数控齿轮加工中的技术关键

发表时间:2019/1/21   来源:《防护工程》2018年第31期   作者:徐跃
[导读] 齿轮是一种传递运动和动力的机械元件,在工业领域广泛应用,起着至关重要的作用。
南京高精齿轮集团有限公司  江苏  南京  210012
  摘要:近年来,随着数控加工技术的发展,其应用也在不断发展,其功能和效果越来越明显。数控加工技术可以显示出高质量、低成本、高效率、绿色环保等工业制造业的产业效应。因此,探讨齿轮加工数控系统就显得尤为重要
  关键词:数控齿轮;加工技术;应用
  
  
  前言
  齿轮是一种传递运动和动力的机械元件,在工业领域广泛应用,起着至关重要的作用。齿轮加工数控系统是数控齿轮机床的核心部分,其性能的好坏决定了齿轮加工精度、运行可靠性等。目前,国内的高档齿轮主要依赖进口,虽然其加工数控机床的机械部分技术已掌握,但数控系统的设计水平和生产水平相对薄弱,限制了我国高档齿轮生产的发展。因此,研发高档齿轮数控系统具有重要意义。
  1嵌入式齿轮加工数控系统
  1.1嵌入式齿轮加工数控系统的硬件平台
  由于windowsCE操作系统具有开发周期短、兼容性好、移植性强、良好的稳定性等优点,选择winCE6.0操作系统作为数控系统开发平台。微处理器负责完成齿轮数控系统的人机交互,包括加工参数的输入、存储和显示;另外,还负责通过网络通信模块将工作信息传送到远程服务器。DSP负责数控系统的插补处理和伺服位置控制等繁琐的运动控制,同时,为了得到更好的控制性能、加工精度和较快的处理速度,也为了软件开发更具模块性和灵活性,把人机管理界面和运动控制模块分开管理。FPGA采用并行总线的交换方式完成机床侧I/O信息的传输和接收。
  1.2嵌入式齿轮加工数控系统的软件结构
  在设计时,考虑到以后系统的可扩展性和可移植性,也考虑到模块间繁琐的数据交换而导致的程序运行效率下降,以及开发难度和模块集成费用,并结合齿轮数控加工的特点,此系统软件功能划分为3个模块,分别是ARM人机交互模块、DSP数据运算模块和机床I/O模块。
  2嵌入式系统的特点
  嵌入式系统所应用的CPU一般都是特定的,所以具备功耗低、体积小以及高集成度等优势,同时还可以通用CPU中板卡实现功能集成到某一个处理器芯片当中,进而实现移动性的工作能力;一般情况下,嵌入式系统的应用软件并不是单独储存在某一个载体上的,而是固定在某一个内存储存器的芯片当中的,这一种特点显著提升了软件的运行速度及其可靠性;嵌入式系统和特殊的应用相结合,能够面对更为广泛的用户,升级和转型也相对及时,所以使用周期比较长;对于用户而言,嵌入式系统具备较高的透明度,用户需要了解内部的设计细节以及编程操作,只需要根据相应的步骤便可以完成嵌入式系统的编程;嵌入式系统的实用性非常高,嵌入式系统和大多数工业生产之间有着较高的关联性,普遍都是将嵌入式系统当做实时控制系统来应用。
  3齿轮加工数控系统功能模块划分
  3.1自动编程模块
  通常,齿轮加工数控机床所加工的零件种类有限,所以齿轮加工具有相近性和规律性,因此,在齿轮数控加工中,主要有以下3类参数:齿轮参数、刀具参数与工艺参数。操作者从机床操作界面输入以上3类参数,该模块对其进行计算处理后,获得刀具的运行轨迹数据,然后由处理模块生成数控加工代码并进行编译,最终生成DSP能识别的数据结构,然后控制数控机床的运动,加工出符合要求的齿轮。
  3.2电子齿轮箱模块
  电子齿轮箱模块是以软件或电子电路的形式取代传统的机械式内联系传动链,这样可以避免传统齿轮加工中的累积误差造成的机床整体精度下降。该模块可以使多个数控轴按照既定的关系运动,以确保各数控轴的同步关系。另外,为了保证刀具轴与工件轴运动之间的速比关系,由刀具轴与其他进给轴的速度联合决定工件轴的速度。
  3.3通信模块
  通信模块是齿轮加工数控系统的信息传输纽带,它实现了ARM9和DSP6713间的信息传输。将动静态参数数据、PLC程序数据和NC程序数据等下发到DSP中,或者将DSP中编码器的反馈数据、PLC执行状态等上传到ARM9中进行处理和显示。
  3.4加工监控模块
  为了便于操作者及时掌握机床运行状态,此系统设计了加工监控模块。它分为3个部分:加工图形监控、机床状态监控和报警信息监控。加工图形监控包括程序坐标、机床坐标、加工余量监控和各个数控轴的跟踪误差监控;机床状态监控包括机床的本体状态和附件状态监控;报警信息监控包括报警内容、报警后故障自诊断和历史记录查询监控。
  4嵌入式齿轮加工数控系统的编程探讨
  齿轮加工当中滚齿加工是最为常见且常用的一种方式,有着径向、轴向、径向轴向、切向以及对角等多种加工方式。其中,轴向滚切的方式主要是应用在加工圆柱齿轮以及圆锥齿轮等外齿轮当中,所以后续以轴向滚切的方式作为案例进行探讨。
  4.1建立数学模型
  明确滚齿的对刀点。为了保障工件的加工精确度,规避切入时间和空行程时间过长等问题,对于对刀有着方便、准确的要求。在加工过程中,需要将滚刀对准齿胚上的顶面,然后在Z方向的位置明确X轴的具体方向和位置。在对刀的过程中,在滚刀进到齿胚的时候,需要先让齿胚运动一周之后再进行进刀,从而确保运动的正确性;②明确滚刀的加工轨迹以及计算具体坐标。以轴向滚切法为例,运动轨迹见图1。从图1可以直接发现,滚刀的运动轨迹是根据0、1、2、3、4、1的方式进行。滚刀的起点位置在机床的零点,之后快速移动到1,并切除全齿宽2,滚刀轴向运动位置到3;②退刀位置到4,一次性进给刀完成加工。对此,可以发现轨迹位置主要有5个。但是,在实际加工过程中,会因为加工齿轮类型的不同,在关键位置及其数量也会存在明显的差异,需要按照实际情况选择。
  
  图1轴向滚切法滚刀的运动轨迹
  一般情况下,需要在加工之前对滚齿加工过程中的功能需求进行分析和总结,基本明确编程模块的主要参数、参数检查以及参数处理等过程。首先,需要建立齿轮参数的输入界面、滚刀参数输入界面以及工艺参数界面等信息的准确性,以便于操作人员能够及时对齿轮参数进行核对。为了确保输入的参数能够满足齿轮加工的需求,自动编成编程模块可以在操作者输入参数之后自动检查参数是否存在错误,并且这一功能模块还能够及时提醒用户数据是否存在错误以及错误的原因,直到操作者能够输入正确的参数为止。参数的处理主要是滚刀加工轨迹以及加工关键点的处理以及分析,并将处理的结果生成数控代码,同时对程序的代码进行翻译,生成能够应用到DSP的信息数据,并借助通信模块翻译之后发送到DSP的缓存区,为后续的刀具运行提供准备。
  结束语
  综上所述,嵌入式的齿轮加工数控系统具备非常多的优势,其在制造业的应用中能够展现许多的特点,可以实现降低材料的去除率、降低加工时间以及控制加工成本等效果。在实际的应用中,嵌入式的齿轮加工数控系统仍然可能因为各种因素而遭受影响,例如在滚齿自动编程方面需要持续改进,将自动编程技术真正应用到滚齿的加工环节当中,为今后齿轮加工控制系统的精度提供相应基础。
  参考文献:
  [1]王鹏飞,贾琛.基于嵌入式的齿轮加工数控系统的研究[J].煤矿机械,2016,37(3):57~59.
  [2]杨清艳.螺旋锥齿轮数控加工及精度控制关键技术研究[D].合肥工业大学,2015.
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