YK2250型铣齿机X轴传动系统设计毕业设计论文.docx
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YK2250型铣齿机X轴传动系统设计毕业设计论文
使用PLC模块控制转盘切削以三轴数控铣床加工的螺旋锥齿轮
摘要数控加工,如今更多地利用“机电一体化”。
结合数控,机械,电力,数据处理系统导致新的生产方法。
近年来,数控的发展已经使人们有可能执行螺旋锥齿轮切割的非线性修正运动。
本文中,我们试图使用接口有一额外以传统间断多刀切割方法为基础的PLC模块的三轴数控铣床来制造螺旋锥齿轮,此方法是通过使用接口有索引工作头的万能铣床来完成的。
这项研究由四项组成:
(一)螺旋锥齿轮的几何模型,
(二)使用CAD/CAE系统模拟传统和我们的新的非传统方法,(三)数控加工工艺规划和PLC编程,(四)用被用来发掘目前方法有效性的三轴数控铣床进行实验削减。
结果表明发明实验切割SBGs的方法不仅在成本上比先进的数控加工便宜,而且相比较传统切割在短时间内可以生产出齿轮来。
因此,在制造SBGss上这是一个经济的方法。
关键词齿轮制造螺旋锥齿轮CAD/CAM/CAE技术数控PLC中交流电动机逆变器近距传感器光电传感器旋转编码器
1引言
齿轮是工业机械上在平行,交叉,交错的十字轴间作为机械动力和运动传输的重要和精密机械。
虽然在视觉上不常见,齿轮仍旧是我们文明社会中最重要的机械元件之一。
他们在各种各样的条件下可以以几乎无限的速度运转。
用来开发生产齿轮的机器和流程是大多数现有精巧创造中的一种。
无论大批量还是小批量,在单元格内还是在车间批次作业,齿轮制造过程的顺序都要求四套操作:
[1]
1.落料
2.切齿
3.热处理
4.磨削
根据它们的类型和应用或所需的强度和阻力,齿轮可通过铸造,挤压,锻造,粉末冶金,塑料模具,齿轮滚动,和机加工制造。
在这些工艺中,机加工是更经常用于高精密齿轮的加工方法[2]。
在各种各样的齿轮中,螺旋锥齿轮是最复杂的类型,并且用于在有角度的交叉轴间传递回转运动。
SBGs有沿牙齿的长度纵向弯曲的牙齿。
这些齿轮比直齿品种的主要优势在于事实上更多的牙齿接触的同时,由于牙齿的曲线形轮廓,所以在交配的齿轮间光滑啮合是有保障的[3]。
螺旋锥齿轮的设计和制造仍然是一个研究的热点,这在诸如直升机变速箱,摩托车齿轮,减速机和其他工业部门的应用是至关重要的。
就制造业而言齿轮是用特殊机床加工的,诸如滚齿机和成型机。
最近,基于专用数控齿轮制造机床用于工业实践。
这也许可以解释为什么在开放的研究领域内关于齿轮制造的文献是稀少的。
最近,基于数控的齿轮制造机床已开发并越来越多地应用于工业实践。
然而,他们的运动结构从本质上不同于工业数控铣床,因为前者是用于特殊类型的刀具设计。
以往关于齿轮的研究主要关注于齿轮的设计和分析。
齿轮的几何特征和设计参数
研究[4-8]。
TsaiandChin[4]提出了建立在基本齿轮数学运动结构和沿切平面的渐开线几何体基础上的锥齿轮(直齿和螺旋锥齿轮)数学曲面模型。
后来,这种方法被Al-daccak等人用来和建立在准确球形渐开线曲线基础上的模型相比较。
shunmugan等人[6,7]提出了不同的模型,并就标称偏差验证其准确性(与专用机床制造的螺旋锥齿轮相比)。
对于冠齿轮,有几个研究成果是可供使用的。
LitvinandKim[8]提出从修改为直齿轮的基圆的渐开线范成法。
Umeyama[9]在节圆上设计了一个标准剖面,在上/下面齿轮上设计了修整剖面,用于螺旋齿轮的传动误差修订值的测定。
Tamura等人[10,11]用平面尺研究了一个锥齿轮点接触模型。
这些研究涉及到一代特殊齿轮齿形机,比如滚齿机和成型机,这是专为制造齿轮而设计的。
Suh等人[12]调查了用于制造螺旋锥齿轮的表面加工方法的可能性,并通过提出使用在与四轴数控铣床连接的旋转倾斜台上刀具路径的生成验证了这种可能性。
还提出了一个基于模型的螺旋锥齿轮的检验方法。
本文中我们试图提出通过使用接口与PLC模块作为一个索引表的三轴铣床来完成螺旋锥齿轮的新的制造过程。
在生产速度方面,很明显,这种方法将低于专用机床。
除产率,这种方法在以下几个方面是有优势的:
(1)要获得各类专用机械和就致力于齿轮类型,尺寸,几何方面非常有限的一类齿轮刀具而言常规方法需要大量投资;
(2)通过这种方法,各类齿轮可以用三轴数控铣床生产;(3)这种方法比使用专用机床更经济。
与我们先前的方法相区别主要的意义之一就是,正在开发一种全自动电脑模型,以完全模拟过程获得加工参数。
所有以前的研究一直从事于计算复杂的数学方程式和设计几何模型。
鉴于上述情况,特别注意应着力于实验测试,而不是提出SBGs的几何或数学模型。
机电工具和三轴数控铣床同时用于特殊齿轮,甚至是机械元件的制造上还是第一次。
2螺旋锥齿轮的几何规格
大部分的时间,齿轮的几何参数配备有工程图纸。
一些参数(主参数)要求几何定义。
图1显示模数,螺旋角,齿轮的齿数。
表1总结了这些参数,包括在我们测试中制造出来的齿轮参数之间的关系。
为了计算这些参数,我们使用了称为齿轮插件的“驱动器组件开发软件”。
螺旋锥齿轮的设计需要高精度的数学计算,并且这种齿轮传动不仅要求高品质的设备和工具,而且生产这样的齿轮传动也需要适当的机床设置开发。
这样的设置
并非标准化但为了确保齿轮传动所要求的质量每种情况的设计(根据齿轮传动的几何参数和生成工具)都有待决定。
图1模,模数,螺旋角,齿轮的齿数
表1齿轮数据
3制造螺旋锥齿轮
正如引言中所讨论的那样,通过机加工,所有类型的齿轮都可以加工成各种尺寸,并且对于高精度齿轮来说,机加工仍然是无与伦比的。
成型铣削是用于制造各类齿轮中最常见的机加工工艺之一[14]。
刀相有相同形式作为相邻牙齿之间的空间。
标准刀具通常用于切削齿轮上。
在美国,径节处有8种尺寸的刀具,并且切齿的时候会在标准表上显示齿数。
格里森工程使用基于锥齿轮的广义概念的端面滚齿法,这样可分别考虑交配齿轮和小齿轮,通过互补展成法产生冠状齿轮[15]。
展成冠状齿轮的齿面是由图2所示的刀片刀刃按痕迹运动形成的。
正如等式1所示,端面滚齿法加工的速率取决于刀具和展成齿轮的齿数:
(1)
其中,
和
表示刀具和展成法齿轮的角速度,
和
表示刀片组的数目和展成法齿轮的齿数。
图2扩展外摆线的展成
展成法齿轮和刀具的滚动圆半径由等式2和3决定:
和
(3)
其中s是机器径向设置。
展成法冠状齿轮可被视为90°节锥角的锥齿轮的一个特殊的例子。
因此通用术语“展成法齿轮”是被使用的。
当展成的小齿轮交配齿面和大齿轮共轭时必须考虑到互补展成法冠状齿轮的概念。
在实践中,为了引进交配牙齿表面的失配,用于齿轮和齿轮的展成法齿轮未必是完全互补的。
展成法齿轮的旋转是通过吊架在双曲面齿轮发生器上的旋转来描绘的(图3)。
用三轴数控铣床制造SBGs,我们首先通过开发由几何造型和图形仿真模块组成的CAD/CAM系统来检测加工过程。
商业软件SolidWorks是用于创建CAD模MSC.VisualNASTRAN4D(通过三维模型实现CAE系统机制的运动学分析)用于模拟齿轮制造过程及其分析结果(图4)。
就机床配置而言,很明显,SBGs的数控加工要求工件的回转运动。
基于机械可加工性分析[16],螺旋锥齿轮的数控加工至少需要设置四轴控制。
因此,回转工作台是带有三轴接口的铣床是必须的。
在我们的测试中成型切削和成型铣削是被使用的。
刀具是朝向齿轮毛坯呈放射状分布的,以获得所需的齿厚,然后穿过齿面,当旋转台绕其中心转动工件时获得所需的齿宽。
当完成一个齿轮空间时,刀具被撤回,齿轮毛坯用分度头索引,并完成下一个齿的切削。
基本上,这种方法是加工SBGs的简单和灵活的方法。
需要的设备和刀具相对简单,并使用标准的三轴数控铣床。
然而,就刀具安装上,非常小心是必须的,这也是每一步中避免任何破坏的一小步。
图3锥齿轮切削的概念
为了模拟操作顺序,我们用螺旋锥齿轮创建齿轮插件,然后估计一些加工参数,如立铣刀的初始高度,距离传感器的位置,电机转矩,电机转速和旋转频率。
例如,在SolidWorks中,螺旋锥齿轮的顶点和立铣刀之间的距离为14.7毫米,我们用来确定沿Z轴垂直的主轴的位置。
图4切削齿轮的仿真
此外,根据我们使用的CAE系统的图形报告,电机角速度和电机转矩分别是1转每秒和48牛米(图5和6)。
图5由CAE系统所取得的电机角速度图
Mastercam是一种可以用来生成加工刀具路径的机械的软件。
根据齿轮的齿全高和齿宽,我们切削过程中刀具路径设计为一个矩形轮廓。
图6由CAE系统获得的电机转矩图
图7轮廓参数设置
图8引入/引出线参数
其他加工参数和工具的规格也已提交给软件的刀具路径菜单。
在轮廓窗口(图7),我们使用的有两种选择:
1.多通道使得刀具的多个布距成为可能,允许更大的控制切削量。
2.延长或缩短刀具路径的引入/引出线在进入/退出动作前并不创造额外几何体当控制补偿起作用时这是有帮助的,使人们能在更短的时间内编出具体轮廓程序(图8)。
尽管目前这种齿轮的切削型式由万能铣床来完成,使用索引头,但这个过程是缓慢的,需要熟练的技工和操作员。
图9表明了当工件在车间的万能机床上完成加工时的应用布置。
正如它所表明,刀具横向安装在心轴上,分度头用来消除(要求切出齿牙)和索引齿轮毛坯。
平台设置在角度等于螺旋角(35°)处,分度头是面向平台的纵向进给螺杆,以使齿轮坯沿纵向移动旋转。
图10显示了上面提到的传统切割的模拟。
在所提出的方法,我们已经使用交流电(AC)电机与蜗杆减速器连接。
蜗轮蜗杆减速器用于减少交流电机的输出速度和设置齿线和节锥母线间的角度,也称为螺旋角[17]。
由于刀具路径设计和蜗轮蜗杆减速器输出轴的旋转运动之间的同步是必需的,控制所有四个轴(一轴控制转台运动和三轴控制刀具的运动)的机电一体化系统是被同时使用的。
机电一体化系统包含五个主要部分:
1.可编程序逻辑控制器,电子设备中的一种,它可以被称为“顺序控制器。
”
它使用内部微处理器,根据编码器和传感器输入信号的状况和值来执行顺序计算工作。
2.变频驱动(VFD)是通过控制提供给电机[18]的电源的频率来控制交流电动机转速的一个系统。
可变频率驱动器是一种特定类型的调速驱动。
变频驱动器也被称为可调变频器,变速驱动器,交流驱动器,微型硬盘,或逆变器驱动器。
由于电压随频率的变化,这些有时也被称为变压变频驱动器[19]。
我们使用交流驱动器作为PLC和AC驱动器之间的中间设备。
图9万能铣床手动切割的照片。
图10带索引头的万能铣床传统手动切削的VisualNastran4D模拟
一些被用来配置交流驱动器的变量如下:
(1)最大输出频率(Fmax=60Hz)
这个参数决定交流电机驱动器的最大输出频率。
所有交流电机驱动器的模拟输入(0至10伏特,4至20毫安,-10到10伏特)是按比例缩放到对应的输出频率范围。
(2)最大电压频率(Fbase=60Hz)
此值应根据电机显示的额定频率设置在电机铭牌上。
最大电压频率确定每赫兹比例伏特。
若设置为60赫兹,驱动器将保持7.66伏特每赫兹的恒定的比例(460伏特/60赫兹=7.66伏特每赫兹)。
此参数值必须等于或大于中点频率。
(3)最大输出电压(Vmax=220V)
此参数决定交流电机驱动器的最大输出电压。
最大输出电压设置必须小于或等于电机铭牌上标定的额定电压。
此参数值必须等于或大于中点电压。
(4)中点频率(Fmid=.5Hz)
此参数设定了电压/频率曲线上的中点频率。
使用此设置,最小频率和中点频率之间的电压/频率比就可以确定了。
此参数必须等于或小于最大电压频率。
(5)中点电压(Vmid=220V)
此参数设定了任意电压/频率曲线上的中点电压值。
以此设置,在最小频率间的电压/频率比可以确定。
此参数必须等于或大于最小输出电压并且等于或小于最大输出电压。
然而,当电压/频率曲线设置为1到4时,这个参数是无效的。
(6)最小输出频率(Fmin=0.5Hz)
此参数设定了交流电机驱动器的最低输出频率。
此参数必须等于或小于中点频率。
(7)最小输出电压(Vmin=1.1V)
此参数设定了交流电机驱动器的最低输出电压。
此参数必须等于或小于中点电压。
有一个关于交流电机驱动器不同参数间的逻辑关系,如等式4所示:
其中,
是扭矩,
是通量,
是安培,
和
代表电压和频率。
/
曲线如图11所示。
在变频器中,电机的速度是通过改变频率来改变的。
既然它在任何操作频率下提供最大转矩是满足需要的(未必必须),VFD是被设计用来使磁通密度在每一个工作频率下都相同。
在不增加电压的情况下,变频驱动有时在他们正常的最高频率以上运行。
在高达1.5至2倍的正常频率下,可用扭矩降低,通常遵循一个足够提供恒功率运行的曲线。
图11电压/频率曲线
3.旋转编码器,也称为轴角编码器,是一种用于将传动轴或车轴的角度位置转换成模拟或数字代码模拟或数字代码的机电设备,使它成为一个角度传感器。
它可以判断外向轴的位置,或者测量横向安装在外向轴上的工件的旋转。
在一般情况下,如图12所示,发光二极管通过旋转磁盘的狭缝和静止盘根据磁盘上的图案,从光电二极管阵列产生电子输出。
最常见的编码器为需要计算的每个可分解的位置提供数字脉冲提供数字脉冲,并指向原地址。
这些数字脉冲然后被引入到位于驱动器或者控制器接口的高速计数器模块内。
图12编码器的工作原理
4..近距离传感器,产生一个输出信号,如果金属物体(在我们的实验中是成形式刀)进入其振荡的电磁场区域。
两个近距离传感器被放置在系统中定义刀具路径的开始和结束。
在此过程中,两个指标看台已被使用,为了更方便控制近距离传感器(图13)。
图13SolidWorks中的距离传感器和指示台
5.光电传感器,通过使用光发射机检测对象存在的设备,其中包括位于发射机视线内的接收器。
表2显示了我们在本研究中使用的光电传感器的基本规格。
电源供应有亮模式和暗模式两个状态。
在第一个状态下,通过接受光和打断光控制输出打开和关闭。
在第二个状态下,通过接受光和打断光控制输出关闭和打开。
在这种模式下,当来自发射机的光束从发射到接收被阻断时,就有对象被检测到了。
这些传感器应安装在与输出轴同心的环上,这个环作为摩擦轴承并且在外圈上旋转。
输出轴及其上的环使用集线器系统连接。
表2光电传感器规格
型号
电缆长度
检测目标(毫米)
最小检测目标
FT-320-05
2米
150
D0.5
光束通过轴上的轨道从发射机到对立边的接收机上。
它在透射率或阻塞的基础上分别评估存不存。
我们用梯形图,一种通用程序语言去操作如图14所展示的机电一体化系统的PLC.
图14包括PLC和变频器在内的配电板照片
基于梯形图的PLC的操作如下:
第1步读取外部输入信号,如传感器或旋转编码器的状态。
第2步计算输出信号,根据在第1步输入信号的值,将其发送到交流驱动器上(变频器),在前进/后退的方向运行交流电机或使用旋转编码器转动电机到一个特殊的角度(圆节距)。
成立数控铣床,完成整个系统的程序分为五个阶段:
第1阶段成形铣刀到达距离传感器(图16所示橙色那个)。
一旦传感器1检测到成形铣刀,它就发送+5伏特电压信号到PLC。
正如之前提到的,PLC向交流驱动器发出一个输出信号在电机前进方向上驱动电机。
第2阶段关于已在Mastercam中产生的刀具路径,成形铣刀以机器制造旋转工件。
第3阶段的切削工具到达第二个距离传感器(绿色的)。
由传感器2检测成形铣刀,它发出第二个信号给PLC,PLC发送一个停止命令给变频器。
第4阶段铣刀撤出已停止的工件处,并返回到第一个位置。
同时,交流驱动器以反方向运行电机,直到轴到达第一个位置,光电传感器接收器感知到传输的辐射通过输出轴的纵向裂缝传递。
第5阶段阶段1持续到阶段4,直到第一个齿的空间被切断。
PLC计算上述四个阶段中的每一个,直到达到加工顺序的预定数字。
然后,它向交流驱动器发出一个信号,索引等于径节圆的齿轮坯,并且所有上述阶段将再次重复。
径节是由1,024脉冲/转的旋转编码器测量的。
图15实验切削照片
图16加工螺旋锥齿轮照片
传统步骤(图9)是相当缓慢,需要操作者相当谨慎。
同样,利用的过程本质上与万能铣床相同。
相反,在安装后,各项操作均自动完成。
加工配置和实验切割影印如图15和16所示。
根据目前的发明,在体现的有利方法上,加工时间是已知的最重要因素之一。
例如,一个齿的空间完全削减只需要2分钟。
然而,传统的方法,花了半个多小时,切削相同的齿空间。
在体现目前发明的关于手动切割的进一步优势中,在切入过程最后刀头的刀具补偿设置较短。
4加工策略
工件是木制的,坯料通过车削操作,预加工成圆锥型(齿轮面角)。
在我们的实验中使用的5号标准刀具安装在机床主轴上,并且齿坯安装在蜗轮蜗杆变速箱的外轴上。
刀具随后(大约30个加工顺序,以防止破坏工件)指向齿坯中心达到需要的牙深。
当一个齿的空间已经完成,该刀具被撤销;齿轮坯由建立在解释程序基础上的交流驱动器索引,然后紧接着切削下牙空间。
纵观以上所提各个阶段,下面的图表可被认为是这项发明的全部图片(图17)。
5结论
本文中,我们试图使用一个基于成型铣削方法的三轴数控铣床制造螺旋锥齿轮。
对于这样一个目的,我们调查的CAD/CAM模型的切削过程和刀具路径计算算法。
所有以前工作涉及的设计方面都使用复杂数学流程,并且实验制造方法也尚未明确重点。
基本上,成型铣削使用一个简单灵活的齿轮加工方法。
所需设备和刀具相对简单,价格低廉,使用标准的数控铣床。
因此,它并不需要熟练的操作员设置系统。
与传统的需要专用机床刀具的齿轮切削方法相比,目前的方法更容易修正以生产任何类型和尺寸的螺旋锥齿轮或者任何其他类型的齿轮。
与手动切削机床相比,它是一个完全自动的方法,即所有加工参数均来自计算机模型。
它也是一个多系统(机电一体化和数控系统的使用),这是一个充满活力和不断发展的技术。
图17切削螺旋锥齿轮的全部流程
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