
Y3150E型滚齿机的三轴联动PLC控制设计改造.doc
49页目 录第1章 绪 论 21.1 课题的来源、研究的意义及现状分析 21.1.1 课题的来源 2课题现状分析 3第2章 机械结构方案设计 72.1 主传动系统 72.2 进给运动系统 72.2.1 垂直进给 72.2.2 径向进给 82.2.3 工作台的转动 8第3章 立柱的设计计算 103.1 滚齿机切削力的计算 103.2 电动机的选择 113.3滚珠丝杠的选取 123.3.1 滚珠丝杠动载荷的计算与直径估算 123.3.2 滚珠丝杠的校核 143.4 锥齿轮的设计计算 153.4.1 初步设计 153.4.2 几何计算 163.4.3 接触强度校核 193.4.4 弯曲强度校核 213.5 蜗杆蜗轮的设计计算 213.5.1 选择蜗杆的传动类型 223.5.2 按齿面接触疲劳强度进行设计 22 蜗杆蜗轮的主要参数与几何计算 233.5.4 验算效率 25第4章 立柱、导轨的设计 264.1 导轨的选择 264.2 立柱的设计 28第5章 PLC系统总体设计方案概述 295.1传统滚齿机控制系统的功能与技术指标 295.2 PLC控制系统设计方案 33第6章 硬件系统的设计 366.1 PLC与伺服系统的连接 366.2 PLC与传感器的连接 37第7章 软件系统的设计与调试 407.1 数控化改造的电气要求 407.2 I/O点的分配 407.3 PLC梯形图设计 44第8章 期望与总结 46参 考 文 献 48第1章 绪 论1.1 课题的来源、研究的意义及现状分析1.1.1 课题的来源本课题来源于生产实际。
齿轮是工业生产中的重要基础零件,其加工水平和能力反映了一个国家的工业水平随着社会生产力和科学技术的发展,企业对齿轮的质量要求越来越高对产品的更新速度要求越来越快为了保证产品的质量,提高生产率和降低成本,要求齿轮加工机床不仅具有较好的通用性和灵活性,而且加工过程要尽可自动化从国内市场需求来看,工业化国家数控机床的发展已经进入稳定、实用和普遍推广的阶段,机床的数控化率已经成为衡量一个国家机床水平的重要指标一方面,我们应该设计、生产一些适合本国国情的数控机床;另一方面,我们面临300多万台普通机床,可以将其中的一部分改造成经济型数控机床所以,我国数控系统的需求潜力是很大的,发展前景是光明的从我国的实际情况出发,紧密围绕国民经济各行各业发展的需要,大力发展量大面广的经济型数控系统,可以显著地提高经济效益和社会效益从经济型数控系统的特点来看,可概括为:品种多样、功能较全、可靠性较高、价格低廉、操作简单、维修方便等尤为突出的三点是:1.节省资金机床的数控改造同购置新机床相比,一般可节省60%-80%的费用,大型机特殊设备尤为明显一般大型机床改造秩序花新机床购置费的1/3即使将原机床的结构进行彻底改造升级,也只需花费购买新机床60%的费用,并可以利用现有地基。
2. 性能稳定可靠因原机床各基础件经过长期时效,几乎不会产生应力变形而影响精度3.提高生产效率机床经数控改造后,即可实现加工的自动化,效率可比传统机床提高3-7倍对复杂零件而言,难度越高,功效提高得越多,且可以不用或少用工装,不仅节约了费用,而且可以缩短生产准备周期鉴于上述优点,经济型数控系统被许多企业看好目前,我国步入市场经济不久,国有企业正处于改制时期,资金严重不足,民营企业刚刚成长,技术人才短缺,同样资金也很紧张多数企业在短时间内不可能付出大量的资金购买中、高档数控,而大量的机械零件需要高速、高精度的设备来制造此时,步进电机的经济型数控正好填补了这一空白当前国内数控系统的发展趋势是:“跟踪高精度、发展普及型、扩大经济型”发展经济型数控符合目前我国的实际情况,我们应该边发展边探索针对经济型数控存在的问题,首先要加强管理,提高生产工艺水平,有效地组织起数控系统规模化生产,建立起数控系统质量监督体系及质量保证体系在重视中、高档数控系统开发、生产的同时,花大力气组织好经济型数控系统的生产原Y3150E型滚齿机采用纯机械的传动链,传动精度低、调整复杂,无法满足大批量、多品种、高精度齿轮的加工要求,且机床电气故障比较突出,有些机床甚至无法使用,如淘汰了重新购置则投资太大。
由于润滑充分,该机床的导轨、丝杠、丝母,滑台及工作台的蜗轮蜗杆等磨损不大,机床机械精度保持较好,具备进行改造的基本条件,且改造投资少、见效快,因此对普通滚齿机进行数控改造是经济可行的据统计,现在全国大约有五万台已陈旧滚齿机,加工不出GB10095-88标准的7级齿轮 对旧滚齿机进行数控改造,一方面能充分利用企业自身资源,为企业节约资本,另一方面也能有效提高齿轮的生产水平,满足要求非常适合我们国家企业的实际情况滚齿是应用最广的切齿方法,滚齿机是应用最普遍的一种齿轮加工设备,在此情况下,本课题应运而生课题现状分析滚齿机制造技术的发展可划分为机械式滚齿机和数控滚齿机两个阶段图1-1 传统的机械传动式滚齿机传统的机械传动式滚齿机,其特征为各主轴采用机械式的传动形式,包括差动、分齿、工件轴、滚刀轴和进给等由于传动链固有的理论误差和安装间隙,造成速度很慢,精度很低工作时,滚刀装在滚刀主轴上,由主电动机通过齿轮副和蜗轮副驱动作旋转运动;刀架可沿立柱导轧垂直移动,还可绕水平轴线调整一个角度工件装在工件轴上,由分度蜗轮副带动旋转,与滚刀的运动一起构成展成运动滚切斜齿轮时,差动机构使工件作相应的附加转动工作台(或立柱)可沿床身导轨移动,以适应不同工件直径和作径向进给(如图1-1所示)。
随着数控技术的发展,出现1-3个轴数控化的滚齿机,其中的一部分轴采用伺服电机数字化控制直到20世纪80年代,世界上才出现真正意义上的六轴数控滚齿机在过去的20年中,数控滚齿机的发展可以划分为四代:第一代数控滚齿机的工件轴和滚刀轴等采用传统的蜗杆蜗轮副传动,速度依然较低,但精度有所提高随着刀具技术的发展,切削线速度有了很大的提高,原来的滚齿机已不能满足刀具的高速切削要求,于是更快的第二代数控滚齿机诞生其工件轴和滚刀轴采用齿轮副传动,速度有很大的提高格里森凤凰牌125GH是第二代数控滚齿机的代表第三代数控滚齿机于90年代末出现, 它与世界上两大齿轮装备巨头的合并不无干系差动机构滚齿机发明人H.Pfaute创办了PFAUTER公司,100多年来,PFAUTER公司不断探索,使滚齿机制造技术始终处于世界领先地位1997年,世界著名锥齿轮制造商——美国格里森公司成功收购德国PFAUTER公司,通过技术的强强联手,第三代数控滚齿机GP系列诞生,其以全直驱技术的利用为特征,工件轴和滚刀轴的直接驱动实现了真正意义的全封闭环控制直驱技术的使用,保证了高速度;电子齿轮箱和机械间隙的数控补偿,保证了高精度。
这时数控滚齿机似乎进入顶峰近10年间,格里森公司有开发出第四代滚齿机GENESISTM 130H(如图1-2所示),GENESISTM 130H比普通数控滚齿机的性能有了很大提升(见表1-1),这也是当今世界上唯一的第四代数控滚齿机机床采用西门子840D数控系统,具有7个数控轴(X轴式径向轴,Y轴是切向轴,Z轴式轴向轴,A是刀架旋转轴,B是滚刀主轴,C是工件轴,Z2是尾架轴,如图1-3所示),其中,4个为联动轴(X、Z、B和C);采用干切技术,高速钢滚刀切削;转速达955r/min,线速度达180m/min,完成单件全部(包括上下料)过程仅需19s;精度高于DIN Class7;用于精密加工时可达到DIN Class5甚至更高,真正达到高精度、高速度 随着微处理机的发展,数控机床已向机电一体化方向发展,近年世界各发达国家竞相发展数控技术,集中了雄厚的资金和大批力展高级机电一体化技术和产品,实现生产高度自动化和柔性化幅度提高劳动生产率,降低产品成本,加速产品更新换代,从而适应市场激烈竞争的需要历经几代进化,计算机数控系统不仅比原有的数控系统使用范围广、功能全、精度高,而且还有相当大的通用性,改善了对机床操作的控制,并开始向人工智能化发展。
而现代数控系统的广泛应用,又促使机械加工行业的产品结构 、生产方式、管理体制和产业结构发生深刻的变化,也将促使人类劳动方式发生根本性的变化 因此,目前世界上各工业发达国家,都把发展数控技术作为实现机械工业技术革新的战略重点,各种加工机械都朝着数控化的方向发展但齿轮加工机床的数控化进展却非常缓慢,一个主要原因是数控系统本身满足不了齿轮加工机床所要求的严格速比关系现代数控系统发展的新趋势为加速实现齿轮加工机床数控化提供了可能现代数控系统具有以下新趋势:(1) 采用交流数字伺服系统 伺服系统的质量,直接关系到 CNC机床的加工精度现代的数控系统,采用交流数字伺服系统伺服电机的位置、速度及电流环路都实现了数字化,实现了几乎不受机械负荷波动影响的高速响应伺服系统并且系统采用的交流伺服电机没有电刷,避免了滑动摩擦,运转时没有火花,坚固耐用,几乎不用维修,可用于恶劣环境,它的调速范围与宽调速直流伺服系统相近由于现代控制技术的不断提高,系统内采用的数字脉宽调速装置可以以极低转速驱动电机运转,而这一点正是齿轮加工机床所追求的 适合于滚齿机伴随工件轴向进给,要求工件轴叠加一个附加运动 (速度较低)的需求。
从交流伺服系统的发展趋势来看,它的控制精度和可靠性不断提高,调节性能和适应性不断增强,真正实现了全软件结构,为进一步实现数控加工的自动化和柔性化提供可能从市场调查来看,在日本市场上交流伺服系统和直流伺服系统的所占比例为3:1还强,在1996年在北京 “第四届中国国际机床展览会”上几乎所有制造数控机床的日本厂商都推出了采用交流数字伺服系统的数控机床又如,美国辛辛那提州的米拉克龙 (Milacron)公司生产的代表当今世界领先水平的A-2100系统就是采用了科尔摩根公司提供的交流伺服系统国内也在交流伺服系统的研究方面作了大量工作 “八五”期间,国家主要大力扶植交流伺服系统,“九五”又相应地制定了有利于交流伺服系统发展的计划由此可见,数字化和采用交流伺服系统是机床数控化的发展趋势所以将数字式交流伺服系统引人到滚齿机的数控改装上是对国际领先技术的跟踪 也是对进一步实现滚齿机的数控化寻求途径2) 实现了多轴控制曲线、曲面及特殊型面的加工,刀库的控制,多刀加工都要求数控机床能实现多轴联动控制而滚齿机在加工齿轮时需要滚刀回转、工作台回转、滚刀的垂直进给走刀、工作台进给及滚刀沿刀具轴向移位等五个运动的协调运动,相当于控制系统对五根轴进行同时控制。
现代数控系统一般可控制轴数为3-15轴,同时控制轴数为3-6轴这样就为解决滚齿机以连续展成法加工齿轮时所需保证的两个基本要求提供了有效对策,为实现滚齿机数控化提供了另一个有力的保障3) CNC的智能化在现代数控系统中,引进了适应控制技术数控系统能检测对自己影响的信息并通过软件控制自动连续调整有关系统参数,形成新的优化组合,达到改进系统运动状态的目的,实现生产的高度自动化另外,通过改变系统控制参数以适应各种加工的需求,实现生产的柔性化而要实现滚齿加工的集成化,这两点也是它所需求的4) 有很强的通讯功能现代数控系统 还能与其它 CNC系统通信,或者与上级计算机通信,实现FMS进线的要求所以除了RS-232接口外,还有RS-422和DNC等多种通信接口随着柔性自动化技术的发展,齿轮加工机床也将逐步地由单机走向柔性线( FMS ),进而形成自动化工厂 (FA)或者计算机集成制造系统 (CIMS)这样就要求控制系统有较高的通信功能,而现。












