CN101797721B - 基于并联机构的三自由度砂轮修整器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联机构的三自由度砂轮修整器，主要包括左驱动单元、滑动导轨、左滑块、右滑块、右驱动单元、伸缩驱动单元、伸缩杆、多个连杆、横架、旋转固定座、金刚石修整轮驱动单元等，其中，左右驱动单元分别驱动左右滑块在滑动导轨上移动，并通过连杆带动横架进行二维平动，金刚石修整轮驱动单元用于驱动金刚石修整轮旋转，伸缩驱动单元用于驱动伸缩杆作伸缩运动从而推动旋转固定座转动，对修整成型砂轮时的切入角度进行调整，上述运动综合起来可实现对具有复杂截面形状的成型砂轮的精密修整。本发明同时实现了金刚石修整轮的二维平动和一个摆动，可在较小的空间内对复杂截面成型砂轮进行精密修整，结构简单使用方便，便于加工生产。

Description

基于并联机构的三自由度砂轮修整器

技术领域

本发明属于一种基于并联机构的三自由度砂轮修整器，特别是一种能修整具有复杂截面形状的成型砂轮的新型砂轮修整装置。

背景技术

在成型磨削加工中，磨削工件用成型砂轮不可避免会发生磨损，其磨损到一定程度就会严重影响工件的磨削质量。因此，在用成型砂轮对工件进行磨削加工过程中，必须根据成型砂轮的磨损状况适时对其进行修整，重新使其恢复设定的形状精度和表面质量，来保证工件的磨削质量。

目前用于成型砂轮修整的方法主要有两种：一种是采用靠模修整方法，它采用预先制好的与被加工工件磨削截面形状相同的模板，利用靠模运动让金刚石成形修整滚轮或金刚笔产生所要求的运动轨迹，来修整出符合加工工件要求的成型砂轮。由于靠模修整只能修整出与模板相同的砂轮截面形状，当砂轮截面改变时必须更换模板并重新定位，不能快速适应各种不同截面的成型砂轮。另一种是数控砂轮修整器，它是靠编制应用程序控制金刚石修整轮或金刚笔的多维联动来加工出成型砂轮所要求的截面形状。目前运用较为成熟的是具有两维移动的数控砂轮修整器，但其修整复杂型面的砂轮时可能发生干涉。从解决这一问题出发，近年来多种同时具有两维移动和一个摆动轴的三自由度数控砂轮修整器被提出，它们基本上都具备修整任意复杂型面的砂轮而不发生干涉的能力。厦门大学公开号101121250的发明专利提供一种杯状砂轮修整器，底座安装于磨床工作台上，其本身具有两移动轴和摆动功能，加上磨床床身的移动轴，可实现相对于砂轮做三移动轴和一转动轴的功能。厦门大学公开号1974132的发明专利提供一种多功能数控砂轮修整装置，包括控制系统和修整器两部分，修整器设有修整砂轮、转角控制机构、进给机构、修整送进机构和基座传动机构。相对砂轮具有三移动轴和一转动轴的功能。汕头大学公开号1428225的发明专利提供一种磨床砂轮修整器，包括修整工具、底座及数控系统，底座安装于磨床工作台上，底座上面设有一转盘数控系统控制伺服电机驱动转盘转动修整工具安装在转盘上，借助于磨床工作台的两移动轴可直接修整砂轮。但在上述的三自由度数控砂轮修整器中，其多维联动机构基本上都采用串联形式，结构较为复杂、且各个运动的误差具有累积效应。因此，有必要设计一种基于并联机构的三自由度砂轮修整器，在简化修整器结构的同时减轻多维联动中的误差累积效应。

发明内容

本发明的目的在于针对现有三自由度砂轮修整器结构较复杂、各个运动误差具有累积效应等缺点，提供一种基于并联机构的三自由度砂轮修整器，该砂轮修整器采用两个移动加上一个摆动的三自由度并联机构，摆动自由度用来对金刚石修整轮或金刚笔的姿态进行调整，并配合两个移动实现对具有复杂截面形状的成型砂轮的修整。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于并联机构的三自由度砂轮修整器，包括底板、左驱动单元、滑动导轨、左滑块、右滑块、右驱动单元、立柱、伸缩驱动单元、伸缩杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、横架、转动轴、旋转固定座、金刚石修整轮驱动单元和金刚石修整轮，其中，左驱动单元和右驱动单元对称固定安装在底板上并且其回转中心线重合，滑动导轨固定于底板上，该滑动导轨上设置有左滑块和右滑块，第三连杆、第四连杆的一端与左滑块铰接，第一连杆、第二连杆的一端和右滑块铰接，第三连杆、第四连杆、第一连杆、第二连杆的另一端与横架铰接，由此，左驱动单元和右驱动单元分别驱动左滑块和右滑块在滑动导轨上移动，并通过第一、二、三、四连杆带动横架进行二维平动；旋转固定座通过转动轴与横架连接并可绕转动轴摆动，在旋转固定座上设置有金刚石修整轮和金刚石修整轮驱动单元，金刚石修整轮驱动单元与金刚石修整轮相连并用于驱动金刚石修整轮旋转；此外，底板上垂直安装有立柱，该立柱上铰接有伸缩驱动单元，伸缩杆一端铰接于旋转固定座上，另一端设置在伸缩驱动单元内并可沿其上设置的导向槽移动，由此，伸缩驱动单元可通过驱动伸缩杆作伸缩运动从而推动旋转固定座绕转动轴转动，并对金刚石修整轮修整成型砂轮时的切入角度进行调整，保证金刚石修整轮始终以最佳切入角；综上所述，左驱动单元和右驱动单元用于驱动横架实现二维平动，伸缩驱动单元用于驱动旋转固定座摆动对金刚石修整轮的切入角度进行调整，同时金刚石修整轮驱动单元驱动金刚石修整轮实现高速旋转，上述运动综合起来可实现对具有复杂截面形状的成型砂轮的精密修整。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明提出的新型砂轮修整器，同时实现了金刚石修整轮的二维平动和一个摆动，保证金刚石修整轮始终以最佳切入角实现对成型砂轮的修整，可有效避免修整时发生干涉，可对复杂截面成型砂轮进行修整；(2)本发明提出的新型砂轮修整器，可充分发挥并联机构结构紧凑、刚性好和无误差累积等优势，在较小的空间内实现对成型砂轮的精密修整；(3)结构简单实用，控制和使用都很方便，便于加工生产。

附图说明

图1为本发明基于并联机构的三自由度砂轮修整器的机构原理图。

图2为本发明基于并联机构的三自由度砂轮修整器的三维结构图。

图3为本发明基于并联机构的三自由度砂轮修整器的控制系统构成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明基于并联机构的三自由度砂轮修整器，包括底板1、左驱动单元33、滑动导轨5、左滑块7、右滑块8、右驱动单元34、立柱13、伸缩驱动单元35、伸缩杆23、第一连杆14、第二连杆15、第三连杆30、第四连杆31、横架24、转动轴27、旋转固定座25、金刚石修整轮驱动单元32和金刚石修整轮26，其中，左驱动单元33和右驱动单元34对称固定安装在底板1上并且其回转中心线重合，滑动导轨5固定于底板1上，该滑动导轨5上设置有左滑块7和右滑块8，第三连杆30、第四连杆31的一端与左滑块7铰接，第一连杆14、第二连杆15的一端和右滑块8铰接，第三连杆30、第四连杆31、第一连杆14、第二连杆15的另一端与横架24铰接，由此，左驱动单元33和右驱动单元34分别驱动左滑块7和右滑块8在滑动导轨5上移动，并通过第一、二、三、四连杆14、15、30、31带动横架24进行二维平动；旋转固定座25通过转动轴27与横架24连接并可绕转动轴27转动，在旋转固定座25上设置有金刚石修整轮26和金刚石修整轮驱动单元32，金刚石修整轮驱动单元32与金刚石修整轮26相连并用于驱动金刚石修整轮26旋转；此外，底板1上垂直安装有立柱13，立柱13上铰接有伸缩驱动单元35，伸缩杆23一端铰接于旋转固定座25上，另一端设置在伸缩驱动单元35内并可沿其上设置的导向槽移动，由此，伸缩驱动单元35通过驱动伸缩杆23作伸缩运动从而推动旋转固定座25绕转动轴27转动，对金刚石修整轮26修整成型砂轮36时的切入角度进行调整。综上所述，左驱动单元和右驱动单元用于驱动横架实现二维平动，伸缩驱动单元用于驱动旋转固定座摆动对金刚石修整轮的切入角度进行调整，同时金刚石修整轮驱动单元驱动金刚石修整轮实现高速旋转，上述运动综合起来可实现对具有复杂截面形状的成型砂轮的精密修整。图1中的实线和点线分别描述了基于并联机构的三自由度砂轮修整器在修整成型砂轮36截面曲线上的轮廓点A和轮廓点B时各构件的不同工作状态。

结合图1和图2，进一步对本发明砂轮修整器的具体结构和工作过程进行描述，参照图2，左驱动单元33包括左驱动电机2、左联轴器3、左滚珠丝杠4和左螺母6，其中，左驱动电机2固定安装在底板1上，该左驱动电机2的输出轴通过左联轴器3与左滚珠丝杠4相连，左螺母6固定安装于左滑块7内并与左滚珠丝杠4形成丝杠螺母传动关系。右驱动单元34包括右驱动电机12、右联轴器11、右滚珠丝杠10和右螺母9，其中，右驱动电机12固定安装在底板1上，该右驱动电机12的输出轴通过右联轴器11与右滚珠丝杠10相连，右螺母9固定安装于右滑块8内并与右滚珠丝杠10形成丝杠螺母传动关系。左驱动单元33和右驱动单元34分别驱动左滑块7和右滑块8在滑动导轨5上左右移动，来实现金刚石修整轮26在一定范围内的二维空间定位，伸缩驱动单元35包括固定板18、伸缩驱动电机19、小齿轮16、大齿轮17、导向圆筒20、伸缩驱动用滚珠丝杠21和伸缩驱动用螺母22，其中，固定板18通过销轴与立柱13铰接，固定板18上固定安装有伸缩驱动电机19和导向圆筒20，伸缩驱动用滚珠丝杠21和伸缩驱动用螺母22设置在导向圆筒20内并形成丝杠螺母传动关系，小齿轮16安装在伸缩驱动电机19的输出轴上，并与安装于伸缩驱动用滚珠丝杠21上的大齿轮18相啮合，伸缩杆23一端铰接于旋转固定座25上，另一端设置在导向圆筒20的导向槽内并与伸缩驱动用螺母22固定连接，由此，伸缩驱动电机19通过小齿轮16和大齿轮18驱动伸缩驱动用滚珠丝杠21转动，从而带动伸缩驱动用螺母22和伸缩杆23一起沿导向圆筒20的导向槽作伸缩运动。该伸缩驱动单元35可驱动旋转固定座25在一定范围内摆动以实现对金刚石修整轮26修整切入角度的调整。金刚石修整轮驱动单元32包括修整轮驱动电机29和带传动装置28，其中修整轮驱动电机29固定安装于旋转固定座25上，带传动装置28选用三角带传动，该带传动装置28的输入轴、输出轴分别与修整轮驱动电机29和金刚石修整轮26相连。该金刚石修整轮驱动单元32为金刚石修整轮26提供高速旋转运动来实现对成型砂轮36的修整。综合上述运动可实现对具有复杂截面形状的成型砂轮的精密修整。

具体的修整过程如下：首先，通过控制左伺服电机2、右伺服电机12和伸缩驱动电机19让金刚石修整轮26处于初始位置，此时金刚石修整轮26位于成型砂轮36正上方；接着，启动金刚石修整轮驱动电机29，实现金刚石修整轮25的高速旋转；其次，同时控制左伺服电机2、右伺服电机12和伸缩驱动电机19，使得金刚石修整轮25从成型砂轮36截面轮廓线左端最低点开始、沿着成型砂轮36截面轮廓线以一定的切入角度对整个成型砂轮36截面轮廓线进行修整，当金刚石修整轮25修整完成型砂轮36轮廓曲线到达其轮廓线右端时，完成对成型砂轮36的一次修整；然后，同时控制左伺服电机2、右伺服电机12和伸缩驱动电机19，使得金刚石砂轮修整器26离开成型砂轮36轮廓曲线，回复到初始位置，关闭金刚石修整轮驱动电机29，本次修整过程结束。

结合图2，进一步对本发明基于并联机构的三自由度砂轮修整器的具体结构进行说明，其中，左驱动电机2固定安装在底板1上，其输出轴通过左联轴器3与左滚珠丝杠4相连，左螺母6固定安装于左滑块7内并与左滚珠丝杠4形成丝杠螺母传动关系；右驱动电机12固定安装在底板1上，其输出轴通过右联轴器11与右滚珠丝杠10相连，右螺母9固定安装于右滑块8内并与右滚珠丝杠10形成丝杠螺母传动关系；第三连杆30、第四连杆31和第一连杆14、第二连杆15的一端分别与左滑块7和右滑块8铰接，另一端与横架24铰接，由此，左驱动电机2和右驱动电机12的转动可通过丝杠螺母传动分别驱动左滑块7和右滑块8在滑动导轨5上移动，并通过四个连杆带动横架24进行二维平动，来实现金刚石修整轮26在一定范围内的二维空间定位；旋转固定座25通过转动轴27与横架24连接并可绕转动轴27转动，在旋转固定座25上设置有金刚石修整轮26、修整轮驱动电机29和带传动装置28，其中修整轮驱动电机29固定安装于旋转固定座25上，带传动装置28选用三角带传动，其输入轴、输出轴分别与修整轮驱动电机29和金刚石修整轮26相连，由此，修整轮驱动电机29的转动可通过带传动装置28驱动金刚石修整轮26高速旋转。此外，底板1上垂直安装有立柱13，立柱13上铰接有固定板18，固定板18上固定安装有伸缩驱动电机19和导向圆筒20，伸缩驱动用滚珠丝杠21和伸缩驱动用螺母22设置在导向圆筒20内并形成丝杠螺母传动关系，小齿轮16安装在伸缩驱动电机19的输出轴上，并与安装于伸缩驱动用滚珠丝杠21上的大齿轮18相啮合，伸缩杆23一端铰接于旋转固定座25上，另一端设置在导向圆筒20的导向槽内并与伸缩驱动用螺母22固定连接，由此，伸缩驱动电机19通过小齿轮16和大齿轮18驱动伸缩驱动用滚珠丝杠21转动，带动伸缩驱动用螺母22和伸缩杆23一起沿导向圆筒20的导向槽作伸缩运动，进而推动旋转固定座25在一定范围内摆动以实现对金刚石修整轮26切入角度的调整。

图3给出了由数控系统、四个电机驱动器、四个驱动电机构成的本发明实施例控制系统构成图。通过数控系统给电机驱动器发送运动指令控制四个驱动电机运动，对金刚石修整轮的位置和切入角度进行调整的同时，实现对成型砂轮的精密修整。

在采用本发明对成型砂轮进行修整时，可将此砂轮修整器安装于磨床砂轮架上，将本发明砂轮修整器的底板1悬挂固定于成型砂轮上方架设的龙门架上，从而使得金刚石修整轮26始终从成型砂轮的侧上方对成型砂轮进行修整。在修整时，由于左滑块7和右滑块8在滑动导轨5上的左右移动可使横架24实现上下方向和左右方向的平动，而伸缩杆23的伸缩运动使得旋转固定座25摆动从而调整金刚石修整轮25的切入角度，也就是金刚石修整轮25具有两个移动和一个摆动共三个运动自由度，在砂轮修整过程中可通过调整金刚石修整轮25的切入角度来保证金刚石修整轮26在对成型砂轮36进行修整的过程中不发生干涉，可实现具有复杂截面形状的成型砂轮的精密修整。同时，由于本发明采用了并联机构，其结构简单紧凑、刚性好、且各运动共同作用实现砂轮位置和切入角度的控制从而各运动误差无误累积，可在较小的空间内实现对成型砂轮的精密修整，其控制和使用都很方便，便于加工生产。

Claims (5)

1.一种基于并联机构的三自由度砂轮修整器，其特征在于：包括底板[1]、左驱动单元[33]、滑动导轨[5]、左滑块[7]、右滑块[8]、右驱动单元[34]、立柱[13]、伸缩驱动单元[35]、伸缩杆[23]、第一连杆[14]、第二连杆[15]、第三连杆[30]、第四连杆[31]、横架[24]、转动轴[27]、旋转固定座[25]、金刚石修整轮驱动单元[32]和金刚石修整轮[26]，其中，左驱动单元[33]和右驱动单元[34]对称固定安装在底板[1]上并且其回转中心线重合，滑动导轨[5]固定于底板[1]上，该滑动导轨[5]上设置有左滑块[7]和右滑块[8]，第三连杆[30]、第四连杆[31]的一端与左滑块[7]铰接，第一连杆[14]、第二连杆[15]的一端和右滑块[8]铰接，第三连杆[30]、第四连杆[31]、第一连杆[14]、第二连杆[15]的另一端与横架[24]铰接，左驱动单元[33]和右驱动单元[34]分别驱动左滑块[7]和右滑块[8]在滑动导轨[5]上移动，并通过第一、二、三、四连杆[14、15、30、31]带动横架[24]进行二维平动；旋转固定座[25]通过转动轴[27]与横架[24]连接并可绕该转动轴[27]转动，在旋转固定座[25]上设置有金刚石修整轮[26]和金刚石修整轮驱动单元[32]，金刚石修整轮驱动单元[32]与金刚石修整轮[26]相连并用于驱动金刚石修整轮[26]旋转；底板[1]上垂直安装有立柱[13]，该立柱[13]上铰接有伸缩驱动单元[35]，伸缩杆[23]一端铰接于旋转固定座[25]上，另一端设置在伸缩驱动单元[35]内并可沿其上设置的导向槽移动，伸缩驱动单元[35]通过驱动伸缩杆[23]作伸缩运动从而推动旋转固定座[25]绕转动轴[27]转动，并对金刚石修整轮[26]修整成型砂轮[36]时的切入角度进行调整。

2.根据权利要求1所述的基于并联机构的三自由度砂轮修整器，其特征在于：左驱动单元[33]包括左驱动电机[2]、左联轴器[3]、左滚珠丝杠[4]和左螺母[6]，其中，左驱动电机[2]固定安装在底板[1]上，该左驱动电机[2]的输出轴通过左联轴器[3]与左滚珠丝杠[4]相连，左螺母[6]固定安装于左滑块[7]内并与左滚珠丝杠[4]形成丝杠螺母传动关系。

3.根据权利要求1所述的基于并联机构的三自由度砂轮修整器，其特征在于：右驱动单元[34]包括右驱动电机[12]、右联轴器[11]、右滚珠丝杠[10]和右螺母[9]，其中，右驱动电机[12]固定安装在底板[1]上，该右驱动电机[12]的输出轴通过右联轴器[11]与右滚珠丝杠[10]相连，右螺母[9]固定安装于右滑块[8]内并与右滚珠丝杠[10]形成丝杠螺母传动关系。

4.根据权利要求1所述的基于并联机构的三自由度砂轮修整器，其特征在于：伸缩驱动单元[35]包括固定板[18]、伸缩驱动电机[19]、小齿轮[16]、大齿轮[17]、导向圆筒[20]、伸缩驱动用滚珠丝杠[21]和伸缩驱动用螺母[22]，其中，固定板[18]通过销轴与立柱[13]相铰接，固定板[18]上固定安装有伸缩驱动电机[19]和导向圆筒[20]，伸缩驱动用滚珠丝杠[21]和伸缩驱动用螺母[22]设置在导向圆筒[20]内并形成丝杠螺母传动关系，小齿轮[16]安装在伸缩驱动电机[19]的输出轴上，并与安装于伸缩驱动用滚珠丝杠[21]上的大齿轮[17]相啮合，伸缩杆[23]一端铰接于旋转固定座[25]上，另一端设置在导向圆筒[20]的导向槽内并与伸缩驱动用螺母[22]固定连接，伸缩驱动电机[19]通过小齿轮[16]和大齿轮[17]驱动伸缩驱动用滚珠丝杠[21]转动，从而带动伸缩驱动用螺母[22]和伸缩杆[23]一起沿导向圆筒[20]的导向槽作伸缩运动。

5.根据权利要求1所述的基于并联机构的三自由度砂轮修整器，其特征在于：金刚石修整轮驱动单元[32]包括修整轮驱动电机[29]和带传动装置[28]，其中修整轮驱动电机[29]固定安装于旋转固定座[25]上，带传动装置[28]输入轴、输出轴分别与修整轮驱动电机[29]和金刚石修整轮[26]相连。

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