插齿刀设计范文

插齿刀设计范文（精选7篇）

插齿刀设计 第1篇

一、问题描述

该公司生产副箱主轴减速齿轮的插齿夹具经常被拉断, 延误了正常的生产。究其原因主要有两个方面:一是夹具中连接接盘与心轴的连杆其螺纹退刀槽过细, 仅有4 mm, 当机床拉紧时, 连接部分所受的拉力超过了本身的拉伸强度, 在加工一段时间后, 连杆由于拉力作用被拉断, 一经拉断, 插齿刀就出现打刀现象。二是插齿产生的铁屑容易通过胀套和定位套的空隙进入到夹具内部, 影响夹具的定位精度。连杆结构如图1所示。

二、原有夹具结构分析

在原来的夹具中, 连接轴与机床的液压机构相连接, 液压机构开始工作后, 连接杆向下运动, 带动与之相连的接盘, 接盘通过连接杆与调整垫连接, 调整垫通过螺栓连接带动胀套向下运动, 胀套与锥度心轴锥面配合, 对锥度心轴产生一个垂直于锥面的压力, 同样, 锥度心轴对胀套产生一个径向涨开的反作用分力, 进而将胀套涨开, 夹紧齿轮。这种结构的缺点是:一是连接杆太细, 退刀槽仅有4 mm, 在液压力的作用下, 容易被拉断;而接盘的螺栓孔距离外圆尺寸近7 mm, 故不能考虑增大连接杆尺寸来实现。二是装配复杂, 可以看出, 这套夹具依次由多个零件装配而成, 检查这个夹具是否装正, 保证良好的跳动, 只能将整套夹具装配完成后, 通过测量加工零件的跳动来体现。如果跳动过大, 只能将所有的夹具零件拆掉重新装配, 而且夹具结构复杂, 容易出现装偏的问题。考虑到以上两点, 必须简化夹具结构, 重新设计一种简单易行的结构方案。

三、夹具设计要求

针对上面夹具中出现的问题, 新的夹具的设计要求如下。

1.在插齿过程中, 胀套的径跳对工件的加工精度影响很大, 为了获得良好的径跳, 必须严格保证拉杆与胀套锥面之间的配合精度。

2.拉杆与本体定位孔之间的配合间隙要严格控制。

3.夹具要防止铁屑进入其内部, 保证夹具的精度。

4.夹具应易于加工, 操作方便, 保证一定的使用寿命。

四、新结构方案

考虑到消除原有的连接轴-连杆-接盘-连接杆-调整垫-胀套-锥度心轴结构, 新夹具采用连接杆-拉杆-胀套的结构。连接杆与机床液压缸相连接, 传递液压拉紧力给拉杆, 拉杆向下拉伸, 利用拉杆与胀套间的锥面将胀套涨开, 从而达到涨紧工件的目的。新夹具结构如图2所示。

在插齿过程中, 胀套的径向跳动对工件的加工精度影响很大。为了获得良好的径跳, 必须要严格保证拉杆与胀套锥面之间的配合精度, 拉杆与胀套的圆锥角度均限制在5之内, 同时, 拉杆与本体定位孔之间的配合间隙也要严格控制, 为此, 拉杆和本体圆柱部分公差均限制在0.005 mm之内。这种插齿结构简化了原有夹具的结构, 本身的制造成本得到控制, 并且由于不用频繁更换连接杆, 也减少了生产停顿造成的浪费, 同时, 这种结构还可以防止铁屑进入夹具的内部, 提高了定位夹具的精度, 为工件的加工提供了方便。

五、结论

插齿刀设计 第2篇

1 插齿机的的改装

插齿机插齿条的原理与插圆柱齿轮的原理一样, 只是把原来工件的圆周运动装上附件以后, 使其变成直线运动。Y58插齿机的改装见图1。该装置通过蜗轮蜗杆传动将工作台的圆周运动变成为直线运动。长蜗杆 (实际上起齿条作用) 用螺钉固定在溜板下面, 为了使它与蜗轮啮合良好, 该蜗杆需在车床上车好后再刨去三面的螺纹。溜板在底座上沿导轨做直线运动, 底座靠定位销和螺钉固定在插齿机上。该齿条加工装置共有8种零件 (不包括标准件) :溜板、定位板、底座、压板、转盘、轴、蜗轮、蜗杆, 重量共计406kg。机床原有的传动系统仍保持不变, 只是对分齿挂轮进行调整, 以满足插齿刀和齿条的啮合关系。

2 分齿挂轮计算

改装后的机床增加了一对蜗轮蜗杆传动, 对机床原有的传动系统仍保持不变。

分齿挂轮架的调整, 是使插齿刀和被插削齿轮保持滚切关系, 即

如图2, 由刀具圆周运动传动系统可得:

如图3, 由工作台的分齿运动系统可得:

齿条和插齿刀啮合时, 齿条和插齿刀在A点的切线

速度相同 (见图4) 。

式中m工:新增蜗轮模数;z工:新增蜗轮齿数;m刀:插齿刀模数 (同被插工件模数) ;z刀:插齿刀齿数。

将式 (2) 、 (3) 代入式 (4) 中可得:

故分齿挂轮计算公式为:

当可换齿轮e/f=35/60时,

例如:已知工装蜗轮的模数m工=2.5mm, 齿数z工=62, 若用模数为5mm、齿数为20的插齿刀加工齿条, 当采用可换齿轮时,

由此可见, 通过选择合适的挂轮就可加工不同模数的齿条。由于Y58机床最大加工模数m=12mm, 因此增加插齿装置后, Y58最大可加工模数m=12mm, 长度l=1000mm, 宽度w=100mm的齿条。

3 工作效果

插齿刀设计 第3篇

插齿刀目前是齿轮刀具中应用比较普遍的一种。它是利用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的原理加工的。加工时，刀具与被切齿轮的瞬心线彼此作无滑动的纯滚动，被加工齿轮的齿形是刀具切削刃连续位置的包络，也就是展成法。利用展成法加工有很多优点，如被加工件的精度较高，加工生产率高，而且模数相同、齿形角相同而齿数不同的齿轮可以同一把刀具加工。插齿刀是通过展成法在插齿机上加工圆柱形工件的刀具。插齿刀可用来加工各种形式的圆柱齿轮如：直齿、斜齿、人字齿轮及内齿轮。加工齿轮的精度较高，但加工生产率不及滚齿加工。它是加工塔齿轮及内齿轮的主要刀具。

其它利用展成原理生产加工齿轮的刀具有齿轮滚刀、呈蜗杆状。生产率很高，是现在生产中使用得最多的齿轮刀具。可用来加工直齿斜齿圆柱齿轮。梳齿刀：刀具呈齿条状。可用来加工直齿、斜齿、人字齿轮。刀具外形简单，加工的齿轮业度高，但机床结构复杂，因此用得不多。剃齿刀：刀具呈齿条、齿轮、蜗杆状。齿面上开有小槽以形成切削刃。这种刀具用于精加工未淬火的齿轮。加工的齿轮精度较高，而加工生产率比磨齿高许多倍，因此在生产中应用较广。

插齿刀虽整体形状像齿轮，但插齿刀和齿轮不同的是有前角和后角，前角和后角形成了切削刃，减少了插齿时的齿面摩擦。由于前角和后角的存在，使得插齿刀外形就像锥形一样，其顶圆直径尺寸自前端面向后逐渐减小。插齿刀的每个刀齿有3个切削刃，一个顶刃和两个侧刃。当插齿刀设计成0°前角时，它的前刀面是垂直于轴线的平面，此时，顶刃是插齿刀的顶圆柱与前刀面的交线，是一段圆弧，两侧刃是齿轮的两侧面与前刀面的交线，是两条渐开线。由于渐开线在生产加工中有很多优点，所以广泛应用在齿轮刀具的齿形设计中。在插齿刀的切削加工中，刀具主切削刃磨损后，磨损值的大小将直接影响切削力、切削热以及切削温度的增加，并使工件的加工精度和光洁度降低，这时可通过修磨前刃面，将磨损的部分磨掉，这样刀具的齿厚，外圆等相应更改，这样可以不改变切削出的齿形，但是刀具整体变薄了，它的顶刃向中心方向移入。当刀具到一定厚度时，就不可以再修磨了，刀具报废，所以刀具主切削刃磨损程度决定着刀具的寿命。影响刀具磨损的因素较多，主要有工件材料、刀具材料、刀具结构与几何形状、切削条件和用量等。对于插齿加工，插齿刀的前角对刀具的加工质量以及磨损有着直接的影响。

在实际生产中所使用的插齿刀都有一定的前角。为了方便制造，插齿刀的前刀面通常做成圆锥面，此圆锥面的轴线与插齿刀的轴线重合。我们已将顶刃前角为5°的插齿刀定为标准插齿刀前角，插齿刀前刀面为向内凹进的圆锥面，因此在刀齿的侧刃形成了侧刃前角。插齿刀的侧刃前角是在与在基面上的投影相垂直的截面上测量得到的。侧刃上任意点处的前角值不相等，在接近顶圆处侧刃前角较大，接近根圆处侧刃前角较小。由于插齿前刀面为圆锥面，故侧刃形成了一定的刃倾角。切削刃上各点的刃倾角不同。对于两侧切削刃，在顶圆处侧刃前角最大而刃倾角可起到增大工作前角的作用。对于标准插齿刀，由于侧刃前角很不均匀，对刀具切削性能有一定影响。

插齿刀在加工齿轮时，适当增大插齿刀前角不仅有利于提高被加工齿轮的齿面光洁度，同时还可提高插齿刀耐用度。如果将插齿前角由5°增大到15°。标准刀具参数情况下，刀具耐用度可由130分钟提高到240分钟，耐用度显著提高。将前角增大到15°后可使侧刃前角增大，从实践中可以看到被加工齿轮的齿面光洁度显著提高了。

增大插齿前角后，虽然提高了刀具的耐用度，被加工件光洁度也显著提高了，但也对插齿刀的切削质量有着负面的影响。因为增大插齿刀的前角后，插齿刀的齿形误差也同时增大。当插齿刀前角增大到15°时，齿形误差已相当大，齿形误差是反映刀具设计及加工质量的关键项目，因此插齿刀前角的增大值的确定需要考虑可行性。在实际生产中我们应如何确定前角？首先我们应该考虑被加工齿轮的精度要求，通过被加工齿轮的精度要求决定增大插齿刀前角的可行性。实践中得出的经验，对于大模数、少齿数的插齿刀，产生的齿形误差将更大。因此，大前角插齿刀主要适用于加工低精度齿轮或进行粗加工。

在齿轮加工中，有时会遇到工件材料塑性较大，采用标准前、后角的插齿刀加工不容易达到要求的齿面光洁度的情况，此时可采用增大插齿刀前角的方法。采用增大插齿刀前角加工时齿面产生较深划痕，这时如果采用同时增大前、后角的插齿刀进行加工，齿面光洁度可稳定达到标准要求。标准插齿刀的顶刃后角通常为6°，增大插齿刀后角可到9°，加工一般精度的齿轮的误差还是可以的，只是不适于加工齿数过少的齿轮，这时不但可以获得较好的表面光洁度，而且还可以增加刀具的耐用度。但顶刃后角也不能增加的太多，否则会使插齿刀的重磨厚度减少，减少了重磨次数，而且还会使插齿刀的齿形误差增大。

当被加工的齿轮精度较高时，如何解决因加大插齿刀前、后角引起齿形误差超差，经过实践总结可采用以下解决措施：（1）对插齿刀的齿形角重新修正。减小总的齿形误差，此方法可以通过将插齿刀根圆处的齿形误差减小的方法，以减小总的齿形误差。采用该方法需要进行反复计算，以使齿形误差达到最小。（2）如使用修正齿形角的方法仍达不到要求的齿形时，可将插齿刀的实际齿形误差计算出来。然后通过对磨削插齿刀齿形的砂轮进行专门修整，以使得磨削出的插齿刀齿形误差最小。但这种磨削砂轮的方法有一定局限性，这种方法一般应用在对齿形精度有特殊要求时采用。

综上所述，适当增加插齿刀前角在一定程度上会提高刀具的加工质量，尤其是在粗加工工序或对加工精度要求不高而且被加工齿轮的齿数过少时适用。

目前对于齿轮刀具的设计与制造，许多问题有待深入研究解决。而要想真正掌握各种齿轮刀具的设计与制造，必须要深入的研究各种齿轮刀具的啮合原理，对刀具的各项参数以及其中的关系了解透彻，这就需要我们不断学习和探索，在实践中总结经验，在刀具的设计及加工生产中做到精益求精。

摘要：插齿刀目前是齿轮刀具中比较普遍的一种, 但设计加工比较难。为了提高切削加工效率, 提高齿轮加工质量, 延长刀具的使用寿命, 研究齿轮刀具的设计理论和设计方法, 改进刀具的几何角度, 研究插齿刀前角的增加的意义以及在实际生产当中对加工质量的影响。

关键词：插齿刀,渐开线,展成法,前角

参考文献

插齿分析与误差解决 第4篇

1 插齿加工的误差特性分析

插齿加工是指由插齿机、插刀和齿坯之间作相对运动而形成切削,通过分析工艺要素,总结了插齿与滚齿在加工误差方面的区别。

(1)插齿的齿形精度和齿面粗糙度相对滚齿较好。插齿时形成齿形包络线的切线数量与插刀圆周进给量的大小有关,且圆周进给量可以由操作者按需进行调节;而滚齿时形成齿形包络线的切线数量与滚刀容屑槽的数目和头数有关,无法通过改变加工条件而增减。另外,滚刀齿形是近似渐开线的阿基米德蜗杆,这就不可避免地会随着使用后的磨损修复而存在造形误差;插齿刀与滚刀相比,不但制造工艺相对简单,并且其齿形可通过刀具的不断变位而保证在磨损修复时依然保持精确的渐开线齿形,由此可知插齿能得到相对滚齿较高的齿形精度。此外,插齿时插刀沿齿向方向的切削是连续的,并依靠展成运动渐次形成加工工件的齿廓,所以工件的齿廓是插刀齿廓连续运动轨迹的包络线;而滚齿时滚刀在齿向方向上是作间断切削的,从而在微观上形成鱼鳞状波纹,因此插齿的齿形精度和齿面粗糙度相对滚齿较好。

(2)插齿的齿向误差相对滚齿较差。插齿时的齿向误差主要由插齿机主轴回转轴线与工作台回转轴线的平行度误差决定。由于插齿刀在作业时往复运动的频率很高,使得插齿机刀具主轴的往复运动部分和让刀运动部分易于磨损,从而导致插齿的齿向误差相对滚齿较大。

(3)插齿的运动精度相对滚齿较差。由于插齿机比滚齿机多了1 个刀具蜗轮副,使得插齿的运动链相对滚齿比较复杂,从而在加工中也就多了1 个运动误差,并且插齿在每一循环的切削过程中,插齿刀的1 个刀齿始终与工件的1 个齿槽相啮合,而滚齿时因为工件的每一个齿槽一般都是由滚刀的几圈刀齿包络而成,所以也就使得插齿的运动精度相对滚齿较差。

2 插齿误差因素的分析解决

在插齿加工中,插齿机、插刀、夹具、齿坯和切削条件及用量等共同构成了整个工艺系统,而加工误差其实就是来源于整个工艺系统中各项要素的误差。因此在平常生产作业中,操作者对于工艺系统中各项要求如有不符合工艺规定或有异常现象的应及时检查调整,对加工中所产生的各项误差应结合具体问题采取相应的适当措施,同时注意检查调整可从易于实施且是重点影响的部位着手。

(1)插齿机:主要是机床的几何精度、运动精度、刚性等,操作者平常要注重对机床的维护保养,使机床保持良好的几何精度和运动精度,对于机床的刀具蜗轮副、工作台分度蜗轮副和工件让刀运动的准确平稳等在加工过程中要充分注意,可通过适当调整机床部件的间隙以消除切削过程中产生的振动和爬行等现象,从而提高整个工艺系统的刚性;另外在批量生产中周期性地同时更换工作台和刀具主轴的旋转方向,对机床和刀具的磨损等都能起到较好的作用。在机床的影响因素中,刀具主轴垂直移动对工作台中心线的平行度是影响工件齿向误差的主要因素,机床分度蜗轮副的误差是影响工件周节累积误差的主要因素。

(2)插刀:主要是插刀的几何精度、安装精度和重磨精度等。每把插刀一般只能加工一定齿数范围内的齿轮,尤其是内齿轮,因而操作者为保证加工精度应依据工艺要求正确选择插刀,包括刀轴、接轴和刀垫等的精度等级。另外还要注意提高插刀的刃磨质量,重磨后应保证前角大小和前刀面的端面圆跳动。一般在万能工具磨上刃磨插刀时,操作者应注意对砂轮半径的选择,使其小于插刀的分圆半径以免发生修磨干涉。齿形误差出现超差时,可首先检查插刀安装后的径向跳动和轴向窜动,因为插刀安装后的径向跳动误差也将直接影响工件的周节累积误差。

(3)齿坯:主要是工件的安装基准精度、材质工艺性等,对于含有镍元素等导致工件较软或有粘刀现象导致齿面粗糙度较差时可考虑适当提高冲程速度,如果插齿不是齿形最终加工工序时还可考虑适当增大插刀前角等以改善切削状况;对于大型薄壁易变形或时效不充分的工件,如果插齿是齿形最终加工工序时,需要注意插齿后内应力释放或夹紧变形等因素导致尺寸及精度变化的情况;对于材质特别难切削的工件,必须在插刀重磨后对前刀面进行镀层并减小切削用量以确保加工的可靠。

(4)夹具:要保持夹具包括心轴和垫圈等的制造精度及安装精度,以保证工件加工时的装夹精度合格,其中工件安装时基准面的端面圆跳动及避免装夹的不良变形是保证齿向精度的主要因素。

(5)切削条件:主要是依据加工情况合理选择和调节切削用量,并随时注意调节冷却液的浇注位置等。操作者在粗插时可适当加大圆周进给量,同时通过冲程速度和径向进给量的优化组合以提高效率,在精插时可通过适当提高冲程速度、减少圆周进给量等提高齿面粗糙度。加工精度要求较高时,在工件切至所要求的全齿高后,可通过光刀,即不进刀再继续多转一圈以缩小或消除公法线长度的变动量等来降低加工误差。

3 结束语

插齿在双联齿轮和内齿等直齿加工上具有较强的工艺性,特别适合加工对运动精度要求不高而齿形不再进行磨齿等精加工的圆柱直齿轮,因此在插齿时注意其误差的分析与解决,对提高产品的加工精度有着重要的意义。

摘要：依据近年来插齿作业的加工经验,比较插齿与滚齿的工艺区别,给出了插齿加工的误差特性及其工艺系统的因素分析和相应解决的措施。

插齿机主运动液压系统的仿真分析 第5篇

液压传动具有结构紧凑、惯性小及无极调速等优点,但同样存在着泄露、对油温变化敏感及对元件精度要求高等缺点。为保证液压系统的正常运行,需要对液压系统进行分析和研究。随着仿真理论及计算机技术的发展,计算机液压仿真技术得到了更多的研究和应用。液压仿真研究有针对液压元件的仿真研究以及面向液压系统的仿真研究:关于液压元件优化的研究,杨逢瑜等人通过对液压电梯液压缸摩擦力对启动平稳性的研究,对液压缸的结构加以改进,提高了电梯启动的平稳性[1]。金胜秋基于同步阀的理论基础,利用AMESim对同步阀进行建模仿真,根据仿真结果对同步阀的结构尺寸进行改进,得到尺寸小巧稳定性好的同步阀[2]; 关于液压系统的仿真研究,刘春庆对水压机电液比例控制系统关键元件进行数学建模,利用传统PID控制理论对系统进行分析校正,并设计出模型参考自适应控制器对系统进行控制,提高了系统的动态特性[3]。

图1为YS51200CNC插齿机结构图,其主运动通过一套液压系统实现,液压系统的结构如图2所示。在工作过程中该液压系统存在着响应慢,速度稳定性差,换向不稳定等问题。本文将基于AMESim和Simulink软件建立液压系统的联合仿真模型,并进行仿真分析,研究控制阀及液压缸间连接管道长度对系统动态特性的影响,并利用PID调节器对控制信号进行调节,降低液压缸稳态误差,提高系统的动态特性。

1 伺服比例阀数学模型的建立

要建立液压系统的数学模型,首先要建立重要液压元件的数学模型。基于经典控制理论,建立YS51200CNC数控插齿机主运动液压系统中伺服比例阀的数学模型。

该液压系统采用力士乐0811404299型号伺服比例阀,该伺服比例阀为力士乐高响应系列阀,额定流量为150 L / min。力士乐样本资料提供了主阀芯位移响应的Bode图,该Bode图通过输入激励电压信号,测量主阀芯位移响应信号处理得到。通过拟合该Bode图可以建立主阀芯输出位移的传递函数。

伺服比例阀的传递函数是一个典型的二阶环节[5],其传递函数为:

式中: ωn—伺服比例阀的固有频率; ξ—伺服比例阀的阻尼比。

根据薄壁小孔流量方程可知,在一定的工作压力下,阀芯位移与流量呈比例关系:

联立式( 1) 和式( 2) 可得主阀芯输出位移与伺服比例阀输入电压信号间的传递函数为:

由样本资料可知,在低频阶段,幅频特性幅值L( ω)= - 0. 12d B,即Kaω2n= 10( - 0. 12 /20)= 0. 986。

当f = 42 Hz时,ω = f·2π = 263. 76 rad/s,Bode图对数幅频特性幅值为 - 3d B,对应相角为 - 90°。利用MAT-LAB画出不同参数的曲线,对Bode图进行拟合,得到当阻尼比ξ = 0. 6时,曲线拟合最准确,对应的伺服比例阀主阀芯位移传递函数:

2 建立系统的仿真模型

利用建立的元件数学模型,基于AMESim和Simulink建立液压系统的联合仿真模型。AMESim提供了丰富的液压元件库,但是现实使用的液压元件种类远远超过元件库所能提供的,但AMESim提供了强大的HCD库,可以根据液压元件几何形状及物理特性详细构建特定的液压元件。AMESim软件在控制信号处理方面不及Simulink,Simulink在动态仿真时可以方便的调节控制参数进行仿真,充分利用两种软件的优点建立AMESim - Simulink联合仿真模型,对液压系统进行联合仿真。

2. 1 伺服比例阀的仿真模型

在AMESim草图模式下利用HCD库建立伺服比例阀主阀的模型,图3中port A为伺服比例阀油口A,它连接伺服比例阀油口A的两个控制边。port B为伺服比例阀油口B,连接伺服比例阀油口B的两个控制边。图3中AMESim与Simulink的接口模块接收输入信号并在Simu-link中处理,再将处理后的主阀芯位移信号传递给AMES-im主阀芯模型。

在AMESim参数模式下设置模型参数:

油液密度865 kg/m3; 油液运动粘度46 mm2/ s; 油液动力粘度0. 039 79 Pa. s; 油液体积弹性模量700 MPa; 主阀节流口流速系数0. 62; 阀口全开位移1. 2 mm; 单阀口压降为5 k Pa时全开阀口流量150 L/min。

2. 2 液压系统的仿真模型

在完成的伺服比例阀模型基础上,继续建立整个液压系统的仿真模型。在AMESim草图模式中建立各液压元件模型,连接各元件组成完整的液压系统模型,如图4所示。

液压系统模型参数设置:

恒压源压力13 MPa; 控制阀 - 液压缸连接管道长度2. 5 m,管道直径35 mm; 液压缸活塞直径63 mm; 活塞杆直径45 mm; 液压缸长度520 mm; 负载质量30 kg; 液压缸粘性摩擦系数170 N·s/m; 位移传感器放大倍数1 000 /m; 回油路单向阀背压300 k Pa;

3 液压系统的仿真分析

在AMESim环境下设置液压缸位移输入值,输入附加切削力的模拟值,在0 - 0. 3 s间,切削力值为0 N,在0. 3s时,切削力瞬间增大到10 000 N,利用AMESim和Simu-link联合仿真分析在切削力干扰下系统的响应。

3. 1控制阀 - 液压缸间连接管道长度的影响

一般情况下,液压缸—负载系统的动态响应是整个系统中最低的,其固有频率的高低影响到整个电液比例控制系统的动态特性,其固有频率越高,系统的动态特性越好,而伺服阀与液压缸间连接管道的长度对缸—负载系统的固有频率影响很大。

YS51200CNC插齿机液压工作站与液压缸容腔之间有一定的高度差,伺服比例阀通过两个油管A,B与液压缸上下两个容腔相连,油管长度越长,管内的死区容积越大,液压缸 - 负载系统的动态特性则越差。

通过AMESim模型,分别分析长度为2. 5 m和0. 5 m两种不同油管长度对液压缸单出杆的响应速度的影响如图5和图6所示。

由图5可知,管长为2. 5 m时,在0. 3 s突加负载干扰下,液压缸单出杆的速度由稳态速度值0. 483 m/s突然降低,在0. 306 s时降低到最低值 - 0. 597 m/s,经过0. 212 s时间的调整,速度达到稳态误差允许范围内。而如图6所示,当管长为0. 5 m时,速度响应时间降低,在0. 303 s时,速度降低到 - 0. 134 m/s,经过0. 064 s的调整液压杆的速度值达到误差允许范围内。

因此,控制阀与液压缸之间连接管道的长度越短,即管道内形成的封闭空间体积越小,在负载发生变化时,液压杆速度的振动幅值越小,振动的峰值时间越短,调整时间越短,液压缸越快进入稳态,整个液压系统的动态特性越好。

3. 2 PID 调节器对系统响应特性的影响

基于Simulink建立液压系统信号控制部分模型[6],在控制回路加入PID调节器,如图7所示。

在控制回路中引入PID控制器,其比例系数KP= 2.5,积分系数KI= 1. 5。

如图8所示,经PID调节后,位移的误差稳态降低,未经PID调节误差为0. 010 96 m,而PID调节后位移误差为0. 002 47 m,稳态误差值降低0. 008 49 m。

由图9和图10比较可以发现,经过PID调节后,液压缸速度加速调整时间为0. 053 5 s,比未经PID调节的调整时间降低42. 5% 。液压缸突然收到切削力干扰后,系统发生振荡,经PID调节的系统经过0. 061 5 s的调整进入误差允许范围( Δ = ±5% ) 内,而未经PID调节的系统调整时间为0. 074 5 s,调整时间降低17. 4% 。在刀具上的切削力突然消失时,系统发生振荡,经过PID调节的系统经过0. 066 s的调整进入误差允许范围内,而未经调节的系统需要调整0. 094 5 s才能进入误差允许范围,调整时间降低30. 2% 。

在经过PID控制器调节后,液压系统的稳态误差得到有效的控制,动态响应速度也得到了提升。

5 结论

利用AMESim及Simulink建立YS51200CNC插齿机主运动的液压系统仿真模型,进行联合仿真分析,仿真结果表明:

1) 控制阀与液压缸间连接管道的长度对液压系统的响应特性具有重要影响,管道越短,响应越快,液压缸调整时间越短,系统动态特性越好。

2) 信号控制回路中使用普通PID控制器并整定设置合理的PID参数,可以降低液压缸的位移稳态误差,提高液压缸的响应速度。

摘要：以YS51200CNC插齿机主运动液压系统为研究对象,根据经典控制理论建立其控制阀数学模型,基于AMESim及Simulink软件建立液压系统联合仿真模型,并进行联合仿真分析。根据仿真结果,分析控制阀与液压缸间管道长度对液压系统响应特性的影响。利用PID调节器对伺服比例阀阀芯位置信号进行调节,有效地降低了系统的稳态误差,提高了系统的响应速度。

插齿刀设计 第6篇

关键词：插齿机,数控化,PLC,模块化

内蒙古一机集团20世纪80年代初从原西德LORENZ公司引进一批不同规格的由PLC控制的插齿机, 经过20多年的使用, 电气系统严重老化, 接插件腐蚀, 经常接触不良, 电路板绝缘程度降低, 机床故障率高, 维修困难。由于生产厂家产品已经更新换代, 备件问题无法解决, 但该机床机械性能较好, 丝杠和导轨磨损很小, 液压、润滑系统正常, 机床可利用价值较高。通过数控化改造不仅能解决上述问题, 还可提高设备的控制精度和自动化水平, 减轻工人操作的复杂程度, 使其成为数控插齿机床。

一、改造方案

LORENZ插齿机主要有冲程、深度 (X轴) 和旋转工作台 (C轴) 三个轴 (个别机床带工作台倾斜轴) 。由于冲程电机功率大, 从经济上考虑仍保留原直流电机, 使用欧陆A590P直流主轴驱动器驱动该电机, 利用外接编码器进行冲程位置控制。X轴和C轴分别为数控直线轴和旋转轴, X轴采用测量尺全闭环位置控制, C轴利用伺服电机内部3072线编码器实现半闭环位置控制。

工作台旋转与插齿刀旋转的同步是由机械结构实现的。数控系统检测冲头提升到最高位置时才允许深度 (X轴) 进给, 进给到位后冲头才能上下往复运动, 避免了在深度进给时插齿刀碰到障碍物而损坏刀具或工件。

利用NUM1040数控系统内置的PLC功能模块对机床操作、液压、冷却、润滑和冲头等实现控制, 取代了原机床大量的继电器逻辑控制线路, 提高了机床的稳定性和可靠性。

取消原机床面板上所有的进刀设置电位器和选择开关, 全部由数控系统内装式PLC或加工程序指令完成。

二、数控系统配置 (见图1)

NUM1040HG是集CNC、PLC于一体的全功能数控系统, 能控制1～6个轴 (其中4轴插补) 。基本配置的输入/输出点数是64/48 (可扩展到256/128) ;可配置1～3个手轮, 9英寸液晶彩色显示器, 能够实现从刀具轨迹控制到外部设备的监控。CNC系统硬件采用CMOS电路、光纤通信技术及模块化设计思想, 减少了系统和外部的连线, 提高了整个机床电气控制系统的可靠性。系统主要由电源、CNC、驱动模块组成。系统软件具有开放性和友好界面, 可提供帮助性编程方式和强大的通信功能, 完善的丝杠螺距误差补偿和多种插补方式, 用户可方便地根据加工特性需要编写固定循环。

三、PLC程序的模块化设计

NUM内置PLC采用梯形图编程语言、模块化程序设计, 根据控制功能PLC程序编写成多个模块, 每一个模块完成指定功能, 各功能模块统一由主任务模块循环调用。这样设计的程序可读性强, 逻辑控制可靠性高, 主要模块如下。系统初始化模块:完成控制系统参数的设置与优化检查;I/O端口、定时器、计数器预置;堆栈、数据保护区、数据交换区的起始地址及容量的确定等。主任务模块:完成对各功能模块的循环调用。功能模块:处理PLC与CNC之间的数据交换;启/停控制;工作方式选择;各伺服轴进给控制;功能代码处理;内齿/外齿控制;冲头运动控制 (插刀最高/最低位置检测控制) ;回参考点操作, 控制面板处理, 报警文本处理等。中断处理模块:实时处理随机事件。

根据工艺要求, 普通工件采用三个加工循环, 每一个循环的进给量由工件材料、加工粗糙度要求在加工程序中给定, 自动完成加工过程。PLC控制程序流程图见图2。

四、结束语

插齿刀设计 第7篇

NUM公司的数控系统以其软件的开放、灵活、高速和高精度而著称, 在数控齿轮机床的应用领域内, NUM开发了专门用于齿轮加工的数控系统, 并且以其开放性的人机界面等功能深受广大用户欢迎, 在世界范围内的齿轮机床行业中其数控系统的销售量位居首位。随着数控系统在插齿机上应用的普及, 系统调试问题日益突出。特别是随着NUM数控系统的优点日益突出 (在伺服控制方面) , NUM数控系统在中国机床业中的应用渐渐增多, 现根据YK51250型数控插齿机的工作原理和控制特点, 介绍NUM数控系统在插齿机上的安装、调试及其技术技巧。

1 YK51250型数控插齿机的工作原理

YK51250型数控插齿机四轴控制三轴联动数控机床, 即三个伺服轴y, b, c和一个主轴, y轴为线性轴, b, c轴为360°模数旋转轴。主轴电动机为一般大功率的交流电动机再经过施耐德公司提供的ATV714变频器控制其转速;而三个伺服电动机的大小又不一样, b轴所需功率最大, 伺服电动机最大, y轴所需功率最小, 伺服电动机最小。y, b, c三轴电动机均自带编码器, 所以该系统为一个半闭环系统的机床。插齿机工作时, 插齿刀装在刀具主轴上作上下往复运动和旋转运动 (c轴) , 工件装在回转工作台上做旋转运动 (b轴) , 并可随同床鞍沿导轨作径向切入运动 (y轴) , 以及调整工件和刀具之间的距离, 可使刀具逐渐切至工件的全齿深。

2 系统的连接与调试及其技术难点

2.1 硬件的连接

在系统调试之前应该将各硬件完整的连接起来, 这块工作主要集中电气柜中。柜中安装了很多部件, 所以布置一定要合理, 既要方便接线又要美观。NUM1040系统的硬件连接从两方面入手:

a) 根据各自的接口要求, 先将数控与驱动单元, MMC, 电源模块, 交流控制模块四部分分别连接正确:MMC的+24V电源千万注意极性;在交流控制模块接线时注意电气部件线圈的额定工作电压。

b) 将硬件的三大部分互相连接, 连接时应注意:系统与伺服接线一定要对应。电动机的y, b, c轴扭矩都不一样, 因此伺服驱动也不一样。其中b轴伺服最大。

2.2 检查

全部系统连线完成后需要做一些必要的检查和开机准备工作, 它可确保控制系统及其组件启动正常, 并满足EMC检测条件。

a) 屏蔽检查:确保所使用的电缆符合提供的接线图中的要求;确保信号点栏屏蔽两端都与机架或机壳连通。

对于外部设备 (如打印机, 编程器等) , 标准的单端屏蔽的电缆也可以用.但一旦控制系统进行正常运行, 则应不接这些外部设备为宜;如一定要接入, 则连接电缆应两端屏蔽。

b) EMC (electromagnetic compatibility) 检测条件:信号线与动力线尽可能分开远一些;从NC或PLC出发的或到NC或PLC的线缆应使用施耐得提供的电缆;信号线不要太靠近外部强的电磁场 (如点机和变压器) ;HC/HV脉冲回路电缆必须完全与其他所有电缆分开敷设;如果信号线无法与其它电缆分开, 则应走屏蔽穿线管 (金属) ;信号线与信号线的距离、信号线预辅助等电位端的距离、等电位端和PE的距离应尽可能小。

c) 防护ESD (electromaqnetic sensitive device) 组件检测条件:处理带静电模块时, 应保证其正常接地;如避免不了接处电子模块, 则请不要触摸模块上组件的针脚或其他导电部位;触摸组件必须保证人体通过放静电装置 (腕带或胶鞋) 与大地连接;模块应背放置在导电表面上 (放静电包装材料如导电橡胶等) ;模块不应靠近监视器 (离屏幕勿近于10cm) ;模块不要与可充电的电绝缘材料接触 (如塑料与纤维织物) ;测量的前提条件是测量仪器接地和绝缘仪器上的测量头预先放过电。

2.3 调试

a) 灌程序:由于该插齿机系统的输入输出由PLC程序管理, 因此在系统运行之前要将PLC应用程序输入到CNC系统中。

b) 伺服和变频器先不通电, 系统通电后, 检查PLC输入输出是否和电气原理图一致。若出现不一致的情况, 首先检查输入输出部分的接线是否有错, 接线没错的话, 就检查程序。输入点都是共用DC24V电压, 而输出用到了几种不同电压:AC6.3V, AC24V, AC200V, DC24V。

c) 变频器参数设置:

1) 输入/输出设定:AI1 给定通道;AO1 电动机频率;LI1 (2线) 正转;LI2 (2线) 变频器复位;R1B变频器报警。

2) 设置:低速频率 (最小给定值时电机频率) 0Hz;高速频率50Hz;电动机热保护电流为电机铭牌上指示的标定电流;速度环比例增益40%;速度环时间常数100%。

3) 电动机控制:标准电网频率50Hz;电动机额定频率50Hz;最大输出频率60Hz;电动机控制类型[SVC V]为开环电压磁通矢量控制、[SVC I]为开环电流磁通矢量控制、[FVC]为带有增量式编码器类型传感器的电动机闭环电流磁通矢量控制。

d) 伺服参数设置:伺服参数设置需用NUM提供的专用工具软件。需要设置的参数主要有#52～#55。其中, #52号参数为伺服速度环增益, #54号参数为伺服响应时间, 这两个参数设置不当会造成电动机爬行或啸叫。还有一个电动机类型参数需设置, 由电动机额定扭矩决定。

e) 通电检验:检查系统能否正常工作, 变频器第一次启动, 伺服通电。在MANUAL工作方式下让各轴运动起来, 检查运动方向是否正确。编一句简单程序在MDI工作方式下运行。

f) 精度设置:P21, P11参数设置。用百分表检查y, b, c各轴运动的距离或角度是否为程序中指定的值, 如P11参数中N0∶N1∶N2∶N3∶N4∶N5=125∶2304∶25∶96∶75∶8192。

g) 试切工件:YK51250型数控插齿机验收时加工了一个齿数为13齿的大型齿轮。加工部分程序为:

2.4 数据备份

在进行调试时, 为了提高效率不做重复性工作, 需对所调试数据适时地做备份 (是通过RS232口备份到外部的计算机上) 。在机床出厂前, 为该机床所有数据留档, 也需对数据进行备份。

NUM1040需备份的数据分为:软件选项号、机床参数、螺距补偿表、交叉螺距补偿表、保护区的程序等。

2.5 数据恢复

选择操作面板上软键, 出现UTIL菜单, 选择“3:MACHINE BACKUP”选项, 出现备份数据菜单, 选择“0:BACKUP”选项, 启动外设接收数据, “Y”确认存储数据, 显示“RUNNING”, 完成机床数据的存储。

2.6 数据恢复

设准备发送数据, 选择操作面板上软键, 出现UTIL菜单, 选择“3:MACHINE BACKUP”选项, 出现备份数据菜单, 选择“1:RESTORE”选项, “Y”确认存储数据, 显示“RUNNING”, 完成数据恢复。

在此注意, 无论是数据备份还是数据恢复, 都是在进行数据的传送, 传送的原则:a) 永远是准备接收数据的一方先准备好, 处于接受状态;b) 两端参数设定一致。

2.7 参数的设置

在NC调试中, 参数的设置是其中重要的一部分, 参数设置的主要内容是匹配机器数据 (machine data) 。机器数据和设定数据分类如表1。

3 系统安装技术难点与维护维修分析

3.1 机床运行方式和通道的选择

由于NCK的功能不断加强, 一个NCK可以完成原来多个系统才能完成的工作, 因而可以有多个通道, 一个通道相当于一个独立的NC, 每个通道都有自己的零点徧置, 刀具补偿和R参数等, 但程序区是共用的, 每个通道有自己的工作方式, 如果几个通道的工作方式一直相同的话, 这就构成了一个方式组。

3.2 NUM1040系统液晶显示器维修

液晶显示器的使用寿命是30000h。而背光管的使用寿命是时10000～20000h。更换背光管的方法:a) 打开防护罩;b) 松开显示器的安装螺丝, 断开背光管的电源和显示器的信号电缆, 卸下显示器;c) 更换背光管;d) 按上述相反的步骤安装。

3.3 电池的更换方法

NUM1040系统共有2块电池, 1块在MMC上面, 主要保存CMOS的信息, 它的使用寿命至少是十年, 所以一般不需要更换。另外1块电池在NCU BOX里面, 和风扇在一起, 它的使用寿命一般在三年左右, 用来保存NCK里面的程序和数据, 由于有充电电容的保护, 可以在NCK完全断电后更换电池, 但时间不能超过15min。注意:在更换电池前最好留下NCK和PLC的数据备份!

3.4 编码器更换方法

a) 卸下电机后盖, 编码器的后盖;b) 松开编码器安装螺丝;c) 旋转电动机转子轴, 使编码器转子上的标志和编码器壳上的标志重合;d) 卸下编码器, 注意在装卸的时候尽量使用特制螺丝顶出来, 免得损坏编码器;e) 旋转新的编码器, 使编码器的两个标志重合;f) 按以上相反的顺序安装编码器。

注意:在更换电动机的编码器时要注意编码器的零点位置, 更换编码器时要保证更换前后电动机转子不动时编码器转盘上的一个标志和外壳上的标志的相对位置不变, 如果这个相对位置有变化只能通过示波器来调整。编码器的位置不对会影响电动机的运行, 比如运行不平稳, 电流过大等, 甚至会影响电动机的使用寿命。

3.5 伺服电动机和主轴电动机的区别

转子结构不一样, 主轴电动机的转子与鼠笼电动机的转子一样, 由于没有磁极, 因而不需要相应的检测转子位置的信号, 1PH7主轴电动机的编码器型号为ERN1381, 1FT6/1FK6电动机的编码器型号为ERN1387, 其主要区别就是ERN1381没有附加的C相和D相信号, 故更换编码器不需要重新调整, ERN1387可以用在1PH电动机上, 但反过来ERN1381不能用在进给电动机上。

3.6 驱动的优化

数控的驱动由电流环, 速度环和位置环组成的, 其优化一般由里及外层层优化, 但由于电流环的参数在电动机和功率模块的型号确定后用厂家的默认参数即可, 一般不需要优化, 故优化时先优化速度环, 再优化位置环即可。

速度环的优化, 一般涉及到速度环增益和速度环时间常数, 速度环时间常数越大和增益越低, 速度环越稳定, 但精度和动态特性越差, 一般来说, 速度环时间常数设在10ms左右, 而速度环增益调整在使速度环的阶约响应有20～40的超调。

位置环的优化涉及到位置环增益和加速度, 调整时先可以减少加速度值, 再增加位置环增益值, 保证系统稳定, 然后在适当增加加速度值, 使之适应机床的机械特性, 注意同一组的插补轴的位置环增益要一致, 否则会影响加工精度。

4 结语

NUM数控系统应用于YK5120C/YK51250型的数控插齿机, 用于大型内外圆柱齿轮的加工。切屑时径向进给是通过工作台移动来实现的;主运动由交流变频电动机驱动;切屑循环次数设计为一至五次, 可根据切屑需要设置循环次数及每次循环的径向切入量;机床按精度等级分普通型、精密型;精密型的工作精度可达6级。YKM51250数控精密插齿机在2003年通过专家鉴定, 技术水平达到国际先进水平, 属国内首创。

参考文献

[1]龚仲华, 孙毅, 史建成.数控机床维修技术与典型实例[M].北京:人民邮电出版社, 2003.

[2]娄锐.数控应用关建技术[M].北京:电子工业出版社, 2003.