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用840D系统改造MSZ838数控蜗杆磨齿机
北京凯普精益机电技术有限公司 汪海波

摘要：介绍MSZ838数控蜗杆磨齿机的结构，用西门子840D数控系统改造是的硬件选型及功能简介；MSZ838改造步骤。
关键词：蜗杆砂轮磨齿机 引导轴 随动轴 同步耦合
MSZ838数控蜗杆砂轮磨齿机是某减速机械厂1994年进口的二手设备，是该厂中、小模数齿轮加工的关键设备之一。由于没有足够备件，维修困难，最后因系统损坏而导致长时间停机，因此，厂方决定对该机床进行升级改造。
该机床工作原理复杂，对数控系统要求较高，我们对机床功能分析后，选定西门子840D数控系统对该磨齿机进行改造。
一、MSZ838数控蜗杆砂轮磨齿机结构
MSZ838数控蜗杆砂轮磨齿机由8个手动轴和数控轴组成，共分为两个部分。
1、工件齿轮磨削部分
(1) 砂轮旋转轴（S轴），是工件齿轮加工过程中的一个引导轴，由数控系统控制，伺服电机驱动。
(2) 立柱切向移动轴（Y轴），是手动移动轴，通过精密分度转盘结合传动链，手动移动一个固定量。
(3) 工件滑板上、下运动轴（Z轴），是影响齿轮旋转速度的一个引导轴。
(4) 工件旋转轴（C轴），是机床齿轮加工过程中的随动轴。由于蜗杆砂轮磨齿机是根据蜗杆砂轮与工件齿轮连续展成啮合的原理来磨削齿轮的，所以要求工件齿轮在磨削过程中的旋转速度必须与蜗杆砂轮旋转速度保持精确同步。由数控系统控制。
(5) 砂轮进给运动轴（X轴），砂轮的进给是沿齿轮的径向运动，完成齿轮磨削加工尺寸的进给轴，由数控系统控制。
(6) 工件架的回转运动，是一个手动调节部件，用来调节被加工斜齿齿轮的安装角度。
2、砂轮修整部分：
砂轮修整包括齿形、齿向和齿顶等的修整，该机床的砂轮修整部分是一个手动/半自动机械结构，采用普通三相异步电机传动，当修整电机旋转时，带动砂轮旋转，砂轮旋转和修正器的平行移动通过挂轮实现同步。
二、840D系统“电子齿轮箱插补功能”的应用
数控蜗杆砂轮磨齿机的工作原理是用蜗杆砂轮与齿轮连续展成啮合的原理磨削工件齿轮。MSZ838型数控蜗杆砂轮磨齿机的砂轮和工件齿轮的同步旋转是依靠数控系统的“电子齿轮箱插补”原理来实现的。在磨削齿轮时，根据不同被加工齿轮的参数来保证砂轮S轴及C轴之间的严格同步比例关系。
1、西门子840D硬件选型及简介
西门子840D数控系统推出应用于数控蜗杆砂轮磨齿机或滚齿机等类型机床的“电子齿轮箱插补”功能，是通过软件计算齿轮的传动关系来实现机床各轴之间的同步耦合运动。要求硬件单元必须具有高运算速度和高计算频率。840D数控系统只有NCU573控制板才具有此功能。
该功能的原理是对于每一个随动轴，通过固定的齿轮传动比，或通过一个特性曲线表格进行线性或非线性耦合，实现引导轴和随动轴的同步链接。在同一台机床上一个齿轮系统的随动轴可以是另外一个齿轮系统的引导轴。一个随动轴可以受到多达5个引导轴插补运动的影响。引导轴和随动轴同步耦合公式为：

360×cosβ

其中 u_dz =

mn×π

360×cosγ

u_dy =

mn×π

式中
nc：工件轴(C轴)的转速
nb：砂轮主轴(S轴)的旋转速度
z0：砂轮头数
z2：工件齿轮的齿数
vz：工件滑板上、下运动轴(Z轴)
vy：立柱切向运动轴(Y轴)
udz：工件滑板上、下运动轴(Z轴)的微分常数[单位：度/mm]
udy：立柱切向运动轴(Y轴)的微分常数[单位：度/mm]
mn：被加工齿轮的模数
β： 被加工齿轮的螺旋角
γ：蜗杆砂轮的螺旋升角
西门子840D系统“电子齿轮箱插补”功能的编程说明
(1) 功能轴组的定义
功能轴组由编程指令EGDEF定义，系统要求在定义电子齿轮箱插补功能轴组时，一个随动轴最少要有一个引导轴配对，但最多只能有5个引导轴。编程指令为：
EGDEF(随动轴，引导轴1，耦合类型1，引导轴2，耦合类型2，---，引导轴5，耦合类型5)
同步耦合类型说明：
耦合类型＝1：同步耦合按引导轴的给定值来计算
耦合类型＝0：同步耦合按引导轴的实际值来计算
(2) 功能的激活
功能必须在加工程序中激活后，系统才能完全建立起引导轴和随动轴的同步耦合关系。系统编程指令为：
EGON(FA，程序段改变方式，LA1，Z1，N1，LA2，Z2，N2，• • •，LA5，Z5，N5)
指令中参数说明如下：
FA：随动轴的轴名
程序段改变方式，分下面四种情况：
“NOC”：程序执行EGON命令后，程序段立即改变到下一个程序段。
“FINE”：程序执行EGON命令后，等待引导轴和随动轴的同步耦合运动达到“精确同步”定义的范围后，程序才执行下一个程序段。
“COARSE”：程序执行EGON命令后，等待引导轴和随动轴的同步耦合运动达到“粗同步”定义的范围后，程序才执行下一个程序段。
“IPOSTOP”：程序执行EGON命令后，等待引导轴和随动轴的同步耦合运动达到“给定值”同步后，程序段立即改变到下一个程序段。
LAi：引导轴的轴名
Zi： 引导轴耦合因子的分子
Ni： 引导轴耦合因子的分母
(3) 其它相关编程指令的描述
EGOFS()：取消定义的电子齿轮箱插补轴组。
EGDEL(随动轴)：电子齿轮箱插补轴组定义的耦合关系被删除。
三、改造步骤
由于MSZ838数控蜗杆砂轮磨齿机主要进行直齿和斜齿的磨削加工任务，故改造主要从以下几个方面进行。
1、通过840D系统的“电子齿轮箱插补”功能来控制S、C、X轴，实现S、C轴的同步耦合运动。S轴传动采用1PH7主轴电机，C轴和X轴传动采用1FT6进给电机，X轴采用电机编码器作位置测量系统，结合系统螺距误差补偿功能来保证X轴的进给精度。S、C轴的测量系统均采用海德汉高精度光电编码器，配合调整这两轴的相关机床数据，保证二者在加速启动过程中和磨削加工过程中的实际旋转速度为完全精确的同步关系，保证工件齿轮的加工精度。
2、Y轴保留原机床手动工作方式，在加工过程中每加工一批工件，手动移动一个固定量，以保证砂轮在一批工件加工后砂轮磨损量基本一致，同时也保证齿轮的磨削尺寸满足工艺要求。
3、Z轴控制采用非数控控制伺服轴，保留原机床的直流电机和直流伺服驱动来传动，利用PLC程序控制工件滑板的运行条件和运动方向，根据加工情况自行调节给定电压的大小来控制工件滑板上、下运动的速度。
4、机床的砂轮修整部分保留原机床控制结构和原理，结合PLC程序控制修整动作。
(1) 齿形、齿向的修磨：因为蜗杆砂轮相当于一个渐开线蜗杆，其法向基节相当于被磨削齿轮的法向基节。修整时首先调整好修正器20度压力角底座，再安装、调整好金刚笔安装座，计算好砂轮修正的进给量，然后开始修整砂轮。砂轮修整完成后，将标准齿形模板卡在蜗杆砂轮上，通过光源照射观看砂轮齿形的透光情况，确定砂轮的修整是否达到要求。
(2) 齿顶的修磨：整个修顶过程为修正器横向移动轴往复横向运动进行循环修正。
5、编程，在齿轮磨削之前，只要知道m n、z2、β、z0、γ等工艺变量，再根据加工工艺给出nb、vZ、vy，根据引导轴和随动轴同步耦合公式，就可以得出工件与砂轮的同步运动速度。由于该机床的vZ=vy=0，故同步耦合关系公式简化为 。所以，本机床在磨削齿轮时，只需要确定nb、z0、z2等参数，就可以完成整个齿轮的磨削。
840D系统“电子齿轮箱插补”功能在该机床上齿轮磨削的应用流程图见图1，

6、齿轮磨削过程中存在问题的解决
机床改造完成后，在试切中磨削齿轮的齿面出现了一些与正常刀痕纹路不同的微小波纹，通过详细观察、分析，发现在齿轮磨削过程中工件支架上、下运动轴有轻微震动现象，通过重新安装、调节工件支架轴的传动链和液压平衡机构，调节直流驱动参数并降低工件支架上、下运动速度后问题得到解决。
改造后，所加工齿轮各项精度达到产品设计要求，精度一致性好，机床加工效率也有大幅度提高。