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七（qī）軸四聯動數控環麵蝸杆磨床的研製

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

摘要: 環麵蝸杆加工的低精度（dù）和低效率問題，成（chéng）為製約環麵蝸杆發展的主要因素。針對精密磨削平麵包絡環麵蝸杆和（hé）錐麵包絡環麵蝸杆，運用虛擬中心距加工原理，研發了（le）七軸四聯動數控環（huán）麵蝸杆磨床。工件在機床上隻需一次裝夾即可自動完成左右齒麵的磨削。操作者不需要手動編程，隻需在磨削軟件中輸入工（gōng）件參數（shù），即可自動（dòng）生成加工程序。在研製的數控環（huán）麵蝸杆磨床上進行平麵包絡環麵蝸（wō）杆的試切實（shí）驗，結果表明研（yán）製方案可行、精（jīng）度（dù）可達預期要求（qiú）。

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用。國內外專家學（xué）者在加工（gōng）方法、製造精度、檢（jiǎn）測技術及（jí）加工設備研製等方麵做了大量研究。早在 20 世（shì）紀 90 年代，文獻［1 － 3］中針對如何提高平麵包（bāo）絡（luò）環麵蝸杆的加工（gōng）精度和加工效率做了探討。文（wén）獻［4 － 7］中對環麵蝸（wō）杆的誤差檢測方法及檢測（cè）儀做了深入研究。文獻［8 － 9］中對蝸杆磨床及數控係統進行了設計和研製，但（dàn）研製（zhì）的設備（bèi）在加工精度和加工軸聯動方麵都受限。因此，如何提高（gāo）蝸杆的加工精度和加（jiā）工效率，仍然是（shì）製約環麵蝸杆發展的主要因素。

針對精密磨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控環麵（miàn）蝸杆磨（mó）床。工件在機床上隻需一次裝夾即可自動完成左右齒麵的磨削，但左右齒麵需分別（bié）磨削。機床運用虛擬中心距加工原理，通過參數設（shè）定可實現基圓尺寸和中心距尺寸的調整（zhěng）。操作者不（bú）需要手動編程，隻需在磨削軟件中輸入工件（jiàn）參數，即可自動生成加工程序。

1 、虛擬回轉中心加工原理

傳統的環麵蝸杆加工方法（fǎ）是在改裝的（de）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）麵蝸杆成形中心距一致，因此機床工作能（néng）力受到中心距的限製。為了解決這一矛盾，重慶大學張光輝教授提出虛擬回轉中心原理，並開發了具有虛擬回轉中（zhōng）心功能的四軸四聯動環麵蝸（wō）杆磨床（chuáng），實現了小中心距機床加工大中心距環麵蝸杆齒麵的目的。經深入分析和研究，發現有值得（dé）進一步改進的地方，為此針對（duì）精密（mì）磨削平麵包絡環麵蝸杆和錐麵包絡環麵蝸杆，提出了一種基（jī）於虛擬中心的七軸四聯動數控環麵蝸杆磨床。如圖 1 所示，平麵圖形 MN1N2在中間平麵x2O2y2中有且（qiě）僅有 3 個自由度，即沿 x2和 y2方向的平動及繞基點 M 的轉動。選取 3 個（gè）獨立參數（shù）表示其自（zì）由度，即基點 M 在 x2O2y2中的（de）坐標值 xM和 yM，以（yǐ）及 MN2與坐標軸 O2x2的夾角 φ，顯（xiǎn）然，這 3 個（gè）參數（shù）均為時間 t 的函數，故可（kě）表示為:

圖 2 速度的合（hé）成

可見，直線 N1N2繞蝸輪軸（zhóu）線 O2以角速度 ω2的回轉運動，可以分解為直線 N1N2繞與其固聯的任意基點 M 以角速度 ω2的回轉運動、基點 M 沿以 O2為圓心以（yǐ） rM為半徑的圓弧曲線的平移運動，該平移運（yùn）動可（kě）分解為沿兩正交直線軸的平移運動。虛擬回轉中心的運動過（guò）程，需要 3 個坐標軸的聯合運動來實現。

2 、蝸杆磨床研製（zhì）方案

2. 1 蝸杆磨床的運動軸

數控環麵蝸杆磨（mó）床（chuáng）的運動（dòng）軸如圖 3 所示，七軸分別為: X 軸，拖板的橫向運動; Y 軸，磨具（jù）的高度調整（zhěng）運動（dòng）; Z 軸，工作台的縱向運動; A 軸，砂輪傾角的調整（zhěng）運（yùn）動; B 軸，砂輪架的回（huí）轉運動; C軸，工件的旋轉運動; SP 軸，砂輪的旋轉運動。X、Y、Z 軸配置光柵尺，精度為（wéi） ± 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（de）主運動為砂輪（lún）的旋轉運動 ( SP 軸) 。砂（shā）輪主軸采用滾（gǔn）動軸承結（jié）構形式，滾動軸承采用高精度（dù）陶瓷球主軸軸承，並配置油霧潤滑裝置。砂輪的旋轉運動由 SIEMENS 內（nèi）裝式電機驅動，可實（shí）現砂輪的恒線速度控製。內裝式電機（jī）通過精密水冷機進行強製冷卻。機床的磨削運動（dòng）: 工（gōng）作台的縱向運動 ( Z 軸) 、拖板的橫向運動 ( X 軸（zhóu）) 、砂（shā）輪（lún）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（shù）控係（xì）統控製實現四軸聯動（dòng），完成工件的磨（mó）削。Z 軸（zhóu）和 X 軸均由交流伺服（fú）電機經行星齒輪減速機，通過彈性聯軸器、高精度滾珠絲杠副實現縱向和橫向運動（dòng），通過光柵（shān）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（wō）杆副驅動，均通（tōng）過角度編碼器實現全（quán）閉環控製。

機床的（de）調整運動運動: 砂（shā）輪傾角的調整運動 ( A軸) ，磨具的高度調（diào）整運（yùn）動 ( Y 軸（zhóu）) 。砂輪傾角的調整運（yùn）動由力矩電機直接驅動，通過角（jiǎo）度編（biān）碼器實現全閉環控製。磨具高度的調整（zhěng）運動則由交流伺（sì）服（fú）電機經過一級減速，驅動高精度（dù）滾珠絲（sī）杠副實現磨具的高度調整，通（tōng）過光柵尺實現全閉環控製。

砂（shā）輪修整: 修整工具采用金（jīn）剛碟輪，通過工作台的（de）縱向運（yùn）動 ( Z 軸) 和拖板的橫向運動 ( X 軸（zhóu）) 兩軸聯動實現平麵包絡環麵蝸杆和錐（zhuī）麵包（bāo）絡環麵蝸杆磨削所用砂輪的修整。

2. 2 蝸杆磨（mó）床的主要規格參數

研製好的數控環麵蝸杆磨床如圖 4 所示。配（pèi）置（zhì）SIEMENS 840Ds L 高檔數控（kòng）係統、南京貝其（qí）爾公司的潤滑（huá）係統; 配備英國雷尼紹公司的對刀測頭，自（zì）動確定環（huán）麵蝸杆中心平麵的軸向位置; 配備意大利馬波斯公（gōng）司的砂輪動平衡（héng）裝置，可對砂輪進（jìn）行精確平衡。冷卻係（xì）統配置磁性分（fèn）離器和離心過濾器實現二級過濾，有（yǒu）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境的汙染。磨削蝸杆可達到的精度等級為 5 級（jí） ( GB/T 16445-1996) ，但工（gōng）件兩端的中心孔需要研磨，其主要規（guī）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（jù） 63 ～ 400 mm; 可磨蝸杆外徑 30 ～320 mm; 可磨蝸杆齒根直徑（jìng） 20 ～ 280 mm; 蝸杆圓弧中心至軸承擋端麵（miàn）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（shù） 1 ～ 20; 砂輪最大傾角為 ± 30°; 砂輪最（zuì）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。