螺旋锥齿轮机床数控化的三个阶段.pdf

中国齿轮行业技术改造与装备研讨会资料 螺旋锥齿轮机床数控化的三个阶段螺旋锥齿轮机床数控化的三个阶段 中南大学 曾 韬（2004.5） 机床的数控化给制造业的发展带来了一次重大的革命，其影响不管如何高 度评价都不为过。全世界大规模的机床数控化改造是上一世纪七十年代末期。齿 轮机床本来就是自动化的，它们是否需要数控化改造开始是有争论的。因此齿轮 机床的数控化尝试始于上一世纪八十年代，至今还只有短短的不到 20 年时间， 但已经走过了三个阶段，其发展速度之快，对齿轮行业影响之大，远远超过了其 它机床的数控化进程。本文简述并分析这三个过程，希望能给我国齿轮界在改造 和提升齿轮装备的决策有所帮助。 （一） 20 世纪 80 年代初期，以美国格里森、瑞士奥利康和德国克林贝格为代表的 三大公司都在考虑螺旋锥齿轮机床的数控化， 作为数控化的第一步当然是用数控 技术简化原有的机械型螺旋锥齿轮机床。其代表作品是美国格里森公司 1986 年 推出的 G－MAXX2010（图 1） ，它的外 形基本上与格里森 No.116 相同，但它的 传动链已经由电子齿轮箱所替代。它既 能加工格里森的圆弧收缩齿，也能加工 奥利康的摆线等高齿。但这种机床还没 有流行就被格里森凤凰机床所替代。格 里森这一阶段的真正代表是 No.116CNC （图 2） 。由图 3 可以看到 No.116 的传动系统是很复杂的，No.116CNC 则去掉了 1 大部分传动链（图 4） ，直接利用电子齿轮箱来控制刀盘轴和工件轴之间的相对 运动（图 5） ，从而使机床结构大大简 化。奥利康公司和克林贝格公司在 1989 年也推出了相应的机床。 No.116CNC不是格里森设计 的一个新机型，它是对旧设备进行的 一种改造。与机械型机床相比，当然 是一大进步，但是与后来的凤凰机相 比，它还存在着以下缺点 并 节，采用六轴五联动的高档数控系统实现 1、机床的床身没有重新设计，其刚性没有增强； 2、机床的刀倾机构、摇台机构和高减比齿轮没有去掉，加工精度没有明显 增加； 3、机床的刀倾角、刀转角、偏心角、摇台角、垂直轮位、水平轮位、床位 和轮坯安装角等很多调整环节没有去掉，机械误差和人为误差无法消 除。 4、这种办法只能用于改造具有刀倾机构的机床，不能用于没有刀倾机构的 机床，因为这种办法都采用低档数控系统，不能作滚比修正。 （二） 螺旋锥齿轮机床数控化改造的第二阶段是去掉摇台、去掉了所有的调整环 真正的完全数控，其代表是美国格里森 1989 年后陆续推出的凤凰Ⅰ型系列数 控机床。 这种机床的基本结构和外形分别如图 5、 图 6 所示， 它的基本结构由 X、 2 Y、Z 三个直线轴和 A、B、C 三个回转轴构成，其中 X、Y 轴模拟摇台，B 轴在 加工中可以运动，用以模拟刀倾刀转角的使用。假定工件不动，刀盘相对于工件 的位置可以用刀盘中心（三个坐标）和刀盘轴线（两个坐标）5 个参数完全确定。 这样，它不仅可以用格里森各种加工方法来加工格里森齿制的齿轮，还可以用奥 利康的各种加工方法加工奥利康齿制的齿轮。与 No.116CNC 相比，凤凰Ⅰ型数 控机床具有以下优点 1、 结构简单，刚性好据格里森资料介绍，凤凰Ⅰ型数控机床的刚性要 比 No.116 铣齿机高十倍以上； 2、 无展成链，精度高凤凰Ⅰ型数控机床不仅没有展成链，每个伺服电 机到执行部件之间的传动链很短，一般只有一级到二级齿轮传动，各 轴之间的相对运动完全由计算机直接控制，消除了机械误差和人为误 差对加工的影响，因此齿轮的加工精度高。过去机械机床最高只能加 工出 5 级精度的齿轮，现在可以加工出 3 级以上的齿轮； 3、 程序控制，柔性好凤凰Ⅰ型数控机床完全由计算机程序控制，不需 要人工调整。加工调整好的数据可以存储在计算机里，下次加工时调 出来即可使用，而且没有机械误差和人为误差，重复性非常好； 4、 调整方便，效率高机床在转换加工零件时只须调换刀盘和夹具，其 余则是完全由程序控制，不需要人工干预。极大地提高了机床调整和 加工效率。 由于凤凰Ⅰ型数控机床具有很大的优越性，格里森自 20 世纪 90 年代初期 就停止了 No.116、No.463 等机械型铣齿机、磨齿机的生产。 根据我们研制数控铣齿机和数控磨齿机的经验，这种数控机床不仅要求机 械上的高精度， 而且在电气控制上要提出一系列的高要求， 例如必须采用 Siemens 840D 和 Fanuc 160i 这样的高级数控系统， 必须采用全闭环控制和样条插补等等。 （三） 近年来格里森推出的凤凰Ⅱ型在锥齿轮数控机床的结构上有突破性的进 展，它把三个直线轴和三个转动轴安装在一个立柱的两个侧面上，B 轴用铰链结 构来代替，机床各轴都是用电机直接驱动（图 7） ，结构十分简单明快。由它构 3 成的数控机床如图 8 所示。和凤凰Ⅰ型相比，凤凰Ⅱ型数控机床的零件要少 15 ％，占地面积至少要小 35％。这种机床开始是专为干切削而设计的，因此更加 符合环保原则。 从凤凰Ⅰ型数控机床还可以看到机械铣齿机和机械磨齿机的影子， 还可以看 到“产形轮”的概念。凤凰Ⅱ型数控机床完全摆脱了这些概念，它把螺旋锥齿轮 加工时刀具和工件的相对位置看成一个集合， 机床的结构设计只要能满足或实现 在螺旋锥齿轮加工机床的设计观念上 是一次大的飞跃。 这个集合， 就能完成各种加工任务。 这 （四） 从 1986 年第一台 G－MAXX 数控铣齿机到现在， 还只有短短的 18 年时间， 就完成了三个重要的发展阶段，使螺旋锥齿轮的加工发生了根本性的变化。格里 森公司宣称，锥齿轮加工工艺每隔五年就有新的发展和突破。这种飞速发展的形 势一方面当然给我们增加了很大的压力，但是也给我们提供了赶超世界的机会。 因为机床的数控化将机械的复杂性转移到软件上，会使我们更容易赶上他们。因 此我们应该崇洋而不谜外，努力开发我们自己的凤凰数控机床。中国是一个齿轮 大国，要想成为齿轮强国，所有的现代化加工设备都完全依赖进口是那很难想象 的。 4