磨齿机电气部分数控化改造

1、引言
某公司从原东德进口的几台ZSTZ315/630 C3磨齿机，加工精度好，效率高。但由于是七十年代设计的产品，电气控制采用继电器逻辑，不仅体积大，结构复杂，维修困难，特别是经过近二十年的使用，备件耗尽，继电器触点损坏严重，近几年故障率高。由于润滑充分，该机床的导轨，丝杠，丝母，滑台及工作台的蜗轮蜗杆等磨损不大，机床机械精度保持较好。zui近我们用NUM1040数控系统和相应的驱动及伺服电机对分度工作台、X轴进行了数控化改造，机械上取掉了所有挂轮，不仅操作简单，还提高了传动精度。电气控制全部用PLC代替原来的继电器逻辑，简化了电路结构。经检测加工出的齿轮累积误差达到0.0052mm,齿距偏差0.0038mm,6齿距差0.0046mm，径跳0.009mm,加工工件精度一致性好，改造取得完全成功。
2、数控改造方案
ZSTZ315/630 C3磨齿机的主要参数如下：
工作台直径：315mm/630mm 工作台承载：200kg/400kg
X轴行程：360mm 砂轮磨削角：14~26度
滑座冲程长度：20~225mm 冲程次数：75~315/Min
原机床的运动通过各类机械传动来完成，分度工作台（B轴）和X轴根据加工齿轮的大小，模数和齿数使用三级挂轮实现展成磨削运动。改造后X和B轴伺服电机轴分别通过连轴器直接与各自丝杠连接，取消挂轮减小传动误差。为了降低改造成本，缩短改造周期，经过研究论证，确定数控化改造方案如下：
（1） 用NUM1040数控系统对磨削加工的展成运动进行控制，
用交流数字驱动模块MDLA和BPH伺服电机驱动X和B轴，利用电机内置3072线编码器组成半闭环控制。运用数控系统对X和B二轴联动和插补运算完成各种齿轮型面的加工。
（2）利用NUM1040系统内置的PLC功能模块对机床操作、液压、冷却、润滑、砂轮起/停和滑台冲程等实现控制，取代了原机床的继电器逻辑线路，提高了机床稳定性和可靠性。
（3）保留原机床砂轮修整器的机械部分，将原来砂轮修整用的直流电机改为3 x 380V，1200R/Min，30W 的交流微型电机，增加一个小型换相接触器即可实现修整1和修整2的功能。
（4）保留砂轮驱动电机和滑台冲程电机，液压，润滑和冷却部分不变。
3、数控系统的配置
（1）CNC硬件模块的组成
NUM1040是集CNC、PLC于一体的全功能数控系统，能控制1-6个轴（4轴插补），基本配置的输入/输出点数是64I/48O（可扩展为256I/O），1-3个手轮，8.4寸液晶彩显。能实现从刀具轨迹控制到外部设备的监控。 CNC系统硬件采用了CMOS电路，光纤通讯技术及模块化设计思想，减少了系统和外界的连线，提高了整个机床电气系统的可靠性。系统主要由电源、CNC、驱动模块组成。系统软件具有开放性和友好界面，可提供帮助性编程方式和强大的通信功能，完善的丝杠螺距误差补偿和多种插补方式，用户可以方便地根据加工特性需要编写自己的固定循环。 
（2）PLC程序的模块化设计
NUM数控系统为内置式PLC结构，本机床外加二块32输入/24输出（输出带继电器，每只继电器有动合/动开触点各2对）I/O扩展板。采用梯形图编程语言，模块化程序设计，根据控制功能PLC程序编写成多个模块，每一个模块完成指定功能，各功能模块统一由主任务模块循环调用。这样设计的程序可读性强，逻辑控制可靠性高。主要模块有：
%INI—系统初始化模块：完成控制系统参数的设置与优化检查。I/O端口、定时器、计数器预置。堆栈、数据保护区、数据交换区的起始地址及容量的确定等。 
%TS—主任务模块：完成对各功能模块% FP的循环调用。
%TP1~n—功能模块：处理与CNC的数据交换；伺服轴进给控制；功能代码处理，砂轮修整控制；滑台运动控制；操作面板处理，报警文本处理等。
%TH—中断处理模块：实时处理随机事件。
4、结束语
该磨齿机床主要用于磨削渐开线圆柱型齿轮。采用展成 — 分度原理磨削渐开线齿形，用锥形砂轮按齿条和齿轮啮合原理生成渐开线齿廓。X和B两个数控轴合成实现展成运动，在展成运动的同时，旋转的砂轮连同滑台一起沿齿向往复运动，一次展成循环过程，生成一个渐开线齿面。
工作台是数控回转运动，当展成到分度位置时，砂轮自动退回脱离与工件的接触，工件分度到下一个齿槽，分度的大小和精度由控制系统确定。对不同大小、模数和齿数的齿轮，数控系统自动计算，控制展成和分度运动。
该机床改造以来，因为提高了机械传动精度，加之合理使用间隙和螺距误差补偿能力，工件加工精度和工作效率有所提高。机床性能稳定可靠，运行以来未发生重大故障，据初步统计，故障率较改造前降低80%以上。