기어는 산업생산에 있어서 중요한 기본부품으로, 그 가공기술자와 가공능력은 그 나라의 산업수준을 반영한다. CNC 틸팅과 자동화, 기어 가공의 가공 및 테스트의 통합을 실현하는 것이 기어 가공의 현재 개발 추세입니다.
오픈 모션 컨트롤러를 기반으로 한 CNC 기어 호빙 시스템에 대한 연구
요약: 오픈 모션 컨트롤러를 기반으로 한 CNC 기어 호빙 시스템 구조에 대해 심도 있는 연구를 거쳐 개념을 논의한다. 전자 차동 기어박스가 중국에서 최초로 제안되었고, 해당 CNC 기어 호빙 소프트웨어가 개발되었으며, 모션 제어 시스템 소프트웨어의 기본 모듈이 제공되었으며, CNC 시스템의 성공적인 적용 사례도 있었습니다. YG6132B
메커니컬 기어 호빙 머신.
서문: CNC 기어 호빙 공작 기계 모션 제어
중국 분류 번호: TG659
서문
기어는 기계 산업에서 널리 사용됩니다. 장비의 전송 시스템 중 기어 호빙은 가장 널리 사용되는 기어 절삭 방법입니다[1]. 기존 기계식 기어 호빙 공작 기계의 기계적 구조는 매우 복잡합니다. 차동 및 피드. 각 변속기 체인의 각 변속기 요소의 처리 오류는 처리된 기어의 처리 정확도에 영향을 미칩니다. 동시에 다양한 기어를 처리하려면 다양한 걸이 휠을 교체해야 합니다. 조정이 복잡하고 시간이 많이 소요되어 [2] 노동력이 크게 감소합니다.
독일 지멘스(Siemens)와 일본 화낙(FANUC)의 CNC 시스템을 주류로 하는 CNC 기어 호빙머신의 등장으로 기어 가공 능력과 가공 효율이 크게 향상됐다. 현재 우리나라에서는 실제로 CNC 기어 호빙 기계를 생산할 수 있는 제조업체가 2~3개에 불과하며, 대부분 독일 Siemens CNC 시스템을 사용하여 중형 모듈 기어를 가공하고 있으며, 독립적인 재산권을 갖춘 핵심 기술이 없으며 국제적 수준도 부족합니다. 경쟁력.
위의 문제점에 주목하고, 최근 CNC 기술의 급속한 발전, 특히 개방형 모션 컨트롤러의 급속한 발전을 바탕으로 이 글은 소형 모듈, 소수의 헬리컬 기어의 CNC 호빙에 대한 시급한 요구 사항을 목표로 합니다. 업계의 실제 요구를 바탕으로 심층적인 연구를 수행하여 개방형 모션 컨트롤러를 기반으로 한 CNC 기어 호빙 시스템을 성공적으로 개발하여 실제 생산에 사용했습니다.
1 개방형 모션 컨트롤러 기반 CNC 아키텍처
이 아키텍처의 핵심은 PC104 버스와 자체 고속 DSP 칩을 갖춘 개방형 다축 모션 제어 카드입니다. PC 호스트가 내장된 멀티 프로세서 구조로 4채널의 16비트 D/A 아날로그 전압(+/-10V) 제어 신호와 4채널의 4배 주파수 차동 광전 인코더 피드백 신호 인터페이스를 제공합니다. 주파수는 최대 8MHZ, 32채널 광전 절연 입력 및 출력 인터페이스일 수 있습니다. 프로그래밍 가능한 디지털 PID + 속도 피드포워드 + 가속 피드포워드 필터링 방법 이 카드에는 실시간 고속 보간 및 계산 기능을 구현하는 DSP 칩이 함께 제공되어 공간 선형 및 호 보간을 완료하여 호스트의 부담을 크게 줄일 수 있습니다. 또한 버퍼는 호스트 통신 속도에 대한 요구 사항을 줄이는 프로그램을 제공합니다[3]. 모션 제어 카드는 PC104 버스를 통해 컴퓨터와 통신합니다. 한편으로는 각 제어 축에서 수집된 데이터가 계산을 위해 호스트로 전송되고, 다른 한편으로는 프로세스에 따라 호스트에서 생성된 모션 제어 명령이 전송됩니다. 및 수학적 모델은 추가 처리되어 컴퓨터로 전송됩니다. 각 축의 서보 드라이버는 각 축의 모션 제어를 완료하고 프로세스 요구 사항을 충족하는 적격 부품을 처리합니다. 표준 PC104 산업용 컴퓨터를 호스트 머신으로 사용하고 표준화된 인터페이스를 채택하기 때문에 모터, 구동 장치 및 피드백 구성요소를 유연하게 선택할 수 있으며 이더넷은 물론 인터넷까지 다양한 네트워크를 지원합니다. 프로토콜 및 토폴로지 구조를 쉽게 구성할 수 있습니다. 원격 제어를 실현하며 네트워킹 기술은 매우 유연하고 성숙합니다[4]. 네트워크로 연결된 CNC의 향후 개발 요구 사항에 적응하기 위해 시스템 하드웨어 제어 부분의 구조가 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1 개방형 모션 컨트롤러 기반 CNC 시스템 구조
2
2 시스템 제어 소프트웨어
이 시스템 제어 소프트웨어는 다음에서 개발되었습니다. 순수 DOS에서의 C 언어, 개방성, 단일 작업, 정확한 클록 인터럽트 관리 및 DOS 시스템의 우수한 안정성은 산업 생산에 대한 안정적인 보장을 제공합니다. 소프트웨어 블록 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다.
시스템 초기화에는 자체 제작한 작은 한자 글꼴 로드, 디스플레이 그래픽 모드 초기화, 컨트롤러 필터 매개변수 설정 등이 포함됩니다. 시스템 진단 모듈의 기능은 제어되는 각 문자의 동작 상태를 모니터링하는 것입니다. 각 축의 모션 오류가 한계를 초과하는지 여부, 서보 알람, 모션 완료, 리미트 스위치 동작 등과 같은 실시간 제어 모듈은 인터럽트 서비스 프로그램에 의해 구현됩니다. 각 클럭 인터럽트 사이클은 처리 대상의 처리 기술 요구 사항에 따라 새로운 모션을 계산하고 제어 명령은 해석 및 실행을 위해 모션 머신으로 전송됩니다.
3 전자 기어박스를 기반으로 한 CNC 기어 호빙 시스템
기어 가공의 핵심은 호브와 공작물 사이의 인덱스 모션 관계를 구현하는 것, 즉 두 가지를 정확하게 만족시키는 것입니다. 요구 사항, 즉 호브가 한 번 회전하고 공작물이 K/zc 회전하는 속도 비율 관계는 다음 공식(1)과 같습니다.
c b
c
p>z
K
n
n
= (1)
여기서 b c n n , -는 각각 공작물 샤프트 속도와 호브 샤프트 속도입니다.
k zc , -는 각각 공작물 톱니 번호와 호브 헤드 번호입니다.
헬리컬 가공 시 기어와 웜기어의 요구사항 톱니 분할 동작을 완료하는 동안 Z축 또는 Y축의 추가 이동도 완료되어야 합니다. 운동 방정식은 다음과 같습니다.
p
l
p
b
cn
r
cn
z b
c
c z m
f
z m
f n
z
K
n
cos sin
± ± = (2)
수식에서 r z f f , - 각각 Z 축과 Y 축의 이송량
p>l b, - 각각 헬리컬 기어의 헬릭스 각도와 공구 설치 각도
n m - 법선 표면 헬리컬 기어 모듈.
헬리컬기어와 웜기어를 가공할 때, 입력과 출력의 관계는 더 이상 단순한 단일입력, 단일출력 고정비 변속기 문제가 아니라, 수학식 2를 보면 알 수 있다. 다중 입력 문제, 단일 출력 문제. 일반적인 전자 기어 방식으로는 이러한 문제를 해결할 수 없기 때문에 본 시스템에서는 전자 기어박스 기능을 성공적으로 개발했습니다. 메커니즘 특정 속도 비율 전송 관계에 따라 다양한 움직임
결합된 출력 동작 축은 컴퓨터로 제어되는 AC 및 DC 서보 모터에 의해 독립적으로 구동될 수 있으며 원래의 기계적 차동 전송 체인을 제거하고 컴퓨터 각 입력 샤프트에 설치된 센서가 피드백하는 모션 매개변수(예: 회전 속도, 공급량 등)를 읽고 소프트웨어 프로그래밍을 사용하여 합성된 출력 샤프트의 모션을 실시간으로 계산하여 기능을 실현합니다. 기계식 차동 전송 체인.
4 응용 사례
위의 CNC 기어 호빙 시스템은 변환 전 Ningjiang Machine Tool Factory에서 생산한 소형 모듈 기계식 기어 호빙 기계 YG3612B의 변환에 성공적으로 적용되었습니다. 사용되는 기어 호빙 기계는 모듈 1개, 잇수 4개, 헬릭스 각도 20도 이상의 헬리컬 기어 샤프트의 대량 생산에 적합합니다. 이렇게 작은 모듈과 적은 수의 톱니 가공물에 적합한 CNC 기어 호빙 기계가 없기 때문입니다. 우리나라에서는 이런 종류의 공작물에 대해 현재 기계식 기어 호빙 머신이 가장 높은 가공 정밀도를 갖는 기어 호빙 장비이지만, 이를 통해 가공되는 부품의 수율은 80% 정도에 불과해 막대한 낭비를 초래하고 있다. 동시에, 가공품종을 변경할 때 각종 행거를 번거롭게 교체해야 하므로 생산효율이 크게 저하됩니다. 이러한 이유로 제조업체는 가공 정확도와 생산 효율성을 향상시키기 위해 CNC 변환을 강력히 요구합니다.
분석 결과, 부품의 가공 정밀도가 낮은 주요 원인은 다음과 같습니다.
(1) 공작물 양쪽 끝의 호브와 전달 부품 사이의 각 전달 요소의 가공 및 조립 오류가 직접 발생합니다. 분할 정확도에 영향을 미치므로 공작물의 가공 정확도에 영향을 미칩니다.
(2) 공작물과 Z 이송축 양쪽 끝의 전달 부품 사이의 각 전달 요소의 가공 오류는 공작물 가공에 직접적인 영향을 미칩니다. 가공 중인 공작물의 나선 각도의 정확도
(3) 톱니가 4개인 헬리컬 기어를 가공하기 때문에 단일 헤드 호브가 회전할 때마다 공작물은 90도 회전해야 합니다. 호브와 공작물 사이의 끝단 전송 쌍은 일반 기어 호빙 기계처럼 사용할 수 없습니다. 감속비가 큰 웜 기어-웜 전송 쌍을 사용하면 전면 전송 쌍의 오류가 작업에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있습니다. 확장 비율 [5] (예를 들어, 감속비가 큰 웜 기어-웜 변속기 쌍을 최종 변속기 쌍으로 사용하는 경우 웜의 고속 회전으로 인해 급격한 마모와 정확도 손실이 발생합니다) 공작기계는 19/76=1/4 공간 교차 축 구동 헬리컬 기어 쌍을 최종 전달 쌍으로 사용하므로 위의 두 지점 (1)과 (2)가 정밀도에 영향을 미치는 핵심이 됩니다. 가공중인 기어 샤프트.
위의 문제를 고려하고 수정에 실패하면 공작 기계가 폐기될 것이라는 제조업체의 우려를 고려하여 이 기사에서는 최소한의 변경으로 정확도 요구 사항을 충족하는 소형 금형을 처리하고 최소 투자
그림 2 제어 소프트웨어 블록 다이어그램
시스템 초기화
프로세스 매개변수 수정
시스템 진단
주 제어 모듈
실시간 인터럽트 제어
각 축의 좌표 표시
PID 매개변수 수정
명령 대기열 위치 피드백 각 축
3
소수의 톱니와 큰 나선각을 갖는 헬리컬 기어를 목표로 다음과 같은 변형 계획을 창의적으로 수립했습니다.
(1) 호브 샤프트, 공작물 샤프트 및 원래 차동 전송 체인을 제외하고 피드 축 사이의 원래 기계적 전송 연결에서 작업물 샤프트를 완전히 분리합니다.
(2) 19/76 끝 전송 쌍을 유지합니다. 호브축과 공작물축, 공작물축 사이 AC 서보 모터를 상부 전동축에 직접 설치하여 공작물축을 독립적으로 구동
(3) 호브 회전 및 Z축 피드는 여전히 원래의 일반 모터에 의해 구동됩니다.
(4) 고해상도 격자 스케일 A가 Z축 스크류 피드 방향을 따라 설치되어 엔드 피스에서 직접 피드 피드백을 제공함으로써 충격을 제거합니다. 공작물 나선 각도의 피드 전달 체인 오류
( 5) 호브 샤프트의 상부 플라이휠 샤프트에 고해상도 광전 인코딩 디스크 B를 설치하여 호브 속도 피드백을 제공합니다. 수정된 기계적 구조는 다음과 같습니다. 그림 3에 나와 있습니다. 이 CNC 시스템은 실시간 중단을 통해 광전 코딩을 읽습니다. 디스크 B와 격자 스케일 A의 판독값은 전자 차동 기어박스에 의해 자동으로 합성 및 처리된 다음 모션 제어 카드가 작동을 제어하기 위한 명령을 발행합니다. 서보 모터의 정확성 요구 사항을 충족하는 제품을 최종적으로 처리하고 제품 인증 비율을 96% 이상으로 만듭니다.
소형 모듈, 적은 수의 톱니 및 큰 나선 각도를 처리하기 위해 위에서 개조된 CNC 기어 호빙 기계를 더욱 개선하려면 다음 측면을 고려해야 합니다.
(1) 호브 샤프트에서는 DC 또는 AC 스핀들 모터가 상부 B축에 설치되어 큰 출력, 넓은 속도 조정 범위 및 더욱 안정적인 속도의 처리 요구 사항을 충족합니다. [6]
(2) 공작물 서보 구동 모터 샤프트와 공작물 샤프트, 호브 구동 모터 샤프트 및 호브 샤프트 사이에는 한 쌍의 고정밀 감속 기어 전송만 있습니다. 이 두 쌍의 기어 전송 쌍은 백래시 제거를 위해 처리되어야 합니다. 두 개의 박판 기어 스프링 백래시 제거 장치를 사용하는 것과 같습니다.
(3) 축 이송 Z축의 일반 나사를 예압 및 백래시 방지 기능이 있는 볼 나사로 교체하고 AC 서보 모터를 사용하여 볼 스크류를 직접 구동하여 균일한 피드를 달성하므로 피드 크롤링이 필요하지 않습니다.
(4) 호빙 기계의 처리 능력을 더욱 향상시켜야 하는 경우(드럼형 치형, 비원형 기어 가공) 등), 생산 효율성을 더욱 향상시키고 노동 강도를 줄이며 반경 방향 이송이 가능합니다. X축, 접선 이송 Y축 및 호브 커터 헤드 이동 각도 A축은 모두 별도의 서보 모터에 의해 제어됩니다. 이에 대한 이론적 또는 기술적 어려움은 없습니다. 사용자는 필요와 비용에 따라 선택하기만 하면 됩니다.
5 결론
(1) 이 CNC 시스템은 소형 모듈 기계식 기어 호빙 기계 YG3612B를 변형한 후 성공적이고 실용적인 시스템임이 입증되었으며 시스템이 간단합니다. 작동 및 작동 신뢰성
(2) 이 시스템은 전자 기어와 다른 전자 차동 기어박스 개념을 중국에서 최초로 제안한 시스템입니다.
(3) 이 시스템은 다음을 사용합니다. 해외 수입 제한을 없애기 위한 국내 개방형 모션 제어 카드
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(4) PC 플랫폼에서 소프트웨어와 하드웨어의 장점을 최대한 활용하여 개발 환경을 풍부하게 하고 개선합니다.
(5) 지능, 통합 및 네트워킹 방향으로 CNC 공작 기계의 추가 개발을 지원합니다.
참고 자료
1 기어 제조 매뉴얼 편집 위원회. 베이징: 기계 산업 출판사 1997
2 금속 절단 기계 도구의 구조. 및 설계. 1991년
3 구골사. GT-400-SV 4축 모션 컨트롤러 사용자 매뉴얼, 2001년
4 공작기계 CNC 소프트웨어 구조. 시스템. 기계공학 저널. 2000.36(7):48-51
5 Toshio Aida [일본]. 중국 농업 기계 출판사. 1984. Sun Hanqing. 중국 FAW Group Corporation 1998
수치 제어 기어 호빙에 관한 연구
개방형 모션 컨트롤러 기반 시스템
Du Jianming WuXutang
(Xi'an Jiaotong University)
Wu Hong
(Luo yang Institute of Technology)
요약: A 수치 제어 기어 호빙
그림 3 수정 후 공작 기계의 구조
4
개방형 모션 컨트롤러 기반 아키텍처 시스템에 대한 심층적인 연구를 통해 논의됩니다. , 전자식 차동기어박스에 대한 아이디어는 우리나라에서 주로 제시되고 있으며, Umerical 제어기어 Hobbing 소프트웨어가 개발되어 있으며, 모션 제어 시스템을 위한 기본 소프트웨어 모듈과 YG3612B 모델의 기어호빙 공작기계가 수치제어에 의해 변경되는 성공적인 사례입니다.
주요 단어: 수치 제어 기어 호빙
공작 기계 모션 제어
저자 소개: Du Jianming, 남성, 1963년생, 선배. 엔지니어, 박사 과정 중국 First Tractor Group Company의 우수한 전문가, 주로 CNC 기술, 고정밀 위치 서보 제어 및 복잡한 곡면 연구에 종사