NUM控制系統(tǒng)的滾齒機數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

梁 媛，孫建業(yè)，祝 輝

(沈陽理工大學(xué)遼寧省高速切削工程技術(shù)研究中心，遼寧沈陽110159)

滾齒機是用來加工各種齒輪的專用機床，可加工直齒、斜齒、人字齒等各種齒型齒輪，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械及航天工業(yè)等領(lǐng)域。齒輪因其形狀復(fù)雜，技術(shù)問題多，制造難度較大，所以制造水平在較大程度上反映了一個國家機械工業(yè)的水平。傳統(tǒng)的機械滾齒機床主電機不僅驅(qū)動展成分度的傳動鏈，還要驅(qū)動差動和進(jìn)給傳動鏈，復(fù)雜的傳動鏈導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、調(diào)整困難，無法適應(yīng)現(xiàn)代加工的需求。數(shù)控滾齒機傳動比關(guān)系通過數(shù)控技術(shù)的電子齒輪實現(xiàn)展成運動，由于傳動鏈的縮短簡化了結(jié)構(gòu)，增強了剛性，可加大切削量。

1 滾齒機硬件構(gòu)成

滾齒機的機械部分由床身、立柱、主軸、工作臺、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)構(gòu)成，有直線軸X、Y、Z及旋轉(zhuǎn)軸A、C，圖1為一個立式滾齒機結(jié)構(gòu)圖。滾齒是在毛坯旋轉(zhuǎn)的情況下由推進(jìn)齒條成型工具(滾刀)生成齒輪。齒輪面寬的形成由刀具與齒輪毛坯的連續(xù)同步運動完成，可生成不同的齒輪如直齒、螺旋齒或蝸型齒。滾齒機的CNC采用法國NUM 1040 POWER HG控制系統(tǒng)，系統(tǒng)提供的軟件工具能滿足滾齒機的加工工藝要求，電齒輪箱同步功能可實現(xiàn)滾刀軸、Y軸、Z軸與C軸的同步關(guān)系。

圖1 滾齒機機械結(jié)構(gòu)圖

A軸:滾刀軸回轉(zhuǎn)，刀頭旋轉(zhuǎn)以調(diào)整到合適的齒輪旋轉(zhuǎn)角度。在滾齒時，必須保持滾刀刀齒的運動方向與被切齒輪的齒向一致。由于滾刀刀齒排列在一條螺旋線上，刀齒的方向與滾刀軸線并不垂直，所以必須把刀架旋轉(zhuǎn)一個角度使之與齒輪的齒向協(xié)調(diào)。滾切直齒輪時，旋轉(zhuǎn)的角度就是滾刀的螺旋升角;滾切斜齒輪時，還要根據(jù)斜齒輪的螺旋方向及螺旋角的大小來決定旋轉(zhuǎn)角度的大小及旋轉(zhuǎn)方向。

C軸:工作臺回轉(zhuǎn)，保證加工過程中工件的分度運動。其運動速度和滾刀的旋轉(zhuǎn)速度需保持齒輪與滾刀的嚙合關(guān)系。對于單線滾刀，當(dāng)滾刀每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，齒坯需轉(zhuǎn)過一個齒的分度角，即1/z轉(zhuǎn)(z為被加工齒輪的齒數(shù))。

S軸:滾刀主軸繞其自身軸線的旋轉(zhuǎn)運動。齒輪滾刀是一種專用刀具，每把滾刀可加工模數(shù)相同而齒數(shù)不等的各種直齒或斜齒漸開線外圓柱齒輪。

X軸:徑向進(jìn)給運動，徑向進(jìn)刀決定切深，一般為獨立運動。

Y軸:切向進(jìn)給運動。其移位是為滿足對角線滾切和切向進(jìn)給切制蝸輪的要求而設(shè)置，它要求工作臺產(chǎn)生附加運動，并且在對角線滾切時與垂直進(jìn)給運動成比例關(guān)系。

Z軸:軸向進(jìn)給運動。在加工循環(huán)中通過齒輪刀具軸向移動，即滾刀沿工件軸線自上而下的垂直移動，這是保證切出整個齒寬所必須的運動［1］。

2 滾齒機的軟件設(shè)計

NUM控制系統(tǒng)提供軟件開發(fā)工具PLCTOOL、MMITOOL。PLCTOOL可方便編寫PLC程序、零件加工程序、系統(tǒng)參數(shù)或進(jìn)行高級語言C的編程，它是后臺處理程序必不可少的工具。MMITOOL主要用于創(chuàng)建控制系統(tǒng)的人機界面，它可通過內(nèi)部圖形庫或自定義的圖形庫進(jìn)行鏈接，對系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，可根據(jù)用戶要求編輯人機對話界面，使用戶更容易操作。

2.1 人機界面

滾齒機屬于專用機床，可根據(jù)用戶具體工藝要求編寫針對滾齒加工的中文界面，NUM控制系統(tǒng)的MMITOOL軟件是基于VB控件基礎(chǔ)上的工具軟件，它可編輯與NUM系統(tǒng)進(jìn)行通訊而獲取各種變量的人性化界面，通過使用MMITOOL工具實現(xiàn)參數(shù)的輸入和顯示，并能直接將輸入的加工參數(shù)放入指定的E參數(shù)，加工程序可在后臺編制，對機床的編程和操作非常方便，操作者根據(jù)界面顯示進(jìn)行操作，非常直觀簡潔。圖2為軸運動顯示界面。

圖2 運動顯示界面

圖3為滾齒加工參數(shù)設(shè)置界面。

圖3 滾齒加工參數(shù)設(shè)置

以參數(shù)“齒數(shù)”為例介紹制作方法，先在圖形層建立輸入框，并定義其為“齒數(shù)”;然后在變量層建立兩個請求變量，分別用于輸入和顯示，兩個中間變量，用于數(shù)據(jù)交換;再設(shè)置各個變量的屬性，就可將操作者輸入的“齒數(shù)”放入NUM系統(tǒng)的“E56001”中，并將輸入的數(shù)值顯示到中文界面里［2-3］。

2.2 滾齒機的同步關(guān)系

對于滾齒機，S、Y、Z三軸為主動軸，C軸為跟隨軸。同步時，引導(dǎo)軸與跟隨軸之間的耦合關(guān)系如式(1)

式中:E81951為滾銑刀頭數(shù);E81952為被加工齒輪齒數(shù);E81953為坐標(biāo)軸Y從動系數(shù);E81954為坐標(biāo)軸Z從動系數(shù);E81955為同步比例系數(shù);Dc為C軸位置，(°);Ds為滾刀軸位置，(°);Dy為 Y軸位置，mm;Dz為Z軸位置，mm。

加工不同齒輪時，需要不同的軸有同步關(guān)系，各坐標(biāo)軸與C軸的嚙合關(guān)系也不同。

2.2.1 滾刀軸與C軸同步

機床進(jìn)行滾齒加工的關(guān)鍵在于實現(xiàn)滾刀和工件之間的展成分度關(guān)系，準(zhǔn)確滿足兩者之間的數(shù)比關(guān)系，即滾刀轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，工件轉(zhuǎn)過K/Zc轉(zhuǎn)，如公式(2)所示［4］

式中:Nc為工件轉(zhuǎn)速;Ns為滾刀軸轉(zhuǎn)速;Zc為被加工工件齒數(shù);K為滾刀頭數(shù)。

對于NUM系統(tǒng)，C軸按照公式(3)關(guān)系跟隨主軸旋轉(zhuǎn)，式中的滾銑刀頭數(shù)及齒輪齒數(shù)用NUM系統(tǒng)中有讀寫功能的外部E參數(shù)設(shè)置，E參數(shù)中的數(shù)據(jù)必須在零件加工程序中使用才能使人機界面中的輸入數(shù)據(jù)有效。E參數(shù)可在零件加工程序中直接使用，也可將E參數(shù)賦值給L變量，然后在程序中與L變量一起進(jìn)行編程，參與算術(shù)運算、函數(shù)運算、邏輯運算。

2.2.2 Y軸與C軸同步

Y軸用于對角線滾刀或帶有一個錐形刀具的滾輪滾刀。C軸按公式(4)的關(guān)系跟隨Y軸移動。

式中:a為齒輪螺旋角，(°);b為垂直于齒輪齒的刀具軸角，(°);DP為齒輪直徑，mm。

2.2.3 Z軸與C軸同步

當(dāng)要求加工斜齒齒輪時，C軸按公式(5)關(guān)系跟隨Z軸移動。

2.3 滾齒機加工程序

電子齒輪箱的編程語法:G181-C軸與滾刀軸S及Z軸同步，G185-C軸與滾刀軸S及Y軸同步，G180-撤銷同步。

以滾齒加工程序為例:

其中:G181軸向同步許可;

滾齒加工時操作者只需在滾齒參數(shù)界面設(shè)置各項參數(shù)，通過按鈕同時運行滾齒同步及滾齒加工程序即可［5］。

3 結(jié)束語

采用NUM系統(tǒng)的電子齒輪箱功能，使?jié)L齒機不需要改變機械結(jié)構(gòu)就可以加工多種類型的齒輪，簡化了機床的機械傳動結(jié)構(gòu)，提高了機床的加工精度及柔性。編制針對滾齒機床的專用界面及加工程序，輸入所需的加工參數(shù)，即可進(jìn)行零件加工，實現(xiàn)了操作者的零編程。

［1］宋鹍，張根寶，劉潤愛，等.基于直接驅(qū)動技術(shù)的數(shù)控滾齒機同步運動控制研究［J］.機床與液壓，2006，(11):7-9.

［2］朱秀琳，文懷興，孫波.數(shù)控磨齒機人機界面的開發(fā)［J］.制造技術(shù)與機床，2004，(5):98-99.

［3］文懷興，米華杰.基于NUM磨齒機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)［J］.制造技術(shù)與機床，2006，(4):101-103.

［4］王少江，候力，匡紅.滾齒機控制系統(tǒng)的數(shù)字化研究［J］.機床與液壓，2009，37(7):42-44.

［5］周喜忠.數(shù)控機床的編程與操作［M］.沈陽:東北大學(xué)出版社，2004.