数控机床机电一体化外文翻译文献

数控机床机电一体化外文翻译文献(文档含中英文对照即英文原文和中文翻译)

译文：

PLC模块控制回转工作台在三轴数控铣床铣削螺旋伞

齿轮中的应用

摘要

当今，数控机床在机电一体化领域中得到了日益广泛的应用。机械、电气和数据处理系统与数控技术相结合，引领了新的生产加工理念。近年来，数控技术的发展已将非线性校正技术在切削弧齿锥齿轮中的应用变为可能。在本文中，我们将尝试采用带有外加PLC模块分度台的三轴数控铣床，运用带有索引工作界面的通用铣床的传统连续多重切削方法来加工制造出这个螺旋伞齿轮。该研究包括(a)弧齿锥齿轮的几何建模，(b)运用CAD/CAE系统进行传统或新型非传统方案的模拟仿真，(c)数控加工工艺的设计与PLC编程，(d)通过三轴数控铣床的实验切削来探索新方案的正确性。结果表明，开发的螺旋伞齿轮实验切削方案不仅与先进数控加工相比成本更低，而且相比传统切削，加工齿轮的时间也较短。因此，

在螺旋伞齿轮加工领域，这是一个很经济的方案。

关键词：齿轮加工，螺旋伞齿轮，CAD/CAM/CAE，数控技术，PLC，交流电动机，逆变，接近传感器，光电传感器，旋转编码器

1 引言

齿轮是工业机械领域中重要的精密机构，在平行轴、横向交叉或非交叉轴之间用于传递机械功率和机械运动。虽然有时会看不见，但齿轮仍是我们工业文明中最重要的机械元件之一。在各式各样的条件下，齿轮会以几乎达到无限的速率运转。得到发展的齿轮加工设备与工艺流程已经非常先进与成熟。无论大批量生产还是小批量生产，无论在小型车间还是分批处理的加工车间，加工齿轮的流程按顺序都需要以下四步操作：

(1)下料

(2)切齿

(3)热处理

(4)研磨

根据它们的类型、应用范围及强度和刚度要求，通常经过铸造、挤压、锻造、粉末冶金、注塑加工和滚齿加工来完成齿轮的加工制造。在这一系列加工流程中，螺旋伞齿轮是最复杂的一种齿轮，在成角度的横轴之间，它用来传递回转运动。

沿齿长方向，螺旋伞齿轮有径向弯曲的齿廓曲线。这类齿轮之所以能够保证与配合齿轮有光滑的啮合，主要是因为它们有胜过直齿轮的曲型齿廓，这样它们同一时间接触并啮合的齿数会更多。螺旋伞齿轮的设计与制造仍然是一个热门的研究课题，在直升机运输齿轮系、摩托车齿轮减速器及其他工业分支中都得到十分重要的应用。对于制造而言，这种齿轮通常由一种特殊机床加工而成，如滚齿机、成型机。目前，基于轮齿加工的特种数控加工机床已运用于工业实践中。这也许就是轮齿加工的相关文献在公开的研究领域稀少的原因所在。最近，基于齿轮加工的数控加工机床已得到长足发展并逐渐运用于工业实践。然而，它们的运动结构与工业数控铣床还是有着内在的差异，前者是为一种特种刀具而设计的。

先前对齿轮的研究主要涉及齿轮的设计和分析。在对其几何特征与设计参数进行研究的同时，Tsai和Chin基于切面方向上的齿轮传动和渐开线齿轮几何学，提供了一个关于锥齿（直齿轮、螺旋伞齿轮）的数学曲面模型。后来，这个方案与A-daccak等人和Shunmugan等人基于精密球面渐开线的齿轮曲面模型进行了比较，从而得出了一个截然不同的模型。依据标称偏差，其精确度（相比运用特种机床加工的螺旋伞齿轮）得到了验证。

对于冠齿轮，一些结论是可行的。Litvin和Kim通过改良直齿轮的基圆提出了运用范成法获得渐开曲线。运用斜齿轮传动误差的修正测定值，Umeyama在节圆上设计了一个标准剖面，在面齿轮的上下表面设计了一个改良剖面。Tamura

等人对采用平面齿形的锥齿轮研究得出了一个点接触模型。这些研究都与专为加

工齿轮而特殊设计的那些特种齿轮加工机床（如滚齿机、成型机）返程齿剖面有关。Suh等人对螺旋伞齿轮加工的雕刻面加工方法的可行性做了研究，并验证了运用带有回转摆动升降台的四轴数控铣床生成加工轨迹的可能性。同时，一种螺旋伞齿轮基于模型的验证法也得以提出。

在本文中，对于螺旋伞齿轮我们将尝试采用一种新的加工流程，加工时运用带有可用于控制分度台的PLC模块的三轴铣床。很明显，这种加工方法的生产率不及特种加工机床。可除了生产率，这种加工方法的优点有以下几个方面：(1)传统加工方法需要消耗大量投资成本来获得各种特种机床，所选用刀具加工的齿轮种类、尺寸和几何形状也非常有限；(2)运用这种新的加工方法，各种类型的齿轮都可通过工业三轴数控铣床加工而成；(3)相比运用特种加工机床，采用该方法加工更为经济。一个不同于先前的工作重点是，为了模拟全部加工过程并获得加工参数，需要开发自动计算机模型。所有先前的研究都在计算复杂的数学方程组和设计几何模型。鉴于上述情况，我们的重点在于螺旋伞齿轮的加工实验检验，而不在于提供螺旋伞齿轮的几何或数学模型。这是第一次同时运用机电一体

化机床和数控铣床来加工特殊齿轮，甚至一个机械元件。

2 螺旋伞齿轮的几何规格

通常，一个齿轮的几何参数都由工程图给出。对于定义其几何形状而言，有些参数（主要参数）是必须有的。为此，我们采用名为“GearTrax”的驱动元件开发软件来算得这些主要参数。

螺旋伞齿轮的设计要求高精度的数学计算，并且生产这种齿轮传动机构不仅需要高质量的设备和加工此类齿轮传动机构的机床，而且还需要拓展适当的机床参数设置。这样的设置虽然不合乎标准，但也需要由能够保证符合高质量齿轮传

动要求的每种情况的设计（根据齿轮传动的几何参数和展成工具）来确定。

3 加工螺旋伞齿轮

由引言中的讨论，我们知道所有类型的齿轮都能通过加工手法来获得所需要的所有规格，其中高精度齿轮的加工手法仍然非常卓越的。成型铣削是加工任意类型齿轮的最常见的加工工序。所使用的道具都具有类似相邻轮齿间隙的相同形状。标准刀具通常用于齿轮的成型切削。在美国，这些刀具的每个径节都是原来的8倍，用于加工标准表上指示的多齿齿轮。格利森公司基于为补充冠齿轮范成原理而产生的锥齿轮范成的普遍概念：相互啮合的大小齿轮可分别考虑，运用了