七軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床的研制
2018-8-27 來源： 重慶商務(wù)職業(yè)學(xué)院出版?zhèn)髅较担?四川大學(xué) 作者：陳燕，龔玉霞
摘要: 環(huán)面蝸桿加工的低精度和低效率問題，成為制約環(huán)面蝸桿發(fā)展的主要因素。針對(duì)精密磨削平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和錐面包絡(luò)環(huán)面蝸桿，運(yùn)用虛擬中心距加工原理，研發(fā)了七軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床。工件在機(jī)床上只需一次裝夾即可自動(dòng)完成左右齒面的磨削。操作者不需要手動(dòng)編程，只需在磨削軟件中輸入工件參數(shù)，即可自動(dòng)生成加工程序。在研制的數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床上進(jìn)行平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的試切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明研制方案可行、精度可達(dá)預(yù)期要求。
關(guān)鍵詞: 環(huán)面蝸桿; 虛擬中心距; 機(jī)床研制; 數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床
環(huán)面蝸桿具有多齒接觸、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在加工方法、制造精度、檢測(cè)技術(shù)及加工設(shè)備研制等方面做了大量研究。早在 20 世紀(jì) 90 年代，文獻(xiàn) ［1 － 3］ 中針對(duì)如何提高平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的加工精度和加工效率做了探討。文獻(xiàn) ［4 － 7］中對(duì)環(huán)面蝸桿的誤差檢測(cè)方法及檢測(cè)儀做了深入研究。文獻(xiàn) ［8 － 9］ 中對(duì)蝸桿磨床及數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研制，但研制的設(shè)備在加工精度和加工軸聯(lián)動(dòng)方面都受限。因此，如何提高蝸桿的加工精度和加工效率，仍然是制約環(huán)面蝸桿發(fā)展的主要因素。
針對(duì)精密磨削平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和錐面包絡(luò)環(huán)面蝸桿，研發(fā)了七軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床。工件在機(jī)床上只需一次裝夾即可自動(dòng)完成左右齒面的磨削，但左右齒面需分別磨削。機(jī)床運(yùn)用虛擬中心距加工原理，通過參數(shù)設(shè)定可實(shí)現(xiàn)基圓尺寸和中心距尺寸的調(diào)整。操作者不需要手動(dòng)編程，只需在磨削軟件中輸入工件參數(shù)，即可自動(dòng)生成加工程序。
1 、虛擬回轉(zhuǎn)中心加工原理
傳統(tǒng)的環(huán)面蝸桿加工方法是在改裝的滾齒機(jī)或車床上進(jìn)行展成加工，要求機(jī)床中心距必須與環(huán)面蝸桿成形中心距一致，因此機(jī)床工作能力受到中心距的限制。為了解決這一矛盾，重慶大學(xué)張光輝教授提出虛擬回轉(zhuǎn)中心原理，并開發(fā)了具有虛擬回轉(zhuǎn)中心功能的四軸四聯(lián)動(dòng)環(huán)面蝸桿磨床，實(shí)現(xiàn)了小中心距機(jī)床加工大中心距環(huán)面蝸桿齒面的目的。經(jīng)深入分析和研究，發(fā)現(xiàn)有值得進(jìn)一步改進(jìn)的地方，為此針對(duì)精密磨削平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和錐面包絡(luò)環(huán)面蝸桿，提出了一種基于虛擬中心的七軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床。如圖 1 所 示， 平 面 圖 形 MN1N2在 中 間 平 面x2O2y2中有且僅有 3 個(gè)自由度，即沿 x2和 y2方向的平動(dòng)及繞基點(diǎn) M 的轉(zhuǎn)動(dòng)。選取 3 個(gè)獨(dú)立參數(shù)表示其自由度，即基點(diǎn) M 在 x2O2y2中的坐標(biāo)值 xM和 yM，以及 MN2與坐標(biāo)軸 O2x2的夾角 φ，顯然，這 3 個(gè)參數(shù)均為時(shí)間 t 的函數(shù)，故可表示為:
圖 2 速度的合成
可見，直線 N1N2繞蝸輪軸線 O2以角速度 ω2的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以分解為直線 N1N2繞與其固聯(lián)的任意基點(diǎn) M 以角速度 ω2的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、基點(diǎn) M 沿以 O2為圓心以 rM為半徑的圓弧曲線的平移運(yùn)動(dòng)，該平移運(yùn)動(dòng)可分解為沿兩正交直線軸的平移運(yùn)動(dòng)。虛擬回轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)過程，需要 3 個(gè)坐標(biāo)軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。
2 、蝸桿磨床研制方案
2. 1 蝸桿磨床的運(yùn)動(dòng)軸
數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床的運(yùn)動(dòng)軸如圖 3 所示，七軸分別為: X 軸，拖板的橫向運(yùn)動(dòng); Y 軸，磨具的高度調(diào)整運(yùn)動(dòng); Z 軸，工作臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng); A 軸，砂輪傾角的調(diào)整運(yùn)動(dòng); B 軸，砂輪架的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng); C軸，工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng); SP 軸，砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。X、Y、Z 軸配置光柵尺，精度為 ± 3 μm; A、B、C 軸配置角度編碼器，精度為 ± 5″。
圖 3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸示意圖
機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)為砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ( SP 軸) 。砂輪主軸采用滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)形式，滾動(dòng)軸承采用高精度陶瓷球主軸軸承，并配置油霧潤(rùn)滑裝置。砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由 SIEMENS 內(nèi)裝式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)砂輪的恒線速度控制。內(nèi)裝式電機(jī)通過精密水冷機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。機(jī)床的磨削運(yùn)動(dòng): 工作臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng) ( Z 軸) 、拖板的橫向運(yùn)動(dòng) ( X 軸) 、砂 輪架的回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ( B軸) 、工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ( C 軸) 。4 個(gè)運(yùn)動(dòng)均為全閉環(huán)控制的伺服軸，由數(shù)控系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)，完成工件的磨削。Z 軸和 X 軸均由交流伺服電機(jī)經(jīng)行星齒輪減速機(jī)，通過彈性聯(lián)軸器、高精度滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)縱向和橫向運(yùn)動(dòng)，通過光柵尺實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。B 軸由力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，C 軸由交流伺服電機(jī)經(jīng)高精度蝸輪蝸桿副 驅(qū) 動(dòng)，均 通 過 角 度 編 碼 器 實(shí) 現(xiàn) 全 閉 環(huán)控制。
機(jī)床的調(diào)整運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng): 砂輪傾角的調(diào)整運(yùn)動(dòng) ( A軸) ，磨具的高度調(diào)整運(yùn)動(dòng) ( Y 軸) 。砂輪傾角的調(diào)整運(yùn)動(dòng)由力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過角度編碼器實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。磨具高度的調(diào)整運(yùn)動(dòng)則由交流伺服電機(jī)經(jīng)過一級(jí)減速，驅(qū)動(dòng)高精度滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)磨具的高度調(diào)整，通過光柵尺實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
砂輪修整: 修整工具采用金剛碟輪，通過工作臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng) ( Z 軸) 和拖板的橫向運(yùn)動(dòng) ( X 軸) 兩軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和錐面包絡(luò)環(huán)面蝸桿磨削所用砂輪的修整。
2. 2 蝸桿磨床的主要規(guī)格參數(shù)
研制好的數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床如圖 4 所示。配置SIEMENS 840Ds L 高檔數(shù)控系統(tǒng)、南京貝其爾公司的潤(rùn)滑系統(tǒng); 配備英國(guó)雷尼紹公司的對(duì)刀測(cè)頭，自動(dòng)確定環(huán)面蝸桿中心平面的軸向位置; 配備意大利馬波斯公司的砂輪動(dòng)平衡裝置，可對(duì)砂輪進(jìn)行精確平衡。冷卻系統(tǒng)配置磁性分離器和離心過濾器實(shí)現(xiàn)二級(jí)過濾，有效過濾砂灰及鐵屑，保證了冷卻液的清潔。配置全封閉式大罩殼，安裝了油霧處理器，以防止冷卻液的飛濺及油霧對(duì)環(huán)境的污染。磨削蝸桿可達(dá)到的精度等級(jí)為 5 級(jí) ( GB/T 16445-1996) ，但工件兩端的中心孔需要研磨，其主要規(guī)格參數(shù)如下: 最大安裝直徑 320mm; 最大頂尖距 1 500 mm; 最小頂尖距 150 mm; 可磨蝸桿中心距 63 ～ 400 mm; 可磨蝸桿外徑 30 ～320 mm; 可磨蝸桿齒根直徑 20 ～ 280 mm; 蝸桿圓弧中心至軸承擋端面距離 50 ～ 400 mm; 可磨螺紋長(zhǎng)度1 000 mm; 可磨蝸桿模數(shù) 1. 2 ～ 20; 可磨蝸桿頭數(shù) 1 ～ 20; 砂輪最大傾角為 ± 30°; 砂輪最大線速度45 m / s; 砂 輪 外 徑 500 ～ 420 mm; 砂 輪 厚 度 40mm; 可磨蝸桿最大質(zhì)量 500 kg。
圖 4 數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床
3 、試切實(shí)驗(yàn)
以表 1 所示幾何參數(shù)為例，在研制后的數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床上磨削加工蝸桿齒面，磨削加工流程如圖 5所示，磨削加工的平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿樣件成品如圖 6所示。
表 1 蝸桿幾何參數(shù)
圖 5 磨削流程
圖 6 平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿磨削成品
4 、結(jié)論
(1) 針對(duì)精密磨削平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和錐面包絡(luò)環(huán)面蝸桿，研制了一種基于虛擬中心的七軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床。(2) 在研制的數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床上進(jìn)行平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的試切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明研制方案可行、精度可達(dá)預(yù)期要求。
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