基于西门子802S/C平台具有滚齿功能复合加工机床的研究
|
摘要
利用多轴数控机床实现复合加工是目前国际上流行的加工工艺之一，属先进制
造技术的一种。复合加工就是把几种不同的加工工艺集中在一台机床上实现。经机
床行业协会预测，数控多功能复合机床是二十一世纪机床行业的发展趋势之一，并
且市场需求逐年递增，具有极为广阔的市场前景。数控机床在机械制造中的应用越
来越广泛，地位越来越重要，但一般数控机床功能单一，满足不了数控多功能机床
的要求。数控多功能复合机床国际上发达国家虽已有报导，但其价格昂贵，难以适
应国内中小用户的要求。在激烈的市场竞争中，从事机械加工的中小企业迫切需要
成本低、效率高、加工精度高、质量稳定的新型设备来武装自己。因此，研究开发
一种中小型经济型多功能数控机床，具有重要意义。
本文讨论了以兰州理工大学“齿轮加工机床CNC系统”专有技术为基础，利用
兰州理工大学自行研制的脉冲伺服控制板，其中包括“电子齿轮传动”、“电子差动
传动”、“函数分频”、“同步锁相”等功能模块，在西门子802S／C平台上扩展第四轴
功能，实现数控滚齿加工和其他具有第四轴功能的复合加工，扩大该系统的适用范
围。
分析了国内外数控系统及齿轮加工技术的现状和发展趋势。基于圆柱齿轮的基
本原理，渐开线的形成原理，斜齿轮齿廓曲面的形成原理，分析齿轮滚齿加工成形
运动及其特点，论述运用“电子分齿传动”、“电子差动合成”等技术进行控制的方
法。
在西门子802S／C平台上构造了具有滚齿功能复合加工机床的总体方案；说明
了机床的基本结构、配置及控制原理；解决西门子系统与功能扩展模块的接口：设
计了基于西门子802S／C平台的数控滚齿多功能复合加工机床系统的软、硬件结构
和工作原理，介绍通过系统配置使该系统可以实现对直齿、斜齿齿轮等的加工控制；
设计如何以自由协议实现计算机802S／C的通讯和PLC程序传输方法。
To achieve compound machining by utilizing multiple spindle NC machine tool is one of the most popular international machining technology , and it belongs to advanced manufacturing technology. Compound machining concentrates kinds of different machining technology on machine tool. In accordance with the Machine Tool Association' s prediction, NC multiple function compound machine tool is one of the developing tendency of machine tool industry in the 21TH century and has wide prospect with increasing market demand year by year . NC machine tool confirms its important position and has been widely used in manufacture. But the ordinary NC machine tool is simply functioned and can not satisfy the requirement of NC multiple function machine tool .Although the developed countries have reported it, it can not fit the requirements of domestic medium-small enterprise owning to its high price. In intensive market competition, the medium-small enterprise engaging in machining needs new type equipment with low cost, high efficiency and machining precision and stable equality to protect themselves. Therefore , it is of great significance to research and develop a sort of multiple function NC tool.
The paper discussed the machining of NC gear hobbing and compound machining of the fourth spindle which expanded the scope of its application the Siemens 802s platform. Based on peculiar technology- "CNC" (computer numerical control) system of gear machining machine tool" of Lanzhou university of Science and Technology. However, the paper utilized the self-researched impulse servo control pad including the function module, for example gear transmission, "electronic differential transmission" function frequency division ","gunlock", and etc.
Meanwhile,this paper analyzed the present situation and developing
tendency of domestic and abroad NC system and gear machining technology. Rased on the ultimate principle of cylinder gear and involute and oblique t.onth gear surface, it explained the motion and characteristic of gear hoboing process and discussed in detail the control methods with "electronic tooth division transmission" , electronic differential transmission" an "position control principle" .
Furthermore, a total proposal was presented for compound machining machine tool with gear hobbing function on the Siemens 802s platform. The paper illustrated primary structure configuration and control principle, designed the interface between Siemens802 and self-researched impulse servo control pad ,designed the software, hardware and working principle of NC gear hobbing multiple function, compound machining machine tool on the Siemens 802S/C platform system for straight tooth and oblique tooth gear, and solved how to achieve communication between computer with 802S/C and PLC program transmission method agreement.
造技术的一种。复合加工就是把几种不同的加工工艺集中在一台机床上实现。经机
床行业协会预测，数控多功能复合机床是二十一世纪机床行业的发展趋势之一，并
且市场需求逐年递增，具有极为广阔的市场前景。数控机床在机械制造中的应用越
来越广泛，地位越来越重要，但一般数控机床功能单一，满足不了数控多功能机床
的要求。数控多功能复合机床国际上发达国家虽已有报导，但其价格昂贵，难以适
应国内中小用户的要求。在激烈的市场竞争中，从事机械加工的中小企业迫切需要
成本低、效率高、加工精度高、质量稳定的新型设备来武装自己。因此，研究开发
一种中小型经济型多功能数控机床，具有重要意义。
本文讨论了以兰州理工大学“齿轮加工机床CNC系统”专有技术为基础，利用
兰州理工大学自行研制的脉冲伺服控制板，其中包括“电子齿轮传动”、“电子差动
传动”、“函数分频”、“同步锁相”等功能模块，在西门子802S／C平台上扩展第四轴
功能，实现数控滚齿加工和其他具有第四轴功能的复合加工，扩大该系统的适用范
围。
分析了国内外数控系统及齿轮加工技术的现状和发展趋势。基于圆柱齿轮的基
本原理，渐开线的形成原理，斜齿轮齿廓曲面的形成原理，分析齿轮滚齿加工成形
运动及其特点，论述运用“电子分齿传动”、“电子差动合成”等技术进行控制的方
法。
在西门子802S／C平台上构造了具有滚齿功能复合加工机床的总体方案；说明
了机床的基本结构、配置及控制原理；解决西门子系统与功能扩展模块的接口：设
计了基于西门子802S／C平台的数控滚齿多功能复合加工机床系统的软、硬件结构
和工作原理，介绍通过系统配置使该系统可以实现对直齿、斜齿齿轮等的加工控制；
设计如何以自由协议实现计算机802S／C的通讯和PLC程序传输方法。
To achieve compound machining by utilizing multiple spindle NC machine tool is one of the most popular international machining technology , and it belongs to advanced manufacturing technology. Compound machining concentrates kinds of different machining technology on machine tool. In accordance with the Machine Tool Association' s prediction, NC multiple function compound machine tool is one of the developing tendency of machine tool industry in the 21TH century and has wide prospect with increasing market demand year by year . NC machine tool confirms its important position and has been widely used in manufacture. But the ordinary NC machine tool is simply functioned and can not satisfy the requirement of NC multiple function machine tool .Although the developed countries have reported it, it can not fit the requirements of domestic medium-small enterprise owning to its high price. In intensive market competition, the medium-small enterprise engaging in machining needs new type equipment with low cost, high efficiency and machining precision and stable equality to protect themselves. Therefore , it is of great significance to research and develop a sort of multiple function NC tool.
The paper discussed the machining of NC gear hobbing and compound machining of the fourth spindle which expanded the scope of its application the Siemens 802s platform. Based on peculiar technology- "CNC" (computer numerical control) system of gear machining machine tool" of Lanzhou university of Science and Technology. However, the paper utilized the self-researched impulse servo control pad including the function module, for example gear transmission, "electronic differential transmission" function frequency division ","gunlock", and etc.
Meanwhile,this paper analyzed the present situation and developing
tendency of domestic and abroad NC system and gear machining technology. Rased on the ultimate principle of cylinder gear and involute and oblique t.onth gear surface, it explained the motion and characteristic of gear hoboing process and discussed in detail the control methods with "electronic tooth division transmission" , electronic differential transmission" an "position control principle" .
Furthermore, a total proposal was presented for compound machining machine tool with gear hobbing function on the Siemens 802s platform. The paper illustrated primary structure configuration and control principle, designed the interface between Siemens802 and self-researched impulse servo control pad ,designed the software, hardware and working principle of NC gear hobbing multiple function, compound machining machine tool on the Siemens 802S/C platform system for straight tooth and oblique tooth gear, and solved how to achieve communication between computer with 802S/C and PLC program transmission method agreement.
引文
[1] 胡赤兵 齿轮加工CNC系统．机械工业自动化．1998(4)
[2] 胡赤兵 邬再新 刘涛．非圆齿轮滚切加工CAD/CAM一体化系统．制造技术与机 床．2000(3)
[3] 胡赤兵 姚运萍 邬再新 非圆齿轮滚切加工运动控制模型制造技术与机 床．1999(9)
[4] 胡赤兵 谭伟民 阎树田 田保仓．数控齿轮加工中的技术关键．甘肃工业大学 学报．1997(6)
[5] 朱国力．现代数控系统的特点和发展方向．科技动态．2000(2)
[6] 胡俊 吴祖育．数控技术的现状和发展趋势．机械工程师．2000(3)
[7] 鲍林 刘小廷 黎胜春．用西门子数控系统实现数控铣床技术改造，机械工程 师 2000，10
[8] 张冬梅 使用西门子经济形数控系统提高经济形数控机床的技术水平，制造技 术与机床．2000(5)
[9] 沙杰 陈国防 刘战术．西门子SINUMERIK 802S系统在数控车床改造中的应用， 机械工程师．1999． 12
[10] 朱文伯 西门子数控系统在机床改造中的应用．‘99中国国际机床展先进制造 技术专稿．1999 5．
[11] 修炜 沈军．西门子802S数控系统实现对磨床的技术改造．中国设备管 理．2000 9
[12] 王燕平．西门子802S数控系统在普通车床改造中的应用．机电工程．2000年17 卷第2期．
[13] 付云忠 李海君 孙雪 采用西门子802S系统改造凸轮轴磨床．现代制造工程 2002(9)
[14] 胡赤兵 肖卫国 谭伟明 邬再新，基于极低频输入下的脉冲跟踪伺服控制方法 研究中国机械工程．第12卷第2期2001年2月
[15] 姜永芹 李丙才 胡赤兵．伺服数控机床CNC系统结构与插补器设计．机床研究 与应用2001第14卷第4期
[16] 费金红 西德数控车床的系统改造．1998中国控制与决策学术年会论文集
[17] 张龙波基于PC机的开放式数控系统，1998中国控制与决策学术年会论文集
[18] 江蜂译21世纪机床纵横谈．机械制造．425期
[19] 李桂特 数控技术的发展．机械工程师．2001(3)
[20] 景琦 数控机床伺服驱动技术的现状与发展趋势．机械工程师．2001(3)
[21] 王耀南 编智能控制系统．湖南大学出版社．1998
[22] 范俊广 主编数控机床及其应用．机械工业出版社．1993
[23] 谭汝谋 李开佛 现代机械制造技术和数控机床的技术发展．机械工程学报， 1996． 29(25)
[24] 自然科学发展战略调研报告．机械制造科学，北京：科学出版社，1994
[25] 遇立基 生产工程致力于发展适合国情的先进制造技术．中国机械工程，1996 (4)
[26] 木军 数控系统与数控机床技术发展趋势．e-work．net，2002(7)
[27] 房贵如 先进制造技术的总体发展过程和趋势．中国机械工程，1995(5)
[28] 张建明 机电一体化原理与应用．北京：国防工业出版社，1992
[29] 申丽国 国外数控机床的研究动向及发展趋势．机械工业自动化，1996(2)
[30] 蒋新平 数控技术的发展及面临的任务．机电工程，1992(2)
[31] 郑春瑞 机电一体化的发展趋势．机械与电子，1991(3)
[32] 张曙 机床数控技术的发展现状与趋势．组合机床与自动化加工技术，1993 (1)
[33] 赵贵强 黎亚元 国际国内数控机床发展动向．四川工业学院学报，1995(14)
[34] 白英彩 唐冶文 余巍．计算机集成制造系统--CIMS概论，北京：清华大学出 版社，1997
[35] 黄一夫 数控技术 机械与电子，1993(1)
[36] 郑江 张保全 桂志国．现代齿轮技术的发展和我国齿轮制造面临的问题． 华北工学院学报．1997(1)
[37] 万心平 等编 锁相技术 西安 西安电子科技大学出版社 1993
[38] 郑继尧 等编 锁相环原理与应用
[39] 李仁定 主编．电机的微机控制．上海交通大学出版社，1999
[40] 谢明红．开放式模块化通用数控系统的软件设计．华侨大学学报(自然科学 版)，1998(4)
[41] 王振华 朱国力．基于现场总线的新型开放式数控系统研究．中国机械工程， Vol．12/4/2001
[42] 傅桂龙等．基于PC的开放式数控系统实现方法．机械工程与制造工程，2001(1)
[43] 郭艳玲 赵万生等．数控发展的趋势--开放式系统结构数控系统．东北林业 大学学报，2000(9)
[44] 康存锋 陈卫福等．基于PC的开放式数控系统．北京工业大学学报，2001(9)
[45] 党钊 黄大贵等．基于智能运动控制器的开放式多轴联动数控系统．机械， 2001(4)
[46] 廖效果 朱启逑等主编．数字控制机床．武汉：华中理工大学出版社，19921
[47] 杨公源主编 微机在机电一体化传动系统中的应用．北京：北京电子工业出版 社
[48] 王永章 主编 机床的数字控制技术．哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社 1991
[49] 徐承忠主编 数字伺服系统．北京：国防工业出版社，1994
[50] 余佳兵 杨叔子等．新型可编程自适应倍频器．电子测量与仪器学报，1997(4)
[51] 王宇晗 康亮 吴祖育．面向用户的可配置开放式数控系统的研究．机床与液 压，2000(5)
[52] 盛定高 基于PC开放式数控系统的特征及优势．机床电器，2002(5)
[53] 谭伟明 胡赤兵等．齿轮切削加工CNC系统．制造技术与机床，1998(10)
[54] 肖本贤．用单片机实现的电机速度和位置测量与控制．微电机，1996(1)
[55] 张新初等．8098单片机直流位置伺服控制系统．电器自动化，1996(1)
[56] 杨有君编 数字控制技术及数控机床．机械工业出版社．1999
[57] 董长双等．全自动数控冲床CNC系统抗干扰设计．机械与电子，1999(4)
[58] 康水源．机电一体化装置的抗干扰设计．机械与电子，1993(4)
[59] 张松春等编．电子控制设备抗干扰技术及其应用．北京：机械工业出版社，1995
[60] 刘钢等．计算机数控系统中的干扰源及抗干扰技术．航空精密制造技术，
1999 (6)
[61] Multitasking Completes The Gearmaking Job. September 1997/Tooling & Production
[62] CNC Gear Shaping. " Sulzer. Mar/Apr. l986/Geartechnology.
[63] "Design Implications for Shaper Cutter. "Ainsworth. July/aug. 1996/Geartechnology.
[64] "Gear Shaping Machine: CNC development. " Lange. Nov/Dec. 1985/Geartechnology.
[65] "Hard Cutting-a Competitive Process in High Quality Gear Production. " Klein. May/June. 1987/Geartechnology.
[66] "Gear Generation Using Rack Cutters. "Miller. Oct/Nov. 1985/Geartechnology.
[67] "Innovative CNC Gear Shaping. ' Lange. Jan/Feb. 1994/Geartechnology.
[68] "New Concepts in CNC Gear Shaping. " Feltan & Johnson. July/Aug. 1995/Geartechnology.
[69] "New Guideless CNC Shaper For Helical Machines. " Uneo. Mar/Apr. 1998/Gear technology.
[70] P. A. Mekeown. The Role of Precision Engineering in Manufacturing of the Future .Annuals of the CIRP. Vol. 36/2/1987
[71] Gear Shaping With CNC. November 1995/American machinist
[72] High Speed Dry Gear Hobbing. January 1999/Tooling &Production
[73] Gaging Gears For Harley . Davidson, donaldb, dobbins July 2000/Tooling & Production
[74] Yoram, Koren. Crossed-Coupulied Biaxiel Computer Control for Manufacturing Systems, Transation of ASME, December 1980． Vol.102
[75] Manfred Weck Shsrp Corner Tracking Using the IKF Control Straty. Annual of the CIRP Vol. 39/1/1990
[2] 胡赤兵 邬再新 刘涛．非圆齿轮滚切加工CAD/CAM一体化系统．制造技术与机 床．2000(3)
[3] 胡赤兵 姚运萍 邬再新 非圆齿轮滚切加工运动控制模型制造技术与机 床．1999(9)
[4] 胡赤兵 谭伟民 阎树田 田保仓．数控齿轮加工中的技术关键．甘肃工业大学 学报．1997(6)
[5] 朱国力．现代数控系统的特点和发展方向．科技动态．2000(2)
[6] 胡俊 吴祖育．数控技术的现状和发展趋势．机械工程师．2000(3)
[7] 鲍林 刘小廷 黎胜春．用西门子数控系统实现数控铣床技术改造，机械工程 师 2000，10
[8] 张冬梅 使用西门子经济形数控系统提高经济形数控机床的技术水平，制造技 术与机床．2000(5)
[9] 沙杰 陈国防 刘战术．西门子SINUMERIK 802S系统在数控车床改造中的应用， 机械工程师．1999． 12
[10] 朱文伯 西门子数控系统在机床改造中的应用．‘99中国国际机床展先进制造 技术专稿．1999 5．
[11] 修炜 沈军．西门子802S数控系统实现对磨床的技术改造．中国设备管 理．2000 9
[12] 王燕平．西门子802S数控系统在普通车床改造中的应用．机电工程．2000年17 卷第2期．
[13] 付云忠 李海君 孙雪 采用西门子802S系统改造凸轮轴磨床．现代制造工程 2002(9)
[14] 胡赤兵 肖卫国 谭伟明 邬再新，基于极低频输入下的脉冲跟踪伺服控制方法 研究中国机械工程．第12卷第2期2001年2月
[15] 姜永芹 李丙才 胡赤兵．伺服数控机床CNC系统结构与插补器设计．机床研究 与应用2001第14卷第4期
[16] 费金红 西德数控车床的系统改造．1998中国控制与决策学术年会论文集
[17] 张龙波基于PC机的开放式数控系统，1998中国控制与决策学术年会论文集
[18] 江蜂译21世纪机床纵横谈．机械制造．425期
[19] 李桂特 数控技术的发展．机械工程师．2001(3)
[20] 景琦 数控机床伺服驱动技术的现状与发展趋势．机械工程师．2001(3)
[21] 王耀南 编智能控制系统．湖南大学出版社．1998
[22] 范俊广 主编数控机床及其应用．机械工业出版社．1993
[23] 谭汝谋 李开佛 现代机械制造技术和数控机床的技术发展．机械工程学报， 1996． 29(25)
[24] 自然科学发展战略调研报告．机械制造科学，北京：科学出版社，1994
[25] 遇立基 生产工程致力于发展适合国情的先进制造技术．中国机械工程，1996 (4)
[26] 木军 数控系统与数控机床技术发展趋势．e-work．net，2002(7)
[27] 房贵如 先进制造技术的总体发展过程和趋势．中国机械工程，1995(5)
[28] 张建明 机电一体化原理与应用．北京：国防工业出版社，1992
[29] 申丽国 国外数控机床的研究动向及发展趋势．机械工业自动化，1996(2)
[30] 蒋新平 数控技术的发展及面临的任务．机电工程，1992(2)
[31] 郑春瑞 机电一体化的发展趋势．机械与电子，1991(3)
[32] 张曙 机床数控技术的发展现状与趋势．组合机床与自动化加工技术，1993 (1)
[33] 赵贵强 黎亚元 国际国内数控机床发展动向．四川工业学院学报，1995(14)
[34] 白英彩 唐冶文 余巍．计算机集成制造系统--CIMS概论，北京：清华大学出 版社，1997
[35] 黄一夫 数控技术 机械与电子，1993(1)
[36] 郑江 张保全 桂志国．现代齿轮技术的发展和我国齿轮制造面临的问题． 华北工学院学报．1997(1)
[37] 万心平 等编 锁相技术 西安 西安电子科技大学出版社 1993
[38] 郑继尧 等编 锁相环原理与应用
[39] 李仁定 主编．电机的微机控制．上海交通大学出版社，1999
[40] 谢明红．开放式模块化通用数控系统的软件设计．华侨大学学报(自然科学 版)，1998(4)
[41] 王振华 朱国力．基于现场总线的新型开放式数控系统研究．中国机械工程， Vol．12/4/2001
[42] 傅桂龙等．基于PC的开放式数控系统实现方法．机械工程与制造工程，2001(1)
[43] 郭艳玲 赵万生等．数控发展的趋势--开放式系统结构数控系统．东北林业 大学学报，2000(9)
[44] 康存锋 陈卫福等．基于PC的开放式数控系统．北京工业大学学报，2001(9)
[45] 党钊 黄大贵等．基于智能运动控制器的开放式多轴联动数控系统．机械， 2001(4)
[46] 廖效果 朱启逑等主编．数字控制机床．武汉：华中理工大学出版社，19921
[47] 杨公源主编 微机在机电一体化传动系统中的应用．北京：北京电子工业出版 社
[48] 王永章 主编 机床的数字控制技术．哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社 1991
[49] 徐承忠主编 数字伺服系统．北京：国防工业出版社，1994
[50] 余佳兵 杨叔子等．新型可编程自适应倍频器．电子测量与仪器学报，1997(4)
[51] 王宇晗 康亮 吴祖育．面向用户的可配置开放式数控系统的研究．机床与液 压，2000(5)
[52] 盛定高 基于PC开放式数控系统的特征及优势．机床电器，2002(5)
[53] 谭伟明 胡赤兵等．齿轮切削加工CNC系统．制造技术与机床，1998(10)
[54] 肖本贤．用单片机实现的电机速度和位置测量与控制．微电机，1996(1)
[55] 张新初等．8098单片机直流位置伺服控制系统．电器自动化，1996(1)
[56] 杨有君编 数字控制技术及数控机床．机械工业出版社．1999
[57] 董长双等．全自动数控冲床CNC系统抗干扰设计．机械与电子，1999(4)
[58] 康水源．机电一体化装置的抗干扰设计．机械与电子，1993(4)
[59] 张松春等编．电子控制设备抗干扰技术及其应用．北京：机械工业出版社，1995
[60] 刘钢等．计算机数控系统中的干扰源及抗干扰技术．航空精密制造技术，
1999 (6)
[61] Multitasking Completes The Gearmaking Job. September 1997/Tooling & Production
[62] CNC Gear Shaping. " Sulzer. Mar/Apr. l986/Geartechnology.
[63] "Design Implications for Shaper Cutter. "Ainsworth. July/aug. 1996/Geartechnology.
[64] "Gear Shaping Machine: CNC development. " Lange. Nov/Dec. 1985/Geartechnology.
[65] "Hard Cutting-a Competitive Process in High Quality Gear Production. " Klein. May/June. 1987/Geartechnology.
[66] "Gear Generation Using Rack Cutters. "Miller. Oct/Nov. 1985/Geartechnology.
[67] "Innovative CNC Gear Shaping. ' Lange. Jan/Feb. 1994/Geartechnology.
[68] "New Concepts in CNC Gear Shaping. " Feltan & Johnson. July/Aug. 1995/Geartechnology.
[69] "New Guideless CNC Shaper For Helical Machines. " Uneo. Mar/Apr. 1998/Gear technology.
[70] P. A. Mekeown. The Role of Precision Engineering in Manufacturing of the Future .Annuals of the CIRP. Vol. 36/2/1987
[71] Gear Shaping With CNC. November 1995/American machinist
[72] High Speed Dry Gear Hobbing. January 1999/Tooling &Production
[73] Gaging Gears For Harley . Davidson, donaldb, dobbins July 2000/Tooling & Production
[74] Yoram, Koren. Crossed-Coupulied Biaxiel Computer Control for Manufacturing Systems, Transation of ASME, December 1980． Vol.102
[75] Manfred Weck Shsrp Corner Tracking Using the IKF Control Straty. Annual of the CIRP Vol. 39/1/1990