基于PLC的渐开线齿轮加工系统设计探讨
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作者: 张智华
摘要:文章探讨了一种新型的高效率、高精度的渐开线齿轮加工系统,能加工较多的模数,可实现圆周进给和径向进给的精确数字控制。机床的调整采用控制面板上的按钮,加工时通过人机界面来输入加工数据,发出各种操作命令。数控系统采用可编程控制器,使齿轮加工可靠性显著提高,有效降低成本低,且适合现场加工要求。在径向进给时,齿轮加工系统通过编程采用了径向递减切入的螺旋进给方式,使得圆周进给速度保持不变,径向进给速度随着切齿的深入而均匀递减,力求使机床基本保持恒力切削状态,既有利于保证机床精度,又可提高刀具的使用寿命。
关键词:渐开线齿轮;可编程逻辑控制器;加工;设计
机械是人类重要的生产工具,是人类征服和改造自然的强大武器,齿轮作为现代机械主要的传动方式,广泛地应用于机械、航空、仪表等行业。随着科学技术的进步,齿轮的加工方法也由手工挫凿改进为机床切削加工、锻压成型。随着现代化的进程,对齿轮的需要量在迅速增加,对齿轮的强度和精度要求也在不断提高,齿轮加工必将得到更大的发展。
早在1694年,法国学者PhilippeDeLaHire首先提出渐开线可作为齿形曲线,逐渐建立了现代关于接触点轨迹的概念,根据轨迹干涉理论加工齿轮也日益在生产中发挥了显著效益。近年来,由于微电子技术的迅速发展和以现代控制理论为基础的高精度、高速响应交流伺服系统的出现,为齿轮加工数控系统的的发展提供了良好的条件和机遇。高水平的全数控CNC齿轮加工机床已成为国际市场产品的主流。尽管数控齿轮加工机床在国内起步较晚,但近年来受市场需求的驱动,商品化的国产数控齿轮机床发展很快,开发出国产先进的数控系统势在必行。
齿轮加工技术的发展是在不断追求加工精度的提高和加工效率的提高上,数控化、智能化、高速化、高精度、集成化、环保化、新工艺的不断涌现成为当前的主要潮流,不断满足齿轮加工专业化、个性化的要求。
PLC(ProgrammablelogicController,即可编程控制器)是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。它采用一类可编程序的存贮器,用于其内部存贮程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入输出,控制各种类型的机械或生产过程。和传统的继电器控制系统相比较,PLC控制系统可靠性高,抗干扰能力强,控制功能强,通用性好,编程简单,使用、维护方便,体积小,重量轻,功耗低。利用PLC控制系统对现有齿轮加工设备进行改造显然是一个很好的办法。
渐开线齿轮的轮齿加工方法,目前已有热轧、冷轧、浇铸、粉末冶金、电脉冲加工以及切削加工等数种。由于加工精度和加工成本的原因,目前生产中广泛应用的是利用成形法或范程法原理进行切削加工。
渐开线齿轮加工的工作原理实际上就是渐开线齿轮的啮合原理,在渐开线齿轮加工系统中,通常用包络法来求解轮齿啮合传动中的几何问题。加工齿条齿廓曲线是渐开线齿轮齿廓曲线的包络线,因为齿条是用来加工渐开线齿轮的,所以齿条的齿廓曲线方程也就是渐开线齿轮加工的参数方程。
数控插齿机一般用来加工渐开线齿轮,它采用刀架摆动实现让刀运动、立柱移动做径向进给、立柱部件左右偏移实现斜向让刀,系统刚性增强,加工效率提高;主运动采用交流变频调速电机,实现主运动的无级调速,机床X、B和C轴均由独立交流伺服电机驱动,能实现X轴、B轴和C轴的联动加工,可满足各种类型的加工需要,不但适用于汽车、拖拉机等专业齿轮厂的成批和大批量生产,同时也适用于机床和其他机械行业的小批量和单件生产。
数控插齿机主要由数控工作台、主轴驱动装置、径向进给滑台等三大主要部分组成。数控工作台和径向进给滑台均采用了伺服电机加滚珠丝杠的驱动形式,主轴驱动装置又由圆周进给装置、让刀机构和刀轴驱动装置组成。机床工作时,刀轴驱动装置带动插齿刀主轴作上下往复运动,进行齿坯的切削;圆周进给装置和数控工作台作展成运动,进行齿条的精确分齿;圆周进给完后,径向进给滑台作径向进刀(或退刀)运动;在插齿刀的回程阶段,由让刀机构带动插齿刀主轴进行摆动让刀,在冲程阶段,让刀机构在复位弹簧的作用下,使插齿刀主轴复位。
用可编程控制器来实现运动控制,可以方便地将运动控制、顺序控制和逻辑控制有机地结合在一起,实现系统所要求的多种功能。日本三菱公司的FX2N系列的可编程控制器,具有定位控制功能、设定和显示功能、通信功能,应用范围广泛,可以在这里得到应用。
根据数控插齿机加工渐开线齿轮的功能要求,插齿机的驱动元件有三相交流异步电动机,伺服电机,冷却电机和润滑电机。为便于手动精确定位,可以使用手摇脉冲发生器。数控插齿机的数控系统组成主要包括PLC主控单元、伺服驱动器、主轴变频器和操作面板等。主控单元可采用模块式结构,各功能部件独立封装,安装在机架或导轨上,主要由基本单元(FX2N-64MR)、定位单元(FX2N-10GM,FX2N-20GM)和显示单元F940GOT-BWP-C图形终端组成。基本单元与各特殊模块之间用PLC连接电缆FX2N-GM-5EC进行连接,GOT则通过电缆FX-40DU-CAB与PLC相连。FX2N-10GM和FX2N-20GM是三菱公司生产的一种输出脉冲序列的专用定位单元,其中FX2N-10GM只能控制一根轴,FX2N-20GM具有线性/圆弧插补功能,可以控制两根轴(独立或联运)。
插齿机的驱动元件有三相交流异步电动机,伺服电机,冷却电机和润滑电机,手摇脉冲发生器。机床工作时,系统接受的控制命令分别来自于控制面板和人机界面。根据插齿机的工作要求,该控制系统应具有自动,手摇和点动三种工作方式。其中手摇和点动为机床处于调整状态时采用。自动工作方式分为连续切削、左向切削、右向切削,在切削的过程中,还涉及到径向电机的径向进给运动、主轴的运行和停止动作以及润滑电机和冷却电机的开关等;手摇和点动又分为正向点动、负向点动和回原位三种动作。其中手摇方式由手摇脉冲发生器控制,用于对三个数控轴进行精确定位,点动方式由定位单元产生,用于对三个数控轴进行粗定位。对于这三种不同的工作方式需编制不同的程序才能实现它们的功能。为了完成插齿机的这些功能,可以编制一个人机界面、一个主程序和五个子程序。
主程序完成的功能主要有:初始化功能;与定位单元和显示单元F940GOT进行通信的功能;接受外部开关信号(如按钮、继电器、行程开关等),利用输出信号对接触器、继电器和定位单元等器件进行控制的功能;判断当前的系统状态并对各个子程序进行调用的功能。PLC的主程序设计可以包括以下模块:初始化模块、按钮及人机界面处理模块、通信模块、自动切削模块、数值计算模块及刀轴自动上停模块等。
第一,初始化模块。PLC上电、复位后,FX2N-64MR首次进入运行状态,将对整个程序进行初始化,然后循环扫描各个功能子程序。
第二,通信模块。可编程序控制器的通信模块的功能包括:将显示单元上设定的工艺参数(诸如每一次的径向进给距离、加工齿坯长度、圆周进给量,径向进给量等)传递给定位单元(FX2N-20GM和FX2N-10GM);在PLC、FX2N-20GM和FX2N-10GM之间传递加工信息(如退刀信息、进刀信息等)。
第三,按钮及人机界面处理模块。按钮控制模块主要处理控制面板上的选择开关和各种控制按钮,根据开关和按钮的状态来进行相应的处理,并选择不同的子程序,控制各电机的启动、运行和停止。人机界面为软按钮,与控制面板上的按钮具有一一对应关系。
第四,自动切削模块。自动切削模块又包括连续切削、左向切削和右向切削三个子模块,分别在自动加工方式下,完成自动加工方式下的连续切削、左向切削和右向切削加工任务。加工中的数据来自于人机界面上输入的参数,这些加工数据以及各种加工状态需要在PLC、10GM和20GM之间互相通信。
第五,数值计算模块。数值计算模块是指对加工数据的处理,主要是对径向进给量、圆周进给量、主轴速度等进行转换。
第六,刀轴自动上停模块。当停止刀轴往复运动时,刀轴自动上停模块执行刀轴自动上停的功能。
可编程控制器的主要应用场合是工业现场,由于那里工作环境较恶劣,各种干扰对可编程控制器的正常运行存在着严重的影响。因此,必须考虑可编程控制器的抗干扰措施。在本系统中,可编程控制器的输入设备主要是行程开关、光电开关和按钮,输出设备主要有接触器、电磁阀线圈等。为防止这些设备在运行过程中将大量的干扰信号带入可编程控制器主机内,可采取的抗干扰措施主要有:一是输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆分开敷设,选用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆,并且一端接地;二是多芯电缆中的备用芯线也一端接地,既扩大了屏蔽作用,又抑制了芯线间的信号串扰及外部干扰;三是为避免干扰,同一电平等级的信号才用一条多芯电缆传输,低电平信号线与其他信号线进行了分离;四是可编程控制器装在专门的电柜中,四周应留有50mm以上的净空间,以保证良好的通风环境。PLC电柜具有独立的接地线,接地电阻小于10欧姆。引至PLC电柜的电缆尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。
另外,在设备现场,要充分考虑周围环境的影响,尽量不要将PLC安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。
渐开线齿轮的加工不仅依赖于数控插齿机的机械结构及其数控系统,还依赖于其加工工艺。在齿轮切削时,应充分利用刀具的切削性能和机床性能来选择合理的切削用量,从而在保证加工质量的前提下,获得高的生产率和较低的加工成本。粗加工时,应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度,一般优先选择尽可能大的切削深度,其次应选择较大的进给量,最后根据刀具的耐用度要求,确定合适的切削速度。精加工时,首先要保证工件的加工精度和表面质量要求,一般选用较小的进给量和切削深度,尽可能选择较高的切削速度。
与其他数控机床相比,渐开线齿轮加工的数控技术较复杂。在数控齿轮插齿机的研制过程中,从控制部件的选型、控制系统的结构设计方面,需要进行反复的探讨,考虑多种方案。
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(作者单位:天津机电职业技术学院)
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