德國黑森林地區(qū)是眾多創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)源地，其中就包括徑向倒角技術(shù)。來自富特旺根的 Tec for Gears (TfG) 公司利用倍福的 TwinCAT PLC/NC PTP 和 EtherCAT 超采樣端子模塊等設(shè)備，成功地將過去高度依賴人工操作的生產(chǎn)流程轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨茸詣踊纳a(chǎn)模式。通過技術(shù)革新，齒輪的倒角和去毛刺工藝在精度與可靠性方面有了質(zhì)的飛躍，且速度也大幅提升，并且這一過程現(xiàn)在可以直接集成到生產(chǎn)流程中。

在倒角過程中，旋轉(zhuǎn)切削刀具徑向移動至旋轉(zhuǎn)的齒輪表面，去除齒廓毛刺。其目的是在前齒邊緣形成精確的倒角。“刀具沿著齒輪端面進(jìn)行切削，將材料逐漸去除。”富特萬根 Tec for Gears 公司創(chuàng)始人兼總經(jīng)理 Niklas Müller 解釋道。這一過程實現(xiàn)了部件的連續(xù)、無間斷加工。這看似簡單的需求背后，實則對加工過程中的控制技術(shù)提出了極高的要求。“僅僅是讓兩個以不同速度旋轉(zhuǎn)的軸按照特定的旋轉(zhuǎn)比精確實現(xiàn)同步，便已經(jīng)是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”倍福巴林根分公司的銷售工程師 Dieter V?lkle 說道。這是因為主軸的轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘 17,000 轉(zhuǎn)，而卡盤內(nèi)夾持的工件也需以每分鐘 1000 轉(zhuǎn)的速度同步旋轉(zhuǎn)。兩個主軸的旋轉(zhuǎn)比是依據(jù)工件與刀具各自的邊界條件精心計算得出的。

CNC 還是凸輪？

Tec for Gears 總經(jīng)理 Niklas Müller（左）和倍福巴林根分公司銷售工程師 Dieter V?lkle（右）使用 RGC350（徑向齒輪倒角機），僅花費了幾秒鐘時間就精準(zhǔn)地完成了齒輪的輪廓倒角作業(yè)。

在項目的初期階段，我們面臨著諸多不確定性：CNC 系統(tǒng)是否為必需項？凸輪是否能滿足需求？以及齒隙的檢測速度需要達(dá)到多快？最終，倒角機的獨特需求通過 TwinCAT 3 PLC/NC PTP、TwinCAT 3 NC Camming 和 TwinCAT 3 Motion Control XFC 得到精準(zhǔn)滿足。這些軟件組件與 TwinCAT HMI server 一起在搭載 Intel Atom? 四核處理器的高性能 CX5140 嵌入式控制器上運行。“自項目伊始，Dieter V?lkle 便憑借其在系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的深厚專業(yè)知識，為我們提供了寶貴的支持與指導(dǎo)。”Niklas Müller 解釋道。

由于齒輪在未對準(zhǔn)位置的狀態(tài)下被夾緊，因此在加工前必須確保切削刀具與齒隙之間精準(zhǔn)對齊。不過，這一步驟并不會造成加工時間的明顯延長。因此，對齒隙進(jìn)行高速且精準(zhǔn)的檢測顯得尤為重要。根據(jù)齒數(shù)（使用的接近開關(guān)為每個輪齒產(chǎn)生兩個脈沖信號）的不同，系統(tǒng)會生成一個速度非常快的信號序列。為了精準(zhǔn)記錄這些高速信號，TfG 使用了具備多時間戳功能的 EtherCAT 端子模塊 EL1258，實現(xiàn)了高達(dá) 100 kHz 的采樣率，并通過多個時間戳將傳感器脈沖傳送到控制器中。這樣就可以在確定輪齒的準(zhǔn)確位置的同時，檢驗夾緊的產(chǎn)品。

除了旋轉(zhuǎn)軸的編碼器信號之外，用于補償熱膨脹的線性測量系統(tǒng)的數(shù)值也被整合到刀具的同步和定位中。刀具主軸與工件軸之間的同步必須保持高度穩(wěn)定，即使在倒角作業(yè)中切削力增加，且主軸轉(zhuǎn)速飆升至每分鐘 17000 轉(zhuǎn)的高速狀態(tài)下，也需要保持這種穩(wěn)定性。Tec for Gears 銷售部的 Volker Eschle 評論道：“工件和切削刀具的持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)使我們的 RGC350 倒角機能夠?qū)崿F(xiàn)極短的加工周期，同時確保加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。”TfG 通過倍福的高精度運動控制產(chǎn)品、AX5000 緊湊型伺服驅(qū)動器和 AM8000 伺服電機實現(xiàn)了加工過程中的極高重復(fù)精度。

我們的機床之所以能夠達(dá)到如此高性能與高精度的自動化水平，得益于倍福先進(jìn)的技術(shù)方案，這是任何其他控制制造商的技術(shù)難以企及的。”—— Niklas Müller

刀具與作業(yè)的選擇通過與控制柜中的CX5140嵌入式控制器相連的CP2916多點觸摸控制面板實現(xiàn)。

設(shè)備制造商要求齒輪“切邊清晰”

如今，越來越多的設(shè)備制造商及其供應(yīng)鏈合作伙伴對于齒面加工的要求愈發(fā)嚴(yán)苛，不僅追求精確無誤、邊緣清晰的倒角加工，而且要求在設(shè)計圖紙中注明“倒角與輪廓完全契合”。傳統(tǒng)的去毛刺方法雖能有效去除邊緣的毛刺，但所留下的邊緣依舊鋒利，無法滿足現(xiàn)代齒輪加工領(lǐng)域?qū)吘壠交扰c精度的嚴(yán)格要求。徑向倒角技術(shù)因此應(yīng)運而生，成為解決這一行業(yè)痛點的關(guān)鍵。憑借自動上下料設(shè)計，RGC350 每年可完成一百萬個零件的倒角處理。一般來講，每個齒輪的加工時間為 8 到 10 秒，整個加工過程包括工件夾緊、齒隙檢測、軸同步、倒角、脫夾。

機床可用于加工直徑在 10 毫米到 300 毫米之間的幾乎所有類型的齒輪，即使是雙齒齒輪、多齒齒輪以及齒廓重疊干涉的齒輪也不在話下。它還具備加工螺旋齒輪傳動部件的能力。在計算曲線時，也會綜合考量另一個空間軸和耦合，以補償螺旋角帶來的影響。

AM8000 伺服電機根據(jù)旋轉(zhuǎn)工件的位置動態(tài)定位刀具主軸。

HMI 的直觀操作詮釋了復(fù)雜技術(shù)的繁瑣實現(xiàn)過程

Niklas Müller 表示，盡管存在種類繁多的加工需求，機床操作人員卻能在短短 10 分鐘的時間內(nèi)迅速完成機床的重新調(diào)整，以順利安裝新齒輪。“所有用于自動倒角作業(yè)所需的數(shù)據(jù)都通過XML導(dǎo)入到控制系統(tǒng)中。”Dieter V?lkle 補充道。操作人員只需在 TwinCAT HMI 的可視化系統(tǒng)中調(diào)用與工作相關(guān)的數(shù)據(jù)集，然后夾緊相應(yīng)的工具即可。這種簡單的換裝過程使得 RGC350 不僅適用于應(yīng)對大批量生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，也適用于訂單頻繁變動和小批量定制需求的合同制造商。“我們的一個客戶因此能夠用一臺機床替代了原本需要兩班制操作的共計四個手工工作站，然后將員工安置到其他更具價值的崗位。”Volker Eschle 說道。

為了提高加工效率，大部分客戶都選擇將倒角機與自動進(jìn)料和排料系統(tǒng)無縫集成至其生產(chǎn)流程中。基于PC的控制技術(shù)的高度靈活性和開放性在這類項目中得到了充分體現(xiàn)，該技術(shù)允許根據(jù)客戶的具體需求進(jìn)行調(diào)整。額外的驅(qū)動控制器和電機等擴展功能可以輕松快速地實施并集成到控制程序中。“這種前所未有的靈活性在幫助我們精準(zhǔn)實現(xiàn)客戶的構(gòu)想的同時，也讓我們自己的想法能夠順利落地，而這一切都是在不犧牲基本方案完整性的前提下完成的。”Niklas Müller 興奮地說道。選擇倍福作為控制技術(shù)合作伙伴的另一個原因是，一旦客戶遇到任何問題或挑戰(zhàn)，倍福都能迅速響應(yīng)，不僅提供中肯的建議，而且以解決方案為核心，提供專業(yè)、高效的技術(shù)支持。

控制核心：AX5000 伺服驅(qū)動器（下）和插接了 EtherCAT 端子模塊的 CX5140 嵌入式控制器（上）。

高效刀具管理

刀具管理是這個項目的另一個重要需求。這背后的原因在于，每個齒輪型號都需要與之相匹配的倒角刀具，以確保加工精度。因此，TfG 根據(jù)部件的具體尺寸在德國精心制造了這些刀具。鑒于工件的多樣性與差異性，客戶需面對龐大的刀具管理挑戰(zhàn)，并在制定生產(chǎn)計劃時充分考慮刀具的使用壽命。這有助于客戶優(yōu)化刀具的使用策略，避免由于刀具過度磨損而生產(chǎn)出不良工件。

目前，可以在 HMI 中為每個刀具創(chuàng)建刀具壽命計數(shù)器。通過可視化界面為每把刀具創(chuàng)建了唯一的序列號，機床調(diào)試人員便能根據(jù)訂單的具體尺寸要求，靈活選擇那些剩余使用壽命充足的刀具進(jìn)行加工。“盡管部件更換頻繁，但刀具無需經(jīng)常更換。”Volker Eschle 說道。刀具與工件不匹配的情況往往容易導(dǎo)致發(fā)生碰撞，給客戶帶來不必要的麻煩和損失。“我們致力于在未來徹底消除這種混淆狀況及可預(yù)見的錯誤，進(jìn)一步優(yōu)化刀具管理。”Niklas Müller 說道，“能夠與倍福這樣出色的系統(tǒng)合作伙伴攜手，我們對未來的成功充滿信心。”