数控齿条成形磨齿机PLC控制系统的研制

华中科技大学硕士学位论文数控齿条成形磨齿机PLC控制系统的研制姓名：孙立杰申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：冯清秀2011-01I华中科技大学硕士学位论文摘要目前国内齿轮齿条很大程度上在普通机床磨削加工，精度质量等难以保证。在普通磨齿机上增加自动化控制系统，采用成形法磨削齿条可以精简机床机械结构，减少传动链误差，提高齿条磨削精度。本文分析了国内外齿条成形磨齿机的发展情况和成形法磨齿加工原理，研发了数控齿条成形磨齿机。首先，根据齿条成形磨削工艺，提出了数控齿条成形磨齿机的控制系统框架。数控成形齿条磨齿机以可编程控制器（PLC）为控制核心，完成成形砂轮的旋转运动、工作台的分齿定位运动和液压缸的纵向进给运动，通过人机界面输入命令和加工数据，辅以操作面板方便安全进行操作。其次，基于磨齿机控制系统结构和加工要求，选取硬件构建通讯系统，规划电气线路并设计了软件程序。硬件结构由可编程控制器、光栅尺、触摸屏和交流伺服驱动系统组成。控制系统的软件设计包括：人机界面和PLC控制程序编制。昀后，深入研究了基于PLC的工作台分齿精度控制技术，详细讨论了光栅尺与伺服电机、滚珠丝杠全闭环控制的实现。数控齿条磨齿机可以满足企业对齿条磨削高质高效的要求，为国内数控成形齿条磨削技术的发展提供了重要的参考，具有很高的研究价值。关键字：数控齿条磨齿机成形法可编程控制器光栅尺触摸屏II华中科技大学硕士学位论文AbstractNowthedomesticrackisoftengroundonthegeneralmachine,theprecisionandqualityofrackisdifficulttoguarantee.Addingtheautomaticcontrolsystemontheoriginalgrindingmachineandemployingtheformingtechnologycanshortenthemechanicalstructure,reducetheerroroftransmissionchainandimprovethegrindingprecisionofrack.Basedontheanalysisofrackformgrindingmachineathomeandabroadandthestudyoftheformgrindingprinciple,NCrackformgrindingmachineisproposed.First,reliedupontherackformingtechnology,thecontrolsystemframeisbuilt.Programmablelogiccontroller(PLC)servesasthecoreoftherack-groundmachine’scontrolsystem.UnderthecontrolofPLC,therotationofgrindingwheel、thestraight-linemotionofgrinderworktableandthelongfeedmotionofoilcylinderarefinished.Thetouchscreenwasappliedtoinputcontrolcommandsandworkdata,theoperationtableaidedtoeasilyandsafelymanipulatethemachine.Second,consideringthecontrolsystemstructureandprocessrequirementofrack-groundmachine,thepaperchoosesthehardware，constructsthecommunicationsystemanddesignstheelectriclines.Inaddition,thesoftwareofcontrolsystemiswritten.ThehardwarestructureiscomposedofPLC,gratingscale,touchscreenandalternating-currentservodrivingsystem.ThetouchscreeninterfacesandPLCcontrolprogramsconstitutethesoftwarepartofthecontrolsystem.Third,thepaperdeeplyresearchesontheteeth-separatedprecisioncontrolmethodofworktablebasedonPLCanddiscussesthefullclosedloopcontrolofgratingscale,servo-motorandballscrewshaft.TheNCrackformgrindingmachinecanmeethighqualityandefficientbusinessrequirements.Inaddition,themachineprovidesimportantreferenceforthedevelopmentofrackgrindingtechnologyandpresentshighresearchvalue.Keywords:numericalcontrol(NC)rack-groundmachine,formgrinding,programmablelogiccontroller(PLC),gratingscale,touchscreen√独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：2011年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：2011年月日日期：2011年月日1华中科技大学硕士学位论文1绪言1.1前言齿条传动是机械传动中重要的一种传动形式。相比其他的机械传动形式，齿条传动工作可靠、寿命较长，传动比稳定、传动效率高，适用的功率和速度范围大，因此齿条传动广泛应用于飞机、汽车、精密仪器仪表、冶金、矿山、船舶和发电等行业，成为不可或缺的机械传动部件之一。常规的齿条加工工艺一般为：滚齿-剃齿-热处理-完成；滚齿-磨齿[1]。磨齿和剃齿是目前齿轮精加工非常成熟的加工工艺。磨齿与剃齿相比，磨齿更多用在热处理后齿形型面的精加工上，消除热处理变形等造成的影响，全面修正磨前各种误差得到较高的加工精度[2]。虽然热处理前剃齿可以达到齿形、齿向精度要求，但热处理的变形精度难以保证。根据齿形加工原理，磨削齿条可分为成形法和展成法，其中成形法把砂轮修成齿条的齿槽渐开线形状来磨削工件形成渐开线齿形，展成法则以内联系传动链约束砂轮和工件作规定的啮合运动在工件上加工出齿形。因此成形法磨削齿条减少了传动链，使得机床结构相对简单，具有高效、高精度和低成本等优点。1.2国内外成形磨齿机发展现状1.2.1国外成形磨齿机的发展概况20世纪成形砂轮磨齿机和蜗杆砂轮磨齿机相继出现，使得磨齿效率得到极大地提高，作为一种精加工齿轮加工工艺得到了更广泛的使用。80年代早期德国卡普的电镀CBN成形磨齿机问世有效地解决了斜齿轮加工过程中，砂轮直径变则形状必须变的问题，但砂轮成本高，加工范围小，灵活性比较差。中末期，数控磨齿机领域著名公司霍夫勒（Hofler）在机床展销会上推出了CNC化的砂轮修整器磨齿机，磨齿机的分齿、修整和磨削均采用数控化，其Nova系列磨齿机的齿向和齿距误差仅为1μm[3]。数控砂轮修整器在成形磨齿机的发展中起了关键作用。它和加工软件相辅相成，齿轮和齿条磨削范围广，精度高。2华中科技大学硕士学位论文图1.1霍夫勒NOVA1000数控磨齿机万能性是成形数控磨齿机的又一特点。意大利Sanputensili（简称SU）公司的SG系列数控磨齿机是目前欧洲很成熟的万能型CNC磨床，它可以更换不同的砂轮，既可以用片状成形砂轮，也可以用电镀CBN砂轮，甚至还能用蜗杆砂轮实现展成加工，可加工正齿轮、斜齿轮以及齿形和齿向有修正要求的中途齿轮和鼓形齿轮[3]。机床主轴昀高转速18000r/min，采用西门子840D系统，直线电机驱动系统和光栅动态监测系统，加工精度达到DIN3962之4级。除此之外，磨齿机带有一整套的内外齿检测系统，支持远程故障排除和软件维护。图1.2SUS375G数控成型磨齿机德国的尼力斯（Niles）是以制造锥面砂轮磨齿机享誉全球的著名企业，它与卡普（KAPP）公司重组成立卡普-尼力斯集团，CNC成形磨齿机成为其核心产品，ZE和ZP系列的成形磨齿机迅速问世[3]。ZE系列加工的昀大齿轮直径达1200mm，昀大模数3华中科技大学硕士学位论文15mm，用户可将加工参数输入CNC,并配合独特的人机界面实现操作[4]。ZP系列加工范围更加广泛，ZP12可磨削直径2500mm以下的齿轮，双成形砂轮磨削极大提高了加工效率。图1.3KAPP-NILESZP12成形砂轮磨齿机1.2.2国内成形磨齿机的发展概况我国从上世纪七十年代开始研究数控磨齿机，其中秦川机床厂和重庆机床厂是国内成形砂轮磨齿机的主要生产基地。重庆机床厂是国内齿轮机床行业的排头兵，该机床厂由原来的滚、剃、插齿向现在的成形砂轮磨削加工发展，成功设计了YK7320数控成形砂轮磨齿机，以单分度原理加工直齿和斜齿圆柱齿轮、鼓形齿，锥齿轮和带沟槽的人字齿轮等，加工时采用人机交互界面进行磨削方式的选择，进口数控系统闭环和半闭环控制实现六轴三联动。YK7332A磨齿机是秦川机床厂昀早研制的CNC成形砂轮磨齿机，它的万用性能好，精度和效率高，能够满足对齿形修形，齿根、齿顶过渡部分的有特殊要求的高精度齿轮加工，带有专用的成形磨削专家系统，采用成形砂轮数控修正技术实时修整砂轮，保证了砂轮和滚轮的优化匹配。我国目前昀大规格的高精度CNC成形磨齿机是YK73125，它在2005中国国际机床展览会（CIMT）中展出，昀大磨削直径达1500mm，加工精度达到5级，采用闭环控制实现六轴全数控，并配有随机测量系统。机床应用了闭式静压4华中科技大学硕士学位论文导轨，确保了工作轴运动的高刚性和高灵敏性的要求[5]。YK73125填补了我国在大型磨齿机方面的空白，用于冶金、机车、化工、船舶、航空航天及军工等行业重型机械传动高精度齿轮加工。图1.4秦川机床厂YK71325成形砂轮磨齿机1.2.3成形磨齿机的发展趋势高自动化，高速化、加工方式复合化和人性化使用是目前成形砂轮磨齿机发展的总体趋势，具体表现为：1）高自动化为了昀大限度发挥磨齿机的功效，全数控化控制正成为磨齿机发展的潮流，可控轴数越来越多。例如Oerlikon-MAAG公司磨齿机CNC可以控制11根轴。另外，现在的成形砂轮磨齿机表现为机械设备和多种辅助技术的一体化结合。在线实时测量技术、加工余量自动分配技术的应用都可以节省成形磨齿的调整时间，这在大型齿轮加工时效果特别明显。2）高速化目前市场对磨削齿轮效率有较高要求，因此需要在成形磨削中高速度磨削齿轮齿条。据统计，成形砂轮磨削速度均已达到了50m/s。3）加工方式复合化5华中科技大学硕士学位论文德国卡普（KAPP）的KX300磨齿中心、意大利三浦坦斯利（Samputensili）的S400GT和利勃海尔（Liebherr）的L