电学院助教,工学硕士,从事专业为机械设计、制造、工程图学等,(E-mail)maozhuqun 。内齿轮加工机床的数控及电气系统设计毛竹群1,齐中武2(1.西安工程大学 机电学院,西安?710048;2.西安科创实业有限公司,西安?710075)摘要:文中通过内齿轮加工原理,详细描述了内齿轮加工机床的加工过程及其数控系统的研究,从系统的选择、系统综述以及系统的软件编制和接口设计都进行了详细的论证和阐述,并对该机床的电气部分进行了设计。关键词:内齿轮;磨床;

2、CNC系统中图分类号:TH16;TG65?文献标识码:AThe Interior GearW heel Processing sNumerical Control System DesignMAO Zhu?qun1,QI Zhong?wu2(1.School ofMechanical&Electronic Engineering,Xi an Polytechnic University,Xi an 710048,China;2.Xi anKechuang Industrial CO.,LTD,Xi an 710075,China)Abstract:Accordi ng to pri ncipl

3、e of t he gearwheelprocessing,described t hemanufacturing procedure of interi?orgear and the design of it s numerical control system in ful,l demonstration and represent in det ail the systemchosen、syste m overview and the system soft ware work out and i nterface design,and design t he electric of t

4、hisprocess.Key words:interior gear;grindingmachi ne;CNC Syste m0?引言目前,太阳轮和行星轮已经实现高效磨削,因此,提高行星轮系的制造精度,增加它的承载能力,关键是要解决硬齿面内齿轮的磨削问题,因此开发内齿轮数控磨齿机很有必要。计算机数控(CNC)是在传统的硬件数控(NC)的基础上发展起来的。20世纪 70年代初CNC系统开始采用小型计算机进行控制。随着电子电路集成度的提高,成本低、功能强和可靠性高的微型计算机取代了小型计算机进行机床的数字控制。CNC系统是利用存储在计算机内存里的系统程序,对机床实现数字逻辑控制。CNC系统的特点主

5、要是它的灵活性、通用性、可靠性、数控功能多样化、使用维修方便、易于实现机电一体化。它的主要功能有:控制功能、准备功能、插补功能、固定循环加工功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能和第二辅助功能、补偿功能、字符图形显示功能、自诊断功能、通信功能、人机对话程编功能。1?机床的结构设计机床的基础机构如图 1,数控内齿轮磨齿机由磨削头 1、平行于齿轮轴线运动的数控滑台 2、数控分度盘 3及垂直于齿轮回转轴线运动的数控滑台 4和机械式滑台组成。磨削头 1安装在滑台 2上,由电机驱动,通过皮带使砂轮高速回转,砂轮靠垂直于自身回转轴线的端面!成形 磨削齿面。滑台 2平行于齿轮轴线运动,使整个齿宽得到磨

6、削;在磨床的工作台上安装一电子分度盘,砂轮每磨削齿面一次,离开齿面时,分度盘 3实时分度带动齿轮转过一齿,直到全部齿磨完。分度盘的分度精度足以保证齿距误差;移动滑台 4可以控制齿厚和齿形角;移动滑台 5控制齿的磨削高度。修整砂轮时,金钢轮由电机驱动旋转,装在分度盘上,由图 1?机床基础结构部件#63#2010年第 5期#控制与检测#计算机数控系统控制移动滑台 4移动和分度盘旋转,修整砂轮的渐开线磨削面。2?机床数控系统2?1数控系统的选则在进行数控系统选型时,一般应遵从性价比高、综合成本低这两个主要的原则,在这两个原则的指导下对众多的数控系统进行比较,选择最合适的数控系统。(1)性价比高的原则

7、一般在选择数控系统时,应考虑数控系统的先进性,不要选那些已经或将要被淘汰的产品,这样用不了多长时间又要进行更新,而要尽量选择先进的、能代表当前主流技术的产品。先进的产品代表更加强大的功能,但并不是越先进的越好,随着性能的提高,其价格必然越贵,但是在实际应用中,众多强大的功能是否必要,要视使用情况而定。不要一味追求高性能而增加投入,应该在选择性能优良产品的同时,考虑价格因素,对产品的性能价格比进行比较,在同样能满足技术要求的情况下,选择价格低的产品。(2)综合成本低的原则所谓综合成本,是指除产品本身的价值外,其配套的配件采购、维修成本,因故障停机导致的时间成本,以及寿命周期等等。在进行数控系统选

8、型时,要充分考虑以上因素,选择故障率低、配件价格低、售后服务及时、寿命周期长的产品。2?2?先进数控系统比较我国国内目前研制开发与生产的 CNC 装置基本上分为两大类:一类是从国外引进技术及许可证制造的产品,如北京数控设备厂(BESK)生产的 FANUC?BESK 0M ate E;另一类是在引进、消化、吸收的基础上自选研制、开发、生产的数控装置,如:华中数控生产的华中 I型、华中 型。目前,国内领先的几家数控系统生产单位有华中数控、沈阳计算所、辽宁精密机器厂、广州数控等等。近年来,我国引进了一些国外的数控系统,具有代表性的有日本 FANUC公司和德国 SI MENS公司的产品,另外还有美国

9、A llen?Bradley(A?B)公司、西班牙FAOGO公司、法国 NUM公司的产品,详见表 1。表 1?国外主要数控系统产品系列生产厂家产品系列产品系列日本 FANUC公司3、6、9、0、15、16德国 SI MENS公司3、8、810、820、850、880、840法国 NUM 公司1020、1040、1060、1050美国 A?B公司B8400、B8600 MT/TC、B8600AT90、B8600/WS西班牙 FAOGO公司8010、8025、8050?(2)国内外数控系统的优劣对比国内外性能相当的数控系统,可以发现其优缺点非常明显,见表 2。表 2?国内外数控系统优缺点优点缺点国

10、内产品有中文显示,操作方便无配套大转矩、大功率伺服电机价格低可靠性低,故障率高备件供应、售后服务及时寿命短国外产品性能更全面,配套齐全价格高可靠性高,故障率低备件供应、售后服务慢使用寿命长部分产品无中文显示?从表 1可以看出,国外产品在性能、可靠性、使用寿命上占有很大优势。国内产品虽然完全可以满足我们的加工要求,但有一个致命的弱点:即这些厂家还没有生产大转矩、大功率伺服电机的能力。当然,也可以选择国内的数控系统配国外的伺服电机和伺服系统。但在同一台设备上同时配用几个厂家的数控系统、伺服系统以及伺服电机的做法是不明智的,不同厂家的产品不能完全兼容,会导致故障频繁,降低使用效率,同时增加维护成本。

11、因此在国内厂家没有解决大转矩、大功率伺服电机加工能力之前,不要选择国产的数控系统。最终我们将机床电气改造数控系统的选择定位在采用国外系统上。2?3?主流数控系统比较及选型确认目前,德国 SI MENS、日本 FANUC公司是世界上最强的专业生产数控系统的厂家,他们依靠率先打入中国市场的战略及其全系列、优质的产品质量,在国内的占有量排在前两位,随后法国 NUM 公司、美国 A?B公司、西班牙 FAOGO公司相继进入中国市场,也在国内占有一定的市场份额。按照价格比高、综合成本低的原则,我们对 SI?MENS,FANUC和 NUM 的产品进行了比较,分别是适合CK3263B 使 用 的SI MENS

12、802C,FANUCOT,NUM1020系统。SI MENS 802C是功能最强大的产品,NUM1020次之,FANUCOT最低。因此,最终我们将本内齿轮磨床使用的数控系统定为 SI MENS 802C。2?4?机床数控系统设计SI NUMERI K 802C系统是西门子专门为低端 CNC机床市场而开发的经济型 CNC控制系统。该系统具有独立的操作面板及 NC部分,结构紧凑,机床调试配置数据少,系统与机床匹配更快速、更容易,简单而友好的编程界面保证了生产的快速进行,优化了机床的使用。SI NUMERI K 802C系统硬件结构简单,便于经济的配置备件,其完善自诊断能力也使维修变得简单。另外,国

13、内外的使用经验也证明这是一种高稳定性、低故障率的机型。内置 PLCSI NUMERI K 802C系统带有内置 PLC,它既可以用来全面处理机床的电气控制,也易于在保持原机床电气控制线路的情况下实现 CNC 控制系统与机床的接#64#控制与检测#组合机床与自动化加工技术口具有很好的设计灵活性。该系统还实现了调整数据图 2?机床供电图化,因此便于通过合理的设计各方的接口及优化调整使改造易于成功。SI NUMERI K802C系统的应用软件包括PLC 用户程序、PLC 数据、PLC报警及提示文本和系统设定数据。SI NUMERIK802C系统内置 PLC的用户存贮区可以存贮 4000条指令,标准数

14、字输入/输出(16/16),最大可至 64/64,并允许设置 1024个中间标志,l6个定时器,32个计数器,PLC 编程语言为 STEP7?m icro。开机复位或置位的信号;由复位键复位或置位的信号;机床控制面板及用户操作面板的信号处理;回基准点:程序启动读入功能的约束条件;M 功能的输出;进给轴的释放和调节器释放;主轴释放和主轴调节器释放;主轴齿轮变化处理;T功能的输出及回转刀架的动作。PLC数据、PLC报警及提示文本的编制应在以下原则下进行:%PLC数据与 PLC程序相关,应首先弄清所有数据含义,然后逐个地根据配置情况和 PLC程序编制中 PLC数据的要求进行设置,完成后作为调试的基础

15、。&PLC报警和操作提示文本是启用的 PLC报警与操作提示标志的显示文字说明,PLC 程序编入这些标志位,并不是多多益善,因为报警和提示也占用 CRT屏幕上方的报警显示行,如设置了一些无关紧要的内容,它们往往会在机床正常时也能置位,显示报警,给操作者造成紧张感,或者妨碍其它有用的报警显示,因此,不要设置可有可无的 PLC报警和操作提示,应使报警显示栏在机床正常工作时是空白的。机床设定数据包括机床的工作范围,各轴的软限位及反向间隙,主轴参数等。3?内齿轮数控磨齿机床的控制电路设计数控磨齿机电路包括两部分,以下是该磨齿机的电路原理图。3?1?电源部分如图 2所示,电源为 380V交流电,有主轴、液

16、压、冷却、润滑等四部交流电机,分别由空气开关 QF1QF4及电磁阀 KM1?KM4控制,两部交流风机及数控系统经由空气开关 QF5,变压器变压后供电;电柜灯及机床灯分别为 220V和 24V电压。3?2?CNC部分计算机数字控制系统简称 CNC系统,CNC系统的主要环节是 CNC装置,CNC装置主要是用于控制磨床的运动,完成齿轮轮廓的加工;该机床选用德国西门子公司的 SI NUMERI K 802C CNC 数控系统,通过驱动单元 611UE?1(OCA1)和 611 UE?1(OCA2)实现对摇台电机的控制。如图 3所示。图 3?CNC控制系统总图图 4为 CNC控制系统总图。#65#201

17、0年第 5期#控制与检测#图 4?CNC控制系统图3?3?伺服部分伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统,又称随动系统、拖动系统。伺服驱动系统接受来自插补装置的指令,经过一定的信号变换及电压、功率放大,将其转化为砂轮架及工件头相对刀盘的相对运动。伺服机构原理如图 5所示。图 5?伺服机构原理图3?4?输入信号输入的信号如图 6和图 7所示,两图表示了数控磨齿机的输入信号。图 6?输入信号 1?图 7?输入信号 23.5?输出信号输入的信号如图 8和图 9所示,两图表示了数控磨齿机的输出信号电路图。图 8?输出信号 1图 9?输出信号 23.6?急停处理为了安全和保护,该机床

18、还设计了控制台和机床的急停处理和过载保护,如图 10所示。#66#控制与检测#组合机床与自动化加工技术图 10?急停处理电路3.7?控制面板布置为实现机床集中控制,设计电控柜面板如下图 11所示。图 11?面板设计参考文献 1 龚仲华,等.数控技术 M.北京:机械工业出版社,2004.2 彭晓南.成型法加工大模数内齿轮的齿形分析 J.矿山机械,2003(5):14-15.3 谢家瀛.组合机床设计简明手册 M.北京:机械工业出版社,1996.4 王爱玲,深兴全,吴淑琴,等.现代数控编程技术及应用M.北京:国防工业出版社,2002.5 关美华.数控技术?原理及现代控制系统 M.成都:西南交通大学出

19、版社,2003.6 许晓旸.专用机床设备设计 M.重庆:重庆大学出版社,2003.7 遇立基.EMO2003展出的数控成形磨齿机 J.WMEM,2004,4(2):9-10.8 王建伟,赵军,周沛.现代数控圆柱齿轮成形磨齿机概述 J.大重科技,2003(2):32-33.9 王平年,马宝利,周沛.概述德国现代数控圆柱齿轮成形磨齿机 J.一重技术,2003(1):27.10 黄登红,王建平,孙涛.YK2045数控磨齿机电器设计 J.机床与液压,2004(7):17-20.(编辑?李秀敏)(上接第 62页)由表 2 可知,该机床 X 轴的重复定 位精度为6?0?m,定位精度为 6?1?m,反向差值

20、为 3?6?m。将机床系统参数 PRM#1851中X 轴对应的补偿值(原为 13)再加上 4(四舍五入),共计 17?m写入参数值中,并保存,则 X 轴的反向差值补偿得到了进一步的改善。4?验证与分析上述检验方法简单、易行、成本低、所使用的仪器设备少、测量时间相对较短,但需对其测量结果的有效性及可靠性进行验证与分析,影响测量精度的主要因素如下。(1)阶梯循环测量方式与标准循环测量方式会带来相应的偏差 1;(2)千分表量程较短(因此阶梯循环的行程短),轴线运行的速度较低,轴线的动态特性不能完全体现出来;(3)测量时,轴线运行速度较低,测量的位置偏差可能加大;(4)加工中心轴线的螺距误差没有修正(

21、使用了较长时间,没有补偿),轴线的定位精度也会受到影响。考虑到上述因素,在没有进行螺距误差修正和反向差值修正(保留原 13?m)的情况下,再使用雷尼绍公司的 ML10激光干涉仪及其配套软件,按照上述的测量目标点,采用标准循环测量方式,轴线的运行速度为4m/m in再次进行测量,得出X 轴的相应测量结果如下。(1)反向差值 B:3?2?m(四舍五入,取为 3)(2)重复定位精度 R:5?1?m(3)定位精度 A:5?3?m将激光干涉仪的测量结果作为标准,则可得出千分表测量结果的偏置,按下式计算。?=千分表测量数值-激光干涉仪的测量数值激光干涉仪的测量数值 100%(14)(1)B?:12?5%;

22、(2)R?:17?6%;(3)A?:15?1%由上述结果可见,在没有激光干涉仪等精密仪器的情况下,采用这种简易的测量方法,测量结果还是可靠与可信的,测量数值分布在 3 区域。参考文献 1 中国国家标准化管理委员会.GB/T 17421?2-2000数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定 S.北京:中国标准出版社,2000.2 韩大勇.数控机床线性轴定位与重复定位精度的检测 J.计测技术,2008(4):81-82.3 冷汹涛.数控机床定位精度和重复定位精度的检验 J.机床与液压,2008(8):164,196-197.4 RENISHAW Ltd.,REN ISHAW ML10 MANUAL M.ENG?LAND,REN ISHAW Ltd.,2005.5 REN ISHAW Ltd.,RENISHAW ML10软件说明 CD.ENG?LAND,REN ISHAW Ltd.,2007.6 北京发那科机电有限公司.FANUC Series 0i?MC OPERA?TOR SMANUALM.北京:BEIJI NG?FANUC,2004.7 北京发那科机电有限公司.FANUC Series 0i?MODEL C/0iMATE-MODEL C PARAMETER MANUALM.北京:BEI?JI NG-FANUC,2004.(编辑?李秀敏)#67#2010年第 5期#控制与检测#