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NC2050_A*面二次包络蜗杆磨床开发研制

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第 25 卷第 2 期 V ol 25, No 2

西 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Journal of Xihua U niversity Nat ural Science

2006 年 3 月 M ar 2006

文章编号: 1673 159X( 2006) 02 0034 03

NC2050 A *面二次包络蜗杆磨床开发研制
王 强, 黎亚元, 尹 洋
( 西华大学机械工程与自动化学院, 四川 成都 610039)



要: 本文作者提出了*面二次包络环面 蜗杆采用数控 磨床加工 的设计 与开发 思路, 解决了 伺服驱 动轴由

于负载严重不匹配引起的插补误差问题, 使该磨 床的开发研制达到改造的技术指标。 关键词: 数控磨床; *面二次包络环面蜗杆; 展成加工 中图分类号: T G580 2 文献标识码: A

*面二次包络蜗杆是一种特殊的环面蜗杆, 它 不仅具有多齿啮合, 瞬时双线接触, 工作齿面宽等优 点, 而且蜗杆可以淬火并用*面砂轮展成磨削, 蜗轮 滚刀容易制作。蜗杆不经人为修形处理, 其齿厚便 自然形成抛物线形状。由于这些特点蜗杆具有很大 的承载能力, 很高的传动效率和很长的工作寿命, 同 时具有可精确磨削加工的突出优点。这种蜗杆蜗轮 减速器装置广泛用于冶金矿山机械、 轨钢、 军舰船舶 甲板机械、 重炮机械以及电梯等装置中, 它对开发国 家许多重大装置具有非常重要的意义。目前对*面 二次包络蜗杆的需要正日益增长, 其精加工磨削工 艺装备的开发也尤其重要。基于此, 西华大学数控 研究所受重庆大学机械传动国家重点实验室委托开 发一台*面二次包络蜗杆数控磨床研究。数控磨床 是在一台 Y7520W 螺纹磨床上进行改造, 由于原机 床机械结构限制, 液压及润滑系统并不符合新机床 的要求, 具有很大的局限性, 开发工作遇到了很多困 难, 这里择其要点作一些介绍。机床改造涉及的问 题中插补精度与机床结构有密切关系, 这是所有问 题中最关键的问题之一, 作者将重点讨论。

想如图 1 表示。

图1

NC2050 A 蜗杆磨床结构图

磨床传动机构说明: ( 1) X: 工件纵向运动, 加工前手动调整, 磨削蜗 杆的轴向位置及定位; ( 2) Y: 横向工作台横向运动, 实现砂轮径向运 动, 加工前手动调试, 数显; ( 3) Z: 砂轮垂直方向垂直运动, 加工前手动调 试; ( 4) U: 砂轮主轴头绕砂轮中心在 垂直面内的 回转运动, 手动, 数显; ( 5) V: 砂轮头纵向运动, 调整砂轮与回转中心 的中心距, 手动, 数显; ( 6) W: 砂轮架横向运动, 手动; ( 7) R : 砂轮回转运动, CNC 伺服控制;

1 Y 7520W 改装方案
1 1 机床改造的基本设想 Y7520W 是一种高精度螺纹磨床, 有复杂的传 动, 可磨削加工最大直径为 200 mm、 最大长度为 500 mm 的螺纹及圆柱蜗杆等工件。用这种磨床改 装成蜗杆磨床具有较强的基础, 磨床改造的基本设

收稿日期: 2005 08 16 基金项目: 重庆大学国家重点实验室 211 工程项目( 编号: 0422092) 作者简介: 王 强( 1969 ) , 男, 四川省阆中市人, 讲师, 工程硕士, 研究方向为数控技术。

第2期



强 等: N C2050 A *面二次包络蜗杆磨床开发研制

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( 8) S: 主轴回转运动, CNC 伺服控制。 图 1 中运动部分除( 7) 和( 8) 项之外, 其它( 1) ~ ( 6) 项的机械部分必须重新设计制造。该研制改造 方案设计达到本文 1 2 技术指标。 1 2 机床改造设计的技术指标 最大中心距 最小中心距 蜗杆工作部分长度 主基圆直径满足 蜗杆头数 机床主轴转速 回转工作台脉冲当量 主轴交流伺服电机 功率 额定转速 零速转距 回转工作台伺服电机 功率 额定转速 零速转距 砂轮电机 功率 额定转速 4 5 kW 1 450 r/ pm 2 kW 2 000 r/ pm 20 N M 2 kW 2 000 r/ pm 20N M 300 mm 100 mm 150 mm 左右 200 mm 左右 1~ 6 1~ 10 r/ pm 3

个统一指令, 这里把脉冲当量定义为: CNC 发出一 个脉冲时, 回转工作台转过的相应角度, 设电机至回 转工作台的机械 传动比为 65, 则一个脉冲当 量为 2 , 当加工最大中心距为 300 mm 时, 砂轮转过的 弧线长度的当量值为 3 。 实际上这是一种极端情况, 绝大多数工况下, 中 心距会小于 300 mm, 因此脉冲当量会更小, 能满足 加工要求。 根据前面所述, 光电编码器都是安装在电机端 部, 所以整个控制系统为半闭环形式, 那么为什么不 采用全闭环形式, 把编码器安装在最终执行元件回 转工作台和机床主轴端部呢? 这主要是考虑到, 当 回转工作台的分辨率为 2 时, 全闭环时工作台应 配置分辨率为 10 万线的编码器, 要实现起来非常困 难。既然采用半闭环, 能否保持精度呢? 这是问题 的关键。为了解决这个问题, 应特别注意二轴联动 的参数设置, 下面对这个问题进行讨论。 2 2 两轴联动插补精度的分析 根据整机结构, 带动被磨蜗杆的主运动链的折 算转动惯量较小, 而带动砂轮的回转工作台是个很 大的惯性体, 折算后的转动惯量很大, 这两个伺服轴 的参数如果设置不合理, 会产生较大的误差, 这里影 响最大的是两个伺服轴的增益设置。如果在负载完 全相同的情况下, 增益不同会产生较大的加工误差。 反之, 如果增益相同而负载惯性有很大的差别时, 也 会产生很大的加工误差。而这个磨床的两联动轴的 转动惯量差别很大, 即是说伺服系统的负载差别很 大, 为了解决这个问题, 我们做了精度实验, 其结果 如下。 把回转轴的增益调到使它大 于蜗轮轴的 5 倍左右时, 基本实现了两轴的直线插补加工误差最 小, 数据及图形分别如表 1 及图 2 所示。
表1 数控斜线误差分步表 均方差 0 0038 方差: 6 27 7~ 6 0 00 % 2~ 1 15 77 % 3~ 4 2 09 % 8~ 9 0 00 % 6~ 5 0 12 % 1~ 0 22 42 % 4~ 5 0 39 % 9~ 10 0 00 %
3 13

砂轮架回转运动和主轴回 转运动 S 采用通过 CNC 控制的电子传动参与, 并实现二轴联动的分度 完成*面二次包络环面的啮合运动, 机床主轴的机 械传动部分利用原机床主轴箱, 只改变电机和电机 安装部分; 砂轮回转部分为新设计部件。

2

设计中关键问题分析
改装时应满足蜗杆加工的要求, 但又受到原机

床结构的局限, 所涉及的问题很多, 作者仅就数控插 补的问题进行讨论。 2 1 数控系统和脉冲当量的确定 展成加工分度链是依靠数控系统来完成的, 在 机床主轴电机端部和回转工作台电机端部分别装上 光电编码器 2500P/ R 一个, 由于 CNC 系统内部有 四倍频鉴相电路, 所以机床主轴电机或回转工作台 电机旋转一周系统会接收到 10 000 个脉冲, 根据机 床结构可以确定脉冲当量, 脉冲当量和一般直线运 动不同, 随着加工工况的不同, 即蜗杆蜗轮啮合中心 参数变化时, 若以周长定义的脉冲当量就很难有一 个标准值。因此应以角度定义脉冲当量。为了有一

最大误差: 5 52 最小误差: 5 63 10~ 9 0 00 % 5~ 4 0 72 % 0~ 1 23 24 % 5~ 6 0 02 % 9~ 8 0 00 % 4~ 3 2 37 % 1~ 2 17 06 % 6~ 7 0 00 %

8~ 7 0 00 % 3~ 2 7 65 % 2~ 3 8 14 % 7~ 8 0 00 %

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图2

数控斜线误差放大图

图4

圆弧加工误差

同样的, 圆弧加工误差 也最小, 分 别如表 2 及图 3 所示。
表2 数控圆误差分布表 均方差 0 01 8~ 7 0 00 % 3~ 2 3 28 % 2~ 3 2 68 % 7~ 8 0 00 % 7~ 6 0 00 % 2~ 1 14 38 % 3~ 4 0 2 % 8~ 9 0 00 % 方差: 4 27
2 13

3 研究成果, 存在的问题及进一步展望
经过研制人员的共同努力, *面二次包络环面 数控磨床被成功开发出来已投入运行, 并顺利通过 国家 211 工程验收, 机床经历了切削实验, 加工原理 正确, 保证了加工的精度。由于机床是在 Y7520W 基础上改造的, 结构上和传动上都受到很多限制, 还 存在一些问题。 这种以蜗杆蜗轮为传动副的回转工作台的结构 方式的机床有一定的局限性, 例如: 在加工中心距较 大的蜗杆时, 机床的回转工作台必须相对于工件向 后移动较大的距离; 加工较小中心距蜗杆时, 机床的 回转工作台中心必须 相对于工件向前移动较 大距 离, 在这种情况下回转工作台在 Y 方向来回运动范 围很大, 特别是加工小中心距工件时, 回转工作台必 须与工件靠得很*, 由于砂轮及砂轮头较大, 在这种 情况下, 为获得正确的加工位置, 砂轮头必须后退较 大的距离, 这就造成机床结构复杂, 工作层面过多, 加工误差增大, 以及一些相应机床结构问题和刚度 问题。考虑到这种情况, 我们提出一个新方案, 即多 轴四联动数控磨削机床, 目前正在进行四轴联动数 控磨削机床的研制。 参 考 文 献

最大误差: 4 11 最小误差: 3 63 10~ 9 0 00 % 5~ 4 0 01 % 0~ 1 33 37 % 5~ 6 0 00 % 9~ 8 0 00 % 4~ 3 0 14 % 1~ 2 16 37 % 6~ 7 0 00 %

6~ 5 0 00 % 1~ 0 29 57 % 4~ 5 0 00 % 9~ 10 0 00 %

图3

数控圆的形状误差放大图

[ 1] 李福生. 实用数控机床手册[ M ] . 北京: 北京出版社, 1993. [ 2] 黎亚元. 数控系统插 补误差测 试及分析 [ J] . 黑 龙江 工程学 院学报, 1998, ( 2) . [ 3] 钟约先. 机械系 统计算 机控 制[ M ] . 北京: 清华 大学 出版 社, 2001. [ 4] How ard. Salt . 进行加 工之前 先校验 机床[ J] . 现 代制造, 1995, ( 2) . [ 5] 罗学科. 数控原理与数控机床[ M ] . 北京: 化学工业出版社, 2004.

当两轴增益取为一样时, 其圆弧加工误差如 图 4 所示。 在这种情况下, 产生了最大的加工误差。我们 在这方面做了大量的实验研究工作, 保证使数控系 统参数调到最佳, 实验工作是满意的。这几个问题 的解决, 奠定了保证机床精度的基础, 其它问题由于 篇幅所限, 这里不再讨论。

( 责任编辑: 陈

谨)

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Journal of Xihua U niversity

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ulated under the same conditions. T he authors bring up an ap proach to t he choice for a model and discuss the issues w hich should be taken into account w hen the compensat ion models are simulated based transient fuel compensation and Neural N et w ork based transient fuel compensatio n. Key words: gasoline Engine; transient fuel compensation ( T FC) ; Neural Networ k( NN )

has been demonstr ated t hat this appro ach can design an op amp to meet the r equirements r apidly. Key words: adaptive genetic algor ithm ( A GA) ; quasi ex actness penalization functio n; circuit level synt hesis; cost func tion

Implementation of Gathering Quadrature Signal Using Encoder with DI Channel Based on Visual Ba sic Multi thread
Q IU Xiao chu ( School of Elect rical and Inf ormation Engineering, Xihua U niversity, Chengdu 610039 China) . JO U RN A L OF X IHU A U N IV ER SITY. v. 25, no 2 PP 42 44, 2/ 2006. ( ISSN 1673 159X ; In Chinese)

Development and Research of the Grinder NC2050 A for Grinding Annular Enveloping Worm
W AN G Q iang, ( School of M echanical Engineering and Aut oma t ion, X ihua U niversit y, Chengdu 610039 China) , LI Y a yuan, et al. J OU R NA L OF XIHU A U N IV ERSIT Y. v. 25, no 2 PP 34 36, 2/ 2006. ( ISS N 1673 159X; In C hinese)

Abstract: T his paper puts fo rwards a method for gathering quadrature signal of enco der by the DI channel based on multi thr ead. It describes the principle of gather ing quadr ature sig nal of encoder and discusses the pr oblems involved in the multi thr ead under V isual Basic. A co rresponding method of hardw are and softw ar e is given. T he metho d can be applied to measure the angle and low rotary speed. Key words: Visual Basic; thr ead; rotary encoder

Abstract: T he idea of desig ning and developing N C g rinder for grinding annular enveloping w orm is proposed. T he prob lems of interpolation err or caused by the seriously unmatchable load of t he driven ax is in the ser vomechanism ar e solved. As a r esult, the development and r esearch of gr inder achieve the t echnical target of the machine tool reconstruction. Key words: N C g rinder; annular enveloping worm; gener ating

Design of the Direct Torque Control System for Study on Soccer Robot Strategy Based on Oppo nents
HU A N G Xin yu( School of M echanical Engineering and Aut oma t ion, Xihua U niversity, Chengdu 610039 China) , X IA N G Zhong f an. J OU R NA L OF XIHU A U N IV ERSIT Y. v. 25, no 2 PP 37 38, 2/ 2006. ( ISS N 1673 159X; In C hinese)

Asynchronous Motors Based on TMS320F240 DSP
YA N G Wen fang( Elect ricity and Informat ion College of X ihua U niversit y, Chengdu 610039 Sichuan ) , W AN G Jun. JO U RN AL O F XI HU A U N IV ER SITY . v. 25, no 2 PP 45 47, 2/ 2006. ( ISSN 1673 159X; In Chinese)

Abstract: Dir ect torque control is a high performance con trol method, which directly selects inverter s switch sequence. According to the demands o f flux and torque, it makes the Asynchronous M otor run in ideal state. A DT C system based on T M S320F240 DSP is desig ned. T he elements and the str uc tures of its hardware and softw are are introduced w ith its flow chart. T he ex periment results sho w that the design scheme is feasible and the system s performance is excellent. Key words: asynchronous motor; direct tor que control; dig ital sig nal processor .

Abstract: One cr itical problem in robotic soccer is to adapt skills and the ov er all behavior in a changeable environment. T hrough the process of the opponent robots infor mation, a strateg y based on v ar ious opponents is proposed. Exper imental r esults in simulation sho w that the method is co rrect and feasi ble. Key words: soccer robot; strategy; simulatio n

Circuit Level Synthesis of Op amp Based on AGA
J IN Li ( Elect ron ics Depart ment of Guizhou U niversity, Guiyang 550025, China) , L IU Q iao. JOU RN AL OF X IHU A U N IV ERSITY . v. 25, no 2 PP 39 41, 2/ 2006. ( IS SN 1673 159X; In Chinese)

Implementation and Research of the Dynamic Caishi Chaos Circui t
SU N Fu yan( D epart ment of Elect ric and Engineering, W est China U niversity, Chengdu 610039 China) W EI Jin cheng, et al. JOU RN AL OF X IH U A U N IV ER SITY . v. 25, no 2 PP 48 50, 2/ 2006. ( ISSN 1673 159X ; In Chinese)

Abstract: A circuit level synthesis approach of o p amp is presented. T he method of quasi exactness penalization function is used to produce cost functio n. Besides, as an optimal algo r ithm, AGA can modify crossover probability and mutation probability and it is taken to assure global optimum r esults. It

Abstract: T he ar ticle presented a new nonlinear model of mechanics system and analy zed its t heories, emulated and ev al




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