弧齿锥齿轮铣齿机的国产数控系统二轴改造

陈金瑞，魏冰阳，李大庆

（1.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2.江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013）

弧齿锥齿轮铣齿机的国产数控系统二轴改造

陈金瑞1，魏冰阳1，李大庆2

（1.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2.江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013）

通过分析弧齿锥齿轮加工原理、机床的结构和运动关系，对普通机械式铣齿机进行了二轴国产数控系统改造。完成了数控系统的可编程控制器PLC的二次开发，通过可编程控制器实现了液压系统手动与自动控制，重新设计了工作台液压进给系统；开发了弧齿锥齿轮数控加工的交互界面，最后进行了切齿试验。

弧齿锥齿轮；数控铣齿机；可编程控制器；液压系统

0 引言

弧齿锥齿轮加工原理和设备复杂［1－2］，这类设备长期以来主要依靠进口。中国20世纪80年代进口了大量的弧齿锥齿轮加工设备，这些设备以美国格里森、德国奥利康为主，由于这些设备机械结构刚性好，性能稳定，直到今天在中国锥齿轮生产中仍占有非常重要的位置［2－4］。为了充分发挥设备潜能，提高机床的数控化率，目前，国内通常采用SIEMENS、FANUC等数控系统对这些设备进行改造升级，文献［5－8］在这些方面进行了有益的探索。但较少采用国产数控系统。国产数控系统价格便宜，且符合中文操作习惯，后期维护费用低［9－10］。鉴于此，本文采用国产系统进行了尝试，以国产数控系统GSK 980MDa对GH-35弧齿锥齿轮铣齿机进行了数控化改造。本文拟在可编程控制器PLC二次开发，液压系统控制，数控程序编制等方面进行探讨。

1 铣齿机数控改造方案

1.1 机床的展成运动

图1 机床改造结构简图

弧齿锥齿轮加工的展成运动由铣齿机摇台的摆动与工件轴的分齿运动组成。机械式铣齿机依靠齿轮传动链中交换挂轮来实现不同的滚比和分齿运动。为了保留原机床的高刚性和稳定性，机械部分基本不变，只对传动链做局部改造。

图1为机床改造结构简图，原来驱动摇台回转轴的普通电机改为交流伺服电机，从交流伺服电机到摇台中间的齿轮传动链不变。将摇台回转轴定义为X轴。拆去挂轮到工件主轴部分的传动链，只保留与工件回转轴相联的蜗轮蜗杆传动，改为交流伺服电机驱动。将工作回转轴定义为Y轴。通过上位机控制摇台回转轴——X轴与工件回转轴——Y轴的两轴联动，实现摇台与工件的展成运动。针对加工不同的齿轮，只需要改变数控系统的滚比参数即可。

铣齿过程中摇台回转轴与工件的回转轴联动原理如图2所示。过程如下：

图2 展成运动简图

（1）当切齿时应先对刀，摇台回转轴转到B1位置，相应工件回转轴转到B2位置，此时为产形轮同工件齿轮的节点，为铣齿对刀位置。

（2）摇台回转轴回到铣齿的起始位置A1点，对应工件回转轴同时转到起始A2位置。

（3）开始铣齿，摇台回转角度α到C1位置，工件回转角度β到C2，完成第1个齿的滚切。

（4）工作台后退分齿，摇台反向转动角度α回到A1，工件回转轴继续向前转动角度γ到D2，完成跳齿；工作台前进，滚切第2个齿。一直重复（3）、（4）步骤，直到将所有齿加工完毕。

图2中的角度α、β根据摇台X轴与工件Y轴展成运动所需要的滚比计算得到，角度γ根据所选取的跳齿数计算得到。

1.2 进给运动

进给运动由可编程控制器通过液压系统进行控制，当工件铣完一个齿后，可编程控制液压系统驱动工作台退回行程开关8处，刀盘和工件分离，工件开始分齿运动，工件分完齿后，可编程控制液压系统驱动工作台进给到行程开关9处，进行下一个齿的滚切，如图1所示。

图3 工作台液压系统简图

2 液压系统控制设计

液压系统的主要作用是控制工作台运动，其运动主要通过可编程控制器PLC进行控制，运动过程分为手动控制与自动控制，如图3所示。

2.1 手动控制

电磁铁3、4主要用来实现手动控制。手动行程开关15控制电磁铁3得电，液压油进入到液压缸11左腔，实现工作台的进给，手动行程开关15并能手动控制单向减速阀9的节流口面积的大小，从而控制手动进给速度。手动行程开关14控制三位四通换向阀电磁铁4得电，液压油进入到液压缸11右腔，实现工作台手动后退，通过单向节流阀8调节可以调节工作台后退速度。

2.2 自动控制

此部分主要用PLC编程的M指令控制三位四通换向阀电磁铁5、6，实现在加工程序中自动前进与后退，从而实现工件分齿后退与铣削进给。二位四通换向阀7起安全保护作用，当工作台自动进给超出行程范围时，会触动二位四通换向阀7得电，使工作台自动后退。

3 数控系统M指令开发

加工过程中切完一个齿之后，需要液压系统控制工作台后退，摇台与工件进行分齿，分完齿之后，需要液压系统控制工作台进给到切削位置。此时需要用PLC可编程控制器开发M指令进行床位的退出与进给的控制。

M指令开发主要利用DECB对二进制代码数据译码，如图4所示。8位连续数据之一与代码数据相同时，对应的输出数据位为1；反之没有相同的数时，输出数据为0。

当指定地址M后面的最大8位数字时，对应的代码信号与选通信号被送给PLC，PLC根据这些信号的状态先进行相关控制。相关信号如表1所示。

图4 DECB二进制译码

表1 M指令相关控制信号

代码信号F10～F13送给PLC后，选通信号F7.0置1，代码信号采用二进制形式表达程序指令值M。当F7.0为1时，PLC读取代友信号并执行相应的操作。

如果一个程序段中有移动、暂停指令，要想M功能指令在移动、暂停指令执行完成之后执行，则需要等待F1.3信号变为1。

操作结束时，PLC将结束信号G4.3置为1。结束信号用于M指令功能。结束信号G4.3为1且必须持续一段时间，CNC才将选通信号置0，并确认已收到结束信号。图4生成的M指令如表2所示。

表2 输出信号对应的M指令

图5 PLC控制时序图

当一个程序中只有一个M指令时，PLC各信号采用时序如图5所示。

4 铣齿数控程序的编制

不同弧齿锥齿轮的加工，其切齿运动完全一样，只是加工参数不同。基于这一点，在数控系统中开发了一个齿轮宏变量人机交互界面。只需改变齿轮参数就可以加工不同的弧齿锥齿轮。并提供一种通用的程序，将程序嵌套到上位机中。程序由三部分组成：主程序、宏程序和参数，主程序用来实现对刀并调用子程序，宏程序的作用是铣削齿槽，并做分齿运动。改变人机交互界面中的宏变量就可以直接改变程序中的齿轮参数，操作起来极为方便。

与传统的弧齿锥齿轮铣齿机相比：齿数（＃507），跳齿数（＃508），滚切比（＃509）改变了以往机械式铣齿机靠齿轮传动链中交换挂轮来实现不同的加工齿数、跳齿数、滚比的调整。

当铣齿过程中由于意外或人为的停机，铣齿程序重新启动后，为避免从第一个齿槽起重复加工，在齿轮对话框中设置了宏变量（＃502），输入合适的轮坯的初始角，程序就会接着上次的加工继续运行。

5 弧齿锥齿轮的加工试验

图6 弧齿锥齿轮铣削加工

改造后的数控弧齿锥齿轮铣齿机的齿轮参数为：齿数35，模数5 mm，压力角20°，螺旋角35°。机床调整参数为：错刀距2.332 mm，刀盘半径114.3 mm，刀盘内刀齿形角22°，刀盘外刀齿形角－18°，刀位104.369 mm，角向刀位－63.778°，滚比1.413，数控GH-35弧齿锥齿轮铣齿机的加工过程如图6所示。

加工完成后在JD45＋型齿轮测量中心上对齿轮齿面进行了偏差测量，测得结果如图7所示，实际齿面和理论齿面基本吻合，45个齿面点最大误差0.079 2 mm。最大误差出现在齿面凹面小端与齿根部，具有一定的偶然性，不影响齿面的精度，试验达到了预期的目的。

图7 齿面测量结果

6 结论

本文分析了弧齿锥齿轮加工展成原理及弧齿锥齿轮铣齿机的结构和机床运动关系，完成了可编程控制器PLC二次开发，液压系统改造，数控程序编制等，试验证明了利用国产数控系统改造弧齿锥齿轮铣齿机床的可行性。扩大了国产数控系统的应用范围，为国产数控系统在弧齿锥齿轮铣齿机床上的应用开辟了新的途径。

［1］ Litvin F L，Fuentes A.Gear Geometry and Applied Theory［M］.2 ed.United Kingdom：Cambridge University Press，2004：627－628.

［2］ 曾韬.螺旋锥齿轮设计与加工［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.

［3］ 北京齿轮厂.螺旋锥齿轮加工［M］.北京：科学出版社，1974.

［4］ 张静，杨宏斌，邓效忠，等.我国锥齿轮技术的现状和发展动向［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2003，3（1）：40－42.

［5］ 孙连栋.弧齿锥齿铣齿机的数控化改造［J］.机电技术，2010（1）：47－48.

［6］ 程文，谢耀东.先进的螺旋锥齿轮弧齿加工工艺的探讨［J］.机械制造，2008（5）：48－50.

［7］ 张华.邓效忠.曹雪梅.二轴数控螺旋锥齿轮铣齿机的加工程序编制［J］.机械制造与研究，2004（3）：30－31.

［8］ 张金生.弧齿锥齿轮铣齿机床的数控改造［J］.机械设计与制造，2004（1）：82－83.

［9］ 李粤，廖宇兰，王涛.液压系统PLC控制［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［10］ 杨建军，魏冰阳，邓效忠.准双曲面齿轮超声激励研齿系统的设计与试验［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2010，31（5）：16－19.

TH132.41

A

1672－6871（2014）01－0021－04

国家自然科学基金项目（51075121）

陈金瑞（1987－），男，河南鹤壁人，硕士生；魏冰阳（1966－），男，河南嵩县人，教授，博士，硕士生导师，研究方向为机械传动.

2012－12－31