CN103056589B - 一种用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床，该机床可以对扭力轴进行外圆滚压和齿根滚压，提高了滚压加工的效率。其包括机床主体、外圆滚压头、齿根滚压头、内置顶尖、内花键卡套、连接机构、测量系统、数控系统以及液压系统；本发明对扭力轴外圆进行滚压时，由于需要扭力轴旋转，因此利用卡套卡紧扭力轴，扭力轴随卡套与气动卡盘一起转动，来实现对外圆的滚压；本发明对扭力轴齿根进行滚压时，由于需要扭力轴固定，因此利用气动卡盘卡紧扭力轴，来实现对齿根的滚压；因此本发明机床可实现对对扭力轴进行外圆滚压和齿根滚压，提高了滚压的效率，减少占地面积，降低成本。

Description

一种用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床

技术领域

本发明涉及一种数控滚压机床，具体涉及一种用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床。

背景技术

扭力轴是履带车辆的悬挂系统中重要的部件，用来减轻装甲车辆在运动时地面对车体的冲击，其可靠性直接关系到悬挂系统的稳定性。扭力轴在车辆行驶过程中受到大应力和交变载荷的作用，易在齿根和外圆部分的疲劳应力源发生断裂。因此，在切削工艺完成之后还需要进行表面强化处理。

表面强化处理方法有两种。一种是采用喷丸处理保证扭力轴表面硬化；另一种方法是采用滚压处理，滚压扭力轴的花键槽、杆部以及扭杆与花键头部的过渡部位。在实际生产过程中，一般都采用滚压处理的方法。目前，普通型扭力轴表面强化滚压机床已经在生产线上广泛使用，但是其存在不少技术问题，不利于产品的大规模生产和开发。

主要问题有以下几点：（1）外圆滚压和齿根滚压分别在两台机床上进行，增加了设备数量和占地面积，而且在加工时需要多次装夹和搬运工件，成本高，效率低；（2）滚压齿根时对刀方法使用的是手工对刀，需要熟练的操作工人谨慎操作，加工效率低并且具有一定的危险性；（3）卡盘使用的是机械式卡盘，不能精确控制夹紧压力，而且增加工人的劳动量。（4）滚压头液压压力不能实现伺服调节，限制了工艺参数的调整和改变。

发明内容

本发明的目的就是致力于解决上述问题，提出了一种用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床，该机床可以对扭力轴进行外圆滚压和齿根滚压，提高了滚压加工的效率。

实现本发明的技术方案如下：

一种用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床，其特征在于，包括机床主体、外圆滚压头、齿根滚压头、内置顶尖、内花键卡套、连接机构、测量系统、数控系统以及液压系统；其中所述数控系统和液压系统分别与测量系统相连，连接机构设于机床主体的托板箱的工作台上；

当对扭力轴的外圆滚压时：外圆滚压头通过连接机构固定于工作台上，内置顶尖固定于机床主体上的气动卡盘内且与机床主轴相连，内花键卡套通过气动卡盘的卡爪卡紧于气动卡盘上；扭力轴的一端卡紧于内花键卡套内并与内置顶尖顶紧，扭力轴另一端与机床主体上的尾座顶尖顶紧；数控系统控制机床主体上的伺服电机旋转，来驱动工作台沿主轴方向移动、以及驱动扭力轴旋转；外圆滚压头在液压系统的驱动下，对扭力轴的外圆进行滚压；

当对扭力轴的齿根滚压时：齿根滚压头通过连接机构固定于工作台上；扭力轴一端穿过气动卡盘与机床主体内部的机床主轴相连，扭力轴另一端与尾座顶尖顶紧；在进行齿根对位时，所述测量系统测量出扭力轴的齿根位置，并将其传输给数控系统；所述数控系统根据齿根位置，控制伺服电机带动扭力轴旋转，使得齿根滚压头上的滚轮与齿根相对；在进行滚压时，气动卡盘的卡爪卡紧扭力轴，齿根滚压头在液压系统的驱动下，对扭力轴的齿根进行滚压。

进一步地，所述测量系统包括激光位移传感器、光电编码以及数据处理模块；其中激光位移传感器安装于机床托板上，光电编码器位于机床主轴箱内且通过同步带轮与主轴尾部相连，数据处理模块分别与激光位移传感器以及光电编码相连；

激光位移传感器用于检测扭力轴的半径R，并将其传输给数据处理模块；

光电编码器用于检测主轴的旋转角度θ，并将其传输给数据处理模块；

数据处理装置对接收到的旋转角度θ和扭力轴的半径R进行计算，获取扭力轴的齿根位置，并传输给数控系统。

进一步地，本发明计算扭力轴齿根位置的具体方法为：选取扭力轴齿形截面对应的一组(θ,R)，将所选取的(θ,R)中R的次最大和次最小分别记为R_max和R_min，将所选取的(θ,R)中按θ由小到大，依次将θ对应的R与R_max和R_min比较，将第一个落在R_min±0.3mm范围的点记为S，从S开始，找到第一个落在R_min±0.3mm范围的点并记为A，找到第一个超出R_min±0.3mm范围的点记为B;则齿根位置的坐标即为(θ_c,R_c)，其中θ_c＝(θ_A+θ_B)/2，其中θ_A为A点所对应的角度，θ_B为B点所对应的角度,R_c为θ_c所对应的距离；计算出扭力轴齿根位置的坐标(θ_c,R_c)。

进一步地，本发明所述液压系统包括PID控制单元、液压泵站、电液流量伺服阀以及压力传感器；其中液压泵站输出管路与电液流量伺服阀进油口相连，压力传感器位于电液流量伺服阀出油管路，且电液流量伺服阀出油管路与机床上滚压头的液压缸相连，PID控制单元分别与压力传感器和电液流量伺服阀的控制端相连；

PID控制单元根据压力传感器采集的压力值，采用PID算法实现对电液流量伺服阀控制端的控制。

进一步地，本发明所述PID算法为：根据当前第K个采样时刻压力传感器采集的压力值V（K），控制电液流量伺服阀出油口的油压output（K）；其中

e（K）=C-V（K）;其中，C为根据电液流量伺服阀出油口所需的油压设定的控制值，e（K）为第K个采样时刻伺服端输入的误差值；

则输出增量△output为：

△output=Kp×(e(K)-e(K-1))+Ki×e(K)+Kd(e（K-2）×e(K-1)+e(K-2));其中，e(K-1)为第（K-1）个采样时刻伺服端输入的误差值，e（K-2）为第（K-2）个采样时刻伺服端输入的误差值，output（K-1）为第（K-1）个采样时刻控制单元输出量；Kp=100为伺服端积分系数，Ki=50为伺服端比例系数，Kd=700为伺服端微分系数，则输出量output（K）为：

output（K）=output（K-1）+△output。

有益效果

（1）本发明对扭力轴外圆进行滚压时，由于需要扭力轴旋转，因此利用卡套卡紧扭力轴，扭力轴随卡套与气动卡盘一起转动，来实现对外圆的滚压；本发明对扭力轴齿根进行滚压时，由于需要扭力轴固定，因此利用气动卡盘卡紧扭力轴，来实现对齿根的滚压；因此本发明机床可实现对对扭力轴进行外圆滚压和齿根滚压，提高了滚压的效率，减少占地面积，降低成本。

（2）本发明采用高精度激光位移传感器可迅速定位扭力轴齿根位置，实现快速对刀，与现有通过人工进行齿根对位相比，本发明机床提高加工效率和加工精度。

（3）本发明采用PID算法对液压系统的输出的液压进行控制，从而可实现恒压力输出，保证了对扭力轴各部分滚压的均匀性，提高扭力轴的质量。

附图说明

图1为被加工件扭力轴；

图2为扭力轴外圆滚压强化方式安装示意图；

图3为气动卡盘、内键花卡套以及内置顶尖的连接方式示意图；

图4为扭力轴齿根滚压强化方式安装示意图；

图5是寻找齿根位置方法示意图；

1-机床主体，2-托板箱，3-外圆滚压头，4-气动卡盘，5-内花键卡套，6-扭力轴，7-测量系统，8-尾座顶尖,9-内置顶尖，10-主轴。

具体实施方式

本发明的数控滚压机床是以CK80i型卧式数控车床的结构为原型进行改进，将普通机械式卡盘更换为中空型气动卡盘，增加外圆滚压头和齿根滚压头；移除刀架部分，在中托板上加工出四个螺纹定位孔，采用连接机构（螺栓）固定滚压头；增加内置顶尖和内花键卡套两样配件，同时增加测量系统、数控系统以及液压伺服系统。

本发明的数控滚压机床应用于汽车扭力轴的滚压强化加工，加工过程分为外圆滚压和齿根滚压两部分，如图1所示。根据不同的滚压加工方式，扭力轴外圆与齿根部位滚压采用不同的滚压装置，其滚压强化过程及机床配置方式也有所不同。

如图2所示，当对扭力轴的外圆滚压时：外圆滚压头3通过连接机构固定于工作台上，内置顶尖9固定于机床主体1上的气动卡盘4内且与机床主轴10相连，并随机床主轴10转动；内花键卡套5通过气动卡盘4的卡爪卡紧于气动卡盘4上；扭力轴6的一端卡紧于内花键卡套5内并与内置顶尖9顶紧，扭力轴6另一端与机床主体1上的尾座顶尖8顶紧；数控系统控制机床主体上的伺服电机旋转，来驱动工作台沿主轴方向移动、以及驱动扭力轴旋转；外圆滚压头3在液压系统的驱动下，对扭力轴的外圆进行滚压。

在对扭力轴的外圆进行滚压时，需要扭力轴旋转来保证滚压的均匀性，因此本发明将扭力轴的一端放置于内花键卡套内，通过与机床主轴相连的气动卡盘、以及固连于气动卡盘上的内花键卡套带动扭力轴旋转。现有不存在内花键卡套的外圆滚压加工机床，其通过气动卡盘的卡爪直接卡紧于扭力轴的外圆上，由于卡爪卡紧的部位无法被滚压头滚压到，因此在加工的过程中需要不停变动卡爪所卡紧的位置，来实现对扭力轴外圆的滚压，其滚压效率低。本发明设置内花键卡套，通过内花键卡套与扭力轴一端带有齿的部位卡紧，使得扭力轴的外圆全部裸露在外，因此在滚压的过程中无需变更扭力轴的位置既可实现对扭力轴外圆的全部滚压，相比于现有的滚压机床，本发明滚压机床的滚压效率更高。

如图4所示，当对扭力轴的齿根滚压时：齿根滚压头通过连接机构固定于工作台上；扭力轴一端穿过气动卡盘4与机床主轴10相连，扭力轴另一端与尾座顶尖8顶紧；在进行齿根对位时，所述测量系统测量出扭力轴的齿根位置，并将其传输给数控系统；所述数控系统根据齿根位置，控制伺服电机带动扭力轴旋转，使得齿根滚压头上的滚轮与齿根相对；在进行滚压时，气动卡盘4的卡爪卡紧扭力轴，齿根滚压头在液压系统的驱动下，对扭力轴的齿根进行滚压。

在对扭力轴的齿根进行滚压时，主要分成两个过程，第一、齿根对位，第二、齿根滚压。本发明扭力轴与主轴直接相连，在进行齿根对位时，通过主轴的旋转带动扭力轴转动实现；在进行齿根滚压时，此时通过气动卡盘的卡爪卡紧扭力轴的外圆，使得扭力轴固定，此时利用齿根滚压头对扭力轴进行齿根滚压。

本发明的机床可实现对对扭力轴进行外圆滚压和齿根滚压，提高了滚压的效率，减少占地面积，降低成本。

本发明测量系统包括激光位移传感器、光电编码以及数据处理模块；其中激光位移传感器安装于机床托板上，光电编码器位于机床主轴箱内且通过同步带轮与主轴尾部相连，数据处理模块分别与激光位移传感器以及光电编码相连；

激光位移传感器用于检测扭力轴的半径R，并将其传输给数据处理模块；光电编码器用于检测主轴的旋转角度θ，并将其传输给数据处理模块；数据处理装置对接收到的旋转角度θ和扭力轴的半径R进行计算，获取扭力轴的齿根位置，并传输给滚压运动控制子系统。

其中，计算扭力轴齿根位置的具体方法按照发明内容所述的方法实施，如图5所示。本发明采用该方法可自动准确寻找到齿根的位置，无需人工进行齿根对准，从而保证了本发明机床的自动化性，提高扭力轴滚压的效率。

液压系统包括PID控制单元、液压泵站、电液流量伺服阀以及压力传感器；其中液压泵站输出管路与电液流量伺服阀进油口相连，压力传感器位于电液流量伺服阀出油管路，且电液流量伺服阀出油管路与机床上滚压头的液压缸相连，PID控制单元分别与压力传感器和电液流量伺服阀的控制端相连；

PID控制单元根据压力传感器采集的压力值，采用PID算法实现对电液流量伺服阀控制端的控制。

其中，PID算法按照发明内容所述的方法实施；本算法算式中不需要累加，控制增量Δoutput的确定仅与最近3次的采样值有关，并且控制器每次只输出控制增量，因此发生故障时，影响范围小。

同时在此算法中，Kp、Ki、Kd的确定是通过建立此系统的数学模型，并且考虑了对系统阶跃输入具有最佳的ITAE（即误差绝对值与时间之积的积分）性能，且调节时间较小等因素，由此得到其值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床，其特征在于，包括机床主体(1)、外圆滚压头(3)、齿根滚压头、内置顶尖(9)、内花键卡套(5)、连接机构、测量系统(7)、数控系统以及液压系统；其中所述数控系统和液压系统分别与测量系统相连，连接机构设于机床主体(1)的托板箱(2)的工作台上；

当对扭力轴的外圆滚压时：外圆滚压头(3)通过连接机构固定于工作台上，内置顶尖(9)固定于机床主体(1)上的气动卡盘(4)内且与机床主轴(10)相连，内花键卡套(5)通过气动卡盘(4)的卡爪卡紧于气动卡盘(4)上；扭力轴(6)的一端卡紧于内花键卡套(5)内并与内置顶尖(9)顶紧，扭力轴(6)另一端与机床主体(1)上的尾座顶尖(8)顶紧；数控系统控制机床主体上的伺服电机旋转，来驱动工作台沿主轴方向移动、以及驱动扭力轴旋转；外圆滚压头(3)在液压系统的驱动下，对扭力轴的外圆进行滚压；

当对扭力轴的齿根滚压时：齿根滚压头通过连接机构固定于工作台上；扭力轴一端穿过气动卡盘(4)与机床主体(1)内部的机床主轴(10)相连，扭力轴另一端与尾座顶尖(8)顶紧；在进行齿根对位时，所述测量系统测量出扭力轴的齿根位置，并将其传输给数控系统；所述数控系统根据齿根位置，控制伺服电机带动扭力轴旋转，使得齿根滚压头上的滚轮与齿根相对；在进行滚压时，气动卡盘(4)的卡爪卡紧扭力轴，齿根滚压头在液压系统的驱动下，对扭力轴的齿根进行滚压。

2.根据权利要求1所述用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床，其特征在于，所述测量系统包括激光位移传感器、光电编码器以及数据处理模块；其中激光位移传感器安装于机床托板上，光电编码器位于机床主轴箱内且通过同步带轮与主轴尾部相连，数据处理模块分别与激光位移传感器以及光电编码器相连；

激光位移传感器用于检测扭力轴的半径R，并将其传输给数据处理模块；

光电编码器用于检测主轴的旋转角度θ，并将其传输给数据处理模块；

数据处理模块对接收到的旋转角度θ和扭力轴的半径R进行计算，获取扭力轴的齿根位置，并传输给数控系统。

3.根据权利要求2所述用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床，其特征在于，所述获取扭力轴的齿根位置的具体方法为：选取扭力轴齿形截面对应的一组(θ,R)，将所选取的(θ,R)中R的次最大和次最小分别记为R_max和R_min，将所选取的(θ,R)中按θ由小到大，依次将θ对应的R与R_max和R_min比较，将第一个落在R_min±0.3mm范围的点记为S，从S开始，找到第一个落在R_min±0.3mm范围的点并记为A，找到第一个超出R_min±0.3mm范围的点记为B；则齿根位置的坐标即为(θ_c,R_c)，其中θ_c＝(θ_A+θ_B)/2，其中θ_A为A点所对应的角度，θ_B为B点所对应的角度,R_c为θ_c所对应的距离；计算出扭力轴齿根位置的坐标(θ_c,R_c)。

4.根据权利要求1所述用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床，其特征在于，所述液压系统包括PID控制单元、液压泵站、电液流量伺服阀以及压力传感器；其中液压泵站输出管路与电液流量伺服阀进油口相连，压力传感器位于电液流量伺服阀出油管路，且电液流量伺服阀出油管路与机床上滚压头的液压缸相连，PID控制单元分别与压力传感器和电液流量伺服阀的控制端相连；

PID控制单元根据压力传感器采集的压力值，采用PID算法实现对电液流量伺服阀控制端的控制。

5.根据权利要求4所述用于扭力轴滚压加工的数控滚压机床，其特征在于，所述PID算法为：根据当前第K个采样时刻压力传感器采集的压力值V(K)，控制电液流量伺服阀出油口的油压output(K)；其中

e(K)＝C-V(K)；

其中，C为根据电液流量伺服阀出油口所需的油压设定的控制值，e(K)为第K个采样时刻伺服端输入的误差值；

则输出增量△output为：

△output＝Kp×(e(K)-e(K-1))+Ki×e(K)+Kd(e(K-2)×e(K-1)+e(K-2))；

其中，e(K-1)为第(K-1)个采样时刻伺服端输入的误差值，e(K-2)为第(K-2)个采样时刻伺服端输入的误差值，output(K-1)为第(K-1)个采样时刻控制单元输出量；Kp＝100为伺服端积分系数，Ki＝50为伺服端比例系数，Kd＝700为伺服端微分系数，则输出量output(K)为：

output(K)＝output(K-1)+△output。