CN102172790B - 一种面齿轮数控滚齿加工控制装置及加工控制方法 - Google Patents

Abstract

一种面齿轮数控滚齿加工控制装置及加工控制方法，包括：控制装置、滚齿机、数控回转工作台、传动机构及面齿轮工件；控制装置包括工控机、SERCOS卡、控制面板、SERCOS光纤、KE整流供电模块、KW主轴控制模块、KW进给控制模块和PLC-IO模块；SERCOS卡通过ISA插口安装在工控机上；控制面板通过控制线与SERCOS卡连接，并发出各种控制指令；SERCOS卡通过SERCOS光纤与KE整流供电模块和KW主轴控制模块、KW进给控制模块相连；KW主轴控制模块与主轴电机连接；KW进给控制模块通过控制线与各进给电机连接。本发明可以实现面齿轮的高效精密加工的。

Description

一种面齿轮数控滚齿加工控制装置及加工控制方法

技术领域

本发明涉及一种新型齿轮-面齿轮数控滚齿加工控制装置及加工控制方法，适用于任何轴交角的面齿轮数控滚齿加工。

背景技术

由于面齿轮可以采用插齿、滚齿和磨齿的加工方法加工，而国外对面齿轮加工技术实行严格保密，致使其加工技术在国内还未能掌握，国内已认识到面齿轮传动的优点和广泛的前景，并进行了一些基础理论的工作，但由于国内在面齿轮加工的能力方面不够，严重地限制了面齿轮传动的深入研究，阻碍了面齿轮的传动实验和应用的进程，目前国内对面齿轮滚齿加工还没有一个系统的研究。国内对面齿轮的插齿加工方法比较深入，南航和北航都对传统的插齿机进行了改进，实现了面齿轮插齿加工，北航已建立面齿轮插齿加工专用机床，但是插刀插齿的切削不连续，而且齿条刀齿数固定，而被加工齿轮齿数为任意，它们之间存在矛盾，使得插齿效率低，且精度不高，为了避免矛盾和机床复杂化，提出滚齿加工方法。在滚齿加工中，滚刀相当于轴截面为直线齿形的螺杆，滚刀旋转时，相当于直线齿廓的齿条沿其轴线方向连续不断移动，可以加工任意齿数的齿轮，简单快捷，再加上数控加工方式的应用，从而既可以提高面齿轮加工精度，又可以提高面齿轮的加工效率，目前国内还没有面齿轮滚齿加工专用控制装置和加工方法。

因此，目前尚缺乏一种面齿轮滚齿加工方法及相应的控制装置来加工出高精度的面齿轮，本发明为面齿轮滚齿加工专用设备的发展提供了一套较为具体的控制装置及方法设计。同时，由于滚齿原理和磨齿原理的相似或相同，使得开展面齿轮滚齿加工技术的研究为面齿轮磨齿加工的研究奠定了基础。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种面齿轮数控滚齿加工控制装置及加工控制方法，实现面齿轮的高效滚齿加工。

本发明的技术解决方案：一种面齿轮数控滚齿加工控制装置，包括：控制装置(1)、滚齿机、数控回转工作台(10)、传动机构(3)及面齿轮工件(9)；滚齿机包括床底座(8)、床身(4)、主轴箱(6)、滚齿刀(7)、上滑板(11)、下滑板(12)、主轴电机(5)和驱动电机(2)；床身(4)连接在床底座(8)上，滚齿刀(7)在主轴箱(6)上，主轴箱(6)与床身(4)相连接，数控回转工作台(10)通过上滑板(11)、下滑板(12)与底座(8)相连接，面齿轮工件(9)固定在数控回转工作台(10)上；所述传动机构(3)包括联轴器(21)、滚珠丝杠(22)、丝杠螺母(24)和执行机构联接器(26)，驱动电机(2)通过联轴器(21)与滚珠丝杠(22)相联，丝杠螺母(24)在滚珠丝杠(22)上移动形成滚珠丝杠螺母副，丝杠螺母(24)通过螺钉(23)与执行机构联接器(26)相联接，执行机构联接器(26)通过螺钉(25)与各种执行机构相联接；控制装置(1)包括工控机(13)、SERCOS卡(14)、控制面板(15)、SERCOS光纤(16)、KE整流供电模块(17)、KW主轴控制模块(18)、KW进给控制模块(19)和PLC-IO模块(20)；SERCOS卡(14)通过ISA插口安装在工控机(13)上；控制面板(15)通过控制线与SERCOS卡(14)连接，并发出各种控制指令；SERCOS卡(14)通过SERCOS光纤(16)与KE整流供电模块(17)和KW主轴控制模块(18)、KW进给控制模块(19)相连；KW主轴控制模块(18)与主轴电机(5)连接；KW进给控制模块(19)通过控制线与各进给电机连接；工控机(13)为控制装置的核心部件，负责控制数据的计算和产生，SERCOS卡(14)负责数据的发送和接收。工作时，工控机(13)根据齿轮加工原理进行计算，得到各个轴的运动位置指令数据，然后通过ISA插口将指令数据写入SERCOS卡(14)，SERCOS卡(14)将指令数据通过SERCOS光纤(16)发送给KW主轴控制模块(18)和KW进给控制模块(19)，实现主轴电机和进给电机的控制，并接收KW主轴控制模块(18)和KW进给控制模块(19)反馈的电机实际位置数据，做闭环控制；滚齿刀(7)本身的旋转实现滚刀的切削主运动，滚齿刀(7)随主轴箱(6)在床身(4)上移动实现面齿轮滚齿加工的垂直进给运动，滚齿刀(7)转动的同时面齿轮工件(9)围绕自身的轴线旋转运动实现分齿运动，面齿轮工件(9)随数控回转工作台(10)的倾斜运动实现面齿轮加工过程中的螺旋升角的要求，面齿轮数控回转工作台(10)随上下滑板在床底座(8)上的运动完成面齿轮加工的水平进给运动。

一种面齿轮数控滚齿加工控制方法，实现步骤如下：

A.根据实际传动需求，确定面齿轮滚齿刀(7)轴线和面齿轮工件(9)轴线的轴交角和偏置距；

B.调整数控回转工作台(10)位置使其满足面齿轮滚齿加工要求所需的轴交角和偏置距，并固定数控回转工作台(10)；

C.将SERCOS卡(14)通过ISA插口安装在工控机(13)上；工控机(13)根据输入的加工程序及齿轮加工原理进行计算，得到各个轴的运动位置指令数据，然后通过ISA插口将指令数据写入SERCOS卡(14)；

D.控制面板(15)通过控制线与SERCOS卡(14)连接，工控机(13)读写SERCOS卡(14)上的端口地址，实现控制面板(15)的操作。SERCOS卡(14)通过SERCOS光纤(16)与KE整流供电模块(17)和KW主轴控制模块(18)、KW进给控制模块(19)相连；SERCOS卡(14)将指令数据通过SERCOS光纤(16)发送给KW主轴控制模块(18)和KW进给控制模块(19)，实现主轴电机和进给电机的控制；

E.将KW主轴控制模块(18)与主轴电机(5)连接；KW进给控制模块(19)通过控制线与各进给电机连接；KW进给控制模块(19)采用变频调速的原理实现电机的速度控制，电机使用编码器反馈转动位置给KW进给控制模块(19)，从而实现位置控制；

F.调试控制装置；

G.根据实际加工要求在控制装置(1)中设定加工参数，所述加工参数包括滚齿刀齿数、面齿轮齿数、加工过程垂直进给量和水平进给量；然后对面齿轮滚齿刀(7)进行对刀，完成面齿轮的数控滚齿加工。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用开放式数控技术。上述的SERCOS总线是一种用于数字伺服控制装置的现场总线和数据交换协议，能够实现工业控制计算机与数字伺服系统，传感器和可编程控制器IO口之间的实时数据通讯。1995年被确立为IEC1491SYSTEM-Interface国际标准，它可以扩展连接多个伺服电机；加工程序由用户用C语言编写，这样可以充分利用C语言的功能和资源，特别适合开放式系统的技术要求。

(2)本发明相对于面齿轮插齿加工，在滚齿加工中，滚刀相当于轴截面为直线齿形的螺杆，滚刀旋转时，相当于直线齿廓的齿条沿其轴线方向连续不断移动，可以加工任意齿数的齿轮，再加上数控加工方式，从而既可以提高面齿轮加工精度，又可以提高面齿轮的加工效率。同时，由于滚齿原理和磨齿原理的相似或相同，使得开展面齿轮滚齿加工技术的研究为面齿轮磨齿加工的研究奠定了基础。

附图说明

图1为面齿轮滚齿加工各运动示意图；

图2为面齿轮滚齿螺旋倾角位置示意图；

图3为面齿轮滚齿螺旋角倾斜等价原理图；

图4为面齿轮滚齿机示意图；

图5为面齿轮滚齿机传动机构示意图；

图6为面齿轮滚齿加工控制装置硬件平台组成；

图7为面齿轮滚齿加工控制装置软件平台组成；

图8为面齿轮滚齿加工控制装置各软件和硬件平台之间的联接方式图；

图9为本发明的加工方法实现流程图；

图10为KE整流供电模块内部结构示意图；

图11为KW控制模块内部结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，根据面齿轮的滚齿原理，多轴联动机床必须能够实现面齿轮数控滚齿加工的主运动、分齿运动、垂直进给运动和水平进给运动这四个运动。同时，由于滚刀螺旋升角存在，使得滚刀轴线必须绕面齿轮断面旋转一个螺旋升角的角度，如图2所示，但由于机床结构的限制，主轴刀具并不能完成旋转一个螺旋升角，因此给加工带来了不便，为解决这个问题，采用刀具不动，工件相对于原来位置，偏置一个距离来等价完成面齿轮滚刀螺旋升角的旋转，如图3所示。n_w代表滚刀的转速、n₂代表工件的转速、f₁代表滚刀沿工件径向的垂直进给运动速度、f₂代表滚刀沿工件轴向的水平进给运动相对速度。

如图4所示，本发明以正交面齿轮数控滚齿加工为例。面齿轮滚齿加工装置的整体结构是：控制装置1、滚齿机、数控回转工作台10、传动机构3及面齿轮工件9；滚齿机包括床底座8、床身4、主轴箱6、滚齿刀7、上滑板11、下滑板12、主轴电机5和驱动电机2；床身4连接在床底座8上，滚齿刀7在主轴箱6上，主轴箱6与床身4相连接，数控回转工作台10通过上滑板11、下滑板12与底座8相连接，面齿轮工件9固定在数控回转工作台10上；如图5所示，所述传动机构3包括联轴器21、滚珠丝杠22、丝杠螺母24和执行机构联接器26，驱动电机2通过联轴器21与滚珠丝杠22相联，丝杠螺母24在滚珠丝杠22上移动形成滚珠丝杠螺母副，丝杠螺母24通过螺钉23与执行机构联接器26相联接，执行机构联接器26通过螺钉25与各种执行机构相联接；工作时，滚齿刀7本身的旋转实现滚刀的切削主运动，滚齿刀7随主轴箱6在床身4上移动实现面齿轮滚齿加工的垂直进给运动，滚刀转动的同时面齿轮工件9围绕自身的轴线旋转运动实现分齿运动，面齿轮工件9随数控回转台10的倾斜运动实现面齿轮加工过程中的螺旋升角的要求，面齿轮回转工作台10随上下滑板在床底座8上的运动完成面齿轮加工的水平进给运动。上述4个运动都是由数控装置1发送指令给各个运动机构来实现的。

如图6所示，控制装置1硬件平台结构，包括工控机13、SERCOS卡(连续的实时控制方式卡，SERCOS是一种用于数字伺服控制装置的现场总线和数据交换协议，能够实现工业控制计算机与数字伺服系统，传感器和可编程控制器IO口之间的实时数据通讯。1995年被确立为IEC1491SYSTEM-Interface国际标准。SERCOS接口由一个主站和若干个从站(1-254个，伺服，主轴或PLC-IO)组成，各站之间采用光缆联接，构成环形网，站间的最大距离为40或80米，最大从站数为254，通讯速度为2Mbit/秒，4Mbit/秒或16Mbit/秒)14、控制面板15、SERCOS光纤16、KE整流模块17(KE是德文kontrolle erganzen的缩写，意思是电源控制模块)、KW(KW是德文kontrollewechseIrichter的缩写，意思是伺服控制模块)主轴控制模块18、KW进给控制模块19和PLC-IO模块20；SERCOS卡14通过ISA插口安装在工控机13上；控制面板15通过控制线与SERCOS卡14连接，并发出各种控制指令；SERCOS卡14通过SERCOS光纤16与KE整流供电模块17和KW主轴控制模块18、KW进给控制模块19相连；KW主轴控制模块18与主轴电机5连接；KW进给控制模块19通过控制线与各进给电机连接。KE是将正常的三相380伏交流电变为700伏直流电，其结构如图10所示，它的输入端是是正常的三相380伏交流电，在通过变压装置时变压，在通过整流装置把三相交流电变成平稳的可调的单方向的直流电，最后通过滤波装置来消除干扰杂讯，而得到纯净的700伏直流电。KW是将KE输出的700伏直流电变为三相电压可控的交流电，其结构如图11所示，它的输入端是700伏直流电，在通过可控硅时将直流电进行逆变和调压得到三相电压，通过控制和监视装置对三相电压进行调节，得到可控的交流电。SERCOS接口由一个主站(Master)和若干个从站(Slave，1-254个，伺服，主轴或PLC-IO)组成，各站之间采用光缆联接，构成环形网，站间的最大距离为40或80米，最大从站数为254，通讯速度为2Mbit/秒，4Mbit/秒或16Mbit/秒。通过SERCOS卡(14)控制机床控制单元，它由1-50个SERCOS进给或主轴单元和40-320个PLC-IO点组成。该控制装置使用德国AMK公司的KE/KW系列交流数字伺服单元和交流电动机。KE为整流供电模块，可以为多个KW模块提供动力电，KW为驱动控制模块，可以控制各种交流电机。每个KW模块还可以附加12个输入点和8个输出点。所有的数据(位置、速度、参数、IO等)都通过SERCOS总线传输。

如图7所示，控制装置1的软件平台结构，CNC系统软件运行在DOS6.22环境，由NC内核和PLC内核组成，其功能相当于一个高性能无人机界面的NC-PLC软件，NC内核主要功能包括：1-10个控制通道、每通道1-8轴联动、直线，圆弧，螺旋线插补、预译码，正反向插补、多种刀具补偿和管理功能、多种机床误差补偿功能等，以满足滚齿加工过程中的各种需要。

其控制各伺服轴电机运动的过程为：首先将滚齿加工程序一次且全部输入到工控机13的存储器中，加工时再从工控机13的存储器把一个个程序段调出，工控机13还将零件以一个程序段为单位进行处理，把其中的各个零件轮廓信息、加工速度信息和其他辅助信息，按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，数控装置1中的伺服部分就是把工控机13给的位移指令转换成加工设备移动部件的位移指令，工控机13能过ISA接口将指令数据写入SERCOS卡14，工控机13读写SERCOS卡14上的端口地址，实现操作面板15的操作，将指令数据通过SERCOS光纤16发送给主轴控制模块18和KW进给控制模块19，实现对主轴电机和进给电机的控制。插补运算就是根据工作轴所在坐标系和各伺服轴坐标值、刀具号和刀具运动轨迹的计算，计算出刀具向各伺服轴的移动量。

应用软件在WINDOWS 98操作系统下运行。该应用软件用Visual Basic语言编写，它是一种简单易学的可视化的编程语言，用它可以非常方便地使用WINDOWS操作系统提供的各种系统资源。

而系统软件平台与应用软件之间通过NC变量、NC数据和PLC变量传递命令和数据，构成了应用软件与系统软件平台之间的开放式接口。其中应用软件、系统软件和硬件平台之间的联接方式如图8所示。

本实施例由北航自主研发的面齿轮滚齿机床来实现，滚齿机床结构示意如图4所示。

将面齿轮滚齿夹具和面齿轮毛坯工件安装在装置上，调整好滚齿刀位置，完成面齿轮的数控滚齿加工。

结合实实例说明本发明的面齿轮数控滚齿加工方法，如图9所示，面齿轮数控滚齿加工方法，实现步骤如下：

(1)根据实际传动需求，确定面齿轮滚齿刀7轴线和面齿轮工件9轴线的轴交角和偏置距；本实例中，要加工的面齿轮为正交面齿轮，根据面齿轮工件9的大小来计算出面齿轮滚齿刀7轴线和面齿轮工件9轴线的轴交角和偏置距。

(2)调整数控回转工作台10位置使其满足面齿轮滚齿加工要求所需的轴交角和偏置距，并固定数控回转工作台10。

(3)将SERCOS卡14通过ISA插口安装在工控机13上；工控机13根据输入的加工程序及齿轮加工原理进行计算，得到各个轴的运动位置指令数据，然后通过ISA插口将指令数据写入SERCOS卡14。

(4)控制面板15通过控制线与SERCOS卡14连接，工控机13读写SERCOS卡14上的端口地址，实现控制面板15的操作。SERCOS卡14通过SERCOS光纤16与KE整流供电模块17和KW主轴控制模块18、KW进给控制模块19相连；SERCOS卡14将指令数据通过SERCOS光纤16发送给KW主轴控制模块18和KW进给控制模块19，实现主轴电机和进给电机的控制。

(5)将KW主轴控制模块18与主轴电机5连接；KW进给控制模块19通过控制线与各进给电机连接；KW进给控制模块19采用变频调速的原理实现电机的速度控制，电机使用编码器反馈转动位置给KW进给控制模块19，从而实现位置控制。

(6)调试加工控制装置。根据实际加工要求在数控装置1中设定加工参数，在工控机13中输入加工程序，所述加工参数包括滚齿刀齿数、面齿轮齿数、加工过程垂直进给量和水平进给量；然后对面齿轮滚齿刀7进行对刀，完成面齿轮的数控滚齿加工。

本实例中，加工的面齿轮工件9的齿数为160，面齿轮滚齿刀7的头数为1，且加工的面齿轮工件9为铝合金。

本发明是一种新型齿轮传动-面齿轮传动如何进行滚齿加工的技术难题，提供一种面齿轮数控滚齿的加工方法以及相应的控制装置。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (2)

1.一种面齿轮数控滚齿加工控制装置，其特征在于包括：控制装置（1）、滚齿机、数控回转工作台（10）、传动机构（3）及面齿轮工件（9）；滚齿机包括床底座（8）、床身（4）、主轴箱（6）、滚齿刀（7）、上滑板（11）、下滑板（12）、主轴电机（5）和驱动电机（2）；床身（4）连接在床底座（8）上，滚齿刀（7）在主轴箱（6）上，主轴箱（6）与床身（4）相连接，数控回转工作台（10）通过上滑板（11）、下滑板（12）与底座（8）相连接，面齿轮工件（9）固定在数控回转工作台（10）上；所述传动机构（3）包括联轴器（21）、滚珠丝杠（22）、丝杠螺母（24）和执行机构联接器（26），驱动电机（2）通过联轴器（21）与滚珠丝杠（22）相联，丝杠螺母（24）在滚珠丝杠（22）上移动形成滚珠丝杠螺母副，丝杠螺母（24）通过螺钉（23）与执行机构联接器（26）相联接，执行机构联接器（26）通过螺钉（25）与各种执行机构相联接；控制装置（1）包括工控机（13）、SERCOS卡（14）、控制面板（15）、SERCOS光纤（16）、KE整流供电模块（17）、KW主轴控制模块（18）、KW进给控制模块（19）和PLC-IO模块（20）；SERCOS卡（14）通过ISA插口安装在工控机（13）上；控制面板（15）通过控制线与SERCOS卡（14）连接，并发出各种控制指令；SERCOS卡（14）通过SERCOS光纤（16）与KE整流供电模块（17）和KW主轴控制模块（18）、KW进给控制模块（19）相连；KW主轴控制模块（18）与主轴电机（5）连接；KW进给控制模块（19）通过控制线与各驱动电机连接；工控机（13）为控制装置的核心部件，负责控制数据的计算和产生，SERCOS卡（14）负责数据的发送和接收；工作时，工控机（13）根据齿轮加工原理进行计算，得到各个轴的运动位置指令数据，然后通过ISA插口将指令数据写入SERCOS卡（14），SERCOS卡（14）将指令数据通过SERCOS光纤（16）发送给KW主轴控制模块（18）和KW进给控制模块（19），实现主轴电机和驱动电机的控制，并接收KW主轴控制模块（18）和KW进给控制模块（19）反馈的电机实际位置数据，做闭环控制；滚齿刀（7）本身的旋转实现滚刀的切削主运动，滚齿刀（7）随主轴箱（6）在床身（4）上移动实现面齿轮滚齿加工的垂直进给运动，滚齿刀（7）转动的同时面齿轮工件（9）围绕自身的轴线旋转运动实现分齿运动，面齿轮工件（9）随数控回转工作台（10）的倾斜运动实现面齿轮加工过程中的螺旋升角的要求，面齿轮数控回转工作台（10）随上下滑板在床底座（8）上的运动完成面齿轮加工的水平进给运动。

2.一种面齿轮数控滚齿加工控制方法，其特征在于实现步骤如下：

A.根据实际传动需求，确定面齿轮滚齿刀（7）轴线和面齿轮工件（9）轴线的轴交角和偏置距；

B.调整数控回转工作台（10）位置使其满足面齿轮滚齿加工要求所需的轴交角和偏置距，并固定数控回转工作台（10）；

C.将SERCOS卡（14）通过ISA插口安装在工控机（13）上；工控机（13）根据输入的加工程序及齿轮加工原理进行计算，得到各个轴的运动位置指令数据，然后通过ISA插口将指令数据写入SERCOS卡（14）；

D.控制面板（15）通过控制线与SERCOS卡（14）连接，工控机（13）读写SERCOS卡（14）上的端口地址，实现控制面板（15）的操作；SERCOS卡（14）通过SERCOS光纤（16）与KE整流供电模块（17）和KW主轴控制模块（18）、KW进给控制模块（19）相连；SERCOS卡（14）将指令数据通过SERCOS光纤（16）发送给KW主轴控制模块（18）和KW进给控制模块（19），实现主轴电机和驱动电机的控制；

E.将KW主轴控制模块（18）与主轴电机（5）连接；各KW进给控制模块通过控制线与各驱动电机连接；各KW进给控制模块采用变频调速的原理实现电机的速度控制，电机使用编码器反馈转动位置给KW进给控制模块，从而实现位置控制；

F.根据实际加工要求在控制装置（1）中设定加工参数，所述加工参数包括滚齿刀齿数、面齿轮齿数、加工过程垂直进给量和水平进给量；然后对面齿轮滚齿刀（7）进行对刀，完成面齿轮的数控滚齿加工。

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