基于力士樂(lè)MTX micro系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)專用機(jī)床的高精度數(shù)控化*

代 成 雍岱鑫 鄭潘妥

(漢江工具有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723002)

齒輪傳動(dòng)是通過(guò)輪齒的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種方式，是機(jī)械傳動(dòng)的主要形式。具有傳動(dòng)效率高、承載能力大、傳動(dòng)精度高、可靠性高和壽命高等特點(diǎn)，在航空航天、船舶、汽車、工程機(jī)械及儀器儀表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。滾齒是加工齒輪的主要方式之一，具有加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用[2-3]。

鏟齒車床是加工齒輪滾刀的專用設(shè)備，C8955手動(dòng)鏟齒車床為上世紀(jì)70年代大連機(jī)床廠開(kāi)發(fā)制造的專用機(jī)床，在齒輪滾刀的制造中具有廣泛的應(yīng)用。但該機(jī)床已越來(lái)越難以適應(yīng)多品種、小批量、高效率的市場(chǎng)要求。數(shù)控機(jī)床越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞，在保持原有機(jī)床機(jī)構(gòu)和剛性的基礎(chǔ)上，數(shù)控化改造是目前的一個(gè)趨勢(shì)。本文僅以上世紀(jì)70年代大連機(jī)床廠制造的1臺(tái)C8955手動(dòng)鏟齒車床為例，基于力士樂(lè)MTX micro系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)專用機(jī)床的高精度數(shù)控化。

1 C8955機(jī)床現(xiàn)狀

C8955依靠傳統(tǒng)機(jī)械掛輪分度機(jī)構(gòu)及凸輪傳動(dòng)裝置，加工工件時(shí)有操作繁瑣、加工精度不高、效率低下等特點(diǎn)，加工合格率很大程度上取決于工人的熟練度，對(duì)人員素質(zhì)要求較高。目前筆者公司給機(jī)床分配的操作工只有一人，往往由于操作者休假導(dǎo)致設(shè)備閑置，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

2 改造方案

2.1 機(jī)械方案設(shè)計(jì)

機(jī)床數(shù)控改造結(jié)合機(jī)床特點(diǎn)進(jìn)行，改造整理機(jī)床原有傳動(dòng)系統(tǒng)，在機(jī)床床身上增加導(dǎo)軌、主軸箱防護(hù)罩。各導(dǎo)軌、絲杠采用強(qiáng)力潤(rùn)滑裝置供油，對(duì)各滑動(dòng)導(dǎo)軌支承面進(jìn)行磨削、刮研處理，以恢復(fù)其幾何精度。

2.1.1 主軸箱

去掉三相異步電機(jī)及掛輪傳動(dòng)鏈，保留主軸箱內(nèi)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及潤(rùn)滑方式，固定一組齒輪傳動(dòng)，加工用轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角由交流伺服電機(jī)控制。在原三相異步電機(jī)位置安裝交流伺服電機(jī),以提供主軸回轉(zhuǎn)動(dòng)力及調(diào)速，主軸箱的設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2.1.2 縱向傳動(dòng)

去掉掛輪傳動(dòng)鏈及走刀箱，保留原有梯形絲杠副結(jié)構(gòu)，在床身走刀箱位置安裝齒輪減速箱及交流伺服電機(jī)?？v向傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.3 橫向傳動(dòng)(鏟程進(jìn)給機(jī)構(gòu))

去掉原凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及鏟程滑動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)制作直線電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌選用臺(tái)灣ABBA產(chǎn)品。選用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有高剛性、大扭矩、抗沖擊、精度高等特點(diǎn)，以保證工件加工時(shí)鏟程量的加工精度。鏟程進(jìn)給機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2.2 電氣方案設(shè)計(jì)

2.2.1 技術(shù)難點(diǎn)

該機(jī)床加工方式一般可采用3軸插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)軸C1及刀架X軸將會(huì)不間斷的連續(xù)啟停，長(zhǎng)期在這種運(yùn)行狀態(tài)下，將會(huì)給電機(jī)帶來(lái)?yè)p傷，甚至縮短使用生命周期。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，讓軸C1連續(xù)運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)軸X根據(jù)主動(dòng)軸C1位置自動(dòng)耦合跟隨其運(yùn)動(dòng)。因此，如何將原機(jī)械傳動(dòng)鏈關(guān)系通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的耦合功能應(yīng)用轉(zhuǎn)換為加工程序，成為其中一個(gè)難點(diǎn)。

2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)選型

選用數(shù)控系統(tǒng)遵循在滿足機(jī)床功能的基礎(chǔ)上以最低成本為原則，液晶LCD圖文顯示、全中文操作菜單、友好界面。自動(dòng)升降速控制、內(nèi)置電子齒輪、位置反饋?zhàn)鴺?biāo)實(shí)時(shí)顯示、系統(tǒng)軟件用戶可自行升級(jí)、操作權(quán)限分級(jí)管理，更安全，更科學(xué)。

機(jī)床實(shí)現(xiàn)3坐標(biāo)3聯(lián)動(dòng)控制方式，即機(jī)床橫向(X軸)、縱向(Z軸)、工件回轉(zhuǎn)主軸箱(C1軸)。其中縱向Z軸傳動(dòng)通過(guò)一級(jí)齒輪減速箱連接機(jī)床傳動(dòng)絲杠，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，半閉環(huán)控制。橫向傳動(dòng)X軸(鏟程進(jìn)給機(jī)構(gòu))采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)， FAGOR直線光柵尺全閉環(huán)控制。工件回轉(zhuǎn)C1軸，主軸箱保留原齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，半閉環(huán)控制?？傮w控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3 機(jī)床加工范圍、精度

改造的數(shù)控鏟齒的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示：

表1 數(shù)控鏟齒車床參數(shù)表

4 鏟齒功能實(shí)現(xiàn)

為了保證齒輪滾刀的切削性能，在刀齒的齒頂和齒側(cè)都形成有一定的后角，鏟齒就是加工該角度的關(guān)鍵工序。齒輪滾刀的齒頂鏟背曲線方程可由式(1)計(jì)算，齒側(cè)后角導(dǎo)程由式(2)計(jì)算[4-6]，對(duì)右旋的滾刀，左側(cè)齒形用減號(hào)，右側(cè)齒形用加號(hào)。

(1)

式中：de為滾刀外徑；Px為軸向?qū)С?；K為鏟削量；θ為鏟背曲線轉(zhuǎn)角(弧度)；Zk為圓周齒數(shù)；Pk為容屑槽導(dǎo)程(直槽時(shí)Pk=∞)；Kv為鏟削當(dāng)量。

Kv=[(Pk+Px)/Pk]·K·Zk

(2)

式中：P′為左、右側(cè)齒面導(dǎo)程；P為滾刀分徑導(dǎo)程，其計(jì)算公式見(jiàn)式(3)：

(3)

式中：d為齒輪滾刀分徑；β為左、右齒形螺紋升角。

當(dāng)齒輪滾刀鏟齒加工的運(yùn)動(dòng)曲線計(jì)算完成后即可進(jìn)行鏟齒軟件的開(kāi)發(fā)。根據(jù)鏟齒原理和滾刀加工時(shí)每排槽位置與鏟程量對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)虛擬軸C2與軸C1插補(bǔ)同步聯(lián)動(dòng)，再將X軸與C2軸進(jìn)行耦合，并把耦合位置對(duì)應(yīng)關(guān)系輸出到耦合表中，方便操作者加工工件前的核驗(yàn)。同時(shí)編寫多組進(jìn)刀循環(huán)，滿足操作需求[7-8]。

利用micro 系統(tǒng)軸耦合功能，可構(gòu)建與通道無(wú)關(guān)的電子齒輪，但在本案列中，主動(dòng)軸與從動(dòng)軸按照一定的速度比耦合，并不能實(shí)現(xiàn)滾刀后刀面鏟削動(dòng)作。這里就需要使用表的主動(dòng)軸耦合，使用表耦合可顯示出主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的非線性耦合關(guān)系。系統(tǒng)軸耦合允許為每根(Master[m])主動(dòng)軸指定單獨(dú)的耦合表，將其輸入到SysAxCoupleCmd[i].Master[m].Tab 系統(tǒng)數(shù)據(jù)中。

耦合打開(kāi)程序(CoupleOn)

CoupleOff

CST(TAB(nocken),LOAD)

PSACDEFE("X", 1,,, 0.01, 0.5, "C2")

PSACON("X","NOC","C2",1,1,"nocken")

耦合關(guān)閉程序(CoupleOff)

PSACDELA

寫耦合表程序(CACL)

1 CLOSE(1)

1 OPENW(1,"nocken",20240)

1 REWRITE(1)

1 NUM_SLOT = 12 ;槽數(shù)

1 CAM1 = 6 ;鏟背長(zhǎng)度1

1 CAM2 = 3 ;鏟背長(zhǎng)度2

1 CAM_LEN1 = 0.8 ;鏟背系數(shù)1

1 CAM_LEN2 = 0.5 ;鏟背系數(shù)2

1 DIM STR1$(50)

1 DIM STR2$(50)

1 DIM STR11$(50)

1 PRN#(1,"#1 1")

1 PRN#(1,"#11 -3")

1 PRN#(1,"#20 1")

1 PRN#(1,"#100 0 0")

1 FOR I%= 0 TO (NUM_SLOT-1)

1 STR1$="#100"+STR$(360/NUM_SLOT*I%

+360/NUM_SLOT*CAM_LEN1)+" "+STR$(-CAM1*CAM_LEN1)

1 STR11$="#100"+STR$(360/NUM_SLOT*I%

+360/NUM_SLOT*CAM_LEN2)+" "+STR$(-CAM2 * CAM_LEN2)

1 STR2$="#100"+STR$(360/NUM_SLOT*I%

+360/NUM_SLOT) + "0"

1 PRN#(1,STR1$)

1 IF CAM_LEN2 > 0 THEN

1 PRN#(1,STR11$)

1 ENDIF

1 PRN#(1,STR2$)

1 NEXT I%

WAIT

1 PRN#(1,";")

1 CLOSE(1)

耦合樣條表(nocken)

#1 1

#11 0

#12 -3

#20 1

#100 0 0

#100 24.000 -4.800

#100 15.000 -1.500

#100 30.000 0

#100 54.000 -4.800

#100 45.000 -1.500

#100 60.000 0

#100 84.000 -4.800

#100 75.000 -1.500

#100 90.000 0

#100 114.000 -4.800

#100 105.000 -1.500

#100 120.000 0

#100 144.000 -4.800

#100 135.000 -1.500

#100 150.000 0

#100 174.000 -4.800

#100 165.000 -1.500

#100 180.000 0

#100 204.000 -4.800

#100 195.000 -1.500

#100 210.000 0

#100 234.000 -4.800

#100 225.000 -1.500

#100 240.000 0

#100 264.000 -4.800

#100 255.000 -1.500

#100 270.000 0

#100 294.000 -4.800

#100 285.000 -1.500

#100 300.000 0

#100 324.000 -4.800

#100 315.000 -1.500

#100 330.000 0

#100 354.000 -4.800

#100 345.000 -1.500

#100 360.000 0;

鏟齒功能實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。

5 HMI人機(jī)對(duì)話界面設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)人機(jī)交互功能，簡(jiǎn)化操作過(guò)程，改造后的C8955數(shù)控鏟齒車床，設(shè)計(jì)了專用人機(jī)對(duì)話菜單操作界面,輸入相關(guān)參數(shù)及加工工藝參數(shù)，即可自動(dòng)生成加工程序,具體HMI操作界面見(jiàn)圖6～圖8。

在工件參數(shù)界面可以選擇加工刀具類型，根據(jù)刀具設(shè)計(jì)圖紙輸入滾刀長(zhǎng)度、齒距、螺紋頭數(shù)、旋向、槽數(shù)、刃溝導(dǎo)程和凸輪K值等工件參數(shù)。

手動(dòng)對(duì)刀完畢后，切換到對(duì)刀設(shè)置界面，通過(guò)按鍵進(jìn)行對(duì)刀賦值，也可根據(jù)實(shí)際加工情況，進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)償。加工過(guò)程中，使用手輪干涉功能對(duì)工件位置實(shí)時(shí)干涉調(diào)整時(shí)，在界面中可顯示干涉量，便于操作者觀察。

在循環(huán)設(shè)置界面可設(shè)置8個(gè)循環(huán)組，根據(jù)加工尺寸要求靈活排布，并可設(shè)置開(kāi)始循環(huán)、結(jié)束循環(huán)及開(kāi)始循環(huán)螺紋頭或齒條滾刀起始位置。同時(shí)該界面還可顯示當(dāng)前加工的循環(huán)組、次數(shù)、螺紋頭、X進(jìn)刀量、Z進(jìn)刀量、C1軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給倍率，便于查看加工情況。

6 性能提升

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，再制造后的數(shù)控鏟齒車床的精度穩(wěn)定性和加工效率得到大幅提高，能夠滿足多品種、小批量的個(gè)性化生產(chǎn)需求。改進(jìn)后的基礎(chǔ)其性能有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)機(jī)床的穩(wěn)定性、可靠性及加工精度大幅度提升，加工后的滾刀經(jīng)檢測(cè)，能達(dá)到全行程0.04 mm、分頭0.02 mm以內(nèi)，解決了手動(dòng)鏟床易出現(xiàn)的崩尾、后背拉傷等問(wèn)題。

(2)去掉了掛輪機(jī)構(gòu)、機(jī)械分度裝置及鏟程滑動(dòng)機(jī)構(gòu)等，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行3軸3聯(lián)動(dòng)控制，使得操作簡(jiǎn)便，大幅度減少了機(jī)床準(zhǔn)備工時(shí)。

(3)參數(shù)化變量程序，人性化HMI人機(jī)對(duì)話菜單操作界面，只需輸入刀具參數(shù)及相關(guān)工藝參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)加工，無(wú)需單獨(dú)編程，簡(jiǎn)單易學(xué)。

(4)加工效率顯著提升。實(shí)現(xiàn)了一人雙機(jī)操作，減少了人工成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。特別是加工M6以下的多頭滾齒刀具時(shí)，加工效率與原手動(dòng)機(jī)床相比提高了至少2～3倍。同時(shí)在批量加工時(shí)，產(chǎn)品精度的一致性穩(wěn)定可靠。

(5)改造C8955 CNC數(shù)控鏟與進(jìn)口設(shè)備史密斯HDM-V-CNC數(shù)控鏟的實(shí)際加工采樣對(duì)比,加工時(shí)間及檢測(cè)精度(3齒距/全長(zhǎng))達(dá)到進(jìn)口機(jī)床的80%左右。

表2 數(shù)控鏟齒車床加工精度和效率對(duì)比表

7 結(jié)語(yǔ)

目前滾齒刀具生產(chǎn)廠家使用的數(shù)控鏟齒車床多為進(jìn)口設(shè)備，但隨著設(shè)備的老化，機(jī)床各項(xiàng)性能指標(biāo)，特別是絲杠導(dǎo)軌的磨損直接導(dǎo)致加工精度的下降，同時(shí)電氣系統(tǒng)件早已停產(chǎn)，如果出現(xiàn)故障損壞，很難采購(gòu)到相關(guān)配件。本文改造的C8955 CNC數(shù)控鏟齒車床的加工效率達(dá)到進(jìn)口機(jī)床的95%以上，產(chǎn)品精度與進(jìn)口設(shè)備相當(dāng)。相較改造前的手動(dòng)鏟齒車床，加工效率提高了70%，加工質(zhì)量提升了40%，并可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)，極大地提高了產(chǎn)品的加工效率。本案例的實(shí)施為高精度復(fù)雜刀具專用機(jī)床的國(guó)產(chǎn)化制造奠定了基礎(chǔ)。