七軸四聯(lián)動數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床的研制
2018-8-27 來源： 重慶商務職業(yè)學院出版?zhèn)髅较担?四川大學 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。針對精密磨削平面包絡環(huán)面蝸桿和錐面包絡環(huán)面蝸桿，運用虛擬中心距加工原理，研發(fā)了七軸四聯(lián)動數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床。工件在機床上只需一次裝夾即可自動完成左右齒面的磨削。操作者不需要手動編程，只需在磨削軟件中輸入工件參數(shù)，即可自動生成加工程序。在研制的數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床上進行平面包絡環(huán)面蝸桿的試切實驗，結果表明研制方案可行、精度可達預期要求。
關鍵詞: 環(huán)面蝸桿; 虛擬中心距; 機床研制; 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、傳動效率高等優(yōu)點，在工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。國內(nèi)外專家學者在加工方法、制造精度、檢測技術及加工設備研制等方面做了大量研究。早在 20 世紀 90 年代，文獻 ［1 － 3］ 中針對如何提高平面包絡環(huán)面蝸桿的加工精度和加工效率做了探討。文獻 ［4 － 7］中對環(huán)面蝸桿的誤差檢測方法及檢測儀做了深入研究。文獻 ［8 － 9］ 中對蝸桿磨床及數(shù)控系統(tǒng)進行了設計和研制，但研制的設備在加工精度和加工軸聯(lián)動方面都受限。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。
針對精密磨削平面包絡環(huán)面蝸桿和錐面包絡環(huán)面蝸桿，研發(fā)了七軸四聯(lián)動數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床。工件在機床上只需一次裝夾即可自動完成左右齒面的磨削，但左右齒面需分別磨削。機床運用虛擬中心距加工原理，通過參數(shù)設定可實現(xiàn)基圓尺寸和中心距尺寸的調(diào)整。操作者不需要手動編程，只需在磨削軟件中輸入工件參數(shù)，即可自動生成加工程序。
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或車床上進行展成加工，要求機床中心距必須與環(huán)面蝸桿成形中心距一致，因此機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)動環(huán)面蝸桿磨床，實現(xiàn)了小中心距機床加工大中心距環(huán)面蝸桿齒面的目的。經(jīng)深入分析和研究，發(fā)現(xiàn)有值得進一步改進的地方，為此針對精密磨削平面包絡環(huán)面蝸桿和錐面包絡環(huán)面蝸桿，提出了一種基于虛擬中心的七軸四聯(lián)動數(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 個自由度，即沿 x2和 y2方向的平動及繞基點 M 的轉(zhuǎn)動。選取 3 個獨立參數(shù)表示其自由度，即基點 M 在 x2O2y2中的坐標值 xM和 yM，以及 MN2與坐標軸 O2x2的夾角 φ，顯然，這 3 個參數(shù)均為時間 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)運動，可以分解為直線 N1N2繞與其固聯(lián)的任意基點 M 以角速度 ω2的回轉(zhuǎn)運動、基點 M 沿以 O2為圓心以 rM為半徑的圓弧曲線的平移運動，該平移運動可分解為沿兩正交直線軸的平移運動。虛擬回轉(zhuǎn)中心的運動過程，需要 3 個坐標軸的聯(lián)合運動來實現(xiàn)。
2 、蝸桿磨床研制方案
2. 1 蝸桿磨床的運動軸
數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床的運動軸如圖 3 所示，七軸分別為: X 軸，拖板的橫向運動; Y 軸，磨具的高度調(diào)整運動; Z 軸，工作臺的縱向運動; A 軸，砂輪傾角的調(diào)整運動; B 軸，砂輪架的回轉(zhuǎn)運動; C軸，工件的旋轉(zhuǎn)運動; SP 軸，砂輪的旋轉(zhuǎn)運動。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 機床運動軸示意圖
機床的主運動為砂輪的旋轉(zhuǎn)運動 ( SP 軸) 。砂輪主軸采用滾動軸承結構形式，滾動軸承采用高精度陶瓷球主軸軸承，并配置油霧潤滑裝置。砂輪的旋轉(zhuǎn)運動由 SIEMENS 內(nèi)裝式電機驅(qū)動，可實現(xiàn)砂輪的恒線速度控制。內(nèi)裝式電機通過精密水冷機進行強制冷卻。機床的磨削運動: 工作臺的縱向運動 ( Z 軸) 、拖板的橫向運動 ( X 軸) 、砂 輪架的回 轉(zhuǎn)運動 ( B軸) 、工件的旋轉(zhuǎn)運動 ( C 軸) 。4 個運動均為全閉環(huán)控制的伺服軸，由數(shù)控系統(tǒng)控制實現(xiàn)四軸聯(lián)動，完成工件的磨削。Z 軸和 X 軸均由交流伺服電機經(jīng)行星齒輪減速機，通過彈性聯(lián)軸器、高精度滾珠絲杠副實現(xiàn)縱向和橫向運動，通過光柵尺實現(xiàn)全閉環(huán)控制。B 軸由力矩電機直接驅(qū)動，C 軸由交流伺服電機經(jīng)高精度蝸輪蝸桿副 驅(qū) 動，均 通 過 角 度 編 碼 器 實 現(xiàn) 全 閉 環(huán)控制。
機床的調(diào)整運動運動: 砂輪傾角的調(diào)整運動 ( A軸) ，磨具的高度調(diào)整運動 ( Y 軸) 。砂輪傾角的調(diào)整運動由力矩電機直接驅(qū)動，通過角度編碼器實現(xiàn)全閉環(huán)控制。磨具高度的調(diào)整運動則由交流伺服電機經(jīng)過一級減速，驅(qū)動高精度滾珠絲杠副實現(xiàn)磨具的高度調(diào)整，通過光柵尺實現(xiàn)全閉環(huán)控制。
砂輪修整: 修整工具采用金剛碟輪，通過工作臺的縱向運動 ( Z 軸) 和拖板的橫向運動 ( X 軸) 兩軸聯(lián)動實現(xiàn)平面包絡環(huán)面蝸桿和錐面包絡環(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滑系統(tǒng); 配備英國雷尼紹公司的對刀測頭，自動確定環(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平衡裝置，可對砂輪進行精確平衡。冷卻系統(tǒng)配置磁性分離器和離心過濾器實現(xiàn)二級過濾，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環(huán)境的污染。磨削蝸桿可達到的精度等級為 5 級 ( 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 、試切實驗
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 平面包絡環(huán)面蝸桿磨削成品
4 、結論
(1) 針對精密磨削平面包絡環(huán)面蝸桿和錐面包絡環(huán)面蝸桿，研制了一種基于虛擬中心的七軸四聯(lián)動數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床。(2) 在研制的數(shù)控環(huán)面蝸桿磨床上進行平面包絡環(huán)面蝸桿的試切實驗，結果表明研制方案可行、精度可達預期要求。
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