CN102248228A - 一种面齿轮数控滚齿加工装置 - Google Patents

Abstract

一种面齿轮数控滚齿加工装置包括：主传动装置、伺服进给装置、本体结构、检测装置及控制装置。主传动装置是用来实现该装置主运动的传动装置，它具有一定的转速和一定的变速范围，并能方便地实现运动的控制；伺服进给装置是控制装置与本体结构的传动环节；本体结构主要起到支承和基准作用，为了保证各部件之间正确的相互位置关系和相对的运动轨迹；检测装置是为了对加工工件的性能进行测量，为下一步进行再加工提供数据；控制装置的作用是对滚刀和工件之间相对运动进行控制。

Description

一种面齿轮数控滚齿加工装置

技术领域

本发明涉及一种新型齿轮-面齿轮数控滚齿加工装置，适用于任何轴交角的面齿轮数控滚齿加工。

背景技术

由于面齿轮可以采用插齿、滚齿和磨齿的加工方法加工，而国外对面齿轮加工技术实行严格保密，致使其加工技术在国内还未能掌握，国内已认识到面齿轮传动的优点和广泛的前景，并进行了一些基础理论的工作，但由于国内在面齿轮加工的能力方面不够，严重地限制了面齿轮传动的深入研究，阻碍了面齿轮的传动试验和应用的进程，目前国内对面齿轮滚齿加工还没有一个系统的研究。国内对面齿轮的插齿加工方法比较深入，南航和北航都对传统的插齿机进行了改进，实现了面齿轮插齿加工，北航己建立面齿轮插齿加工专用机床，但插齿效率低，且精度不高，而面齿轮数控滚齿加工技术的研究既可以提高面齿轮加工精度，又可以提高面齿轮的加工效率，但国内还没有面齿轮滚齿加工专用设备。

因此，目前尚缺乏一种面齿轮滚齿加工方法及相应的控制装置来加工出高精度的面齿轮，本发明为面齿轮滚齿加工专用设备的发展提供了一套较为具体的结构设计方法。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，完善现有面齿轮加工技术，提供一种面齿轮数控滚齿加工装置，利用其可以完成面齿轮的高效滚齿加工。

本发明的技术方案是：一种面齿轮数控滚齿加工装置，其特征在于包括：主传动装置1、伺服进给装置2、本体结构3、检测装置4及控制装置5；伺服进给装置2包括X向伺服进给机构、Y向伺服进给机构和Z向伺服进给机构，分别为X、Y和Z等三个方向上的机构提供动力，其中Y向伺服进给机构是为主传动装置1提供动力，主传动装置1是通过第一立柱58上的导轨在第一立柱58上滑动，并能过Y向伺服进给机构中的第十二固定螺钉59与Y向丝杠座44连接的，工作时Y向丝杠螺母43带动Y向丝杠座44移动，从而带动主传动装置1在立柱58的导轨上移动；本体结构3起到各个方向的支承和基准作用；检测装置4是固定在本体结构3上；控制装置5是通过电机和联轴器与各伺服进给装置2连接并控制伺服进给装置2及检测装置4完成各种运动的；

所述主传动装置1包括主轴伺服电机6、主轴箱7、同步带8、第一同步带轮9和第二同步带轮11、第一固定螺钉10、主轴12、圆螺母13、主轴轴承14及密封件15；主轴伺服电机6通过第一固定螺钉10连接在主轴箱7上，第一同步带轮9通过键槽连接在主轴伺服电机6上，同步带8联接第二同步带轮9和第二同步带轮11，第二同步带轮11通过键槽连接在主轴12上，主轴12通过圆螺母13连接在主轴箱7上，主轴轴承14和密封件15分别对主轴12起固定和密封作用；工作时，主轴伺服电机6通过同步带8、第一同步带轮9及第二同步带轮11将动力传递给主轴12；

所述伺服进给装置2分为X向伺服进给机构、Y向伺服进给机构和Z向伺服进给机构；所述X向机械传动机构包括X向伺服电机16、X向联轴器17、X向滚珠丝杠18、X向圆螺母19、X向第一支承轴承20、第二固定螺钉21、X向卡盘22、第三固定螺钉23、X向电机座24、第四固定螺钉26、X向丝杠螺母27、X向丝杠座28、X向挡板29、X向第二支承轴承30及第五固定螺钉31；X向伺服电机16通过X向联轴器17与X向滚珠丝杠18相连接，X向圆螺母19将X向滚珠丝杠18固定在X向卡盘22上，第三固定螺钉23将X向卡盘22固定在X向电机座24上，X向电机座24通过第二固定螺钉21固定在试验台底座25上，第四固定螺钉26将X向丝杠座28固定在X向丝杠螺母27上，第五固定螺钉31将X向挡板29固定在试验台底座25上，X向第二支承轴承30对X向滚珠丝杠18起支承作用；工作时X向伺服电机16通过X向联轴器17带动X向滚珠丝杠18转动，从而带动X向丝杠螺母27在X向滚珠丝杠18移动，X向丝杠螺母27带动X向丝杠座28移动，完成X向的进给运动；X向第一支承轴承20是通过第三固定螺钉23及X向卡盘22压在X向电机座24上。

所述Y向机械传动机构包括Y向伺服电机33、Y向联轴器34、Y向滚珠丝杠35、Y向圆螺母36、Y向第一支承轴承37、第六固定螺钉38、Y向卡盘39、第七固定螺钉40、Y向电机座41、第八固定螺钉42、Y向丝杠螺母43、Y向丝杠座44、Y向挡板45、Y向第二支承轴承46及第九固定螺钉47；Y向伺服电机33通过联轴器34与滚珠丝杠35相连接，圆螺母36将滚珠丝杠35固定在卡盘39上，第七固定螺钉40将Y向卡盘39固定在Y向电机座41上，Y向电机座41通过第六固定螺钉38固定在下滑座32上，第八固定螺钉42将Y向丝杠座44固定在Y向丝杠螺母43上，第九固定螺钉47将Y向挡板45固定在下滑座32上，Y向第二支承轴承46对滚珠丝杠35起支承作用；工作时Y向伺服电机33通过Y向联轴器34带动Y向滚珠丝杠35转动，从而带动Y向丝杠螺母43在Y向滚珠丝杠35移动，Y向丝杠螺母43带动Y向丝杠座44移动，完成Y向的进给运动；Y向第一支承轴承37是通过第七固定螺钉40及Y向卡盘39压在Y向电机座41上。

所述Z向机械传动机构包括Z向伺服电机49、Z向联轴器50、Z向滚珠丝杠51、Z向圆螺母52、Z向第一支承轴承53、第十固定螺钉54、Z向卡盘55、第十一固定螺钉56、电机座57、第十二固定螺钉59、Z向丝杠螺母60、Z向丝杠座61、Z向挡板62、Z向第二支承轴承63及第十三固定螺钉64；Z向伺服电机49通过Z向联轴器50与Z向滚珠丝杠51相连接，Z向圆螺母52将Z向滚珠丝杠51固定在Z向卡盘55上，第十一固定螺钉56将Z向卡盘55固定在Z向电机座57上，电机座57通过第十固定螺钉54固定在第一立柱58上，第三者十二固定螺钉59将Z向丝杠座61固定在Z向丝杠螺母60上，第十三固定螺钉64将Z向挡板62固定在第一立柱58上，Z向第二支承轴承63对Z向滚珠丝杠51起支承作用；工作时Z向伺服电机49通过Z向联轴器50带动Z向滚珠丝杠51转动，从而带动丝Z向杠螺母60在Z向滚珠丝杠51上移动，Z向丝杠螺母60带动Z向丝杠座61移动，完成Z向的进给运动；Z向第一支承轴承53是通过第十一固定螺钉56及Z向卡盘55压在Z向电机座57上。

所述本体结构包括第一立柱58和第二立柱67、试验台底座25、导轨65、上滑座48、下滑座32及数控工作台68；第一立柱58和第二立柱67与试验台底座25分别通过第十四固定螺钉66和第十五固定螺钉70连接，导轨65与试验台底座25同为一体，下滑座32通过矩形槽与试验台底座25连接，上滑座48通过导轨与下滑座32相接，数控工作台68通过螺钉69固定在上滑座48上。工作时下滑座32在导轨65上往复移动，上滑座48在下滑座32上往复移动；

所述检测装置4包括机械传动机构、测头102、数据采集卡103及信号传输卡104；机械传动机构包括检测装置伺服电机71、联轴器72、滚珠丝杠73、圆螺母74、检测装置第一支承轴承75、第十六固定螺钉76、卡盘77、第十七固定螺钉78、电机座79、第十八固定螺钉80、丝杠螺母81、丝杠座82、挡板83、检测装置第二支承轴承84，第十九固定螺钉85及测头102；检测装置伺服电机71通过联轴器72与滚珠丝杠73相连接，圆螺母74将滚珠丝杠73固定在卡盘77上，第十七固定螺钉78将卡盘77固定在电机座79上，电机座79通过固定螺钉76固定在第二立柱67上，第十八固定螺钉80将丝杠座82固定在丝杠螺母81上，固定螺钉85将挡板83固定在第二立柱67上，检测装置第二支承轴承84对滚珠丝杠73起支承作用。工作时检测装置伺服电机71通过联轴器72带动滚珠丝杠73转动，从而带动丝杠螺母81在滚珠丝杠73上移动，丝杠螺母81带动丝杠座82移动，完成检测系统的机械传动；检测装置4的第一支承轴承75是通过第十七固定螺钉78及卡盘77压在电机座79上；

所述控制装置5包括工控机86、SERCOS卡87、控制面板88、SERCOS光纤89、KE整流模块90、KW主轴驱动模块91、第一至第五个KW进给驱动模块92、93、94、95、96、PLC-IO模块97；SERCOS卡87通过ISA插口安装在工控机86上；控制面板88通过控制线与SERCOS卡87连接，并发出各种控制指令；SERCOS卡87通过SERCOS光纤89与KE整流供电模块90和KW主轴驱动模块91、KW进给第一驱动模块92相连；KW主轴驱动模块91与主轴电机6连接；五个KW进给驱动模块92、93、94、95、96通过控制线分别与进给五个伺服电机16、33、49、98、99连接；工控机86为控制装置的核心部件，负责控制数据的计算和产生，SERCOS卡87负责数据的发送和接收；工作时，工控机86根据齿轮加工原理进行计算，得到各个轴的运动位置指令数据，然后通过ISA插口将指令数据写入SERCOS卡87，SERCOS卡87将指令数据通过SERCOS光纤89发送给KW主轴驱动模块91和KW进给第一驱动模块92，实现主轴电机和进给电机的控制，并接收KW主轴驱动模块91和KW进给第一驱动模块92反馈的电机实际位置数据，做闭环控制；滚刀100本身的旋转实现滚刀的切削主运动，滚刀100随主轴箱7在第一立柱58上移动实现面齿轮滚齿加工的垂直进给运动，滚刀100转动的同时面齿轮工件101围绕自身的轴线旋转运动实现分齿运动，面齿轮工件101随数控工作台68的倾斜运动实现面齿轮加工过程中的螺旋升角的要求，面齿轮数控工作台68随上下滑板在床底座25上的运动完成面齿轮加工的水平进给运动。

加工时，面齿轮滚刀100装在主轴箱的主轴12上，调整主轴伺服电机6带动主轴12可获得所需要范围内的各种转速，完成滚齿加工过程中的主运动；主轴箱7可沿立柱58导轨上下移动，完成滚齿加工过程中的垂直进给运动；面齿轮工件101安装在数控工作台68上，可与数控工作台68一起随上滑座48做横向和纵向移动，可以实现滚齿加工过程中的水平进给运动，并完成面齿轮滚刀100螺旋升角的要求。此外数控工作台68选用烟台环球有限公司生产的SKT14系列数控工作台，其技术指标如下表1所示，可以实现滚齿加工过程中的分齿运动，并可达到较高的精度。上述运动都是由控制装置5发送指令给各个运动机构来实现的。

根据面齿轮的滚齿原理，该加工装置必须能够实现面齿轮数控滚齿加工的主运动、分齿运动、垂直进给运动和水平进给运动这四个运动。同时，由于滚刀螺旋升角存在，使得滚刀轴线必须绕面齿轮断面旋转一个螺旋升角的角度，为了简化装置结构，采用刀具不动，工件相对于原来位置，偏置一个距离来等价完成面齿轮滚刀螺旋升角的旋转。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)相对于面齿轮插齿加工，面齿轮数控滚齿加工技术的研究既可以提高面齿轮加工精度，又可以提高面齿轮的加工效率。同时，由于滚齿原理和磨齿原理的相似或相同，使得开展面齿轮滚齿加工技术的研究为面齿轮磨齿加工的研究奠定了基础。

(2)本发明的设备本体结构中的立柱、上、下滑座均采用矩形导轨，设备的稳定性好，适合于精加工和复杂零件加工。

(3)本发明的主传动部分由电机通过同步带及同步带轮带动主轴传递动力，具有传动准确、平稳和传动效率高等特点。

(4)做工件的检测工作时，用工件的部分运动来代替测头的运动，简化了整机结构。

(5)本发明采用开放式数控技术。上述的SERCOS总线是一种用于数字伺服控制装置的现场总线和数据交换协议，能够实现工业控制计算机与数字伺服系统，传感器和可编程控制器IO口之间的实时数据通讯。1995年被确立为IEC1491 SYSTEM-Interface国际标准，它可以扩展连接多个伺服电机；加工程序由用户用C语言编写，这样可以充分利用C语言的功能和资源，特别适合开放式系统的技术要求。

附图说明

图1为面齿轮滚齿加工各运动示意图；

图2为面齿轮滚齿螺旋倾角位置示意图；

图3为面齿轮滚齿螺旋角倾斜等价原理图；

图4为本发明的整体结构示意图；

图5为本发明的主传动系统结构示意图；

图6为本发明的X向机械传动机构示意图；

图7为本发明的Y向机械传动机构示意图；

图8为本发明的Z向机械传动机构示意图；

图9为本发明的本体结构的结构示意图；

图10为本发明的检测原理示意图；

图11为本发明检测装置结构示意图；

图12为本发明面齿轮滚齿加工控制装置硬件平台组成示意图；

图13为本发明的加工方法实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，根据面齿轮的滚齿原理，多轴联动机床必须能够实现面齿轮数控滚齿加工的主运动、分齿运动、垂直进给运动和水平进给运动这四个运动。同时，由于滚刀螺旋升角存在，使得滚刀轴线必须绕面齿轮断面旋转一个螺旋升角的角度，如图2所示，但由于机床结构的限制，主轴刀具并不能完成旋转一个螺旋升角，因此给加工带来了不便，为解决这个问题，采用刀具不动，工件相对于原来位置，偏置一个距离来等价完成面齿轮滚刀螺旋升角的旋转，如图3所示。n_w代表滚刀的转速、n₂代表工件的转速、f₁代表滚刀沿工件径向的垂直进给运动速度、f₂代表滚刀沿工件轴向的水平进给运动相对速度。

如图4所示，本发明包括主传动装置1、伺服进给装置2、本体结构3、检测装置4及控制装置5，主传动装置1是用来实现该装置主运动的传动装置，它具有一定的转速和一定的变速范围，并能方便地实现运动的控制；伺服进给装置2是控制装置与本体结构的传动环节；本体结构主要起到支承和基准作用，为了保证各部件之间正确的相互位置关系和相对的运动轨迹；检测装置4是为了对加工工件的性能进行测量，为下一步进行再加工提供数据；控制装置5的作用是对滚刀和工件之间相对运动进行控制。伺服进给装置2包括X向伺服进给机构、Y向伺服进给机构和Z向伺服进给机构，分别为X、Y和Z等三个方向上的机构提供动力，在下面有较详细的叙述，其中Y向伺服进给机构是为主传动装置1提供动力，主传动装置是通过第一立柱58上的导轨在第一立柱58上滑动，并能过Y向伺服进给机构中的第十二固定螺钉59与Y向丝杠座44连接的，工作时Y向丝杠螺母43带动Y向丝杠座44移动，从而带动主传动装置1在立柱58的导轨上移动；而本体结构3是几个分散部件的总称，在下面有详细地叙述，它主要起到各个方向的支承和基准作用；检测装置4是固定在本体结构3上；控制装置5是通过电机和联轴器与各伺服进给装置2连接并控制伺服进给装置2及检测装置4完成各种运动的。

如图5所示，本发明中的主传动装置1包括主轴伺服电机6、主轴箱7、同步带8、第一同步带轮9、第一固定螺钉10、第二同步带轮11、主轴12、圆螺母13、主轴轴承14及密封件15。主轴伺服电机6通过固定螺钉10连接在主轴箱7上，同步带轮9通过键槽连接在主轴伺服电机6上，同步带8联接第一同步带轮9与第二同步带轮11，第二同步带轮11通过键槽连接在主轴12上，主轴12通过圆螺母13连接在主轴箱7上，主轴轴承14和密封件15分别对主轴12起固定和密封作用；工作时，主轴伺服电机6通过同步带8、第一同步带轮9及同步带轮6将动力传递给主轴12。

如图6所示，伺服进给装置分为X向伺服进给机构、Y向伺服进给机构、Z向伺服进给机构，X向机械传动机构包括X向伺服电机16、X向联轴器17、X向滚珠丝杠18、X向圆螺母19、X向第一支承轴承20、第二固定螺钉21、X向卡盘22、第三固定螺钉23、X向电机座24、第四固定螺钉26、丝杠螺母27、X向丝杠座28、X向挡板29、X向第二支承轴承30及第五固定螺钉31。X向伺服电机16通过X向联轴器17与X向滚珠丝杠18相连接，X向圆螺母19将X向滚珠丝杠18固定在X向卡盘22上，第三固定螺钉23将X向卡盘22固定在X向电机座24上，X向电机座24通过第二固定螺钉21固定在试验台底座25上，第四固定螺钉26将X向丝杠座28固定在X向丝杠螺母27上，第五固定螺钉31将X向挡板29固定在试验台底座25上，X向第二支承轴承30对X向滚珠丝杠18起支承作用。工作时X向伺服电机16通过X向联轴器17带动X向滚珠丝杠18转动，从而带动X向丝杠螺母27在X向滚珠丝杠18移动，X向丝杠螺母27带动X向丝杠座28移动，完成X向的进给运动。X向第一支承轴承20是通过第三固定螺钉23及X向卡盘22压在X向电机座24上。

如图7所示，Y向机械传动机构包括Y向伺服电机33、Y向联轴器34、Y向滚珠丝杠35、Y向圆螺母36、Y向第一支承轴承37、第六固定螺钉38、Y向卡盘39、第七固定螺钉40、Y向电机座41、第八固定螺钉42、Y向丝杠螺母43、Y向丝杠座44、Y向挡板45、Y向第二支承轴承46及第九固定螺钉47。Y向伺服电机33通过Y向联轴器34与Y向滚珠丝杠35相连接，Y向圆螺母36将滚珠丝杠35固定在卡盘39上，第七固定螺钉40将Y向卡盘39固定在Y向电机座41上，Y向电机座41通过第六固定螺钉38固定在下滑座32上，第八固定螺钉42将Y向丝杠座44固定在Y向丝杠螺母43上，第九固定螺钉47将Y向挡板45固定在下滑座32上，Y向第二支承轴承46对Y向滚珠丝杠35起支承作用。工作时Y向伺服电机33通过Y向联轴器34带动Y向滚珠丝杠35转动，从而带动Y向丝杠螺母43在Y向滚珠丝杠35移动，Y向丝杠螺母43带动Y向丝杠座44移动，完成Y向的进给运动，Y向第一支承轴承37是通过第七固定螺钉40及Y向卡盘39压在Y向电机座41上。

如图8所示，Z向机械传动机构包括Z向伺服电机49、Z向联轴器50、Z向滚珠丝杠51、Z向圆螺母52、Z向第一支承轴承53、第十固定螺钉54、卡盘55、第十一固定螺钉56、电机座57、第十二固定螺钉59、Z向丝杠螺母60、Z向丝杠座61、Z向挡板62、Z向第二支承轴承63及第十三固定螺钉64。Z向伺服电机49通过Z向联轴器50与Z向滚珠丝杠51相连接，Z向圆螺母52将Z向滚珠丝杠51固定在Z向卡盘55上，第十一固定螺钉56将Z向卡盘55固定在Z向电机座57上，Z向电机座57通过第十固定螺钉54固定在第一立柱58上，第十二固定螺钉59将Z向丝杠座61固定在Z向丝杠螺母60上，第十三固定螺钉64将Z向挡板62固定在第一立柱58上，Z向第二支承轴承63对Z向滚珠丝杠51起支承作用。工作时Z向伺服电机49通过Z向联轴器50带动Z向滚珠丝杠51转动，从而带动Z向丝杠螺母60在Z向滚珠丝杠51上移动，Z向丝杠螺母60带动Z向丝杠座61移动，完成Z向的进给运动。Z向第一支承轴承53是通过第十一固定螺钉56及Z向卡盘55压在Z向电机座57上。

如图9所示，本体结构3包括第一立柱58和第二立柱67、试验台底座25、导轨65、上滑座48、下滑座32及数控工作台68。第一立柱58和第二立柱67与试验台底座25分别通过第十三固定螺钉66和第十四固定螺钉70连接，导轨65与试验台底座25同为一体，下滑座32通过矩形槽与试验台底座25连接，上滑座48通过导轨与下滑座32相接，数控工作台68通过螺钉69固定在上滑座48上。工作时下滑座32在导轨65上往复移动，上滑座48在下滑座32上往复移动。图9中101是面齿轮工件，是本发明用来被加工的对象；100是滚刀，是用来加工的工具，在以前的专利中有较详细的说明。

如图10所示，检测装置4包括机械传动机构105、测头102、数据采集卡103及信号传输卡104，测头102是安装在机械传动机构105上，数据采集卡103及信号传输卡104安装在工控机86内。工作时，工控机86通过伺服系统及机械传动机构105带动测头102完成对工件101的检测，并将检测结果通过数据采集卡103及信号传输卡104输送给工控机86，工控机86通过对检测数据及加工要求的对比后，对伺服系统发出信号完成对滚刀100及数控工作台68下一步的控制。

如图11所示，检测装置4中的机械传动机构包括检测装置伺服电机71、联轴器72、滚珠丝杠73、圆螺母74、检测装置第一支承轴承75、第十六固定螺钉76、卡盘77、第十七固定螺钉78、电机座79、第十八固定螺钉80、丝杠螺母81、丝杠座82、挡板83、检测装置第二支承轴承84及第十九固定螺钉85。检测装置伺服电机71通过联轴器72与滚珠丝杠73相连接，圆螺母74将滚珠丝杠73固定在卡盘77上，第十六固定螺钉78将卡盘77固定在电机座79上，电机座79通过第十六固定螺钉76固定在第二立柱67上，第十八固定螺钉80将丝杠座82固定在丝杠螺母81上，第十九固定螺钉85将挡板83固定在第二立柱67上，检测装置第二支承轴承84对滚珠丝杠73起支承作用。工作时检测装置伺服电机71通过联轴器72带动滚珠丝杠73转动，从而带动丝杠螺母81在滚珠丝杠73上移动，丝杠螺母81带动丝杠座82移动，完成检测系统的机械传动。检测装置第一支承轴承75是通过第十七固定螺钉78及卡盘77压在电机座79上。

如图12所示，控制装置5包括工控机86、SERCOS卡87、控制面板88、SERCOS光纤89、KE整流模块90、KW主轴驱动模块91、KW进给驱动模块92、93、94、95及96、PLC-IO模块97；SERCOS卡87通过ISA插口安装在工控机86上；控制面板88通过控制线与SERCOS卡87连接，并发出各种控制指令；SERCOS卡87通过SERCOS光纤89与KE整流供电模块90和KW主轴驱动模块91、KW进给驱动模块92相连；KW主轴驱动模块91与主轴电机6连接；KW进给驱动模块92、93、94、95及96通过控制线分别与进给伺服电机16、33、49、98及99连接。工控机86为控制装置的核心部件，负责控制数据的计算和产生，SERCOS卡87负责数据的发送和接收；工作时，工控机86根据齿轮加工原理进行计算，得到各个轴的运动位置指令数据，然后通过ISA插口将指令数据写入SERCOS卡87，SERCOS卡87将指令数据通过SERCOS光纤89发送给KW主轴驱动模块91和KW进给驱动模块92，实现主轴电机和进给电机的控制，并接收KW主轴驱动模块91和KW进给驱动模块92反馈的电机实际位置数据，做闭环控制；滚刀100本身的旋转实现滚刀的切削主运动，滚刀100随主轴箱7在立柱58上移动实现面齿轮滚齿加工的垂直进给运动，滚刀100转动的同时面齿轮工件101围绕自身的轴线旋转运动实现分齿运动，面齿轮工件101随数控工作台68的倾斜运动实现面齿轮加工过程中的螺旋升角的要求，面齿轮数控工作台68随上下滑板在试验台底座25上的运动完成面齿轮加工的水平进给运动。

加工时，面齿轮滚刀100装在主轴箱的主轴12上，调整主轴伺服电机6带动主轴12可获得所需要范围内的各种转速，完成滚齿加工过程中的主运动；主轴箱7可沿立柱58导轨上下移动，完成滚齿加工过程中的垂直进给运动；面齿轮工件101安装在数控工作台68上，可与数控工作台68一起随上滑座48做横向和纵向移动，可以实现滚齿加工过程中的水平进给运动，并完成面齿轮滚刀100螺旋升角的要求。此外数控工作台68选用烟台环球有限公司生产的SKT14系列数控工作台，其技术指标如下表1所示，可以实现滚齿加工过程中的分齿运动，并可达到较高的精度。上述运动都是由控制装置5发送指令给各个运动机构来实现的。

表1：数控工作台性能参数指标

本发明以正交面齿轮数控滚齿加工为例。结合实例说明本发明的面齿轮数控滚齿加工过程，面齿轮数控滚齿加工实现步骤如下：

(1)根据实际传动需求，确定面齿轮滚刀100轴线和面齿轮工件101轴线的轴交角和偏置距；本发明实施例中，要加工的面齿轮为正交面齿轮，根据面齿轮工件101的大小来计算出面齿轮滚刀100轴线和面齿轮工件101轴线的轴交角和偏置距。

(2)调整数控工作台68位置使其满足面齿轮滚齿加工要求所需的轴交角和偏置距，并固定数控工作台68。

(3)根据实际加工要求在控制装置5中设定加工参数，所述加工参数包括滚刀头数、面齿轮齿数、加工过程垂直进给量和水平进给量；然后对面齿轮滚刀100进行对刀，完成面齿轮的数控滚齿加工。

本发明实施例中，加工的面齿轮工件101的齿数为160，面齿轮滚刀100的头数为1，且加工的面齿轮工件101为铝合金。

本发明是一种新型齿轮传动-面齿轮传动如何进行滚齿加工的技术难题，提供一种面齿轮数控滚齿的加工装置。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (1)

1.一种面齿轮数控滚齿加工装置，其特征在于包括：主传动装置(1)、伺服进给装置(2)、本体结构(3)、检测装置(4)及控制装置(5)；

所述主传动装置(1)包括主轴伺服电机(6)、主轴箱(7)、同步带(8)、第一同步带轮(9)和第二同步带轮(11)、第一固定螺钉(10)、主轴(12)、圆螺母(13)、主轴轴承(14)及密封件(15)；主轴伺服电机(6)通过第一固定螺钉(10)连接在主轴箱(7)上，第一同步带轮(9)通过键槽连接在主轴伺服电机(6)上，同步带(8)联接第二同步带轮(9)和第二同步带轮(11)，第二同步带轮(11)通过键槽连接在主轴(12)上，主轴(12)通过圆螺母(13)连接在主轴箱(7)上，主轴轴承(14)和密封件(15)分别对主轴(12)起固定和密封作用；工作时，主轴伺服电机(6)通过同步带(8)、第一同步带轮(9)及第二同步带轮(11)将动力传递给主轴(12)；

所述伺服进给装置(2)分为X向伺服进给机构、Y向伺服进给机构和Z向伺服进给机构；所述X向机械传动机构包括X向伺服电机(16)、X向联轴器(17)、X向滚珠丝杠(18)、X向圆螺母(19)、X向第一支承轴承(20)、第二固定螺钉(21)、X向卡盘(22)、第三固定螺钉(23)、X向电机座(24)、第四固定螺钉(26)、X向丝杠螺母(27)、X向丝杠座(28)、X向挡板(29)、X向第二支承轴承(30)及第五固定螺钉(31)；X向伺服电机(16)通过X向联轴器(17)与X向滚珠丝杠(18)相连接，X向圆螺母(19)将X向滚珠丝杠(18)固定在X向卡盘(22)上，第三固定螺钉(23)将X向卡盘(22)固定在X向电机座(24)上，X向电机座(24)通过第二固定螺钉(21)固定在试验台底座(25)上，第四固定螺钉(26)将X向丝杠座(28)固定在X向丝杠螺母(27)上，第五固定螺钉(31)将X向挡板(29)固定在试验台底座(25)上，X向第二支承轴承(30)对X向滚珠丝杠(18)起支承作用；工作时X向伺服电机(16)通过X向联轴器(17)带动X向滚珠丝杠(18)转动，从而带动X向丝杠螺母(27)在X向滚珠丝杠(18)移动，X向丝杠螺母(27)带动X向丝杠座(28)移动，完成X向的进给运动；X向第一支承轴承(20)是通过第三固定螺钉(23)及X向卡盘(22)压在X向电机座(24)上；

所述Y向机械传动机构包括Y向伺服电机(33)、Y向联轴器(34)、Y向滚珠丝杠(35)、Y向圆螺母(36)、Y向第一支承轴承(37)、第六固定螺钉(38)、Y向卡盘(39)、第七固定螺钉(40)、Y向电机座(41)、第八固定螺钉(42)、Y向丝杠螺母(43)、Y向丝杠座(44)、Y向挡板(45)、Y向第二支承轴承(46)及第九固定螺钉(47)；Y向伺服电机(33)通过联轴器(34)与滚珠丝杠(35)相连接，圆螺母(36)将滚珠丝杠(35)固定在卡盘(39)上，第七固定螺钉(40)将Y向卡盘(39)固定在Y向电机座(41)上，Y向电机座(41)通过第六固定螺钉(38)固定在下滑座(32)上，第八固定螺钉(42)将Y向丝杠座(44)固定在Y向丝杠螺母(43)上，第九固定螺钉(47)将Y向挡板(45)固定在下滑座(32)上，Y向第二支承轴承(46)对滚珠丝杠(35)起支承作用；工作时Y向伺服电机(33)通过Y向联轴器(34)带动Y向滚珠丝杠(35)转动，从而带动Y向丝杠螺母(43)在Y向滚珠丝杠(35)移动，Y向丝杠螺母(43)带动Y向丝杠座(44)移动，完成Y向的进给运动；Y向第一支承轴承(37)是通过第七固定螺钉(40)及Y向卡盘(39)压在Y向电机座(41)上；

所述Z向机械传动机构包括Z向伺服电机(49)、Z向联轴器(50)、Z向滚珠丝杠(51)、Z向圆螺母(52)、Z向第一支承轴承(53)、第十固定螺钉(54)、Z向卡盘(55)、第十一固定螺钉(56)、电机座(57)、第十二固定螺钉(59)、Z向丝杠螺母(60)、Z向丝杠座(61)、Z向挡板(62)、Z向第二支承轴承(63)及第十三固定螺钉(64)；Z向伺服电机(49)通过Z向联轴器(50)与Z向滚珠丝杠(51)相连接，Z向圆螺母(52)将Z向滚珠丝杠(51)固定在Z向卡盘(55)上，第十一固定螺钉(56)将Z向卡盘(55)固定在Z向电机座(57)上，电机座(57)通过第十固定螺钉(54)固定在第一立柱(58)上，第三者十二固定螺钉(59)将Z向丝杠座(61)固定在Z向丝杠螺母(60)上，第十三固定螺钉(64)将Z向挡板(62)固定在第一立柱(58)上，Z向第二支承轴承(63)对Z向滚珠丝杠(51)起支承作用；工作时Z向伺服电机(49)通过Z向联轴器(50)带动Z向滚珠丝杠(51)转动，从而带动丝Z向杠螺母(60)在Z向滚珠丝杠(51)上移动，Z向丝杠螺母(60)带动Z向丝杠座(61)移动，完成Z向的进给运动；Z向第一支承轴承(53)是通过第十一固定螺钉(56)及Z向卡盘(55)压在Z向电机座(57)上；

所述本体结构包括第一立柱(58)和第二立柱(67)、试验台底座(25)、导轨(65)、上滑座(48)、下滑座(32)及数控工作台(68)；第一立柱(58)和第二立柱(67)与试验台底座(25)分别通过第十四固定螺钉(66)和第十五固定螺钉(70)连接，导轨(65)与试验台底座(25)同为一体，下滑座(32)通过矩形槽与试验台底座(25)连接，上滑座(48)通过导轨与下滑座(32)相接，数控工作台(68)通过螺钉(69)固定在上滑座(48)上；工作时下滑座(32)在导轨(65)上往复移动，上滑座(48)在下滑座(32)上往复移动；

所述检测装置(4)包括机械传动机构、测头(102)、数据采集卡(103)及信号传输卡(104)；机械传动机构包括检测装置伺服电机(71)、联轴器(72)、滚珠丝杠(73)、圆螺母(74)、检测装置第一支承轴承(75)、第十六固定螺钉(76)、卡盘(77)、第十七固定螺钉(78)、电机座(79)、第十八固定螺钉(80)、丝杠螺母(81)、丝杠座(82)、挡板(83)、检测装置第二支承轴承(84)，第十九固定螺钉(85)及测头(102)；检测装置伺服电机(71)通过联轴器(72)与滚珠丝杠(73)相连接，圆螺母(74)将滚珠丝杠(73)固定在卡盘(77)上，第十七固定螺钉(78)将卡盘(77)固定在电机座(79)上，电机座(79)通过固定螺钉(76)固定在第二立柱(67)上，第十八固定螺钉(80)将丝杠座(82)固定在丝杠螺母(81)上，固定螺钉(85)将挡板(83)固定在第二立柱(67)上，检测装置第二支承轴承(84)对滚珠丝杠(73)起支承作用；工作时检测装置伺服电机(71)通过联轴器(72)带动滚珠丝杠(73)转动，从而带动丝杠螺母(81)在滚珠丝杠(73)上移动，丝杠螺母(81)带动丝杠座(82)移动，完成检测系统的机械传动；检测装置(4)的第一支承轴承(75)是通过第十七固定螺钉(78)及卡盘(77)压在电机座(79)上；

所述控制装置(5)包括工控机(86)、SERCOS卡(87)、控制面板(88)、SERCOS光纤(89)、KE整流模块(90)、KW主轴驱动模块(91)、第一至第五个KW进给驱动模块(92、93、94、95、96)、PLC-IO模块(97)；SERCOS卡(87)通过I SA插口安装在工控机(86)上；控制面板(88)通过控制线与SERCOS卡(87)连接，并发出各种控制指令；SERCOS卡(87)通过SERCOS光纤(89)与KE整流供电模块(90)和KW主轴驱动模块(91)、KW进给第一驱动模块(92)相连；KW主轴驱动模块(91)与主轴电机(6)连接；五个KW进给驱动模块(92、93、94、95、96)通过控制线分别与进给五个伺服电机(16、33、49、98、99)连接；工控机(86)为控制装置的核心部件，负责控制数据的计算和产生，SERCOS卡(87)负责数据的发送和接收；工作时，工控机(86)根据齿轮加工原理进行计算，得到各个轴的运动位置指令数据，然后通过ISA插口将指令数据写入SERCOS卡(87)，SERCOS卡(87)将指令数据通过SERCOS光纤(89)发送给KW主轴驱动模块(91)和KW进给第一驱动模块(92)，实现主轴电机和进给电机的控制，并接收KW主轴驱动模块(91)和KW进给第一驱动模块(92)反馈的电机实际位置数据，做闭环控制；滚刀(100)本身的旋转实现滚刀的切削主运动，滚刀(100)随主轴箱(7)在第一立柱(58)上移动实现面齿轮滚齿加工的垂直进给运动，滚刀(100)转动的同时面齿轮工件(101)围绕自身的轴线旋转运动实现分齿运动，面齿轮工件(101)随数控工作台(68)的倾斜运动实现面齿轮加工过程中的螺旋升角的要求，面齿轮数控工作台(68)随上下滑板在床底座(25)上的运动完成面齿轮加工的水平进给运动。

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