在三轴数控铣床上使用PLC模块控制回转工作台切锥齿轮螺纹-机械设计制造及其自动化专业毕业设计外文翻译.doc
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1、毕 业 设 计 翻 译 文 献设计题目: 数控回转工作台设计 原文:在三轴数控铣床上使用PLC模块控制回转工作台切锥齿轮螺纹S. Mohsen Safavi & S. Saeed Mirian &Reza Abedinzadeh & Mehdi KarimianReceived: 25 November 2008 / Accepted: 23 November 2009 / Published online: 5 January 2010# Springer-Verlag London Limited 2009概述 时下数控加工越来越多地使用“机电一体化”。数控技工,电气,数据处理系统相结合可
2、导致新的生产方法。近年来,数控技术的发展已经使人们有可能进行非线性校正的螺旋锥齿轮的切削运动。在本文中,我们试图使用一个三轴数控铣床利用传统的间断多种切削的实现方法,通过使用一个万能铣床的一个额外的PLC模块接口连接牵引工作头来制造螺旋锥齿轮。这项研究由(a)螺旋锥齿轮的几何造型,(b)模拟传统和新的非传统方法使用CAD / CAE系统,(c)数控加工和PLC编程的过程规划,(d)用三轴数控铣床实验切削发现该方法的有效性组成。结果表明,发明的实验SBGs切割方法不仅是较先进的数控加工更廉价,同时也与传统的切削加工相比能在较短的时间内生产齿轮。因而,它是一个制造SBGs经济的方法。关键词 齿轮制
3、造.螺旋锥齿轮.CAD/CAM/CAE技术.数控.PLC.交流电机.逆变器.接近传感器.光电传感器.旋转编码器S. M. Safavi : S. S. Mirian : R. Abedinzadeh (*) :M. Karimian (*)机械工程部,伊斯法罕科技大学,伊斯法罕, 伊朗e-mail: abedinzademe.iut.ac.ire-mail:m_karimian19731 引言齿轮作为传输并行的交叉和交错交叉轴的机械动力或运动变速的方法是重要且精密的机械。虽然在视野中中隐藏着,齿轮依然是在我们的文明中最重要的机械元件之一。他们在各种各样的条件下以极限的速度运行。用以生产齿轮的机
4、器和过程是现存最精致的。无论是生产或大或小的批量,在细胞中,或车间作业批次,齿轮制造过程的序列要求四项工艺过程1:1. 下料2. 齿轮切削3. 热处理4. 研磨根据他们的类型和应用所需的强度和韧性,由铸造,挤压,锻造,粉末冶金,塑料模具,齿轮滚动,和机械加工制造齿轮。在这些过程中,机械加工更加频繁地用于高精密齿轮2。在各种类型的齿轮,螺旋锥齿轮(SBG)是最复杂的类型,用于传输之间的角度交叉轴的旋转运动。SBGs有纵向沿齿的长度方向弯曲的齿。这些齿轮比直齿齿轮的主要优势在于,由于曲线形的原因在同一时间能保证齿的轮廓啮合更多的齿等,啮合时运动平稳性能得以保证3。在直升机的变速箱,摩托车齿轮,减速
5、机,和其他工业部门中至关重要的研究齿轮应用的问题上,螺旋锥齿轮的设计和制造仍然是一个热门话题。对现今制造业而言,齿轮由特殊机床,滚齿机和成型机加工而成。近期,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关于齿轮制造的论文在开放研究领域的稀少。近期,基于数控技术的齿轮制造机床已被开发并且越来越多地应用于工业实践中。然而,它们的运动学结构仍然与工业数控铣床有着本质不同,因为前者是为特殊刀具而设计的。以往齿轮的研究主要关注齿轮的设计和分析。已对齿轮的几何特征和设计参数进行了研究48。Tsai 和 Chin 4提出了一个基于基本运动装置和沿相切面为渐开线几何形状的锥齿轮的数学曲面模型(直线和
6、SBGs)。后来被Al-daccak等人拿来和基于确切的球面渐开线曲线的其他模型进行比较5。Shunmugan等人提供了一个不同的模型,它的精确性(与专用机床制造的螺旋锥齿轮相比)依照标称偏差所证明。对于花冠齿轮,只有几个结果适合。Litvin和Kim 8提供一个由正齿轮修正节圆的渐开线产生的方法。Umeyama9设计了一个节圆的标准轮廓和一个修改螺旋齿轮传动误差值测定的顶部/底部的面齿轮轮廓。Tamura等人10, 11 研究了使用一个平面齿的锥齿轮点接触模型。这些研究与特殊的专门设计制造齿轮齿廓的齿轮机,如滚齿机和成型机有关。Suh等人12研究了一个曲面加工螺旋锥齿轮的制造方法的可能性,并
7、用使用一个四轴数控铣床与回转工作台展示工具路径生成从而证明其可能性。还介绍了一个基于模型的螺旋锥齿轮的检查方法13。在本文中,我们试图提出一个在三轴数控铣床上使用PLC模块控制回转工作台来制造SBGs新的过程。在生产速度方面,很明显,这种方法将低于专用机床。除产率外,这种方法在以下几方面具有优势:(1)传统的方法需要大量投资获得各类大小和几何方面非常有限的专用机械和专用齿轮类型的齿轮类刀具;(2)通过这种方法,可以利用工业三轴数控铣床生产各种类型的齿轮; (3)这种方法比专用机床更具有经济性。开发一个自动的计算机模型来完全模拟过程并获得加工参数是和以往的成果区分我们的工作的要点之一。所有以前的
8、研究一直致力于计算复杂的数学公式和设计几何模型。鉴于上述情况,实验测试应给予特别重视,而不是呈现SBGs的几何或数学模型。这是第一次机电工具和一个三轴数控铣床同时使用用来制造一个特殊的齿轮,甚至是机械部件。2 螺旋锥齿轮的几何规范大多数时候,一个齿轮的几何参数由工程图纸提供。一些参数(主要参数)需要由几何定义。图1显示模数,螺旋角,齿轮的齿数。表1总结了这些参数,包括在我们测试中已生产齿轮的参数之间的关系。要计算这些参数,我们使用叫GearTrax 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,生成这种齿轮传动不仅要求高品质的设备和齿轮传动装置的制造工具,也需要特殊机床设置的
9、发展。这种标准不是规范的,但必须在每个齿轮传动设计要求的质量有保证(取决于齿轮传动的几何参数和生成工具)的情况下决定的。图1 模块,螺旋角,齿轮的齿数表1 齿轮数据3 制造SBG像在引言中所讨论的,通过机械加工,各种类型和尺寸的齿轮都能制造,机械加工因为其高精度也是未被超越的。铣削是制造任何类型的齿轮中最常见的加工过程 14。刀具有相同的形式,如邻齿之间的空隙。标准刀具通常受聘于标准齿轮的切割。在美国,这些刀具由各类径节分为八类,并根据齿数表示标准表切齿轮。 格利森公司使用的面对滚齿过程是由基于可以分别考虑交配齿轮和小齿轮的锥齿轮的一般概念所生成,并由互补花冠齿轮所产生15。产生的冠齿轮的齿面
10、由如图2所示工具刀片的切削刃的轨迹做成形运动加工而成。 由公式. 1所示,面对滚齿过程中的比例速度取决于工具的齿数和成型齿轮:wt和wc表示该工具的角速度和发电齿轮;Nt 和 Nc表示刀片组的数量和发电齿轮的齿数。图2 生成扩展外摆线成形齿轮滚动节圆的半径和工具由式2和3决定:S为机径向设置。 成形冠齿轮,可以被看作一个锥齿轮90 俯仰角的特殊情况。因此,一个通用术语“成形齿轮”由此而来。互补成形冠齿轮的概念被理解为当配套成形小齿轮的成形齿面和齿轮啮合时。在实践中,为了引入交配齿面的错配,成形齿轮的小齿轮和齿轮可能不互补相同。成形齿轮的旋转是由一个双曲线齿轮成型器的旋转支架所产生的(图3)。
11、为了利用三轴数控铣床制造SBGs,我们首先发展由几何造型及图形仿真模块组成的的CAD / CAM系统测试过程。商业软件Solidworks被用作创建CAD模型和MSC。Visual NASTRAN 4D(通过三维模型进行运动学分析机构的CAE系统)用作模拟齿轮制造过程及其分析结果(图4)。至于机床结构而言,很明显,工件的旋转运动是为数控加工SBGs的需要。基于可加工性分析16,数控加工SBGs一个工步至少需要四轴控制。因此,需要一个接有回转工作台的三轴铣床。成形切割或成形铣在我们的测试使用。刀具是呈放射状从轮毛坯中心向所需齿根齿宽,然后穿过整个齿面,回转工作台则绕工件中心回转,以获得所需的的齿
12、宽。图3 锥齿轮切削的概念当一个齿的间隙已经完成,该刀具被撤回,齿轮毛坯使用分度头连接,下齿间隙被切断。基本上,这是一种简单灵巧地用机械加工制造SBGs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,刀具在每一步的进给值应当很小并且相当谨慎以防任何刮伤。 我们用GearTrax创建螺旋锥齿轮来模拟操作顺序,然后估计一些加工参数,如立铣刀的初始高度,位置接近传感器,电机转矩,电机转速和旋转频率。例如,在SolidWorks中,我们用来定位的主轴沿Z轴垂直的立铣刀和SBG顶点之间的距离为14.7毫米。图4 切削齿轮的仿真图5 CAE系统所取得的电机角速度图此外,根据我们使用CAE
13、系统的图形报告,电机角速度和电机扭矩分别为1rpm和48牛米(图5和6)。 Mastercam软件是一种机械的软件,可以用来生成加工刀具路径。根据面齿轮的整个深度和宽度,在切削过程中刀具路径设计为一个矩形轮廓。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. 多路径让刀具有多步骤加工,从而能更好地进行切削加工。2. 在进入/退出动作之前,导入/出已延长或已缩短的刀具路径不会生成额外的几何体,这有助于控制补偿工作时,使人们有可能在更短的时间内编写的固定的轮廓刀具路径(图8)。虽然这种齿轮切割的形式目前在万能铣床上使用索引头实现,但这个过程是缓慢
14、的,需要熟练的工人和操作员。图9显示在通用机器上完成工作时车间的布置安排。图6 CAE系统所取得的电机扭矩图图7 设置轮廓参数如其所示,刀具安装在一个心轴上,分度头用于旋转(切削齿轮齿廓)导引齿轮毛坯。回转工作台设定一个角等于螺旋角(35),分度头与回转工作台的纵向进给螺杆齿轮连接,使齿坯纵向移动旋转。图10展示了上文提到的传统切割的模拟。在所提出的方法中,我们已经使用交流电(AC)电机与蜗轮蜗杆减速对接。蜗轮齿轮箱用于减少交流电机的输出速度并且调节节圆锥元素和齿轨迹之间的角度,其角度称作螺旋角17。 由于需要刀具路径规划和向外轴的蜗轮蜗杆减速旋转运动之间的同步,应使用机电一体化系统来控制所有
15、的四轴(一根轴控制回转工作台的运动其他三轴控制切削工具)同时使用。 机电系统包含五个主要部分:1. 可编程序控制器,电子设备,它可以被称为一个“序控制器。”它使用内部的微处理器根据序列的编码器和传感器的输入信号中的状态和值来执行计算工作。2. 变频驱动(VFD),是通过控制向电动机提供的电力频率来控制交流电动机的转速一个系统18。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,这些可变频率驱动器有时也被称为变压变频器19。我们使用交流电机驱动器作为PLC和交流电机之间的中间设备。图8导入/输出参数图9
16、一张万能铣床上手动切割的照片图10 Visual Nastran 4D在万能铣床上使用引导头进行传统手动切割模拟 一些被用来配置交流电机驱动器的变量如下:1. 最大输出频率(Fmax=60 Hz)这个参数决定交流电机驱动器的最大输出频率(0至+10 V,4至20毫安,-10+10 V)。2. 最大电压频率(Fbase=60 Hz)设定此值应根据电机铭牌上电机额定频率。最大电压频率决定伏每赫兹。对于60 Hz的设置,变频器将保持恒定为7.66V / Hz(460 V/60 Hz=7.66 V/Hz)。此参数值必须等于或大于中点频率。3. 最大输出电压(Vmax=220 V)此参数确定交流电机驱动
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