鼓形齒輪是一種廣泛用于齒式聯(lián)軸器、齒式接軸等基礎(chǔ)件中的重要零件。加工這種齒輪,除了可用較昂貴的數(shù)控滾齒機外, 許多廠家都采用在普通滾齒機上安裝仿形板并手搖機床立柱來實現(xiàn)。這種方法存在立柱進給靈敏度差、工件齒面粗糙度高、仿形板規(guī)格繁多、操作費精力等弊端, 特別是工件尺寸愈大, 弊端愈突出。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展, 近10 年來部分高校和廠家開始探索數(shù)控改造普通滾齒機加工鼓形齒輪, 為這一問題的解決開辟了新的途徑。
1.基本原理
根據(jù)鼓形齒輪的成形原理, 在普通滾齒機原分齒傳動鏈的基礎(chǔ)上, 按照數(shù)控理論中兩坐標(biāo)圓弧插補原理, 對機床的刀架垂直進給和立柱水平進給進行微機控制改造, 實現(xiàn)鼓形齒輪加工。
Y 38 A 最大加工直徑為小s o o m m , 最大滾切模數(shù)為m 6 , 滾刀轉(zhuǎn)速為4 7. 5 ~ 1 9 2 r / m in , 刀架垂直進給量為0. 25 ~ 3. o m m / r 。工件模數(shù)為m Z ~ m 6 , 直徑一般不超過爭5 5 o m m , 齒根母線輪廓度允差為士0. 03 ~ 士0. l om m , 對稱度允差為1 ~3 m m。按工件精度和切削力的計算一, 參考國內(nèi)外數(shù)控滾齒機的拖動方式, 采用步進電機驅(qū)動的開環(huán)伺服系統(tǒng)。改造原理如圖1 所示。
綜合考慮滾切中對機械進給系統(tǒng)跟隨性、快速性的要求及改造成本等因素, 系統(tǒng)的主要參數(shù)定為: (l) 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量δp. 0.05 m m /s t e p ; (2 ) 步進電機步距角φ=1. 5 ° ; (3 ) 起動時間常數(shù)r=25 m s ; (4) 空載快速移動Vr =0. 8m / m in 。
2.機械改造
數(shù)控機床的進給系統(tǒng)應(yīng)滿足無間隙、低摩擦、高剛度、高諧振等基本要求。由此可知, 需要完成的機械改造主要包括滑動絲杠改滾珠絲杠、蝸桿一蝸輪副改為雙導(dǎo)程漸開線蝸桿一斜齒輪副和傘齒輪副中增加軸向調(diào)整環(huán)節(jié)、滑動軸承均改為滾動軸承、增加兩個單級減速機, 滿足系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。改造后的進給系統(tǒng), 起動力矩小, 傳動精度高, 絲杠剛度好, 各齒輪嚙合間隙均可調(diào)整。
通過切削力計算、水平進給計算, 選1 3 o BF 0 01 型反應(yīng)式步進電機。由啟動矩頻特性可知, 在2 6 6 7H z 下啟動時扭矩不到ZN·m , 不能滿足拖動需要。所以電機驅(qū)動采用高、低壓功放電路, 并設(shè)置速度控制子程序, 以避免啟動時產(chǎn)生失步。
3.硬件電路
硬件電路由微機(單板機)、外設(shè)、信號變換電路及輔助電路幾部分組成, 構(gòu)成一個完整的簡易數(shù)控系統(tǒng), 完成程序的輸入與處理、顯示、電機驅(qū)動等一系列功能。
單板機及外設(shè) 專用單板機主要由微處理器、存儲器、輸入輸出接口及總線等組成,它也可用T B 80 1 改制而成。微處理器選用機床改造中常用的8 位芯片Z so C PU , 其時鐘頻率為ZM H z ; 存儲器選用ZK x s 位的6 1 1 6 R A M 2片、ZK x s 位的2 7 1 6 E PR O M 3 片, 6 1 1 6 用于調(diào)試程序, 2 7 1 6 用于存放監(jiān)控程序、功能子程序及加工程序; I/ O 接口選用Z s o PIO Z 片, 一片用于步進電機功放電路聯(lián)接, 另一片用于輔助電路(如行程控制、指示等) 聯(lián)接; 內(nèi)存譯碼器和1/ 0 譯碼器均選用74 L S 1 38。
外設(shè)主要有28 鍵鍵盤和2 x 6 個7 段數(shù)字管(L E D ) , 6 個數(shù)字管中, 第1 位顯示正負(fù)號,第2 、3 、4 位顯示整數(shù), 第5 、6 位顯示小數(shù)。
(2 ) 驅(qū)動電路步進電機啟動過程中, 為了使勵磁電流保持一定的上升速度, 保證電機具有較大的輸出扭矩。驅(qū)動電路采用雙電源功放電路, 即在勵磁初期的短時間內(nèi)用高電壓驅(qū)動, 達到額定電流時切換到低電壓。本改造中選用w BQ Z 一0 3 型五相步進電機驅(qū)動電源,其高壓驅(qū)動電路由預(yù)置放大、微分電路、前置放大、高壓功放組成, 低壓驅(qū)動電路由預(yù)置放大、射極輸出器、低壓功放組成。為了防止強電及干擾信號通過1/ 0 回路進入微機而影響正常工作, 在1/ 0 接口與驅(qū)動電路、輔助電路之間均設(shè)有G O 1 01 三極管光隔離器, 以阻斷干擾信號的傳導(dǎo)。
4.軟件設(shè)計
整個軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計, 它包括主程序模塊、子程序模塊及加工程序模塊三大部分。主程序中有監(jiān)控程序和初始化程序, 前者包括L E D 顯示管理程序、鍵盤管理程序、二進制與十進制轉(zhuǎn)換程序等, 后者包括PI O 初始化、C T C 初始化、鍵盤和L E D 緩沖區(qū)初始化及標(biāo)志位初始化程序等。子程序包括中斷子程序、行程控制子程序及報警子程序等。
加工程序按被加工零件的加工工藝編制,這里包括圓弧插補程序、環(huán)形分配子程序及延時子程序等。
( 1 ) 插補計算滾切鼓形齒時, 滾刀中心的運動軌跡為半徑R 的圓弧
運用逐點比較法, 可計算出滾刀中心軌跡I 和N象限中的圓弧插補值, 其結(jié)果如下表:
(2)電機控制與加工程序框圖步進電機用內(nèi)存中的控制字F CW 控制運行狀態(tài)。在8位FCW 中, D 。和D Z 分別為X 向和Z 向的轉(zhuǎn)動與停止控制位, D l 和D 3 分別為X 向和Z 向的方向控制位。
電機通電方式為五相五拍, 采用軟件環(huán)形分配器實現(xiàn), 通電狀態(tài)用I/ O 口的輸出數(shù)據(jù)控制, 即一個輸出數(shù)據(jù)對應(yīng)一種通電狀態(tài)。欲使電機正向連續(xù)轉(zhuǎn)動, 1/ 0 口循環(huán)輸出01 H →o ZH → o 4 H →o 8 H →lo H →o 1 H ? ? 各狀態(tài)碼。
欲反向轉(zhuǎn)動, 狀態(tài)碼順序相反。改變各狀態(tài)碼之間的間隔時間, 可改變電機轉(zhuǎn)速, 以滿足各種切削進給速度。
間隔時間由延長子程序控制,也可利用C T C 定時器控制。加工程序中的圓弧插補主程序框圖如圖2 所示。
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