CN104369055A - 可重构齿轮复合加工中心 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重构齿轮复合加工中心，包括有刀具主运动SP1轴系统、金刚滚轮修整SP2轴系统、径向进给X轴系统、轴向进给Z轴系统、切向进给Y轴系统、螺旋角分度A轴系统、工作台分度C轴系统、后立柱辅助定位Z2轴系统、自动换刀系统和在线测量系统。该机床具有成形铣齿、展成滚齿、成形磨齿以及五轴联动铣削的高精度复合加工功能，同时能够铣削或者磨削轴类、盘类零件的外圆和端面，能够满足中小型外齿圆柱直斜齿轮、螺旋齿轮、各类异型齿面以及自由曲面的粗精加工，一机多用，单件产品的加工效率提高30％以上，节约设备投入50％，减少厂房占地面积60％。
Description
技术领域
本发明涉及一种齿轮加工机床，更具体地说涉及一种可重构齿轮复合加工中心，属于先进制造技术领域。
背景技术
齿轮是机械行业的基础件，近几年，齿轮行业的下游产业蓬勃发展，包括汽车、工程机械、风电核电火电能源装置、轨道交通、机器人、航空航天及武器装备、船舶及海洋工程装备等；2007～2013七年中齿轮行业销售额一直保持大幅增长，截止2013年年产值突破2000亿元大关，但高效高精制齿机床仍基本依赖进口，而且硬质合金刀具、齿加工装备使用、加工工艺参数、齿轮检测装备等方面与发达国家的差距明显，产品的整体质量稳定性差，生产效率低，能耗高。
齿轮的常用加工方式包括：成形铣齿、滚齿、插齿、剃齿、磨齿以及无瞬心包络铣削等；从毛坯到最终精加工的工序复杂，周期长，多个工序、多次装夹导致加工精度难以保证。而复合机床的最大特点是加工工序复合，一次装夹能够完成零件的多个甚至全部工序。齿轮绝对数量的大幅增加，加上硬齿面比率的不断攀升，导致硬齿面齿轮在双重因数增长的驱动下，磨齿加工的需求量在不断增加，国内的硬齿面比率仅为7％，约为国外硬齿面比率的一般左右，所以这种增长会延续很长时间。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现存问题，提供一种可重构齿轮复合加工中心， 是一种具有成形铣齿、展成滚齿、成形磨齿以及五轴联动铣削的复合加工机床，在机械、电气和软件方面均具有可重构的特性，一次装夹完成齿轮加工的多种工序，属于《数控技术与数字制造》和《切削加工工艺与设备》学科、先进制造技术领域。
本发明的可重构齿轮复合加工中心属国内首创，除了能够成形铣齿、展成滚齿、成形磨齿以及五轴联动铣削的复合加工以外，还能够铣削或者磨削轴类、盘类零件的外圆和端面。该机床的突出优点在于：一台机床能够完成外齿圆柱直斜齿轮、螺旋齿轮、各类异型齿面以及自由曲面的粗精加工，而且机械、电气和软件各模块采用可重构设计方法，满足不同用户和不同工艺的要求；软齿面齿轮一次装夹完成所有工序，单价产品的加工效率提高100％以上，硬齿面齿轮加工效率提高30％以上，齿轮精加工精度达到GB3～7级，节约设备投入50％，减少厂房占地面积60％。
本发明的技术方案如下：
一种可重构齿轮复合加工中心，总体为立式布局，进给传动系统包括径向进给X轴系统、轴向进给Z轴系统、切向进给Y轴系统、螺旋角分度A轴系统、工作台分度C轴系统和后立柱辅助定位Z2轴系统，此外还包括刀具主运动SP1轴系统、金刚滚轮修整SP2轴系统、自动换刀系统和在线测量系统。
所述的可重构齿轮复合加工中心，其特征是包括有床身1、立柱5、Z轴进给拖板9、Y轴进给拖板13、A轴分度台面15、回转工作台19和后立柱22；立柱5安装于床身1上，回转工作台19、金刚滚轮修整SP2轴系统和后立柱22固定于床身1上，Z轴进给拖板9安装于立柱5上，Y轴进给拖板13与Z轴进给拖板9相连，A轴分度台面15安装于Y轴进给拖板13之上，刀具主运动SP1轴系统与A轴分度台面15固定连接，在线测量系统固定于Y轴进给拖板13上，自动换刀系统固定在后立柱22上，后立柱辅助定位Z2轴系统与后立柱22相连；
所述的径向进给X轴系统的传动链包括：X轴电机2、X轴滚珠丝杠3和立 柱5，所述X轴电机2通过X轴滚珠丝杠3与立柱5连接；
所述的轴向进给Z轴系统的传动链包括：Z轴电机6、Z轴滚珠丝杠7和Z轴进给拖板9，Z轴电机6通过Z轴滚珠丝杠7与Z轴进给拖板9连接；
所述的切向进给Y轴系统的传动链包括：Y轴电机10、Y轴滚珠丝杠11和Y轴进给拖板13，Y轴电机10通过Y轴滚珠丝杠11与Y轴进给拖板13连接；
所述的螺旋角分度A轴系统的传动链包括：A轴电机14和A轴分度台面15，A轴电机14通过双导程精密蜗轮副连接A轴分度台面15；
所述的工作台分度C轴系统为力矩电机直驱传动方式；
上述5个进给系统均设有直线光栅或者圆光栅，构成高精度闭环控制。
所述的后立柱辅助定位Z2轴系统的传动链包括：后立柱22和顶针支架装置23，后立柱22通过双向作用液压油缸连接顶针支架装置23。
所述的刀具主运动SP1轴系统为电主轴直驱方式，带有位置反馈传感器；
所述的金刚滚轮修整SP2轴系统的传动链包括：交流伺服电机28以及通过金刚轮主轴与交流伺服电机28连接的金刚滚轮29，半闭环控制方式；SP2轴在修整砂轮时使用，为单金刚轮修整方式。
所述的自动换刀系统的传动链包括：刀具主运动系统SP1、刀库25、自动换刀装置27和打刀缸30；刀库25内的刀具26包括成形盘铣刀、端面铣刀、滚齿刀、矩形砂轮、碗型或蝶形砂轮、棒刀、球刀等，通过打刀缸30和自动换刀装置27快速更换刀具。
所述的在线测线系统的传动链包括：切向进给Y轴系统和在线测头18，在线测头18固定于Y轴进给拖板上，通过Y轴伺服进给系统进行测头位置补偿。
本发明的可重构齿轮复合加工中心的成形铣齿刀具直径63～150mm，主轴转速150～1000r/min；滚齿最大规格100×100mm，主轴转速150～600r/min；磨齿砂轮直径160～250mm，主轴转速2000～5000r/min；包络铣削的棒刀直径 Φ3～10mm，主轴转速2000～6000r/min。
本发明的可重构齿轮复合加工中心，利用电子齿轮、RTCP功能及自主研发的可重构齿轮复合加工软件，能够完成所有典型齿轮加工的工艺，包括成形铣齿、展成滚齿、成形磨齿以及五轴联动铣削的复合加工功能，同时能够铣削或者磨削轴、盘类零件的外圆和端面。
本发明的可重构齿轮复合加工中心进一步的技术方案是所述的机床主轴采用BT标准接口，利用自动刀库快速更换刀具，进行齿轮一次装夹后的复合加工。
再进一步的技术方案是机床的机械和电气模块采用了可重构技术，满足产品多样化和柔性化的需求；针对不同类型的客户能够做出快速响应，最大限度地满足客户对机床性能、交货周期和价格的要求。机床复合加工工艺及其数控轴的可重构配置方式见表1，配置相应的刀具同样能够铣削或者磨削端面、外圆。
表1复合加工工艺及其数控轴的可重构配置方式
再进一步的技术方案是机床的复合加工软件采用了可重构技术，集成了成形铣齿软件模块，展成滚齿软件模块、成形磨齿软件模块、自由曲面的五轴联动铣削软件模块、在线测量和精度评价模块、误差补偿模块等；复合加工程序完全采用程序自动生成技术，实现真正的用户零编程。
再进一步的技术方案是所述的机床复合加工的最小齿轮模数为0.5mm，最大齿轮模数为5mm，复合动力主轴的转速150～6000r/min。
本发明的可重构齿轮复合加工中心加工齿轮时，先用成形铣齿或者包络铣齿进行粗加工或者半精加工，再利用滚齿或者磨齿进行精加工；对于模数3mm以内的齿轮可以直接滚齿或者磨齿；对于硬齿面齿轮，在半精加工后进行热处理，最后进行成形磨齿加工。除热处理工序以外，机床通过标准换刀实现齿轮全工序加工，齿轮装夹基准和加工基准一致，减小了多次安装带来的误差，最大限度地提高了加工效率和机床利用率。采用此项技术，用一台机床解决了齿加工的全部工序，同时能够铣削或者磨削工件的端面和外圆，以及铣削自由曲面，一机多用，大大节省了机床成本。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比较，本发明采用了可重构及复合加工的设计思想，为齿轮加工提供了新的思路和方法；本发明结构布局巧妙，复合了各种常见齿轮加工工艺，成本低、零编程，提高了齿轮一次装夹的加工精度。本发明综合考虑成形铣齿、展成滚齿、成形磨齿和包络法铣齿以及自由曲面的五轴联动铣削的加工特点以及各自最佳工艺参数，合理布置了具有能够满足各种复合加工功能的进给和主轴传动链。本发明的主轴转速150～6000r/min，最大加工齿轮模数5mm；当铣齿刀盘直径为100mm、主轴转速400r/min时，铣齿进给速度达到400mm/min；当滚齿刀具直径为63mm、主轴转速200mm/min时，每齿进给量2mm/r；当砂轮直径为200mm、主轴转速3000r/min时，磨齿进给速度达到4000mm/min；当棒刀直径为6mm、侧刃铣削转速3000r/min时，铣削进给速度达到3000mm/min。本发明的可重构齿轮复合加工中心的加工效率较传统机床提高30％以上，制造成本仅为同样功能的3台数控机床(数控成形铣齿机、数控滚齿机和数控成形磨齿机)的1/2，节约设备投入50％，减少厂房占地面积60％，同时加工精度稳定。
附图说明
图1为本发明的机床整体结构示意图之一；
图2为本发明的机床整体结构示意图之二；
图3(a)为本发明的复合动力主轴的成形铣齿的加工位姿示意图；
图3(b)为本发明的复合动力主轴的展成滚齿的加工位姿示意图；
图3(c)为本发明的复合动力主轴的成形磨齿的加工位姿示意图；
图3(d)为本发明的复合动力主轴的自由曲面包络铣削的加工位姿示意图；
图3(e)为本发明的复合动力主轴的人字齿包络铣削的加工位姿示意图。
图4为本发明的复合动力主轴的加工位姿示意图。
图中部件说明：1为床身、2为X轴电机、3为X轴滚珠丝杠、4为X轴线轨支承、5为立柱、6为Z轴电机、7为Z轴滚珠丝杠、8为Z轴线轨支承、9为Z轴进给拖板、10为Y轴电机、11为Y轴滚珠丝杠、12为Y轴线轨支承、13为Y轴进给拖板、14为A轴电机、15为A轴分度台面、16为复合动力主轴、17为刀具、18为在线测头、19为回转工作台、20为工装、21为工件、22为后立柱、23为顶针支架装置、24为Z2轴线轨支承，25为刀库，26为库内刀具，27为自动换刀装置，28为交流伺服电机，29为金刚滚轮，30为打刀缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术内容作说明：
如图1至图3(e)，本发明的可重构齿轮复合加工中心，包括有床身1、立柱5、Z轴进给拖板9、Y轴进给拖板13、A轴分度台面15、回转工作台19和后立柱22；立柱5安装于床身1上，回转工作台19、金刚滚轮修整SP2轴系统和后立柱22固定于床身1上，Z轴进给拖板9安装于立柱5上，Y轴进给拖板13与Z轴进给拖板9相连，A轴分度台面15安装于Y轴进给拖板13之上，刀具主运动SP1轴系统与A轴分度台面15固定连接，在线测量系统固定于Y轴进给拖板13上，自动换刀系统固定在后立柱22上，后立柱辅助定位Z2轴系统与后立柱22相连。
本发明的可重构齿轮复合加工中心，具有成形铣齿、展成滚齿、成形磨齿 以及五轴联动铣削的复合加工功能，能够满足外齿圆柱直斜齿轮、螺旋齿轮、各类异型齿面以及自由曲面的粗精加工，一机多用。机床复合动力主轴采用BT标准接口，通过刀具的快速更换，并在专用复合软件控制下实现齿轮的复合加工及五轴联动加工工艺。
本发明的可重构齿轮复合加工中心还包括进给传动系统：径向进给X轴系统、轴向进给Z轴系统、切向进给Y轴系统、螺旋角分度A轴系统、工作台分度C轴系统和后立柱辅助定位Z2轴系统，此外还包括刀具主运动SP1轴系统、金刚滚轮修整SP2轴系统、自动换刀系统和在线测量系统。
径向进给X轴系统的传动链包括：X轴电机2——X轴滚珠丝杠3——立柱5；
轴向进给Z轴系统的传动链包括：Z轴电机6——Z轴滚珠丝杠7——Z轴进给拖板9；
切向进给Y轴系统的传动链包括：Y轴电机10——Y轴滚珠丝杠11——Y轴进给拖板13；
螺旋角分度A轴系统的传动链包括：A轴电机14——双导程精密蜗轮副——A轴分度台面15，行程±120°；A轴设有四点同步液压刹紧机构，用于提高铣齿、滚齿和磨齿过程中的整个切削系统的刚性，降低切削颤振，提高加工表面质量。
工作台分度C轴系统为力矩电机直驱传动方式。
上述5个进给系统均设有直线光栅或者圆光栅，构成高精度闭环控制。根据不同的加工工艺，各进给轴之间根据需要采用不同的联动控制组合方式。
后立柱辅助定位Z2轴系统的传动链包括：后立柱22和顶针支架装置23，后立柱22通过双向作用液压油缸连接顶针支架装置23。
4根直线进给系统(X轴、Z轴、Y轴和Z2轴)由直线导轨进行支承，分别为X轴线轨支承4、Z轴线轨支承8、Y轴线轨支承12和Z2轴线轨支承24， 2根回转轴(A轴和C轴)由转台专用YRT轴承进行支承。
所述的刀具主运动SP1轴系统为电主轴直驱方式，带有位置反馈传感器；
所述的金刚滚轮修整SP2轴系统的传动链包括：交流伺服电机28以及通过金刚轮主轴与交流伺服电机28连接的金刚滚轮29，半闭环控制方式；SP2轴在修整砂轮时使用，为单金刚轮修整方式。
所述的自动换刀系统的传动链包括：刀具主运动系统SP1、刀库25、自动换刀装置27和打刀缸30；刀库25内的刀具26包括成形盘铣刀、端面铣刀、滚齿刀、矩形砂轮、碗型或蝶形砂轮、棒刀、球刀等，通过打刀缸30和自动换刀装置27快速更换刀具。
所述的在线测线系统的传动链包括：切向进给Y轴系统和在线测头18，在线测头18固定于Y轴进给拖板上，通过Y轴伺服进给系统进行测头位置补偿。
所述的机床机械、电气和软件系统均采用可重构技术，各系统内部均为模块化设计，满足产品多样化和柔性化的需求，最大限度地满足客户对机床性能、交货期和价格的要求。
机床复合动力主轴16能够同时满足铣、滚、磨齿和五轴铣削的要求；主轴采用BT标准接口，通过刀具的快速自动化更换实现齿轮的复合加工工艺。
复合加工工艺是指在专用复合软件控制下实现齿轮复合及五轴联动包络加工，实现用户零编程操作。
五轴联动包络方法解决了刀具通用性和成本高的问题，利用通用圆柱棒刀和球刀，满足零退刀槽人字齿、圆弧齿、点线啮合和锥形齿等特殊齿形的加工。
齿轮复合加工功能能够在工件一次装夹过程中全部完成。
本发明的机床为六轴联动控制，数控系统带有电子齿轮和RTCP功能；联动轴包括：X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴和SP1轴；SP1轴转速150～6000r/min，最大加工齿轮模数5mm。
成形铣齿为六轴三联动，加工齿轮模数3～5mm，刀具直径63～150mm， 主轴转速150～1000r/min，最大螺旋角±45°；当铣齿刀盘直径为100mm、主轴转速400r/min时，铣齿进给速度达到400mm/min。
展成滚齿为六轴四联动，加工齿轮模数0.5～5mm，刀具最大规格100×100mm，主轴转速150～600r/min，最大螺旋角±45°；当滚齿刀具直径为63mm、主轴转速200mm/min时，每齿进给量2mm/r。
成形磨齿为七轴五联动，单金刚轮修整，加工齿轮模数0.5～5mm，磨齿砂轮直径160～250mm，主轴转速2000～5000r/min，螺旋角不限；当砂轮直径为 200mm、主轴转速3000r/min时，磨齿进给速度达到4000mm/min；金刚滚轮直径为100～130mm，转速2500～3500rpm，砂轮修整在Y轴与Z轴组成的笛卡尔坐标系内完成，修整前SP1轴轴线与Y轴平行。
五轴联动包络法铣削为六轴五联动，刀具直径Φ3～10mm，主轴转速2000～6000r/min，能够满足自由曲面(包络零退刀槽人字齿、双圆弧等特殊齿轮)的加工；对于零退刀槽人字齿、圆弧齿、点线啮合和锥形齿等特殊齿形的加工，模数范围3～5mm，五轴联动控制，当棒刀直径为6mm、侧刃铣削转速3000r/min时，铣削进给速度达到3000mm/min；五轴联动包络方法具有刀具通用性特点，解决了刀具周期长和成本高的问题。
零编程的专用齿轮复合加工软件包括：成形铣齿软件模块，展成滚齿软件模块、成形磨齿软件模块、展成磨齿软件模块、自由曲面的五轴联动铣削软件模块、在线测量和精度评价模块、误差补偿模块等。其中，成形磨齿软件模块能够磨削渐开线、摆线、点线啮合和双圆弧等单调连续齿面及各类螺旋面，并具有丰富的齿形、齿向和拓扑修形功能。在线测量和精度评价模块可按照GB10095或ISO1328标准对在线测量结果进行评价，实现齿形、齿向、齿距、齿厚、公法线等参量的综合精度评价；同时满足齿槽自动对中和自动余量分配。误差补偿模块通过机床在线测量结果和齿轮测量中心结果对比后实现误差补偿，可实现径向误差补偿、切向误差误差、转角误差补偿、径向/转角复合误差补偿、 五轴拓扑补偿、砂轮安装角优化等功能。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。
Claims (8)
1.一种可重构齿轮复合加工中心，其特征是包括有床身(1)、立柱(5)、Z轴进给拖板(9)、Y轴进给拖板(13)、A轴分度台面(15)、回转工作台(19)和后立柱(22)；立柱(5)安装于床身(1)上，回转工作台(19)、金刚滚轮修整SP2轴系统和后立柱(22)固定于床身(1)上，Z轴进给拖板(9)安装于立柱(5)上，Y轴进给拖板(13)与Z轴进给拖板(9)相连，A轴分度台面(15)安装于Y轴进给拖板(13)之上，刀具主运动SP1轴系统与A轴分度台面(15)固定连接，在线测量系统固定于Y轴进给拖板(13)上，自动换刀系统固定在后立柱(22)上，后立柱辅助定位Z2轴系统与后立柱(22)相连。机床具有成形铣齿、展成滚齿、成形磨齿以及五轴联动铣削的高精度复合加工功能，能够满足中小型外齿圆柱直斜齿轮、螺旋齿轮、各类异型齿面以及自由曲面的粗精加工。
2.根据权利要求1所述的可重构齿轮复合加工中心，其特征在于所述的可重构齿轮复合加工中心还包括进给传动系统：径向进给X轴系统、轴向进给Z轴系统、切向进给Y轴系统、螺旋角分度A轴系统、工作台分度C轴系统和后立柱辅助定位Z2轴系统；所述径向进给X轴系统的传动链包括：X轴电机(2)、X轴滚珠丝杠(3)和立柱(5)，所述X轴电机(2)通过X轴滚珠丝杠(3)与立柱(5)连接；所述轴向进给Z轴系统的传动链包括：Z轴电机(6)、Z轴滚珠丝杠(7)和Z轴进给拖板(9)，Z轴电机(6)通过Z轴滚珠丝杠(7)与Z轴进给拖板(9)连接；所述切向进给Y轴系统的传动链包括：Y轴电机(10)、Y轴滚珠丝杠(11)和Y轴进给拖板(13)，Y轴电机(10)通过Y轴滚珠丝杠(11)与Y轴进给拖板(13)连接；所述螺旋角分度A轴系统的传动链包括：A轴电机(14)和A轴分度台面(15)，A轴电机(14)通过双导程精密蜗轮副连接A轴分度台面(15)；所述的工作台分度C轴系统为力矩电机直驱传动方式；上述5个进给系统均设有直线光栅或者圆光栅，构成高精度闭环控制；后立柱辅助定位Z2轴系统的传动链包括：后立柱(22)和顶针支架装置(23)，后立柱(22)通过双向作用液压油缸连接顶针支架装置(23)。
3.根据权利要求1所述的可重构齿轮复合加工中心，其特征在于所述的在线测线系统的传动链包括：切向进给Y轴系统和在线测头(18)，在线测头(18)固定于Y轴进给拖板上，通过Y轴伺服进给系统进行测头位置补偿。
4.根据权利要求1所述的可重构齿轮复合加工中心，其特征在于所述的刀具主运动SP1轴系统为电主轴直驱方式，带有位置反馈传感器。
5.根据权利要求1所述的可重构齿轮复合加工中心，其特征在于所述的金刚滚轮修整SP2轴系统的传动链包括：交流伺服电机(28)以及通过金刚轮主轴与交流伺服电机(28)连接的金刚滚轮(29)，半闭环控制方式；SP2轴在修整砂轮时使用，为单金刚轮修整方式。
6.根据权利要求1所述的可重构齿轮复合加工中心，其特征在于所述的自动换刀系统的传动链包括：刀具主运动系统(SP1)、刀库(25)、自动换刀装置(27)和打刀缸(30)；刀库(25)内的刀具(26)包括成形盘铣刀、端面铣刀、滚齿刀、矩形砂轮、碗型或蝶形砂轮、棒刀、球刀等，通过打刀缸(30)和自动换刀装置(27)快速更换刀具。
7.根据权利要求1所述的可重构齿轮复合加工中心，其特征在于所述的在线测线系统的传动链包括：切向进给Y轴系统和在线测头(18)，在线测头(18)固定于Y轴进给拖板上，通过Y轴伺服进给系统进行测头位置补偿。
8.根据权利要求1所述的可重构齿轮复合加工中心，其特征在于所述的齿轮加工最大模数5mm；成形铣齿刀具直径63～150mm，主轴转速150～1000r/min；滚齿最大规格100×100mm，主轴转速150～600r/min；磨齿砂轮直径160～250mm，主轴转速2000～5000r/min；包络铣削的棒刀直径Φ3～10mm，主轴转速2000～6000r/min。
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