Y528型螺旋锥齿轮铣齿机床的数控改造.pdf

‰ 第 l 6卷第 3期 太原重型机械学院学报 Vo 1 ．1 6 No ． 3 ． 1 9 9 5年 9月 J OURNA L OF TAI YUAN HE AVY MAC HI NE RY I NS TI TUTE s e p ． 1 9 9 5 Y5 2 8型 螺旋锥 齿轮铣 齿机床 的数控改造 贾育秦 万钊 。 2 ‘ 太原 重型 机械 学院 ，太原 0 3 0 0 2 4 第十三冶金建设公 司，太原 0 3 0 0 0 3 ‘＼ 摘要本文从 理论 上分析 1 Y5 2 8型螺旋锥 齿转 铣齿机床 修正 机构的附加运 动 ，论述 1它 的调 整计算原理．指 出1该机床 辅助调 整的复杂性和敷控改造 的必要 性．改造 后的 YK5 g 8型机床具有 良好的 机幂面 ， 助调 整时间，提 高产品质量 和机床 的生 率． 关键词 ． 螺旋锥齿轮；修正机构J} ， 数字控制 ．． ， k 一，、 、 ， 一 中图分类号TG6 5 9 省 辅 在提高我国汽车性能和质量的措施中，螺旋锥齿轮加工的重要性 日益突出．螺旋锥齿轮 是机械传动中属 空间点 啮合 类型的最复杂的一类齿 轮 ，制造十分 困难 ．其精度 按 GB 1 1 3 6 5 -- 8 9 要求之一为接触斑点，接触斑点的彤状位置和大小将直接影响螺旋锥齿轮副的承载能 力，寿命、运转平稳性和噪声等．最佳的轮齿接触斑点能保证齿轮副平稳无噪声的传动． 为了在螺旋锥齿轮的加工中获得理想的接触区，常常需要各式各样刀号的刀盘 ，以满足 调整计算的要求．这对降低制造成本 ，简化生产管理 ，提高生产率等都是极其不利的．为了 解决这个问题，有的弧齿锥齿轮铁齿机设计了一套滚切修正机构．但该机构调整计算非常复 杂，且工人必须有一定的轮齿接触理论和丰富的操作经验才能正确修正接触斑点．采用修正 机构解决铁刀盘刀号多的问题，具有十分明显的优点．但是修正机构的调整原理没有资料进 行较详细的阐述，因而给修正机构使用带来很大困难．特别是不了解原理，发现问题不知如 何分析处理，从而影 响了修正机构的使用． 1 运用修正 机构时的摇台角调整及其修正计算 Y5 2 8 型铣齿机的滚切修正机构如图 1 所示． 小轴 2 可以在套筒 4内用手柄把它调整到任 何角度位置，这个角度就是滚子角或称小偏心角，以区别于调整刀盘中心位置的偏心角．修 正机柯工作时， 通过伞齿轮 8 ， 交换齿轮 ‘， 伞齿轮 7 和蜗轮副 5 使套筒 4 转动．这时， 杯彤 套筒 1 压紧在滚子 3 上 ，使摇台蜗杆沿轴向移动，于是摇台便得到附加转动．调整修正机构 时，按分度盘调整小偏一 L - 角，按套筒 4 的分度盘调整国盘或称小摇台角 ，以区别于装置刀盘 收稿日期 l l 9 9 4 0 9 2 B 维普资讯 太 原 重 越 机 械 学 院 学 报 的大摇台的安装角．然后开动机床直到进刀凸轮在 “ 滚切中心”位置时，接通修正机构 手 柄 ，调整摇台 角．最 后挂上交 换齿轮．这个顺 序必须严格遵守 ，否则 ，机 床调整 的原始相位 角 和计算 数据不 符 ，将产生 各种 齿 面误差． 如 图 l所 示， 整 个修正机构有三个可以 调整部分， 一是修正挂轮 i 。 ；二是小偏 心角以调整 滚子 的偏心 距 ；三是小 摇 台 角．在滚切齿轮 时 ， 小摇台也是 反时针转 动 和大摇 台 的转动方 向一致 ．在反 向时 ，小摇 台和 大摇 台一起顺 时针转 动． 因此 ，小摇 台和大摇 台一 样也 是 往复 摆动 的 ， 所谓小摇台角实质上就是相当于大摇 台角 ， 在该位 ． 置 时，滚切轮齿 的中点． 以下确定小偏心 角 Q 的调整 ， 刻度 和指针的位置 如 图‘ 2所示． 假定 已知滚子 中心的偏 心距 E ， 那么小偏 心角 从 下式 求出 E H 2 s i n 7 偏 心转过 以后滚子 中心 0移到 o 图 2 b ， 为 了使 0 仍 然放 置在 铅垂 线上 ， 可 以用 两种办法调正 小 摇 台角 图 2 c 及 d ．当 Q 2 7 0 。 一 E _ ／ 2时 ， 这 时 滚子 中心已移到 0 在 原点之上 ； 当 Q 9 0 一 E _ ／ 2时 滚子 中心 已移到 Or 在原点之下． 图 1 蒗切酱正机杓 原理豳 如 果 引入 适 当 的 原 始 相 位 角 0 ， 可以便 运 动 中心 O 、O 偏离 铅 垂 位 置 ，这 时 小 摇 台角 的 调 整应该 为 f 2 7 0 一 ／ 2 4 - o Q 1 9 0 一 当 △ B 不大时 ， f △ 一 J 1 2． 5 c o s I蛾 一 ∞ 为了使 讨论 的问题一般 化 ， 我 们假定 当摇 台在 滚切 中点时 处于正确 的 摇台角位 置上 ， 小摇台具有初始的相位角 0 ． 也就是说， 摇台蜗杆在这时候并不处于垂直方 向的最高位置或最 低位置． 在 图 l 所示的情况下， 它距离最高位置的值为 s， 且 s E 1一 c o s 0 1 当接通修正机构后， 偏心滚子便获得运 动． 设它的角速度为 ． 这就是等角速度 ， 而且它 和摇台的正常角速度 n 始终存在着 以下关 系 ． 土 ． 2 其 中 对 于 y 5 2 8 机 床 工 一 T1 5 0 嚣 器 丽2 5 式 1 对时 间求导数 即得 五 I s E ,s i n 鬈一 E ，s in 帆 3 因 此 在 这 个 位 置 上 ， 摇 台 得 到 的 轴 向 运 动 速 度 为 等， 从 而 摇 台 得 到 附 加 的 切 向 速 度 也 就 得到了附加的旋转角速度． 因为 0是一个变 量 ， 所以摇台蜗杆 的轴 向运动和摇 台附加运 动也 不 维普资讯 第 l 6卷第 3期 贾 育辜等 t Y5 2 8型 螺旋锥 齿 轮饿 齿机床 的数控 改 造 是匀速运 动． 为此再 对时 间求 导数而得到 蠡 E ，c 。 s 口 E ， c 。 s 口 一 E ，研 珐 c o s 口 摇 台所 得到 的附加角速度 为 a d R／R ． c 。 s 蹦 其 中J k 若 令2 c c 。 s 口 ， 则 2 C 由此我 们看 到 ， 因 为 是 常 数 ， 所 以 2 C 是 一个角 加速度 系数 ， 这个 系数从本 质 上 表达 了修正 机构对摇 台运 动所起 的作 用． 同时我 们看 到 ， 因为 口是一个 变量 ， 所以2 7 0 2 C 仍 然是一个 变量 ， 这 就是说摇 台的运 动 并不 象一些 人所想 象的 或者 某些文 献所描 写的那 样是等加速运动 ， 而是变 角加速度 运动． 因为在滚 切 中心时摇 台所 得到的 附加 切线速 度如式 3 所示 ， 则在轮齿 中点所得 到的附加切线速度 为 ， E, s i n 1 O 厂 一 A F r 一 s i n O A o ， 其 中 R为摇 台半 径 ， A 为齿 轮的中点锥距 A 是轮齿中点的正常线 ．厂 、， ， ／ 田 2 速度 ， 所以 一 芋s i n 口 由此引起的轮齿中点压力角误差等于舢 一 一 一 一 警 式 中 为锥齿轮 螺旋角。 这就是说可通过调整 初始相 位角 口 、 修正挂轮 和滚子偏心距 E， 来减 少或增加 内、 外压力角以代替更换 不同刀盘 ． 接触斑点的变化曾使人困惑不解， 弄不清出现各种接触的实质． 因而如何加以改进更是一 个难题． 现在根据下面所进行的分析 ， 这个 问题 已基本弄清． 而修正机构的运用， 则提供了解决 这个问题的最简单的一种方法． ． 由于过去我们对齿面参数的研究都是集中在齿面中点及其微分领域． 认为只要在这个范 围内的齿面误差得到了消除 ， 就会得到满意的接触． 但是随着螺旋锥齿轮的理论和实践的发 展， 不仅在中点的微分邻域需要正确的接触， 甚至在远离中点的宏观位置上， 也需要正确的接 触。 梯形接触就是这种情况的矛盾． 从中点及其 附近来看 ， 齿面的各项参数都是正确的， 其中包 括不存在对角接触， 但是在远离中点的地方却出现了倾斜接触。 而这种倾斜对牙齿中间又是基 本对称的， 这就是梯形接触的实质。 用修正机构可以修正梯形接触。 不难证明这种修正未使齿 面中点及其 附近产 生误差． 现在进一步研究远离齿线 中点的位置上 的情况． 由于压力角误差是 和 一 成正比倒的， 随△ 增加， 一 也增加， 则可用 口 配合 和E ， 的调整来修正远离中点处的 压 力角 ， 从 而达到修 正接 触斑 点的位置和形 状的 目的． 在一般调整机床时， 摇台角的值并不要求 十分严格， 只要能滚摆出完全的齿形就可以了． 维普资讯 太 原 置 型 机 械 学 院 学 报 但 是 在使 用 了修 正 机构 以后 ， 摇 台角 的调 整便 突 出 地要求严格． 譬如说 ， 原始相位角确定为 ， 于是在这 时 候 应该 滚切牙 齿 的 中点 P． 如果摇 台 角调 整不 正 确 ， 则 向径角 q不正确 ， 假定加大 了 ， 如图 3所示 ， 于是在这 时候 ， 刀齿 便不 在滚切牙 齿 的中 点 P， 而是 在滚 切牙 齿的 另一点 P ． 当摇 台转过 以后 ， 才进 入 滚 切牙齿 中点 的位 置 ， 但 这 时候 小摇 台角 也相应 地转 过 △ J 却 ， 这在 实 际上就 相当于 原始 相位角 增大 了 ， 于是 齿 面 中点 及其 微分邻 域 内将 产生误 差 压力角减小 ， 螺旋 角耐 小 ， 对 角接触 产生 ， 齿 线 曲 率增 大等 ． 由于摇 台角 在使用修正 机构 时的重 要性 和 精确 调整 的困难 程度 ， 我 们决 定对 其进行 数控 改 造． 2 对 Y 5 2 8型铣齿机进行数控改造 圉 3 播 台 角 调 整 的 误 差 分 析 结构改造本着少改动的原则， 偏心小轴的调整 由 1 1 0 8 F 0 0 3步进 电机 半步距 角为 0 ． 7 5 度 ， 最大静转矩为 7 ． 8 4 Nm ， 经 16 0蜗杆蜗轮副减 速传动 ， 脉 j 巾当量为 0 ． 7 5 ／步． 而 偏心套 的调 整亦是用 I 1 0 8 F0 0 3步 进 电机 ， 取步距 角 为 1 ． 5 度． 则脉 j 巾当量 为 2 5 ／ 3 0 x 2 ／ 6 0 x 6 0 x 1 ． 5 O ． 7 5 ／步． 采用的齿轮副 和蜗杆 蜗轮副均进行 了消隙处理 ， 以提 高控制精度． 从 以上 的分析 可以看出 ， 由 2个步进 电机 驱动完 全能对修正机 构进行精 密的调整． 经过多方论证 和筛选 ， 我 们选 用了北京工 业大 学 电子 厂生产 的 TP NC O 2数控单元的开环控制方式 ， 控制 单元的 自身精度 为 士 3个脉冲 当量 ， 完全能满 足使用精 度的要求． 从 图 4可以看 出 TP NCO 2 数控 ， 单元属 于 S TD总线 结构 ， 具 有高 的 可靠 性 ， 该单元采用 了 8 8 0 4 和 8 5 l 5主从 C P U 控制板 ， 8 8 0 4用于文件 管理． 8 5 1 5板 专用 于控 制步进 电机． 8 8 0 4多 功 能 C P U 板 ， 8 5 2 8 继 电器输出板及 8 5 2 6光电隔离开关 量输入板联合使用 ， 实现 了预定 的控 制功 能． 系统软件具有三大功能t a ． 实现 2 个步进电机的伺服控制， 从而完成对修正 囤4 敦 控 单元抵 圈 机构 的精密调 整； b ．采用人机对 话方式分析寻找 出最佳 调整方 案 ； c ．数据 文件编辑 、 管理 保存及调整状态显示 功能． 本系统具 有如 下特点 t 1 功能完善， 且有修正齿形曲率 ， 齿线曲率、 螺旋角、 压力角、 及接触斑点等功能． 2 软件采用模块化设计 ， 可根据功能要求进行选择组合． 3 实现 C R T屏幕显示和汉化菜单提示方便工人的操作． 4 软件 设计时 充分考 虑了工人 的误操作 ， 在 软件 中多次 设置 了 防误 操作 的环节 ， 这样 既 维普资讯 第 l 6 卷第 3 期 贾育秦等c Y5 2 8 型螺旋锥齿幸 占 铣齿机床的数控改遗 1 9 7 保护了软 件系统 自身 ， 又保护了硬件系统 ． 3 结论 通过 对螺旋 锥齿轮铣齿 机修 正机构 附加运 动的深 入分 析 ， 提 出 了 Y5 2 8型铣 齿机 调整机 构的改造方案． 采用 7 一Ⅳc一0 2数控单 元实 现 了 2坐标开 环控制和 强弱 电一体控制 ． 改造 后的螺旋锥齿轮铣齿机可修正小轮的压力角和接触区， 使其适配于用成形法加工的大轮． 从而 达到减少铣削刀盘的数量， 节省工入辅助调整时间的 日的． 使机床功能得到充分发挥． 参考文献 1 张明远 ．螺旋伞齿轮切齿基本调正因紊的研 究． 机械工程学报 ， 1 9 6 4 ， 3 4 2 6 2 2 天津齿轮机床研究所主编 ．格利森齿轮技术资料译文集 第一分册 ．北京， 机械工业 出版社， 1 9 8 3 ， 2 0 o ～ 24 0 3 北京工 业大学电子厂编 ． TP一Ⅳco 2步进 电机开环数控单元使用说 明书 ． 1 9 8 9 Re f o r m o f M o d e l Y5 2 8 S p i r a l Be v e l Ge a r M i l l i n g To o l t h M a c hi ne wi t h Num e r i c Co nt r o l Te c hni q ue J ．m Yu q i n W a n Zh a o Ta l y u a n He a v y Ma c h ． [ n s t ．， Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 Th e Th i r t e e n t h me t a l l u r g y C on s t r u c t Co ．， Ta l y u a n 0 3 0 0 0 3 Ab s t r a c t Thi s p a p e r a n a l y s e d t h e a me n d me n t me c h a ni s m s a d d i t i o n mo t i o n o f t h e mo d e l Y5 2 8 s p i r a l b e v e l g e a r mi l l i n g t o o l t h ma c h i n e i n t h e o r y a n d e x p o u n d e d i t s a d j u s t i n g a n d c a l c u l a t i n g p r i n c i p l e ． Th e c o mp l e x i t y o f a s s i s t a d j u s t me n t a n d t h e n e c e s s i t y o f r e f o r m wi t h n u me r i c c o n t r o l t e c h n i qu e a r e P o i nt e d O u t ． Th e Y5 2 8 ma c h i n e t o o l h a v e a g o o d r o a n-- ma c h i n e i n t e r f a c e a f t e r i t ha s b e e n r e f o r me d ． I t c a n b e c o n v e n i e n tly o p e r a t d e b y wo r k e r ． I t c a n r e d u c e a s s i s t i n g a d j u s t t i me a n d r a i s e p r o d u c t s q u a l i t y a nd p r o d u c t i v i t y o f ma c h i n e t o o 1 ． Ke y W o r d s s p i r a I b e v e I g e a r l a me n d me n t ma c h a n i s m ； n u me r i c c o n t r o l 维普资讯