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1. 概述
瑞士REISHAUER公司生產(chǎn)的RZ-300E型蝸桿砂輪磨齒機(jī)是一種高效、高精度的齒輪加工機(jī)床，我國(guó)已經(jīng)引進(jìn)幾十臺(tái)。到目前為止，這些機(jī)床由于年久失修，電控部分老化、損壞，大部分進(jìn)入大修的階段，但REISHAUER原廠的維修成本較高，原有一整套電器系統(tǒng)要一百多萬(wàn)元，價(jià)格相當(dāng)昂貴。應(yīng)漢中長(zhǎng)空精密機(jī)械制造公司的要求，經(jīng)航天數(shù)控系統(tǒng)有限公司領(lǐng)導(dǎo)研究決定，按用戶要求對(duì)其RZ-300型磨齒機(jī)進(jìn)行數(shù)控化改造。
原RZ-300E型蝸桿磨齒機(jī)是由電子控制完成機(jī)床動(dòng)作，其電子控制原理圖如圖1所示。
圖1 原RZ-300E磨齒機(jī)電器原理圖
磨齒時(shí)，機(jī)床主要運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下：
加工直齒輪時(shí)
A、 齒形成形組（即齒廓）
內(nèi)連系（分度鏈）：其運(yùn)動(dòng)關(guān)系為砂輪轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)工件轉(zhuǎn)過(guò)（：砂輪頭數(shù)，：工件齒數(shù)）轉(zhuǎn)；
外連系（切速鏈）：外連系的運(yùn)動(dòng)取決于砂輪軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)比。
B、 齒向成形組
內(nèi)連系，由刀具滑板和立柱的導(dǎo)軌所組成的傳動(dòng)來(lái)完成的；
外連系（送進(jìn)鏈），其運(yùn)動(dòng)關(guān)系為：①工件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)工件滑板沿工件軸方向位移S1mm。②工件滑板每完成一個(gè)行程后，砂輪座向工件徑向進(jìn)給S徑mm，直至磨到齒輪所要求的尺寸。
實(shí)現(xiàn)上述的二組運(yùn)動(dòng)，就可加工出所要的直齒輪。
加工斜齒輪時(shí)
A、 齒形成形組：（同加工直齒時(shí)狀態(tài)相同）
B、 齒向成形組
內(nèi)連系，由刀具滑板和立柱導(dǎo)軌所組成的傳動(dòng)副來(lái)完成，作直線移動(dòng)；
外 連系（送進(jìn)鏈）
向上送進(jìn)：工件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)工件滑板沿工件軸線移動(dòng)S1mm，同時(shí)，當(dāng)工件滑板沿工件軸線位移時(shí)，工件必須產(chǎn)生附加或附減的運(yùn)動(dòng)，方能滿足斜齒的加工要求，其位移關(guān)系為：工件滑板向上移動(dòng)一個(gè)工件的導(dǎo)程對(duì)應(yīng)工件要附加或附減轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，附加或附減，由斜齒輪的旋向所決定，由于本磨齒機(jī)工件轉(zhuǎn)向單一，故其附加運(yùn)動(dòng)為：
對(duì)于右旋齒：當(dāng)工件滑板向上運(yùn)動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程距離時(shí)，工件應(yīng)多轉(zhuǎn)一圈，反之少轉(zhuǎn)一圈；
對(duì)于左旋齒：當(dāng)工件滑板向上運(yùn)動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程距離時(shí)，工件應(yīng)少轉(zhuǎn)一圈，反之多轉(zhuǎn)一圈。
齒輪導(dǎo)程計(jì)算公式如下：T=πd / tgβ=πmnZ / sinβ（mn法向模數(shù)，Z頭數(shù)，β齒輪分圓螺旋角）。滿足了以上關(guān)系，便可加工出所要的斜齒輪。
2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述
根據(jù)原機(jī)床狀態(tài)及加工工藝性要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2所示的軟件界面。
圖2 數(shù)控改造軟件界面
根據(jù)磨削工藝設(shè)置如下參數(shù)：
齒數(shù)（z）：磨削的齒輪牙齒的數(shù)目；
模數(shù)（m）：表示牙齒尺寸大小的一個(gè)數(shù)據(jù)，它的單位是mm；
螺旋角（β）：螺旋線的切線與螺旋軸線之間的夾角；
旋向：表示輪齒的螺旋方向，軟件定為左旋為“+”，右旋為“-”；
砂 輪頭數(shù)：磨削用砂輪的線數(shù)，一般為1，該軟件也支持多頭砂輪；
螺旋角修正值：螺旋角實(shí)際角度與理論角度的差值；
砂輪設(shè)定轉(zhuǎn)速：設(shè)定砂輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
其各參數(shù)之間關(guān)系為：
tgβ=πd / T
T=πd / tgβ=πmnZ / sinβ
mn：齒輪的法向模數(shù)
Z：齒輪的齒數(shù) β：齒輪的螺旋角
除此參數(shù)外，應(yīng)用戶要求，對(duì)機(jī)床還保留原有的操作過(guò)程。
3、改造過(guò)程及問(wèn)題的解決方法
由于RZ-300E為高精密機(jī)床，在改造過(guò)程中，不免遇到很多技術(shù)上的問(wèn)題，給我們改造過(guò)程增加了很多困難，但我公司有多年機(jī)改經(jīng)驗(yàn)加之我們技術(shù)人員不懈的努力，所遇困難也都最終得以解決。下面簡(jiǎn)單分析一下磨齒機(jī)改造過(guò)程及其中所遇到的問(wèn)題和解決方法。
首先，電器老化問(wèn)題，由于磨齒機(jī)工作年限較長(zhǎng)，大部份電路器件都已老化嚴(yán)重，不能再用。因此，我們對(duì)磨齒機(jī)原有機(jī)械和電路原理進(jìn)行深入剖析，以求了解每一個(gè)電器原件的作用和工作過(guò)程，在深入了解的基礎(chǔ)上，我們重新設(shè)計(jì)了新的電器柜，換用新的電器原件，并對(duì)機(jī)床進(jìn)行了恢復(fù)、接線及調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明，新的電器電路都能滿足所有開(kāi)關(guān)動(dòng)作要求。接下來(lái)是原有工件電機(jī)的診斷和修復(fù)。在調(diào)試過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，工件電機(jī)工作不正常，原本最高4000rpm的速度，現(xiàn)在只能到1000rpm，而且轉(zhuǎn)動(dòng)還不平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)器難以穩(wěn)定的控制。以電機(jī)這樣的工作狀況，絕對(duì)滿足不了加工的要求，經(jīng)多方面了解和分析，我們確定此工件電機(jī)已損壞。經(jīng)電機(jī)專業(yè)人員對(duì)電機(jī)的折分和檢測(cè)，和我們預(yù)料的一樣。電機(jī)線圈已擊穿而且電刷磨損嚴(yán)重，而且電機(jī)內(nèi)部油污嚴(yán)重。經(jīng)修復(fù)、測(cè)試后，電機(jī)低速、高速均能穩(wěn)定運(yùn)行，也能被伺服驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定控制，電機(jī)問(wèn)題得到解決。
改造過(guò)程中，最重要的一點(diǎn)是要絕對(duì)保證砂輪和工件在加工過(guò)程中的嚴(yán)格同步關(guān)系，這是原機(jī)床最大問(wèn)題所在，也是我們改造的重點(diǎn)和核心所在。為此，我們多方面搜集資料，深入了解磨齒原理。經(jīng)我們一系列的討論后，制訂總體方案，以我們2100系統(tǒng)核心為基礎(chǔ)，編制磨齒同步控制程序。由于加工精度較高，因此除原有機(jī)床機(jī)械精度外，系統(tǒng)控制精度也得滿足要求，對(duì)此，我們選線數(shù)較高的光柵尺（18000線），我們采用每2ms為一采樣周期，在一個(gè)周期內(nèi)，對(duì)砂輪電機(jī)編碼器和滑板直線光柵采樣一次，算出砂輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度以及工件滑板所移動(dòng)的距離，再按以上所述磨齒原理，經(jīng)嚴(yán)格運(yùn)算，折算出工件電機(jī)所應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)角度，并以此為依據(jù)控制工件作嚴(yán)格的同步運(yùn)動(dòng)。經(jīng)反復(fù)修改完善和實(shí)驗(yàn)證明，我們所采取的方案是可行的，滿足5級(jí)直齒和斜齒的加工要求。由此可見(jiàn)，我們的改造方案是可行和成功的。
4、 結(jié)論
針對(duì)國(guó)內(nèi)磨齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)技求還不太完善的現(xiàn)狀，我公司勇于探索，敢于創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易磨齒數(shù)控系統(tǒng)。RZ-300E磨齒機(jī)改造的成功，增加了我們開(kāi)發(fā)磨齒數(shù)控系統(tǒng)的信心，相信經(jīng)我們的努力，磨齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一定會(huì)不斷完善，從而適應(yīng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求。
