鼓形齿轮是一种广泛用于齿式联轴器、齿式接轴等基础件中的重要零件。加工这种齿轮,除了可用较昂贵的数控滚齿机外, 许多厂家都采用在普通滚齿机上安装仿形板并手摇机床立柱来实现。这种方法存在立柱进给灵敏度差、工件齿面粗糙度高、仿形板规格繁多、操作费精力等弊端, 特别是工件尺寸愈大, 弊端愈突出。

      随着数控技术的发展, 近10 年来部分高校和厂家开始探索数控改造普通滚齿机加工鼓形齿轮, 为这一问题的解决开辟了新的途径。

      1.基本原理

      根据鼓形齿轮的成形原理, 在普通滚齿机原分齿传动链的基础上, 按照数控理论中两坐标圆弧插补原理, 对机床的刀架垂直进给和立柱水平进给进行微机控制改造, 实现鼓形齿轮加工。

      Y 38 A 最大加工直径为小s o o m m , 最大滚切模数为m 6 , 滚刀转速为4 7. 5 ~ 1 9 2 r / m in , 刀架垂直进给量为0. 25 ~ 3. o m m / r 。工件模数为m Z ~ m 6 , 直径一般不超过争5 5 o m m , 齿根母线轮廓度允差为士0. 03 ~ 士0. l om m , 对称度允差为1 ~3 m m。按工件精度和切削力的计算一, 参考国内外数控滚齿机的拖动方式, 采用步进电机驱动的开环伺服系统。改造原理如图1 所示。

      综合考虑滚切中对机械进给系统跟随性、快速性的要求及改造成本等因素, 系统的主要参数定为: (l) 系统脉冲当量δp. 0.05 m m /s t e p ; (2 ) 步进电机步距角φ=1. 5 ° ; (3 ) 起动时间常数r=25 m s ; (4) 空载快速移动Vr =0. 8m / m in 。

       2.机械改造

       数控机床的进给系统应满足无间隙、低摩擦、高刚度、高谐振等基本要求。由此可知, 需要完成的机械改造主要包括滑动丝杠改滚珠丝杠、蜗杆一蜗轮副改为双导程渐开线蜗杆一斜齿轮副和伞齿轮副中增加轴向调整环节、滑动轴承均改为滚动轴承、增加两个单级减速机, 满足系统脉冲当量。改造后的进给系统, 起动力矩小, 传动精度高, 丝杠刚度好, 各齿轮啮合间隙均可调整。

      通过切削力计算、水平进给计算, 选1 3 o BF 0 01 型反应式步进电机。由启动矩频特性可知, 在2 6 6 7H z 下启动时扭矩不到ZN·m , 不能满足拖动需要。所以电机驱动采用高、低压功放电路, 并设置速度控制子程序, 以避免启动时产生失步。

     3.硬件电路

     硬件电路由微机(单板机)、外设、信号变换电路及辅助电路几部分组成, 构成一个完整的简易数控系统, 完成程序的输入与处理、显示、电机驱动等一系列功能。

      单板机及外设 专用单板机主要由微处理器、存储器、输入输出接口及总线等组成,它也可用T B 80 1 改制而成。微处理器选用机床改造中常用的8 位芯片Z so C PU , 其时钟频率为ZM H z ; 存储器选用ZK x s 位的6 1 1 6 R A M 2片、ZK x s 位的2 7 1 6 E PR O M 3 片, 6 1 1 6 用于调试程序, 2 7 1 6 用于存放监控程序、功能子程序及加工程序; I/ O 接口选用Z s o PIO Z 片, 一片用于步进电机功放电路联接, 另一片用于辅助电路(如行程控制、指示等) 联接; 内存译码器和1/ 0 译码器均选用74 L S 1 38。

     外设主要有28 键键盘和2 x 6 个7 段数字管(L E D ) , 6 个数字管中, 第1 位显示正负号,第2 、3 、4 位显示整数, 第5 、6 位显示小数。

      (2 ) 驱动电路步进电机启动过程中, 为了使励磁电流保持一定的上升速度, 保证电机具有较大的输出扭矩。驱动电路采用双电源功放电路, 即在励磁初期的短时间内用高电压驱动, 达到额定电流时切换到低电压。本改造中选用w BQ Z 一0 3 型五相步进电机驱动电源,其高压驱动电路由预置放大、微分电路、前置放大、高压功放组成, 低压驱动电路由预置放大、射极输出器、低压功放组成。为了防止强电及干扰信号通过1/ 0 回路进入微机而影响正常工作, 在1/ 0 接口与驱动电路、辅助电路之间均设有G O 1 01 三极管光隔离器, 以阻断干扰信号的传导。

     4.软件设计

     整个软件系统采用模块化设计, 它包括主程序模块、子程序模块及加工程序模块三大部分。主程序中有监控程序和初始化程序, 前者包括L E D 显示管理程序、键盘管理程序、二进制与十进制转换程序等, 后者包括PI O 初始化、C T C 初始化、键盘和L E D 缓冲区初始化及标志位初始化程序等。子程序包括中断子程序、行程控制子程序及报警子程序等。

      加工程序按被加工零件的加工工艺编制,这里包括圆弧插补程序、环形分配子程序及延时子程序等。

       ( 1 ) 插补计算滚切鼓形齿时, 滚刀中心的运动轨迹为半径R 的圆弧

     运用逐点比较法, 可计算出滚刀中心轨迹I 和N象限中的圆弧插补值, 其结果如下表:

     (2)电机控制与加工程序框图步进电机用内存中的控制字F CW 控制运行状态。在8位FCW 中, D 。和D Z 分别为X 向和Z 向的转动与停止控制位, D l 和D 3 分别为X 向和Z 向的方向控制位。

     电机通电方式为五相五拍, 采用软件环形分配器实现, 通电状态用I/ O 口的输出数据控制, 即一个输出数据对应一种通电状态。欲使电机正向连续转动, 1/ 0 口循环输出01 H →o ZH → o 4 H →o 8 H →lo H →o 1 H ⋯ ⋯ 各状态码。

      欲反向转动, 状态码顺序相反。改变各状态码之间的间隔时间, 可改变电机转速, 以满足各种切削进给速度。

     间隔时间由延长子程序控制,也可利用C T C 定时器控制。加工程序中的圆弧插补主程序框图如图2 所示。