基于PMAC的蝸桿砂輪磨齒機數控系統設計

2014-07-18 06:08:26吳焱明董相文孫云云

機床與液壓 2014年11期

吳焱明，董相文，孫云云

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009)

蝸桿砂輪磨齒機是一種高效率、高精度的磨齒機，它采用連續展成法原理，將蝸桿砂輪與工件齒輪進行嚙合，進而對工件進行加工，適用于各種漸開線圓柱齒輪的精密磨削［1］。

現有一臺傳統的機械式磨齒機，采用蝸輪蝸桿機構分度，為無差動結構的機床，在使用過程中發現磨削出來的斜齒輪精度普遍比直齒輪低半級到一級。為此，可以利用電子齒輪來代替原來的蝸輪蝸桿分度機構［2－3］，對其進行數控化改造。為了提高斜齒輪的磨削精度，可進一步利用數控技術的優勢，通過機床多軸聯動，實現切向差動磨削［4］，獲得與直齒輪相當的斜齒輪磨削精度。

1 機床結構

需要改造的蝸桿砂輪磨齒機的軸系結構如圖1所示，砂輪主軸B軸是磨削刀具軸，系旋轉運動;工件軸C軸，為工件齒輪的旋轉軸;砂輪架進給軸X軸，系直線運動;切向位移軸Y軸，系直線運動，用以在切向差動磨削工件時進行切向移位;工件走刀軸Z軸，系直線運動。用以工件的上下走刀;修整走刀軸V軸，系直線運動;改造后，以上六軸均由伺服電機帶動滾珠絲杠進行運動，通過伺服編碼器反饋脈沖。修整進刀軸U軸，系直線運動，在修整砂輪時，手動完成修整器的進刀;工件架回轉A軸，在磨削斜齒輪時，手動調整工件架的角度等于斜齒輪的螺旋角。

圖1 蝸桿砂輪磨齒機的軸系示意圖

2 控制系統硬件設計

由于蝸桿砂輪磨齒機的加工精度需求較高，并且實現斜齒輪的切向差動磨削需要進行四軸聯動［4］，故控制系統核心硬件選用PMAC運動控制器系列中的IMAC Flex，可同時控制8個伺服電機運動，具有32個輸入點與32個輸出點;由于磨削和修整過程中所計算和使用的參數較多，故決定選用工控機為上位機;控制系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件圖

控制系統主要由IMAC Flex運動控制器、工控機、安川伺服驅動器、手輪和輸入輸出元件等組成。其中IMAC Flex包括DTC-1C通信模塊、DTC-2I4A伺服模塊、DTC-24I4A伺服模塊、DTC-32I輸入模塊和DTC-32O輸出模塊。

工控機采用以太網與DTC-1C通信模塊進行連接，在Windows平臺上運行上位機軟件，用來計算并保存磨削和修整所使用的參數，并且運用這些參數自動編寫PMAC所能執行的磨削過程和修整過程的運動程序，下載到PMAC中運行;除此以外，選用的工控機具有兩個以太網卡，將其同時與PMAC和因特網進行連接，方便進行設備的遠程調試與故障診斷。

手輪是為了方便用戶調整機床和對刀而設置的。手輪發出的脈沖信號輸入到DTC-1C通信模塊專用的手輪端口HM端口中，手輪上的軸選擇信號和手輪倍率信號輸入到DTC-32I輸入模塊中，PMAC根據所選擇的倍率控制所選擇的軸進行運動。

選用安川伺服電機作為驅動元件，將伺服驅動器和各軸的原點、正負極限、伺服報警等信號連接到伺服模塊，設置電機為速度控制模式［5］;通過將反饋脈沖輸入到PMAC中，從而進行全閉環控制，并且整定PID等控制參數［6］，進而達到較高的控制精度。

系統的輸入點主要包括:(1)手輪的倍率信號、軸選擇信號和手輪許可等，總共11個;(2)磨削、修整、急停、腳踏等開關按鈕信號，總共9個。這20個輸入信號都是輸入到DTC-32I模塊中。

系統利用DTC-32O模塊輸出的信號合計有21個，主要有以下3類:(1)11個開關量控制系統中各類電磁閥，實現開機潤滑、砂輪夾緊、工件夾緊、定時潤滑、修整讓刀等功能;(2)機床指示燈信號，3個開關量指示機床當前所處的狀態;(3)7個開關量信號控制伺服電源、潤滑泵、冷卻泵、過濾器、修整電機等啟停。

3 控制系統軟件設計

圖3 軟件系統模塊

通過對整個磨削加工過程和PMAC指令進行分析，決定采用C#編寫整個控制系統軟件并采用模塊化結構;設計了如下模塊:數據輸入、型號選擇手動調整、自動磨削、砂輪修整、I/O診斷，軟件系統模塊如圖3所示。

下面對各模塊的功能進行介紹:

(1)數據輸入。主要包括齒輪參數、砂輪參數、齒輪加工過程參數和砂輪修整過程參數等數據的設置。其中齒輪參數主要包括齒輪的齒數、模數、壓力角、螺旋角、變位系數等;砂輪參數主要包括砂輪的模數、頭數、寬度、外徑等;齒輪加工過程參數主要包括總磨削余量、精磨余量、進刀量和磨削速度等;砂輪修整過程參數主要包括修整時砂輪的轉速、修整的位移量、修整的進給量等參數。這些數據都保存到數據庫中。

(2)型號選擇。當用戶需要加工某種型號的齒輪時，只需要從數據庫中調出該型號對應的數據即可，不必再次設置各項參數，提高了加工的效率。

(3)手動調整。用戶可以通過按鈕或者手輪來移動各軸，進行如點進、點退、快進、快進、回原點等操作，從而手動完成磨削對刀和砂輪修整對刀;同時，還可以查看和設置PMAC的相關參數。

(4)自動磨削?？刂葡到y軟件根據所選工件型號中對應的齒輪參數、砂輪參數和齒輪加工過程參數等，自動編寫工件磨削的PMAC運動程序，下載到PMAC中運行，從而通過伺服電機帶動B、C、Y、Z四軸聯動，并且自動在工件上下行程的兩端移動X軸來完成進刀，提高了加工的效率;同時顯示磨削過程參數與磨削進程信息，方便用戶觀察。

(5)砂輪修整。砂輪使用一段時間后會出現磨損，需要對砂輪進行修整。用戶手動完成砂輪修整對刀后，控制系統軟件根據所選的砂輪參數和砂輪修整過程參數等，自動編寫砂輪修整的PMAC運動程序，下載到PMAC中運行，從而通過伺服電機帶動B、V兩軸按照嚴格的速比進行運動，并且通過手動移動U軸來完成修整進刀，提高了砂輪修整的精度和效率。

(6)I/O診斷。查看和操作機床所有的輸入與輸出信號，同時可查詢機床的報警信息，并且自動提示報警產生的可能原因與解決辦法。