基于 PC 运动控制器 平台的 插齿机数控系统设计研究.pdfVIP

基于 PC+运动控制器 平台的 插齿机数控系统设计研究* 韩 江 夏 链 何 凯 刘 俊 (合肥工业大学机械与汽车工程学院CIMS 研究所 合肥 230009) 摘要 齿轮是机械产品重要基础件 广泛应用于汽车 航空 造船和军工等行业 数控插齿机可大幅度提 高齿轮的加工精度 效率和柔性 在分析了插齿机的工作原理及插齿工艺和开放式数控系统原理思想基础 上 采用 PC+运动控制器 平台 详细设计研究了基于Windows的STAR-03G插齿机数控系统的硬件结构 和软件模块 关键词 插齿机 数控系统 运动控制器 0 前言* 齿轮是机械产品重要基础件 齿轮传动是传递机器动力和运动的一种主要形式 它具有传动 功率大 效率高 传动比准确 寿命长 安全可靠和结构紧凑等优点 广泛应用于汽车 航空 造船和军工等行业 齿轮传动正朝着高效 高精度和实现特殊传动的方向发展 为了适应上述要 求和发展趋势 齿轮加工向数控加工方向发展 可充分发挥数控加工的精度高 质量稳定和柔性 [1] 好的特点 相应地 齿轮加工机床的数控化是必然趋势 齿轮切制的主要方法有: 滚齿 插齿 剃齿 磨齿 铣齿等 插齿是一种广为采用的切齿方法 特别适合加工一些用滚齿加工不出来或 不太适合加工的齿形 如内齿轮 多联齿轮及带内凹的各种非圆齿轮等 采用插齿加工齿轮 操 作简便 效率高和精度好 数控插齿机可大幅度提高齿轮的加工精度 效率和柔性 具有如下显 著特点 (1) 机械传动链大大缩短 机床刚性增强 切削用量加大 由于不需要挂轮和行程挡块 机床的 调整时间显著缩短 一次安装下不经调整即可加工多种齿轮 极大的提高了生产效率 (2) 机械传动链缩短或被取代 机床的运动精度和定位精度大大提高 伺服驱动系统性能不断改 善 新的智能控制算法应用 刀具磨损和热变形的自动补偿等等 使齿轮的加工精度明显提高 (3) 可实现任意的齿轮加工循环 便于实现小批量多品种的齿轮加工 使数控插齿机易于与其它 种类的机床组成柔性生产线 (4) 可随意控制插齿机各轴的运动关系 从而加工出各种修形齿轮和非圆齿轮 数控系统是数控插齿机的核心 研制国产插齿机数控系统至关重要 1 数控插齿机的工作原理及插齿工艺 1.1 插齿原理 两圆柱齿轮啮合滚动时 遵循包络线原理[2] (1) 两啮合齿轮的渐开线轮齿齿形都是包络线 (2) 当已知一个齿轮的齿形是渐开线及已知两个节圆直径时 在两个节圆作纯滚动时 另一个相 啮合齿轮的齿形就是一族已知渐开线齿形的包络线 这条包络线一定是渐开线 包络线原理如图 1 插齿机在加工齿轮时 就是利用齿轮的啮合原理进行的 所以 用插齿刀在齿坯上切出渐开线轮齿 * 国家 九五 重点科技攻关计划资助项目(97-776-02-08/1) 1 显然也是按包络线原理进行的 当插齿刀作上下的往复运动时 插齿刀的节圆与被切齿轮的假想节 圆作纯滚动 在每一瞬时 插齿刀就在被切齿轮的齿槽间切下一层金属层 在连续展成切削过程中 插齿刀的刀齿就把齿槽中间的金属层一刀一刀地切掉 而形成渐开线轮齿 轮齿1 S1 S2 S3 4 S S1 S4 包络线 渐开线 轮齿2 图1 包络线原理示意图 1.2 数控插齿机的加工柔性 数控插齿机一般为四轴数控 即刀轴回转 工作台回转 工作台移动(或立柱移动) 刀轴上 下主切削运动 通常采用展成法加工 刀轴回转 工作台回转 工作台移动(或立柱移动)以及刀 轴主切削运动四者之间无机械上的传动联系 而是通过数控系统和加工