CN104898571A - 阿基米德螺旋线插补机构 - Google Patents
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Abstract
一种阿基米德螺旋线插补机构，属于机械控制技术领域，用以解决阿基米德螺旋线加工中凸轮机构存在局限性的问题，其技术要点是：包括控制器、电动机、极角运动机构和极径运动机构，所述控制器用于输出控制信号至电动机以控制电动机的转角和转速，电动机的转角控制极角运动机构的角位移和极径运动机构的直线位移，电动机的转速控制极角运动机构的运动角速度和极径运动机构的运动速度；所述极径运动机构的轴线即极径运动机构的运动方向与极角运动机构轴线的法平面平行，且极径运动机构和极角运动机构同时运动形成阿基米德螺旋线。有益效果是：可获得不同的阿基米德螺线运动参数，增大了机构的应用范围和灵活性。
Description
技术领域
本发明属于机械控制技术领域，涉及一种数字控制机构，广泛应用于机械制造，尤其涉及一种应用于金属切削刀具制造、刀具修磨机床等自动机械的控制和调节装置。
背景技术
金属切削刀具制造、刀具修磨，特别是齿轮刀具、成型铲齿铣刀的制造通常采用传统的铲齿车床来完成刀具毛坯的齿背铲削，形成后刀面。为了保证刀具的使用寿命和加工精度，刀具的后刀面应为阿基米德螺旋面。传统的铲齿车床，其刀架(砂轮架)通过廓线为阿基米德螺线的凸轮机构形成铲削运动。然而，凸轮机构在实际应用中存在着很大的局限性：若要改变铲背量，形成不同的后角时，需重新调整或者更换凸轮；凸轮轮廓曲线的复杂性使凸轮的加工制造和机构各部件的安装调整困难；凸轮机构是高副，接触应力大，无法传递较大的功率或力；凸轮机构在工作过程中高速运行，磨损快，长时间使用会使从动件的运动失真，因而不能应用在重复精度要求较高的场合；凸轮机构还存在压力角过大问题，为获得较好的力传递特性，只能增大凸轮的基圆半径，使凸轮体积增加，造成机构的紧凑性下降。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种阿基米德螺旋线插补机构，替代现有技术中通过铲齿车床的凸轮机构进行铲削运动以形成阿基米德螺旋线的方法，用于克服现有技术中阿基米德螺旋线加工中凸轮机构存在局限性的现象。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种阿基米德螺旋线插补机构，包括控制器、电动机、极角运动机构和极径运动机构，所述控制器用于输出控制信号至电动机以控制电动机的转角和转速，电动机的转角控制极角运动机构的角位移和极径运动机构的直线位移，电动机的转速控制极角运动机构的运动角速度和极径运动机构的运动速度；所述极径运动机构的轴线即极径运动机构的运动方向与极角运动机构轴线的法平面平行，且极径运动机构和极角运动机构同时运动形成阿基米德螺旋线。
作为技术方案的补充，所述控制器由极角控制器和极径控制器组成，所述电动机由极角驱动电动机和极径驱动电动机组成。
作为技术方案的进一步补充，所述阿基米德螺旋线插补机构还包括极角控制电机驱动器和极径控制电机驱动器；
极角控制器，其内置控制算法，用于控制极角驱动电动机的转角和转速，极角控制器通过内置的控制算法获得极角驱动电动机的转角和转速并输出所述转角和转速的控制信号至极角控制电机驱动器；
极角控制电机驱动器接收极角控制器输出的所述转角和转速的控制信号并根据所述控制信号驱动极角驱动电动机，控制极角驱动电动机的转角和转速；
极角驱动电动机，与极角运动机构连接，极角驱动电动机的转角控制极角运动机构的角位移，极角驱动电动机的转速控制极角运动机构运动的角速度；
极径控制器，其内置控制算法，用于控制极径驱动电动机的转角和转速，极径控制器通过内置的控制算法获得极径驱动电动机的转角和转速并输出所述转角和转速的控制信号至极径控制电机驱动器；
极径控制电机驱动器，接收极径控制器输出的所述转角和转速的控制信号并根据所述控制信号驱动极径驱动电动机，控制极径驱动电动机的转角和转速；
极径驱动电动机，与极径运动机构连接，极径驱动电动机的转角控制极径运动机构的直线位移，极径驱动电动机的转速控制极径运动机构的运动速度。
作为技术方案更进一步的补充，极角运动机构的运动规律为等角速度运动时，极角驱动电动机的转角由运动方程所确定；
极径运动机构的运动规律为ρ＝a+bθ时，极径驱动电动机的转角由运动方程所确定；
其中：
ρ：极径运动机构的直线位移；
t0:螺旋副传动机构的基本导程；
θ：极角运动机构的转角位移；
极径驱动电动机运动的转角；
极角驱动电动机运动的转角；
i4:极径运动机构的传动比；
i5：极角运动机构的传动比；
a、b：常数。
有益效果：
1.本发明使用控制器控制电动机，进而使用电动机控制极径运动机构和极角运动机构，实现阿基米德螺旋线插补加工，使阿基米德螺旋线加工不再使用凸轮机构，解决了现有技术中使用凸轮机构存在局限性的问题。
2.采用数字控制技术使阿基米德螺旋线插补机构具有应用灵活性；通过改变编程数据可以获得无限种阿基米德螺旋线(铲背运动规律)的预定运动规律；
3.本发明在需要改变阿基米德螺线运动参数时，只需要通过数字控制电动机的运动参数(包括转角，角速度和角加速度)即可获得不同的阿基米德螺线运动参数，增大了机构的应用范围和灵活性。
4.本发明的极径运动机构采用丝杆、螺母副，控制精度高；克服了高副的接触应力大、磨损快、从动件运动失真等不足，可以应用在重复精度要求高的场合。
附图说明
本发明共有附图2幅；
图1为本发明的结构示意图；
图2为发明实施例1的阿基米德螺旋线插补机构机械结构图。
其中：
1是控制器；
201是极径驱动电动机；
202是极角驱动电动机；
3 是同步齿形带传动机构
4 是极径运动机构；
401是极径运动机构的丝杆；
402是极径运动机构的螺母
5 是极角运动机构；
501是极角运动机构的蜗轮；
502是极角运动机构的蜗杆。
具体实施方式
为了进一步阐释本发明创造，下面结合附图及具体实施例对本发明说明。
实施例1：
一种阿基米德螺旋线插补机构，包括控制器1、电动机、极角运动机构5和极径运动机构4，还包括极角控制电机驱动器和极径控制电机驱动器；
本实施例中，控制器1采用可编程控制器，电动机是步进电机，本实施例中的阿基米德螺旋线插补机构还包括传动机构，传动机构具有两个，一个连接电动机与极角运动机构5，另一个连接电动机与极径运动机构4，该传动机构是同步齿形带传动机构3；极径运动机构4是丝杆/螺母副，(丝杆401，螺母402)；极径运动机构4和极角运动机构5安装于支撑板上。本实施例中，极角运动机构5是蜗轮/蜗杆传动机构，蜗杆502是极角运动机构5的主动件，蜗轮501是极角运动机构5的从动件，蜗轮501与蜗杆502安装于同一个轴上。
所述控制器1用于输出控制信号至电动机以控制电动机的转角和转速，控制器1由极角控制器和极径控制器组成，极角控制器，其内置控制算法，用于控制极角驱动电动机202的转角和转速，极角控制器通过内置的控制算法获得极角驱动电动机202的转角和转速并输出所述转角和转速的控制信号至极角控制电机驱动器；极径控制器，其内置控制算法，用于控制极径驱动电动机201的转角和转速，极径控制器通过内置的控制算法获得极径驱动电动机201的转角和转速并输出所述转角和转速的控制信号至极径控制电机驱动器；
所述极角控制电机驱动器接收极角控制器输出的所述转角和转速的控制信号并根据所述控制信号驱动极角驱动电动机202，控制极角驱动电动机202的转角和转速；所述极径控制电机驱动器，接收极径控制器输出的所述转角和转速的控制信号并根据所述控制信号驱动极径驱动电动机201，控制极径驱动电动机201的转角和转速；
所述电动机的转角控制极角运动机构5的角位移和极径运动机构4的直线位移，电动机的转速控制极角运动机构5的运动角速度和极径运动机构4的运动速度；电动机由极角驱动电动机202和极径驱动电动机201组成；极角驱动电动机202，与极角运动机构5连接，极角驱动电动机202的转角控制极角运动机构5的角位移，极角驱动电动机202的转速控制极角运动机构5的运动角速度；极径驱动电动机201，与极径运动机构4连接，极径驱动电动机201的转角控制极径运动机构4的直线位移，极径驱动电动机201的转速控制极径运动机构4的运动速度。
所述极径运动机构4的轴线即极径运动机构4的运动方向与极角运动机构5轴线的法平面平行，且极径运动机构4和极角运动机构5同时运动形成阿基米德螺旋线。
由于阿基米德螺旋线建立在极坐标下，极角运动机构5绕其轴线转动，极径运动机构4的轴线在极角运动机构5轴线的法平面沿着其机构的轴线即极轴运动，这就决定了本实施例中所述的阿基米德螺旋线插补运动机构。若要实现阿基米德螺旋线的加工，就必须采用极径运动机构4的轴线(极径运动机构的运动方向)与极角运动机构5轴线的法平面平行的结构，该种结构确保了本发明得以实现阿基米德螺旋线的形成。本实施例中，极角运动机构5的从动件502采用的是安装于蜗轮轴上的三爪夹盘，其轴线的法平面与极径运动机构4的丝杆401的轴线方向平行，而该轴线方向即极径运动机构4的运动方向；
本实施例中的极径运动机构4和极角运动机构5的运动参数通过控制器1编程对相应的电动机进行控制，极径运动机构4的进程、回程控制分别由控制器1编程控制电动机的正转和反转完成；进程时间、回程运动时间由控制器1编程控制电动机的转动时间确定；其它运动参数由控制器1编程的延时控制。电动机的旋转运动是由控制器1控制完成的，其运动规律由极角运动机构5和极径运动机构4的运动规律确定。
当极角运动机构5的运动规律为等角速度运动时，极角驱动电动机202的转角由运动方程所确定；
当极径运动机构4的运动规律为ρ＝a+bθ时，极径驱动电动机201的转角由运动方程所确定；
其中：
ρ：极径运动机构的直线位移；
t0:螺旋副传动机构的基本导程；
θ：极角运动机构的转角位移；
极径驱动电动机运动的转角；
极角驱动电动机运动的转角；
i4:极径运动机构的传动比；
i5：极角运动机构的传动比；
a、b：常数。
实施例2：
本实施例的技术方案与实施例1相同，区别在于:控制器1采用通用型运动控制器。电动机是伺服电动机。传动机构是齿轮传动，极径运动机构4是齿轮齿条机构，极角运动机构5是齿轮副。
实施例3：
本实施例的技术方案与实施例1相同，区别在于：传动机构是蜗轮蜗杆传动。
Claims (4)
1.一种阿基米德螺旋线插补机构，其特征在于：包括控制器、电动机、极角运动机构和极径运动机构，所述控制器用于输出控制信号至电动机以控制电动机的转角和转速，电动机的转角控制极角运动机构的角位移和极径运动机构的直线位移，电动机的转速控制极角运动机构的运动速度和极径运动机构的运动速度；所述极径运动机构的轴线即运动方向与极角运动机构轴线的法平面平行，且极径运动机构和极角运动机构同时运动合成阿基米德螺旋线。
2.如权利要求1所述的阿基米德螺旋线插补机构，其特征在于：所述控制器由极角控制器和极径控制器组成，所述电动机由极角驱动电动机和极径驱动电动机组成。
3.如权利要求2所述的阿基米德螺旋线插补机构，其特征在于：还包括极角控制电机驱动器和极径控制电机驱动器；
极角控制器，其内置控制算法，用于控制极角驱动电动机的转角和转速，极角控制器通过内置的控制算法获得极角驱动电动机的转角和转速并输出所述转角和转速的控制信号至极角控制电机驱动器；
极角控制电机驱动器接收极角控制器输出的所述转角和转速的控制信号并根据所述控制信号驱动极角驱动电动机，控制极角驱动电动机的转角和转速；
极角驱动电动机，与极角运动机构连接，极角驱动电动机的转角控制极角运动机构的角位移，极角驱动电动机的转速控制极角运动机构的运动速度；
极径控制器，其内置控制算法，用于控制极径驱动电动机的转角和转速，极径控制器通过内置的控制算法获得极径驱动电动机的转角和转速并输出所述转角和转速的控制信号至极径控制电机驱动器；
极径控制电机驱动器，接收极径控制器输出的所述转角和转速的控制信号并根据所述控制信号驱动极径驱动电动机，控制极径驱动电动机的转角和转速；
极径驱动电动机，与极径运动机构连接，极径驱动电动机的转角控制极径运动机构的直线位移，极径驱动电动机的转速控制极径运动机构的运动速度。
4.如权利要求3所述的阿基米德螺旋线插补机构，其特征在于：
极角运动机构的运动规律为等角速度运动时，极角驱动电动机的转角由运动方程所确定；
极径运动机构的运动规律为ρ＝a+bθ时，极径驱动电动机的转角由运动方程所确定；
其中：
ρ：极径运动机构的直线位移；
t0:螺旋副传动机构的基本导程；
θ：极角运动机构的转角位移；
极径驱动电动机运动的转角；
极角驱动电动机运动的转角；
i4:极径运动机构的传动比；
i5：极角运动机构的传动比；
a、b：常数。
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