数控滚铣齿形联合加工机床的设计.pdf

２０１５ 年 １０ 月 第 ４３ 卷 第 ２０ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｏｃｔ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２０ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２０􀆱 ０１１ 收稿日期 ２０１４－０７－２１ 基金项目 河北省科技支撑项目 （１３２１５２０１Ｄ； １０２１２１４１）； 河北师范大学基金项目 （Ｌ２０１２Ｚ０７） 作者简介 郑淑芝 （１９６６） 女， 硕士， 副教授， 主要研究方向为机床控制及设计。 Ｅ－ｍａｉｌ ｏｎｌｙｏｎｅ１９６６＠ ｓｉｎａ􀆱 ｃｏｍ。 数控滚铣齿形联合加工机床的设计 郑淑芝１， 来海军１， 刘文慧１， 王欣２， 秦聚奎３ （１． 河北师范大学职业技术学院， 河北石家庄 ０５００２４； ２． 石特阀门股份有限公司， 河北石家庄 ０５００１６； ３． 石家庄市凯普特机械传动有限公司， 河北石家庄 ０５００３１） 摘要 主要对数控滚铣联合齿形加工机床的总体设计方案进行研究。 分析机床运动功能， 设计总体结构方案、 驱动及 控制方案， 详细阐述主要电气控制部分的设计。 关键词 数控滚铣联合齿形加工； 总体设计 中图分类号 ＴＨ１２２ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２０－０３１－３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＣＮＣ Ｈｏｂｂｉｎｇ ａｎｄ Ｍｉｌｌｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｅｄ Ｇｅａｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ ＺＨＥＮＧ Ｓｈｕｚｈｉ１， ＬＡＩ Ｈａｉｊｕｎ１， ＬＩＵ Ｗｅｎｈｕｉ１， ＷＡＮＧ Ｘｉｎ２， ＱＩＮ Ｊｕｋｕｉ３ （１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃａｒｅｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００２４， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓ ＆ Ｔ Ｖａｌｖｅ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｉｎｃ．， Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００１６， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｃａｐｉｔａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００３１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＣＮＣ ｈｏｂｂｉｎｇ ａｎｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄｅｄ ｇｅａｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｗａｓ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ． Ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｆｕｎｃ⁃ ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉ⁃ ｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＣＮＣ ｍｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄｅｄ ｇｅａｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ； Ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎ 由于汽车行业的带动， 对齿轮等齿形零件的需 求量大幅度地增长， 传统制齿设备在精度及生产能 力上己不能满足要求。 而随着数控技术在机械制造 行业日臻成熟的应用， 彻底改变了从事机床研究的 科技人员的设计理念。 在这种背景下， 国内外许多 科研工作者对数控齿形加工设备进行了大量的研 究， 各种新 型 的 齿 轮 加 工 设 备 不 断 问 世 并 投 入 使用。 ２００６ 年黄骅市倪世江曾经对圆柱铣齿机进行过 研究， 该铣齿机全部采用机械传动机构实现， 调控式 齿轮坯台座由齿轮坯台座上部连接齿轮胎座、 下部内 腔装连旋转分齿机构所组成， 结构复杂， 加工精度难 以保证， 先进性、 创新性不足。 天津市精诚机床制造 有限公司、 营口冠华机床有限公司以及齐重数控装配 股份有限公司生产的数控铣齿机是针对目前我国迅猛 发展的风电工业上的需求而开发的用于加工大型圆柱 内、 外齿轮的数控加工机床， 该机床同时也适用于船 舶、 石油机械、 冶金机械、 矿山机械、 工程机械以及 军工机械等行业。 国外致力于齿轮机床研究的主要有瑞士的莱斯豪 尔公司、 美国的格里森公司、 德国的卡普公司、 利勃 海尔齿轮技术公司、 意大利的桑浦坦斯利公司。 其研 究方向主要为特殊齿形的铣齿、 滚齿和磨齿机等类型 的高端机床研究。 西德的普发特在 ＥＭＯ２００７ 曾展出 一台 Ｓｈｏｂｂｅｒ ３００ 滚插齿轮加工机床。 国内、 外针对数控滚齿、 铣齿联合加工的制齿设 备的研制情况未见报道。 文中通过对滚齿、 铣齿工作原理的研究， 设计出 滚铣联合齿形加工机床。 该机床具有以下特点 （１） 可完成单独铣齿、 单独滚齿， 也可实现铣 齿、 滚齿的联合加工， 实现了一机多能。 （２） 可以方便地完成直齿斜齿轮和直齿锥齿轮 的成形法铣削加工， 大大扩展了机床工艺范围。 （３） 主运动、 成形运动、 辅助运动均采用数控 系统实现自动控制， 提高了加工效率和加工精度。 （４） 编程实现滚刀安装角调整， 使安装角调整 更准确。 （５） 软件实现机械误差补偿功能， 可在不提高 机床机械零部件加工精度的情况下， 大大提高机床的 加工精度。 下面从运动方案、 主体结构方案、 伺服系统及控 制方案等方面进行分析与设计。 １ 机床运动功能方案设计 １􀆱 １ 工艺分析 该机床为卧式齿轮加工机床， 由于没有复杂的机 械传动机构， 各执行件之间易于实现联动功能， 故机 床的工艺范围得到扩展。 该机床除了能够具有一般滚 齿机滚削直齿、 斜齿外圆柱齿轮和蜗轮功能外， 还拓 展了用成形铣刀铣削直齿圆柱齿轮、 斜齿圆柱齿轮、 直齿圆锥齿轮、 链轮、 棘轮等各种齿形零件的功能。 １􀆱 ２ 选取坐标系 数控机床坐标系采用右手笛卡尔直角坐标系， 旋 转运动的正方向符合右手螺旋法则。 根据 ＩＳＯ 标准规 定， 与机床主轴平行的方向为 Ｚ 轴。 该机床具有如 下执行件完成各表面成形运动 沿工件轴向 Ｙ （垂直 方向） 和径向 Ｘ （水平方向） 两个移动坐标轴， 工 作台的旋转为第四轴 Ｂ， 另有刀架旋转分度运动 Ａ。 １􀆱 ３ 机床运动方案设计 １􀆱 ３􀆱 １ 机床的运动功能设计 根据机床的工艺范围确定机床包括以下运动 主 运动、 轴向进给运动、 让刀运动、 展成运动、 附加运 动、 滚刀角度调整、 工作台的旋转及分度运动。 滚齿 运动功能如图１ （ａ） 所示， 铣齿运动功能如图１ （ｂ） 所示。 图 １ 机床运动功能图 １􀆱 ３􀆱 ２ 几何运动功能分配 （１） 表面成形运动 主运动是刀具的旋转运动。 调速电机通过一对锥 齿轮和一对固定齿轮带动刀具的旋转运动为主运动。 范成运动是用范成法加工齿轮时滚刀与工件之间 的啮合运动。 两者要准确保持一对齿轮间的啮合传动 比关系。 附加运动 １ 是指用范成法或者成形法加工斜齿轮 时， 形成螺旋线齿形需要的运动， 体现的是滚刀轴向 移动与工件转角之间的关系。 附加运动 ２ 是指用成形法加工直齿锥齿轮时， 形 成锥齿轮齿根线需要的运动。 体现的是滚刀轴向移动 和工件水平径向移动之间的关系。 范成运动和附加运动强调的是运动之间的内在联 系， 由电子齿轮箱实现。 基本原理如图 ２ 所示， 数控 系统的装置内包含一个偏差寄存器， 由运动检测脉冲 自动控制计算机产生中断， 更新寄存器的内容， 其中 主运动脉冲会增加寄存器中的数值， 相反， 从运动反 馈脉冲看， 反馈脉冲会减少寄存器中的数值， 最终， 偏差寄存器中的数值通过数控系统中的 Ａ／ Ｄ 转换器 后作为各轴伺服驱动器的驱动信号， 从而实现预定的 速比关系。 图 ２ 基于软件插补的电子齿轮箱原理图 垂直进给运动是刀具沿工件轴向的运动。 由伺服 电机通过滚珠丝杠螺母副实现刀具在轴向的进给 运动。 工作台圆周进给和分度运动。 由伺服电机通过蜗 轮蜗杆机构带动工作台实现回转或者分度运动。 工作台径向进给及调位运动是工作台沿床身导轨 的横向进给运动。 电机直接安装在丝杠上， 通过安装 在滑台上的螺母机构带动圆工作台实现径向进给或调 位。 径向进给主要用于加工蜗轮， 由于蜗轮加工行程 终点影响齿厚， 故对终点位置要求较高。 采用数控编 程可以准确控制终点位置。 （２） 辅助运动 刀架转动调位。 调整刀具的安装角度， 由三相异 步电机通过蜗轮蜗杆和安装在刀架上的齿轮带动刀架 转位调整角度。 串刀。 滚刀或铣刀位置调整， 由三相异步电机通 过齿轮带动装在轴承座上的齿条移动实现。 工件顶尖夹紧和松开。 由力矩电机通过丝杠螺母 机构带动顶尖上下移动实现。 上立柱旋转。 由电机通过蜗轮蜗杆机构、 螺旋机 构实现。 机床总体传动方案如图 ３ 所示。 图 ３ 机床传动方案示意图 ２３机床与液压第 ４３ 卷 ２ 机床主体结构设计 该机床主体机械框架采用了卧式滚齿机的布局形 式， 机械传动系统大大简化。 机床由床身、 立柱、 后 立柱、 垂直进给溜板、 刀架、 水平进给滑板、 圆工作 台、 后立柱、 后立柱溜板、 工件顶尖等组成。 安装在 刀架溜板上的变频电机通过弧齿锥齿轮和一对斜齿圆 柱驱动主轴， 安装在刀架溜板的刀架由丝杠螺母机构 带动刀架主轴做垂直方向进给运动， 立柱内安装溜板 配重装置。 水平移动机构由滑板座和滑板组成。 伺服 电机直接安装在滑板座内的丝杠上， 通过螺母带动安 装在滑板上的圆工作台和后立柱做径向进给或调位。 圆工作台由底座、 蜗杆座、 工作台面等组成。 由伺服 电机通过安装在底座内部的蜗轮蜗杆机构带动工作台 回转或者分度运动。 后立柱由上立柱和下立柱组成， 上立柱可绕下立柱旋转 ９０， 目的是方便装卸轴向尺 寸大的工件。 后立柱溜板上装有工件顶尖， 顶尖由力 矩电机通过丝杠螺母机构带动沿立柱导轨上下移动以 顶紧或松开工件。 上下立柱间分别装有端齿盘和锁紧 盘， 旋转电机通过蜗轮蜗杆机构带动螺杆旋转， 使上 立柱和端齿盘从锁紧盘中拔出后， 螺杆带动上立柱旋 转 ９０。 整体结构设计可参考图 ３。 限于篇幅， 机械 结构设计的具体数据以及运动仿真及有限元分析过程 不在文中详述。 ３ 机床伺服及控制系统设计 ３􀆱 １ 伺服进给系统设计 数控机床进给驱动系统的设计包括 按照需要达 到的加工精度要求， 选择开环系统、 半闭环系统还是 闭环系统； 传统系统的设计包括传动方式的选择， 根 据传动精度要求确定数控机床的脉冲当量； 滚珠丝杠 导程及精度等的确定滚珠丝杠支承选择； 伺服电动机 及其反馈装置选择的选择； 精度验算等过程。 此机床 设计为半闭环伺服系统。 ４ 个坐标轴伺服电机采用 １３０ＳＪＴ 系列产品， 该产品自带编码器， 从而实现半 闭环控制。 采用 ＤＡ９８Ａ 系列全数字式交流伺服电机 驱动器， 采用美国 ＴＩ 公司最新数字信号处理器 ＤＳＰ （ＴＭＳ３２０Ｆ２０Ｆ２４０７Ａ ）、 大 规 模 可 编 程 门 阵 列 （ＣＰＬＤ） 和 ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ 智能化功率模块 （ ＩＰＭ）， 集成度高、 体积小， 保护完善， 可靠性好。 采用最优 ＰＩＤ 算法完成 ＰＷＭ 控制， 性能可与国外同类产品媲 美。 电机选择过程及滚珠丝杆及支承等选择属常规设 计范畴， 不必赘述。 ３􀆱 ２ 数控系统的选择 考虑 机 床 精 度、 性 能 和 成 本 要 求， 选 用 了 ＧＳＫ２１８⁃Ｌ 广州数控系统。 该系统采用 ＩＮＴＥＬ 公司的 ８ 位单片机 ８０３２ 和 １６ 位单片微机 ８０Ｃ１９６ 组成双 ＣＰＵ 系统。 系统软件设计上采用中英文菜单操作方 式， 硬件上 Ｉ／ Ｏ 接口都经过光电隔离， 具有丰富的功 能和较强的抗干扰性能， 且具有第四附加轴。 系统坐 标偏置功能对于编程、 加工余量的调整非常方便， 升 降速控制平滑稳定， 并可以参数调整。 ３􀆱 ３ 电气控制方案设计 图 ４ 为机床主要控制回路原理图。 图 ４ 主要控制回路原理图（下转第 ２３ 页） ３３第 ２０ 期郑淑芝 等 数控滚铣齿形联合加工机床的设计 情况三线夹紧影响了夹紧力位置分布， 特别当两直径 相差越大， 可能产生的误差就越大。 第 ３ 种情况为六 线夹紧， 夹紧力位置分布均匀， 但两直径相差也不可 太大。 实际上想得到的夹紧面的直径是比工件外径小 ０􀆱 ０５～０􀆱 １５ ｍｍ， 综合零件结构特点和精度等要求， 最后得出夹紧面直径的设计公式 ϕ＝ϕ１＋０􀆱 １（１） 其中 ϕ 为软爪夹持圆弧面直径， ϕ１为被夹持零件 表面直径， 单位均为 ｍｍ。 由上述计算公式 （１） 计算出夹持圆弧面 １ 直径 为 ７６􀆱 １ ｍｍ， 夹持圆弧面 ２ 直径为 ６９􀆱 ６ ｍｍ。 ３􀆱 ２ 软爪车削成形 软爪卡盘正确的调整与车削， 是保证软爪卡盘精 度的基础。 为保证软爪车削加工精度和稳定性需在卡 爪内夹持一个塞子， 为获得稳定的夹紧力， 塞子的直 径需经过计算。 根据夹紧最稳定位置在卡盘行程的 １／２ 处， 可得塞子直径计算公式为 Ｄ＝ｄ＋Ｌ／２（２） 其中 Ｄ 为塞子直径， ｄ 为卡爪空夹紧时的卡爪内 径， Ｌ 为卡盘行程 （直径值）。 根据计算公式 （２）， 查卡盘参数和实测卡爪内径 ｄ 算出塞子直径为 ３８􀆱 ５ ｍｍ。 软爪车削如图 ４ 所示， 工序一、 二零件装夹如 图 ５ 所示。 图 ４ 三爪卡盘塞子装夹与软爪车削 图 ５ 零件装夹现场 ４ 结论 加工工艺在零件生产中占有极其重要的地位。 根 据门机壳零件的结构特点和加工使用要求， 设计了合 理的加工工艺， 运用该工艺进行批量化生产， 零件的 合格率达 ９９􀆱 ８％， 生产节拍达 ４ ｍｉｎ／ 个。 这一结果表 明零件加工精度、 质量稳定性和效率均达到预期目 标， 为企业取得了较大的经济效益， 对同类零件的加 工也具有一定的借鉴和指导作用。 参考文献 ［１］ 李绍明．机械加工工艺基础［Ｍ］．北京北京理工大学出 版社，１９９３． ［２］ 陈明．机械制造工艺学［Ｍ］．北京机械工业出版社， ２００５． ［３］ 刘建亭．机械制造基础［Ｍ］．北京机械工业出版社， ２００２． ［４］ 李铁光．数控加工技术［Ｍ］．北京北京理工大学出版 社，２００９． ［５］ 王健石．机械加工常用刀具数据速查手册［Ｍ］．北京机 械工业出版社，２００５． ［６］ 徐莹波．数控加工自动编程技术［Ｍ］．杭州浙江大学出 版社，２００３． ［７］ 唐萍．数控车削工艺与编程操作［Ｍ］．北京机械工业出 版社，２００９． ［８］ 朱耀祥，浦林祥．现代夹具设计手册［Ｍ］．北京机械工 业出版社，２０１０． （上接第 ３３ 页） 主电机选用交流变频电机 ＹＦＧ１００Ｌ⁃２５⁃４， 变频 器选用爱默生 ＥＶ⁃２０００。 由于主运动和进给运动用不 同电机控制， 故主电机可只有一个旋向， 通过 Ｍ０３ 控制。 针对选择的数控系统， 机床的坐标轴进行了如 下分配 轴向进给接 Ｙ 轴， 工作台进给接 Ｘ 轴， 工 作台旋转接 Ｚ 轴。 刀架旋转调位运动接附加轴。 沿 刀架主轴的串刀运动， 用三相异步电机带动齿轮齿条 机构实现 （原理图未显示）。 工件顶尖上下移动由数 控系统中刀塔转位功能来控制， 顶尖的回转功能由行 程开关控制， 配合端齿盘、 锁紧盘以及螺杆等实现。 冷却和润滑采用顺序控制。 相关电机和环节均有消弧 装置和散热风扇。 Ｘ、 Ｙ、 Ｚ 向均设有减速及限位 开关。 ４ 结论 在不改变滚齿机总体结构、 不扩大相同规格滚齿 机占地面积的情况下， 使机床的加工能力大幅度提 高， 实现了一机多能。 不仅可以作为普通数控滚齿机 或铣齿机使用， 还特别适用于品种更迭频繁时的小批 量生产。 此机床还可以把立柱部分改造成刀库， 配备 机械手实现自动装卸工件等。 参考文献 ［１］ 戴曙．金属切削机床［Ｍ］．北京机械工业出版社，２００４． ［２］ 郑堤．机电一体化设计基础［Ｍ］．北京机械工业出版 社，２０１２． ［３］ 文怀兴．数控机床系统设计［Ｍ］．北京化学工业出版 社，２０１１． ［４］ ＧＳＫ２１８Ｍ 安装与连接手册［Ｍ］． ［５］ 中国滚齿机网．ｈｔｔｐ／ ／ ｗｗｗ．ｇｕｎｃｈｉｊｉ．ｉｎｆｏ／ ． ３２第 ２０ 期沈守国 等 门机壳零件加工工艺研究