CN104174938B - 具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，包括床身，在床身上设有主轴单元和加工单元，主轴单元包括用于顶持待加工环面蜗杆的驱动顶针和尾座顶针，加工单元用于加工环面蜗杆齿面，而且还包括检测单元和控制单元，从而实现环面蜗杆齿面的加工过程中的在线检测及修正加工，能从根本上解决目前环面蜗杆齿面加工精度低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种环面蜗杆加工机床，尤其是涉及一种具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床。
背景技术
环面蜗杆传动具备多齿接触、重合度大、承载能力高、使用寿命长等优点，为当前动力蜗杆传动的主要发展方向，在航空航天、船舶航海、矿山冶金、煤矿化工等领域应用广泛，但目前环面蜗杆齿面加工精度较低的现状阻碍了其进一步推广和大面积应用。
在环面蜗杆加工机床方面，通常采用的加工方法或机床大致有如下几种：
1.中国专利“加工平面二次包络环面蜗杆专用机床”，申请号为：93223232.9。该机床为在普通车床或滚齿机基础上自行改装而成，具有利于推广及成本低的优点，但存在刚性差、加工效率低精度低、对操作者依赖性强、加工范围窄等缺点。
2.中国专利“多功能数控环面蜗杆机床”，申请号：01213122.9。它采用整体底座，T型分体床身，前端为安装主轴箱的前床身，中部为安装工作台的中床身，后端为安装尾部的后床身，蜗轮副安装在工作台底部，减小了机床整体尺寸，提高了加工工艺性，保证了机床具有足够的强度和刚度，但同样存在加工环面蜗杆精度低的问题。
3.中国专利“数控五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床”，公开号：CN1493427A。该机床具有X、Y、Z、A、B五轴联动的功能，控制刀盘上的切刀刃口移动在空间模拟倾斜平面，使之包络出环面蜗杆齿面，其优点为高速切削状态下大量切屑迅速剥落，效率大大高于环面蜗杆齿面磨削加工，但同样存在加工环面蜗杆精度低的问题。
4.中国专利“能虚拟中心距的环面蜗杆数控机床”，申请号：200610095040.4。该机床能够实行小中心距机床加工大中心距环面蜗杆，且选择不同的数控轴联动可以实现环面蜗杆、鼓形蜗杆、圆柱蜗杆及锥蜗杆等所有螺旋面的车削、铣削或磨削加工，但同样存在加工环面蜗杆精度低的问题。
5.中国专利“数控五轴三联动平面包络环面蜗杆旋风切削机床”，申请号：200820163771.2。该机床具有X、Y、Z、A、B五轴运动，并在X、Y、Z三轴方向上实现联动功能，利用旋风铣实现环面蜗杆齿面的精确成型，实现了小型环面蜗杆的加工，提高了生产效率，降低了机床和蜗杆的成本，但同样存在加工环面蜗杆精度低的问题。
6.中国专利“一种四轴联动环面蜗杆数控车磨复合机床及其加工方法”，申请号：201010609380.0。该机床主轴即可高速旋转也可精确定位，能够实现环面蜗杆齿面的车削粗加工和磨削精加工，其结构简单、加工效率高、功能齐全，具有较高的可靠性和较强的环境适应能力，但同样存在加工环面蜗杆精度低的问题。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足之处，提供一种具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，完全解决了上述现有技术机床加工环面蜗杆精度低的技术问题。
本发明还提供了一种利用上述机床加工环面蜗杆的方法，能够有效提高环面蜗杆加工精度。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现：
一种具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，包括床身，在床身上设有主轴单元和加工单元，主轴单元包括用于顶持待加工环面蜗杆的驱动顶针和尾座顶针，加工单元用于加工环面蜗杆齿面，其特征在于：还包括检测单元和控制单元，检测单元与加工单元分别位于待加工环面蜗杆两侧；
所述检测单元包括ZC向伺服电机、XC向伺服电机、测头纵托板、测头立柱、带测微功能的测头、长度光栅和圆光栅，测头纵托板滑动安装在床身上，测头立柱滑动安装在测头纵托板上，测头安装在测头立柱顶部，测头与待加工环面蜗杆中心轴线位于同一水平面上，ZC向伺服电机通过丝杆传动机构带动测头纵托板沿ZC向移动，XC向伺服电机通过丝杆传动机构带动测头立柱沿XC向移动，在床身与测头纵托板之间安装长度光栅用于测量测头纵托板沿ZC向的实时位移，在测头纵托板与测头立柱之间安装长度光栅用于测量测头立柱沿XC向的实时位移，圆光栅安装在驱动顶针与床身之间，用于测量待加工环面蜗杆的实时转动角位移；
所述控制单元包括齿面加工上位机和检测上位机，检测上位机中包括有测量数据处理单元、误差分析单元和修正加工单元，齿面加工上位机用于控制主轴单元和加工单元，检测上位机中的测量数据处理单元读取检测单元测量的实际环面蜗杆齿面数据并将数据传递给误差分析单元，误差分析单元对实际环面蜗杆齿面数据与理论环面蜗杆齿面数据进行分析并进行误差溯源处理，修正加工单元获得误差溯源处理结果并对加工参数进行修正，将修正数据传递给加工上位机。
进一步，主轴单元包括主轴电机、驱动顶针、鸡心夹和尾座顶针，主轴电机与驱动顶针连接，并通过轴承定位固定在床身的床头箱上，床身的尾座上对应驱动顶针设有尾座顶针，待加工环面蜗杆被顶持在驱动顶针与尾座顶针之间，并通过鸡心夹由驱动顶针带动绕A向转动，驱动顶针与床身的床头箱之间安装圆光栅，其光栅测头固定在床身上，光栅尺固定在驱动顶针上。
进一步，加工单元包括Z向伺服电机、X向伺服电机、B向伺服电机、横托板、纵托板、工作台和加工头，纵托板滑动安装在床身上，横托板滑动安装在纵托板顶部，Z向伺服电机通过丝杆传动机构带动纵托板沿Z向移动，X向伺服电机通过丝杆传动机构带动横托板沿X向移动，B向伺服电机通过蜗轮蜗杆带动工作台沿B向水平旋转，工作台与蜗轮轴连接，加工头安装在工作台顶面。
进一步，加工头包括底座、加工刀具、转轴、转轴支架、三相异步电机、V型带和倾角伺服电机，底座固定在工作台上，转轴支架两端转动安装在底座上，倾角伺服电机固定在底座上，其驱动轴与转轴支架连接，转轴支架上安装转轴，转轴的一端安装加工刀具，另一端通过V型带由三相异步电机带动旋转，三相异步电机固定在转轴支架上。
作为优选，所述加工刀具为盘状砂轮或为指状砂轮或为盘状铣刀或为指形铣刀。
作为优选，所述加工刀具为平面状或为渐开面状或为圆柱面状或为圆锥面状。
利用上述机床加工环面蜗杆的方法，其步骤如下：
a.利用主轴单元将待加工环面蜗杆顶持在驱动顶针与尾座顶针之间；
b.加工上位机控制加工单元加工环面蜗杆齿面；
c.在加工环面蜗杆齿面的同时，测头对环面蜗杆齿面数据进行测量，检测单元测量测头的ZC向实时位移、XC向实时位移、待加工环面蜗杆的实时转动角位移以及测头的微动量；
d.检测上位机中的测量数据处理单元读取检测单元测得的实时数据，从而获得实际环面蜗杆齿面数据，并将数据传递给误差分析单元，误差分析单元对实际环面蜗杆齿面数据与理论环面蜗杆齿面数据进行分析并进行误差溯源处理，修正加工单元获得误差溯源处理结果并对加工参数进行修正，将修正数据传递给加工上位机，加工上位机根据修正后的加工参数对待加工环面蜗杆进行加工；
e.重复上述步骤c、d，直到环面蜗杆齿面加工满足精度要求。
进一步，在b步骤中，加工上位机控制主轴单元中的主轴电机工作以及加工单元中的Z向伺服电机、X向伺服电机、B向伺服电机工作，进行四轴联动，进而实现对待加工环面蜗杆的齿面加工。
进一步，在c步骤中，检测上位机控制检测单元中的ZC向伺服电机和XC向伺服电机工作，使测头接触加工出的齿面并测量测头的微动量，长度光栅测量出测头ZC向实时位移和XC向实时位移，圆光栅测量出待加工环面蜗杆的实时转动角位移。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：该机床具有环面蜗杆齿面的加工、在线检测及修正加工功能，能从根本上解决目前环面蜗杆齿面加工精度低的问题；同时，配合采用不同的加工程序及检测程序，并配以相应的砂轮修整器或相应形状的铣刀，可适用于平面包络环面蜗杆、锥面包络环面蜗杆、渐开面包络环面蜗杆、圆弧面包络环面蜗杆等，通用性强且可一机多用，具有广泛的应用价值和原理的普遍性。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明中加工头的连接结构示意图。
图4为本发明所涉及环面蜗杆的加工及检测原理图。
图5为本发明所涉及加工机床的运动轴示意图。
图6为本发明所涉及具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床的数据传输原理及CNC结构简图。
具体实施方式
如图1至6所示，一种具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，包括床身1、主轴单元、加工单元、检测单元及控制单元，其中加工单元与检测单元分别位于主轴单元的两侧，具体的是位于待加工环面蜗杆10的两侧。
本实施例中，所述主轴单元包括高电压绕组主轴电机2、驱动顶针7、鸡心夹9、待加工环面蜗杆10、尾座顶针15及尾座16；其中高电压绕组主轴电机2与驱动顶针7连接，并通过一对高精度角接触轴承3定位并固定于床身1的床头箱上；待加工环面蜗杆10被驱动顶针7与尾座顶针15所顶持，并通过鸡心夹9由驱动顶针7驱动其绕A向转动；驱动顶针7与床身1床头箱之间安装有圆光栅4，其中光栅测头固定安装床身1上而光栅尺安装在驱动顶针7上，测量待加工环面蜗杆10的实时转动角位移。
本实施例中，所述加工单元包括Z向伺服电机18、B向伺服电机43、X向伺服电机44、分度蜗杆25、分度蜗轮26、加工头、工作台14及其横托板28和纵托板24。纵托板24沿Z向通过导轨滑动安装在床身1上，床身1上的床头箱前端安装Z向伺服电机18，Z向伺服电机18的输出轴通过联轴器19与一丝杆23相连，丝杆23两端安装深沟球轴承20和推力球轴承21定位于床身1上，丝杆23中部安装螺母27，纵托板24与螺母27固连，进而实现纵托板24通过床身1导轨沿Z向移动。横托板28沿X向通过燕尾槽滑动安装在纵托板24上，在纵托板24上安装X向伺服电机44，X向伺服电机44的输出轴通过联轴器45与一丝杆55相连，该丝杆55两端安装深沟球轴承46和推力球轴承47定位于纵托板24上，丝杆55中部安装螺母，横托板28与螺母固连，进而实现横托板28通过燕尾槽沿X向移动。在横托板28上安装B向伺服电机43，B向伺服电机43的输出轴通过联轴器58连接分度蜗杆25，分度蜗杆25两端通过角接触球轴承59定位于横托板28上，分度蜗杆25与分度蜗轮26配合，分度蜗轮26两端通过蜗轮轴64及深沟球轴承62和推力球轴承65定位于横托板28上；工作台14通过平键63及推力球轴承61精密安装于蜗轮轴64上，并由B向伺服电机43驱动分度蜗杆25传动分度蜗轮26进而带动工作台14绕B向转动(即水平旋转)。加工头安装于工作台14上。
所述加工头包括底座66、加工刀具13、转轴57、转轴支架67、三相异步电机12、V型带11、倾角伺服电机56和张紧螺钉。底座66固定在工作台14上，转轴支架67转动安装在底座66上，倾角伺服电机56固定在底座66上，其驱动轴与转轴支架67连接，转轴支架67上安装转轴57，转轴57的一端安装加工刀具13，另一端通过V型带11由三相异步电机12带动旋转，三相异步电机12安装在底座66上。V型带11松紧程度由张紧螺钉调节。工作时，由三相异步电机12带动加工刀具13进行高速旋转，进而形成切削主运动。倾角伺服电机56带动转轴支架67转动，从而控制加工刀具13的倾角。
本实施例中，所述加工刀具13为磨头或铣头，具体的可以选择平面盘状砂轮或平面刃口盘状铣刀。
所述检测单元包括ZC向伺服电机31、XC向伺服电机51、测头纵托板22、测头立柱6、带测微功能的测头5、长度光栅37和圆光栅4。测头纵托板22沿ZC向通过导轨滑动安装在床身1上，测头立柱6沿XC向通过燕尾槽滑动安装在测头纵托板22上，测头5固定安装在测头立柱6顶部，且测头5与待加工环面蜗杆10中心轴线位于同一水平面上。ZC向伺服电机31安装在床身1的床头箱后端，电机输出轴通过联轴器32与一丝杆41相连，丝杆41两端安装深沟球轴承33和推力球轴承34定位于床身1上，丝杆41中部安装螺母40，测头纵托板22与螺母40固连，进而实现测头纵托板22通过床身1导轨沿ZC向移动。XC向伺服电机51安装在测头纵托板22上，电机输出轴通过联轴器52与一丝杆35相连，丝杆35两端安装深沟球轴承38和推力球轴承39定位在测头纵托板22上，丝杆35中部安装螺母，测头立柱与螺母固连，进而实现测头立柱6通过燕尾槽沿XC向移动。测头5位于测头立柱6上并可在其高度方向进行精密微调。在床身1与测头纵托板22之间安装长度光栅42测量测头纵托板22沿ZC向的实时位移，其中光栅测头安装在测头纵托板22上而光栅尺固定安装在床身1上。在测头纵托板22与测头立柱6之间安装长度光栅37测量测头立柱6沿XC向的实时位移，其中光栅测头安装在测头纵托板22上而光栅尺固定安装在测头立柱6上。其中，测头6采用具有测微功能的触发式测头，并在床头箱上设置测头保护罩8用以保护测头。
所述控制单元包括齿面加工上位机和检测上位机，检测上位机中包括有测量数据处理单元、误差分析单元及修正加工单元。齿面加工上位机由预设的加工程序控制主轴单元和加工单元中的Z向伺服电机18、B向伺服电机43、X向伺服电机44工作。检测上位机由预设的检测程序控制主轴单元和检测单元中的ZC向伺服电机31、XC向伺服电机51工作。测量数据处理单元读取圆光栅4及长度光栅37、42实时值和测头6的微动量；误差分析单元对测得的环面蜗杆齿面数据与理论环面蜗杆齿面数据进行分析并进行误差溯源处理；修正加工单元由误差溯源结果对包络母面倾角、加工刀具13起始位置及加工程序进行修正。
如图4所示，本实施例中，其加工单元驱动加工刀具13绕与基圆锥相切的E方向旋转运动，检测单元驱动测头5沿工具圆的同心圆弧D平移。
如图4所示，本实施例中，具有在线检测与修正加工功能的平面包络环面蜗杆加工机床具有A、B、C、X、Z、XC及ZC七轴数控运动，其中A、B、X及Z四轴联动实现环面蜗杆齿面的加工或修正加工，其中A、XC及ZC三轴联动实现环面蜗杆齿面的在线检测。
如图6所示，本实施例在使用时，加工环面蜗杆的步骤为：
①首先依据平面包络环面蜗杆的基本参数，得出平面包络环面蜗杆齿面的加工程序和检测程序，利用主轴单元将待加工环面蜗杆顶持在驱动顶针与尾座顶针之间；
②加工上位机依据加工程序控制主轴单元和加工单元，驱动A、B、X及Z四轴联动，实现对平面包络环面蜗杆的齿面加工；
③在加工齿面的同时，检测上位机依据检测程序控制检测单元驱动A、XC及ZC三轴联动，实现对平面包络环面蜗杆齿面的环面螺旋线进行在线检测；
④测量数据处理单元采集A向圆光栅4、XC向长度光栅37及ZC向长度光栅41的实时数据和测头5的微动量，误差分析单元将所得的实际环面螺旋线与理论螺旋线进行比较，分析得出其齿面加工精度；
⑤误差分析单元判断齿面加工精度是否达要求，若未达要求则对加工误差进行溯源处理；
⑥控制单元利用溯源所得的各项误差值，分别驱动A、B、C、X及Z五轴运动，修正加工定位误差；
⑦控制单元用溯源所得的各项误差值修正加工程序，并依据修正后的加工程序驱动A、B、X及Z四轴联动，实现平面包络环面蜗杆齿面的修正加工；
⑧重复上述③-⑦步骤，直至平面包络环面蜗杆齿面加工精度满足要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，包括床身，在床身上设有主轴单元和加工单元，主轴单元包括用于顶持待加工环面蜗杆的驱动顶针和尾座顶针，加工单元用于加工环面蜗杆齿面，其特征在于：还包括检测单元和控制单元，检测单元与加工单元分别位于待加工环面蜗杆两侧；
所述检测单元包括ZC向伺服电机、XC向伺服电机、测头纵托板、测头立柱、带测微功能的测头、长度光栅和圆光栅，测头纵托板滑动安装在床身上，测头立柱滑动安装在测头纵托板上，测头安装在测头立柱顶部，测头与待加工环面蜗杆中心轴线位于同一水平面上，ZC向伺服电机通过丝杆传动机构带动测头纵托板沿ZC向移动，XC向伺服电机通过丝杆传动机构带动测头立柱沿XC向移动，在床身与测头纵托板之间安装长度光栅用于测量测头纵托板沿ZC向的实时位移，在测头纵托板与测头立柱之间安装长度光栅用于测量测头立柱沿XC向的实时位移，圆光栅安装在驱动顶针与床身之间，用于测量待加工环面蜗杆的实时转动角位移；
所述控制单元包括齿面加工上位机和检测上位机，检测上位机中包括有测量数据处理单元、误差分析单元和修正加工单元，齿面加工上位机用于控制主轴单元和加工单元，检测上位机中的测量数据处理单元读取检测单元测量的实际环面蜗杆齿面数据并将数据传递给误差分析单元，误差分析单元对实际环面蜗杆齿面数据与理论环面蜗杆齿面数据进行分析并进行误差溯源处理，修正加工单元获得误差溯源处理结果并对加工参数进行修正，将修正数据传递给加工上位机。
2.根据权利要求1所述的具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，其特征在于：主轴单元包括主轴电机、驱动顶针、鸡心夹和尾座顶针，主轴电机与驱动顶针连接，并通过轴承定位固定在床身的床头箱上，床身的尾座上对应驱动顶针设有尾座顶针，待加工环面蜗杆被顶持在驱动顶针与尾座顶针之间，并通过鸡心夹由驱动顶针带动绕A向转动，驱动顶针与床身的床头箱之间安装圆光栅，其光栅测头固定在床身上，光栅尺固定在驱动顶针上。
3.根据权利要求1所述的具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，其特征在于：加工单元包括Z向伺服电机、X向伺服电机、B向伺服电机、横托板、纵托板、工作台和加工头，纵托板滑动安装在床身上，横托板滑动安装在纵托板顶部，Z向伺服电机通过丝杆传动机构带动纵托板沿Z向移动，X向伺服电机通过丝杆传动机构带动横托板沿X向移动，B向伺服电机通过蜗轮蜗杆带动工作台沿B向水平旋转，工作台与蜗轮轴连接，加工头安装在工作台顶面。
4.根据权利要求3所述的具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，其特征在于：加工头包括底座、加工刀具、转轴、转轴支架、三相异步电机、V型带和倾角伺服电机，底座固定在工作台上，转轴支架两端转动安装在底座上，倾角伺服电机固定在底座上，其驱动轴与转轴支架连接，转轴支架上安装转轴，转轴的一端安装加工刀具，另一端通过V型带由三相异步电机带动旋转，三相异步电机固定在转轴支架上。
5.根据权利要求4所述的具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，其特征在于：所述加工刀具为盘状砂轮或为指状砂轮或为盘状铣刀或为指形铣刀。
6.根据权利要求4所述的具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床，其特征在于：所述加工刀具为平面状或为渐开面状或为圆柱面状或为圆锥面状。
7.利用上述权利要求1-6任一项所述的机床加工环面蜗杆的方法，其步骤如下：
a.利用主轴单元将待加工环面蜗杆顶持在驱动顶针与尾座顶针之间；
b.加工上位机控制加工单元加工环面蜗杆齿面；
c.在加工环面蜗杆齿面的同时，测头对环面蜗杆齿面数据进行测量，检测单元测量测头的ZC向实时位移、XC向实时位移、待加工环面蜗杆的实时转动角位移以及测头的微动量；
d.检测上位机中的测量数据处理单元读取检测单元测得的实时数据，从而获得实际环面蜗杆齿面数据，并将数据传递给误差分析单元，误差分析单元对实际环面蜗杆齿面数据与理论环面蜗杆齿面数据进行分析并进行误差溯源处理，修正加工单元获得误差溯源处理结果并对加工参数进行修正，将修正数据传递给加工上位机，加工上位机根据修正后的加工参数对待加工环面蜗杆进行加工；
e.重复上述步骤c、d，直到环面蜗杆齿面加工满足精度要求。
8.根据权利要求7所述的加工环面蜗杆的方法，其特征在于：b步骤中，加工上位机控制主轴单元中的主轴电机工作以及加工单元中的Z向伺服电机、X向伺服电机、B向伺服电机工作，进行四轴联动，进而实现对待加工环面蜗杆的齿面加工。
9.根据权利要求7所述的加工环面蜗杆的方法，其特征在于：c步骤中，检测上位机控制检测单元中的ZC向伺服电机和XC向伺服电机工作，使测头接触加工出的齿面并测量测头的微动量，长度光栅测量出测头ZC向实时位移和XC向实时位移，圆光栅测量出待加工环面蜗杆的实时转动角位移。
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