为了将螺旋锥齿轮设计与加工一体化,新控制程序比以前的更稳定!

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基于通用计算机数控机床的螺旋锥齿轮加工方法,为螺旋锥齿轮的柔性、多样化加工开辟了一条新途径。为了提高信息的相关性和可追溯性在孤立的螺旋锥齿轮加工模式基于通用数控机床,一种新颖的集成设计和加工模式基于普遍的弧齿锥齿轮数控机床提出了该研究和螺旋伞齿轮综合设计和加工方案。


在此基础上,建立了螺旋锥齿轮一体化设计加工的通信控制框架,开发了螺旋锥齿轮信息集成管理系统,实现了整个螺旋锥齿轮一体化设计加工过程的信息通信与集成管理。最后,通过某型螺旋锥齿轮的集成设计加工实例,验证了该集成设计加工模式和信息集成管理系统的可行性和实用性。本文以“An integration method of design and machining for spiral bevel gears based on universal CNC machine tools”为题于2020年9月25日发布于《Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering》杂志上。


研究背景


螺旋锥齿轮具有优良的啮合性能和优异的传动效率,在相关行业(如汽车、冶金、航空、船舶、电力等)的各种机械传动系统中得到了广泛的应用。与普通零件和普通齿轮(如圆柱齿轮、斜齿轮和直齿锥齿轮)相比,螺旋锥齿轮的设计和制造技术被认为是一个热点和难点研究课题。


齿面表达式的建立、切削调整和检测以及齿面误差的修正比较困难,这决定了它们加工方式的特殊性。螺旋锥齿轮的传统加工方法是面铣或面滚齿,必须依靠专用机床进行加工。


随着数控加工技术的发展和持续改进的螺旋锥齿轮成形理论、现代制造基于特殊的弧齿锥齿轮数控铣床工具是一个闭环制造过程包括数字设计与计算,数控加工,数字检查和校正。然而,由于螺旋锥齿轮加工原理的限制,在专用机床上采用传统方法(铣面或滚齿)加工大尺寸螺旋锥齿轮,存在着刀具尺寸大、加工效率低、生产成本高等明显缺陷。


大尺寸螺旋锥齿轮的单件或小批量加工,传统的加工方法已难以满足加工的要求。可喜的是,自由曲面数控加工理论的迅速发展为加工大型螺旋锥齿轮开辟了一条新的途径。利用廉价的刀具(如外圆铣刀、球头铣刀、锥形指铣刀),可以方便地在万能数控机床上加工大型螺旋锥齿轮。


此外,有各种各种弧齿锥齿轮的加工方法,可以突破加工的概念和方法的约束,进而有效地弥补缺陷,以及满足市场加工要求单件、小批量、大尺寸弧齿锥齿轮在相关行业(如石油、冶金、航空、航运、煤炭和电力)。


目前通用数控机床螺旋锥齿轮加工过程中,加工状态是孤立的,数控程序代码的编辑和输入需要在通用数控机床的数控单元中手工完成,存在着数控代码长、输入效率低、误码率高等明显缺点。


在制造业网络化发展趋势的背景下,利用现代信息通信和管理技术实现基于通用数控机床的弧齿锥齿轮加工模式的分离与集成转变显得尤为迫切。在一体化加工模式下,实现了螺旋锥齿轮的一体化设计与加工(SBGIDM),实现了对整个设计与加工过程信息的统一管理,全面改善了孤立操作模式的弊端,有效地提高了数控程序代码的传输效率和准确性。


为了突破目前基于通用数控机床的螺旋锥齿轮加工模式的设计、加工、检测环节存在的信息集成和传输效率低、数据相关性差、可追溯性差等缺点,实现了从信息集成到集成的转换,该研究提出了一种IDMMSBG_UCNC,如图所示。


通过建立通信网络环境,将基于通用数控机床的数控加工、螺旋锥齿轮的数字化检测与校正等信息通信与管理技术有机地集成在一起。特别是分布式数控系统负责对通用数控机床的集成控制和管理。它为数控程序的网络传输、通用数控机床与其它系统(如齿轮设计中心、齿轮检测中心、信息集成管理系统)之间的信息交互提供了信息通信桥梁。


研究者建立了河南齿轮制造工程研究中心的网络通信环境,实现了基于TCP/IP的整个研究中心的网络通信。利用串口服务器,实现了分布式数控系统与通用数控机床之间的RS 232-TCP/IP协议转换和网络通信。


图为基于通用数控机床的全齿轮一体化设计与加工工艺


图为全齿轮一体化设计与加工过程的信息交互


图为齿轮和螺旋锥齿轮副的三维模型。a小齿轮,b螺旋锥齿轮副


在此基础上,利用数控加工仿真软件VERICUT对齿轮齿面进行了通用数控加工仿真,建立了包括数控机床、齿轮毛坯和球头铣刀模型在内的数控加工模型,计算了刀具位置数据,实现了后处理和数控程序编制。图中给出了齿轮齿面的通用数控加工仿真及其局部放大。


图为齿轮齿面的通用数控加工仿真及其局部放大


图为基于FMH-630的齿轮通用数控加工


图为小齿轮齿面误差检测


图为小齿轮齿面误差初检结果


图为齿轮齿面误差二次检验结果


在小齿轮凹面上。凸曲面和凹面的精度都有了明显的提高,达到了设计精度的要求。同时,在整个齿轮的集成设计和加工过程中,利用信息集成管理系统对齿轮的加工参数、数控程序、齿面误差等信息进行集成管理。


图为小齿轮齿轮设计管理界面


研究结果,在齿轮的整体设计和加工过程中,数控程序的传输速度快、精度高、无故障或代码丢失。经过网络化检测和反馈校正后,齿轮齿面光滑连续,齿廓规整,齿面误差满足设计要求。同时,信息集成管理系统运行稳定可靠,信息交互和管理效果准确。


从而实现了齿轮整体集成设计和加工过程的优化操作和信息管理,有效地提高了不同制造环节之间的相关性、可追溯性和信息交互,很好地实现了基于通用数控机床的螺旋锥齿轮加工模式的分离与集成转换。


在整个齿轮的集成设计和加工实例中,不同的操作人员可以方便地访问和编辑齿轮的设计、加工和检测数据,完成相应的设计、加工和检验工作,有效地提高了基于通用数控机床的齿轮整机集成设计和加工过程的信息管理水平,验证了所提出的IDMMSBG_UCNC的可靠性和实用性。


研究结论


研究者为了提高基于万能数控机床的螺旋锥齿轮隔离加工方式的信息相关性和可追溯性,提出了一种IDMMSBG_UCNC,建立了SBGIDM方案,并最终实现了整个SBGIDM过程的信息通信和集成管理。该研究的主要结论如下:


从网络化集成的角度,提出了一种IDMMSBG_UCNC。通过构造一个网络集成环境,齿轮的设计,基于通用的数控机床、数控加工和数字螺旋伞齿轮的检查和校正技术有机结合的信息沟通和管理技术、信息传输和交互的整个SBGIDM过程实现统一的网络环境。在此基础上,制定了SBGIDM方案。


构建了基于工业以太网的数控系统通信控制框架,开发了螺旋锥齿轮分布式数控系统,实现了整个数控系统的信息通信。另外,基于分层设计思想,开发了螺旋锥齿轮信息集成管理系统,实现了整个系统的集成管理,以及各应用系统之间的信息交互。通过某型螺旋锥齿轮的集成设计和加工实例,验证了所提出的IDMMSBG_UCNC和所开发的信息集成管理系统的可行性和实用性。


该研究提出IDMMSBG_UCNC保证整个SBGIDM处理信息的相关性和可追溯性,实现螺旋伞齿轮的isolated-to-integrated转型基于通用数控机床加工模式,有效地弥补劣势的特殊机床难以加工大型弧齿锥齿轮。该模式为螺旋锥齿轮的灵活多样加工开辟了新途径,满足了市场对单件、小批量、大尺寸螺旋锥齿轮的加工需求。


依托高速发展的网络通信能力,实现螺旋锥齿轮的可靠、快速、无线传输和高效的信息(设计、加工、检测)管理。在此基础上,还可以集成具有自动装卸等功能的工业机器人。


因此,齿轮装卸不便的问题,处理和调试将会解决,非巧合造成的错误的加工和检验基准将消除,快速,准确的定位齿轮加工和检验基准将意识到,以及有效的检测和校正牙齿表面。从而有效地提高了螺旋锥齿轮齿面的加工精度和检测精度,提高了螺旋锥齿轮的生产质量和效率。


另一个努力工作是进一步提高信息集成管理系统,和其他企业应用程序集成管理系统(如ERP、MES、PDM)通过信息描述和集成技术实现全数字设计和制造的齿轮,以及整个螺旋伞齿轮的信息交互和集成制造过程。


参考文献:Jubo Li, Zhenshan Gao, Pingze Zhang, Lixin Feng, Guoxian Yin, Huiliang Wang, Jianxin Su & Wensuo Ma An integration method of design and machining for spiral bevel gears based on universal CNC machine tools   Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering 545 (2020)



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