七軸四聯動數（shù）控環麵蝸杆磨床的（de）研製-數控機床市（shì）場網

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七軸四聯動數控環麵蝸（wō）杆磨床的研製（zhì）

2018-8-27 來源：重慶（qìng）商務職業學院出版傳媒係，四川大學作者：陳燕，龔玉霞

摘要: 環麵蝸杆加工的低精度和低效率（lǜ）問題（tí），成為製（zhì）約環麵蝸杆發展的（de）主要因素。針對精密磨削平麵包絡環（huán）麵蝸杆和錐麵包絡環麵蝸杆，運用虛擬中（zhōng）心距加工原理，研發了七軸四聯（lián）動數控環麵蝸杆磨床。工件在機床上隻需一次裝（zhuāng）夾即可自動完成左右齒麵的磨削。操作（zuò）者不需要手動編程，隻需在磨削軟件中輸入工件參（cān）數，即可自動（dòng）生成加工程序。在研製的數控環麵蝸杆磨床上進行平麵包絡環麵蝸杆（gǎn）的試切實驗，結果表明研製方案可行、精度可達預期要求。

關鍵詞: 環麵蝸杆; 虛擬中心距; 機床研製; 數控環麵蝸杆磨床

環麵蝸杆具有多齒接觸、承載（zǎi）能力強、傳動效率高等優點，在工業中發揮著越來越重要的作（zuò）用。國內外（wài）專家學者在加工方法、製造精度、檢測技術及加工設備研製等方麵做了大量研究。早在 20 世紀 90 年代，文獻［1 － 3］中針對如何提（tí）高平麵包絡環麵蝸杆的加工精度和加工效率做了探討。文（wén）獻［4 － 7］中對環麵蝸杆的（de）誤差（chà）檢測方法及檢（jiǎn）測儀做了深入研究。文獻［8 － 9］中對蝸杆磨床及數（shù）控係（xì）統進行了設計（jì）和研製，但研製的設備在（zài）加工精度和加（jiā）工軸聯動方（fāng）麵都受限（xiàn）。因（yīn）此，如何提高蝸杆的加工精度和（hé）加（jiā）工效率，仍然是製約環麵蝸杆發展的主要因素。

針對精密磨（mó）削平麵包絡環麵蝸杆和錐麵包絡環麵蝸杆，研發了七軸四聯動數（shù）控環麵（miàn）蝸杆磨床。工件在（zài）機床（chuáng）上隻需一次裝夾即可自動完成左（zuǒ）右齒麵的（de）磨削，但左右齒麵需分別（bié）磨削。機（jī）床運用虛擬中心距加工原理，通過參數設定可實現基圓尺寸和中心距尺寸的調整。操作者不需要手動編程（chéng），隻需在（zài）磨削軟件（jiàn）中輸入工件參數（shù），即可自動生成加工程序。

1 、虛擬回轉中心加工原理

傳統（tǒng）的環麵蝸（wō）杆加工方法是（shì）在改（gǎi）裝的滾齒機或車床上進行展成加工（gōng），要求機床中心距必須與環麵蝸杆（gǎn）成形中心距一致，因此機床工作能力受到中心距的限製（zhì）。為了解決這一矛盾，重慶大學（xué）張光輝教授提（tí）出虛擬回轉中心原理，並開發了具有虛擬回轉中心功能的四軸四聯動環麵蝸杆磨床，實現了小中心距機床加工大中心距環麵蝸杆齒麵的目的。經深（shēn）入（rù）分析和研究，發現有值得進一（yī）步改進的地方，為此針對精密磨削平麵包絡環麵蝸杆和錐麵包絡環麵蝸杆，提出了（le）一種（zhǒng）基於虛擬中心的七（qī）軸四聯動數（shù）控環麵（miàn）蝸杆磨床。如圖 1 所示，平（píng）麵圖形 MN1N2在中間平麵x2O2y2中有（yǒu）且僅有 3 個自由度，即沿 x2和 y2方向的平動（dòng）及繞基點 M 的轉動。選取 3 個獨立參數表示其自由度，即基點 M 在 x2O2y2中的坐標值 xM和 yM，以及 MN2與坐標（biāo）軸 O2x2的夾角 φ，顯然，這 3 個參數均為（wéi）時間（jiān） t 的（de）函數，故可（kě）表示為:

圖 2 速度的合成

可見（jiàn），直線 N1N2繞蝸輪軸線 O2以角速度 ω2的回轉運動，可以分解為（wéi）直（zhí）線 N1N2繞與其（qí）固聯的任意基點 M 以角速（sù）度（dù） ω2的（de）回（huí）轉運動、基點 M 沿（yán）以 O2為圓心以 rM為半徑的圓弧曲線（xiàn）的平移運動，該平移（yí）運動可分解為沿（yán）兩正交直線軸的平移（yí）運動（dòng）。虛擬回轉中心的運動過程（chéng），需要 3 個坐標軸的聯合運動來實現。

2 、蝸杆磨床研（yán）製方案

2. 1 蝸（wō）杆磨床（chuáng）的運動軸

數控環麵蝸杆磨床的運動軸如圖 3 所示，七軸分別為: X 軸，拖板的橫（héng）向運動; Y 軸，磨具的高度調整運動; Z 軸，工作台的縱向運動; A 軸，砂輪傾角的調整運（yùn）動; B 軸，砂輪架的回轉運動; C軸，工件的旋轉運動; SP 軸，砂輪（lún）的旋轉運動。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（wéi） ± 5″。

圖 3 機床運動軸示意圖

機床的主運動為砂輪的（de）旋轉運動 ( 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，並配置油霧潤滑（huá）裝置。砂輪的旋轉運動由 SIEMENS 內（nèi）裝式電機驅動，可實現砂（shā）輪的恒線速度控製。內裝式電機通過精密水冷機進行（háng）強製冷卻。機床的磨削運動（dòng）: 工作台的縱向運動 ( Z 軸) 、拖板的橫向運動 ( X 軸) 、砂輪架的回轉運動 ( B軸) 、工件的旋轉運動 ( C 軸) 。4 個運動均為全閉環控製的伺服軸，由數控係統控（kòng）製實現四軸聯（lián）動，完成工件的磨削。Z 軸和 X 軸均由交流伺服電（diàn）機經行（háng）星（xīng）齒輪減速機，通過彈（dàn）性聯軸器、高精度滾珠絲杠（gàng）副實現縱向和橫向運動，通過光柵尺實現全閉環控製。B 軸由力矩電機直接驅動，C 軸由交流伺服電機經高精度蝸輪蝸杆副驅動，均通過角度編碼器（qì）實現全（quán）閉環控製（zhì）。

機床的調整運動運動: 砂輪傾角的調（diào）整運動 ( A軸) ，磨具的高度調整運動 ( Y 軸) 。砂（shā）輪傾角的調整運動由力矩電機直接（jiē）驅動，通過角度編碼器實現全閉環控製。磨具高度的調整運動則由交流伺服電機經過一級減速，驅動高精度（dù）滾珠絲杠副實現磨具的高度調整，通過光柵尺實現全閉環控製。

砂輪修整: 修整工（gōng）具采用金剛碟輪，通過工作台的縱向運動 ( Z 軸) 和拖板的橫（héng）向運動 ( X 軸) 兩軸聯動實現平麵（miàn）包絡（luò）環（huán）麵蝸杆和錐麵包絡環麵蝸杆磨削所用砂輪的修整。

2. 2 蝸杆（gǎn）磨床的主要規格參數

研製好的數（shù）控環麵（miàn）蝸杆磨床如圖 4 所示。配置（zhì）SIEMENS 840Ds L 高檔數控係（xì）統、南京（jīng）貝其爾公司（sī）的（de）潤滑（huá）係統; 配備英國雷尼紹公司的對刀測頭，自動確定環麵蝸杆中心平麵的軸向位置; 配備意大利馬波斯公司的砂輪動平衡裝置，可對砂輪進行（háng）精確平衡。冷卻係統配置磁性分離（lí）器和離（lí）心過濾器實現二級過濾，有效過濾砂灰及鐵（tiě）屑，保證了冷卻液（yè）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境的汙染。磨削蝸杆可達到的精度等級為 5 級 ( GB/T 16445-1996) ，但工（gōng）件兩端的中（zhōng）心（xīn）孔需要研磨，其主要規格參數如下: 最大安裝直徑 320mm; 最大頂尖距 1 500 mm; 最小頂尖距 150 mm; 可磨蝸杆中心距 63 ～ 400 mm; 可磨蝸杆外徑 30 ～320 mm; 可磨蝸杆齒（chǐ）根直徑 20 ～ 280 mm; 蝸（wō）杆圓弧中心至軸（zhóu）承擋（dǎng）端麵距離 50 ～ 400 mm; 可磨螺紋長（zhǎng）度1 000 mm; 可磨蝸杆模數 1. 2 ～ 20; 可磨蝸杆頭數 1 ～ 20; 砂輪最（zuì）大（dà）傾（qīng）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; 可磨蝸杆最大質量 500 kg。

圖 4 數（shù）控環麵蝸杆磨床

3 、試切實驗

以表 1 所示（shì）幾何參數為例（lì），在研製後的數控環麵蝸杆磨床上磨削加工蝸杆齒麵，磨削加工流程如圖 5所示，磨削加（jiā）工的平麵包絡環（huán）麵蝸（wō）杆樣件成品（pǐn）如圖 6所示。

表 1 蝸杆幾何參數

圖 5 磨削流程

圖 6 平麵包絡環麵蝸杆磨削成品

4 、結論

(1) 針對精密磨削平麵包絡環麵蝸（wō）杆和錐麵包絡環麵蝸杆，研（yán）製了一種基於虛擬中心的七軸四聯（lián）動數（shù）控（kòng）環麵蝸杆磨床。(2) 在研製的數控（kòng）環（huán）麵蝸杆磨床上進行平麵（miàn）包絡環麵蝸杆的（de）試切實驗，結（jié）果表明研製方案可行（háng）、精（jīng）度可達預期要求。

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