CN109079260B - 一种圆柱齿轮偏心定位装置及数控倒角算法 - Google Patents

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Abstract

一种圆柱齿轮偏心定位装置及数控倒角算法，能够满足圆柱齿轮的快速定位装夹和数控倒角要求。所述的圆柱齿轮偏心定位装置包括：径向推力油缸(1)、直线位移传感器(2)、径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)、第二定位轮(5)、外齿轮的定位基准圆(6)和内齿轮的定位基准圆(7)。径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)直径相同，根据圆柱齿轮的规格大小进行校正和标定，再通过径向推力油缸(1)推动径向张紧轮(3)使得齿轮定位基准圆满足三点定位原则，并通过直线位移传感器(2)自动测得油缸行程，从而计算出齿轮的偏心量。本发明的圆柱齿轮定位精度高，夹紧快速可靠，成本低；同时降低了圆柱齿轮批量倒角的辅助工时，提高了倒角效率。

Description

一种圆柱齿轮偏心定位装置及数控倒角算法
技术领域
本发明涉及一种圆柱齿轮的自动定位装置，尤其是一种能够自动偏心定位的装置及齿轮偏心的数控倒角算法，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。
技术背景
大规格齿轮一般采用立式加工和数控加工方式，包括立车、立磨、铣齿机、滚齿机、插齿机、磨齿机、钻孔机、倒角机等，他们有一个共同特点，就是工件需要跟回转工作台校同心，径跳不符要求会影响加工精度。目前，国内大多数企业还是采用人工校正和夹紧工件的方法，效率较低；仅少部分企业齿轮加工的部分关键工序采用了自动定心工装来满足齿轮的自动定位和装夹，但这种类型的自动定心夹具一般规格都偏小、通用性差且成本非常高，这也是制约圆柱齿轮批量化生产效率和加工自动化的关键问题。
其中，齿轮的数控倒角是一种高效高精度齿轮倒角工艺，也是齿轮热处理前的一道辅助工序；数控倒角可以实现机器换人，提升齿轮倒角质量，从而确保齿轮的外观和热处理质量。但齿轮倒角采用传统的人工校正工件的方法效率很低，使得数控倒角的高效率优点发挥大打折扣。
自动定心的齿轮定位方法对齿轮的定位基准精度要求较高，而对于像回转支承一类的圆柱齿轮，径向基准的直径公差范围非常大(一般可达1mm以上)，工件的圆柱度也较大(一般可达0.2mm以上)，如果采用刚性定位块进行定位需要预留较大的间隙，还是需要人工校正；而如果采用自动定心装置进行定位成本过高。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，提出了一种全新的圆柱齿轮偏心定位方法，并设计出具有高效高精度自动定位和夹紧的装置，结构简单，成本低，能够自动测量齿圈相对转台中心的偏心量和相位；在此基础上给出齿轮偏心定位的数控倒角刀位轨迹算法。本发明省去了圆柱齿轮的人工校正和装夹的过程，降低了齿轮校正基准的精度要求，能够大幅提高数控倒角的效率，为全面实现“机器换人”的目标提供了一种全新的齿轮定位装夹工艺和装备，属国内首创。
本发明的技术方案如下：
一种圆柱齿轮偏心定位装置，包括：径向推力油缸(1)、直线位移传感器(2)、径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)、第二定位轮(5)、外齿轮的定位基准圆(6)和内齿轮的定位基准圆(7)；径向推力油缸(1)分别与径向张紧轮(3)和直线位移传感器(2)连接，三者共同设置在同一工装上；径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)相对转台回转中心均匀布置，相互之间呈120°夹角；径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)直径相同；第一定位轮(4)和第二定位轮(5)中心位置固定，并与圆柱齿轮偏心轴线对称。
所述径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)需要根据圆柱齿轮的规格大小进行校正和标定，通过径向推力油缸(1)推动径向张紧轮(3)使得齿轮周向满足三点定位原则并对应确定的偏心量e，偏心方向与径向张紧轮(3)的张紧方向相同。
所述的偏心量e可以通过直线位移传感器(2)自动测得油缸行程L并换算而得，通过理论计算得到关系式：e＝2/3L。
一种圆柱齿轮偏心定位数控倒角算法，包括偏心量e换算的步骤：所述的偏心量e可以通过直线位移传感器(2)自动测得油缸行程L并换算，以外齿轮自动定位分析其具体原理，偏心定位后的外齿轮的内圈从理论位置(15)到达偏心位置(16)，原来的工件中心从O点偏心后达到O1点，对于直角三角形O1AC：O1A＝R-a，O1C＝e+(r-a)/2，
Figure BDA0001752930030000021
令圆(14)与圆(15)的单侧间隙Δ＝R-r，r0＝r-a，则：
Figure BDA0001752930030000022
Figure BDA0001752930030000023
若e/r0趋于无穷小，Δ/e＝0.5，以此作为理论值；
油缸总行程L＝Δ+e，则油缸行程L与偏心量e满足：e＝2/3L。
还包括基于齿轮偏心量的数控倒角刀位轨迹补偿的换算步骤：
所述的基于齿轮偏心量的数控倒角刀位轨迹补偿换算是基于极坐标系的工作原理，将含有偏心量e的任意刀位轨迹上的点坐标进行坐标变换。以外齿轮自动定位(内圈定位)为例分析，假设无偏心量的理论刀位点的直角坐标(x，y)，在工件沿着-x向偏心e之后，刀位点的坐标更新为(x-e，y)，转换为极坐标：
极径：
Figure BDA0001752930030000031
极角：
Figure BDA0001752930030000032
还包括所述的圆柱齿轮通过偏心定位装置自动夹紧的步骤：
分为五步：
(1)根据圆柱齿轮的类型和规格调整定位夹紧装置的布置；
(2)将批量加工的外齿轮吊装进工装内，根据外齿轮的定位基准圆(15)调整径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)的位置，径向张紧轮处于缩回状态，校正三个滚轮的外边缘(14)与转台回转中心O处于同心，并且确保滚轮与定位基准圆(15)的单侧间隙Δ≤2.5mm；
(3)当径向张紧轮(3)张紧到位后，外齿轮的定位基准圆处于位置(16)，采用三组同步转角油缸(13)进行齿圈的端面夹紧；
(4)在转角油缸夹紧到位后，读取径向推力油缸(1)的行程L，自动计算出外齿轮的偏心量e＝2/3L，并通过PLC赋值给系统变量；
(5)按照偏心倒角程序进行齿轮齿廓和齿向的数控倒角，倒角完成后，先松开三组同步转角油缸(13)，再通过径向推力油缸(1)控制径向张紧轮(3)缩回，外齿轮便可以轻松吊出；
所述的圆柱齿轮偏心定位装置可以同时满足内齿和外齿的定位夹紧要求，只需要将牛腿(10)上的径向推力油缸(1)、直线位移传感器(2)、径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)、第二定位轮(5)和转角油缸(13)调整方向，并通过牛腿径向调节装置(9)调节三个滚轮的位置，做好标定，就可以方便地进行偏心量的自动测量和工件的自动定位装夹。
本发明的有益效果是：
本发明的一种圆柱齿轮偏心定位装置，主要突出优点在于：
圆柱齿轮的定位完全实现自动化，降低了对齿轮周向定位基准的尺寸公差范围要求，齿轮定位精度高，夹紧快速可靠，成本低；偏心定位后的刀位轨迹通过极坐标变换算法，满足圆柱齿轮的两侧端面齿廓和齿向倒角要求，降低了圆柱齿轮批量倒角的辅助工时，提高了倒角效率。
(1)圆柱齿轮的定位和夹紧可实现完全自动化，省去人工校正和夹紧；
(2)齿轮的偏心定位对应的偏心量可借助位移传感器自动测量并直接换算而得，这也是本发明的偏心定位算法的核心；
(3)偏心的刀位轨迹可以满足圆柱齿轮的两侧端面齿廓和齿向倒角要求，并且降低了数控倒角对齿轮定位基准的精度要求；
(4)圆柱齿轮的偏心定位装置结构简单、定位精度高、速度快、成本低。
附图说明
图1为本发明的外齿轮内圈自动定位的结构原理图。
图2为本发明的外齿轮内圈自动夹紧的结构原理图。
图3为本发明的内齿轮外圈自动定位的结构原理图。
图4为本发明的内齿轮外圈自动夹紧的结构原理图。
图中部件说明：1为径向推力油缸，2为直线位移传感器，3为径向张紧轮，4为第一定位轮，5为第二定位轮，6为外齿轮的定位基准圆，7为内齿轮的定位基准圆，8为数控回转台，9为牛腿径向调节装置，10为牛腿(数量3)，11为旋转油缸，12为旋转分油块，13为转角油缸；14为滚轮外边缘所在的圆，15为理论状态下的外齿轮定位基准圆，16为张紧后的外齿轮内圆轮廓；17为滚轮内边缘所在的圆，18为理论状态下的内齿轮定位基准圆，19为张紧后的内齿轮外圆轮廓。
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4，一种圆柱齿轮偏心定位装置及数控倒角算法，其特征在于基于圆柱齿轮的圆周方向三点定位原理，利用偏心定位装置对圆柱齿轮进行快速定位和夹紧，基于不同偏心量的倒角刀位轨迹算法可满足圆柱齿轮双侧齿廓和齿向的倒角要求。
实施例一。
一种圆柱齿轮偏心定位装置，其特征在于包括：径向推力油缸(1)、直线位移传感器(2)、径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)、第二定位轮(5)、外齿轮的定位基准圆(6)和内齿轮的定位基准圆(7)；径向推力油缸(1)分别与径向张紧轮(3)和直线位移传感器(2)连接，三者共同设置在同一工装上；径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)相对转台回转中心均匀布置，相互之间呈120°夹角；径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)直径相同；第一定位轮(4)和第二定位轮(5)中心位置固定，并与圆柱齿轮偏心轴线对称。
这样的结构布置有两大优点：一是通过径向推力油缸(1)推动径向张紧轮(3)使得齿轮周向满足三点定位原则并对应确定的偏心量e，偏心方向与径向张紧轮(3)的张紧方向相同；二是工件定位过程始终处于轴对称线上，因此偏心的方向是确定的。
实施例二。
一种圆柱齿轮偏心定位数控倒角算法，其特征在于包括偏心量e换算的步骤：
所述的偏心量e可以通过直线位移传感器(2)自动测得油缸行程L并换算，以外齿轮自动定位(内圈定位)分析其具体原理，如图1。偏心定位后的外齿轮的内圈从理论位置(15)到达偏心位置(16)，原来的工件中心从O点偏心后达到O1点，对于直角三角形O1AC：O1A＝R-a，O1C＝e+(r-a)/2，
Figure BDA0001752930030000051
令圆14与圆15的单侧间隙Δ＝R-r，r0＝r-a，则：
Figure BDA0001752930030000052
Figure BDA0001752930030000053
若e/r0趋于无穷小，Δ/e＝0.5，以此作为理论值。
油缸总行程L＝Δ+e，则油缸行程L与偏心量e满足：e＝2/3L。
实施例三。
还包括基于齿轮偏心量的数控倒角刀位轨迹补偿的换算步骤：
所述的基于齿轮偏心量的数控倒角刀位轨迹补偿换算是基于极坐标系的工作原理，将含有偏心量e的任意刀位轨迹上的点坐标进行坐标变换。以外齿轮自动定位(内圈定位)为例分析，假设无偏心量的理论刀位点的直角坐标(x，y)，在工件沿着-x向偏心e之后，刀位点的坐标更新为(x-e，y)，转换为极坐标：
极径：
Figure BDA0001752930030000061
极角：
Figure BDA0001752930030000062
本算法简单、直观、有效，不需要知道精确的R和r值，而仅需知道油缸顶出距离L(位移传感器直接测量得出)，这样可以直接计算出偏心量e；最为主要的是，r在一定范围内变动本算法都适用，因此在批量加工过程中降低了对定位基准的精度要求，也不需要进行测量。
在实际的定位过程中，通过上述算法得出的偏心量e是有误差的，主要误差源来源于e/r0的比值，e/r0越大，e的误差越大；当e/r0超过一定范围时，需要对算法进行一定的修正。考虑到实际工程应用的便捷性，对不同的e/r0进行误差分析(以r0＝500mm为例进行分析比较)，见表1。
表1不同的偏心量对应的间隙与偏心量比值系数(r0＝500mm)
序号 e/r<sub>0</sub> Δ/e 理论的Δ值 实际的Δ值 Δ值误差
1 0.01 0.5037313 2.5mm 2.518656mm 0.018656mm
2 0.02 0.5074252 5mm 5.074252mm 0.074252mm
3 0.03 0.5110819 7.5mm 7.666229mm 0.166229mm
由表1可知：当e/r0＝0.01时，Δ值误差在0.02mm以内；Δ＝2.5mm时，实际的偏心量e值误差在0.04mm以内，满足倒角要求。
实施例四。
所述的圆柱齿轮偏心定位装置同时具有自动夹紧功能，定位夹紧过程分为五步(以外齿轮为例进行说明，如图1、2，内齿轮的过程与之类似)：
(1)根据圆柱齿轮的类型和规格调整定位夹紧装置的布置；
(2)将批量加工的外齿轮吊装进工装内，根据外齿轮的定位基准圆15调整径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)的位置，径向张紧轮处于缩回状态，校正三个滚轮的外边缘14与转台回转中心O处于同心，并且确保滚轮与定位基准圆的单侧间隙Δ≤2.5mm；
(3)当径向张紧轮(3)张紧到位后，外齿轮的定位基准圆处于位置16，采用三组同步转角油缸(13)进行齿圈的端面夹紧；
(4)在转角油缸夹紧到位后，读取径向推力油缸(1)的行程L，自动计算出外齿轮的偏心量e＝2/3L，并通过PLC赋值给系统同变量；
(5)按照偏心倒角程序进行齿轮齿廓和齿向的数控倒角，倒角完成后，先松开三组同步转角油缸(13)，再通过径向推力油缸(1)控制径向张紧轮(3)缩回，外齿轮便可以轻松吊出。
所述的圆柱齿轮偏心定位装置可以同时满足内齿和外齿的定位夹紧要求，只需要将牛腿(10)上的径向推力油缸(1)、直线位移传感器(2)、径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)、第二定位轮(5)和转角油缸(13)调整方向，并通过牛腿径向调节装置(9)调节三个滚轮的位置，做好标定，就可以方便地进行偏心量的自动测量和工件的自动定位装夹。数控回转台(8)上设有旋转分油块(12)。
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 (4)

1.一种圆柱齿轮偏心定位装置，其特征在于包括：径向推力油缸(1)、直线位移传感器(2)、径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)、第二定位轮(5)、外齿轮的定位基准圆(6)和内齿轮的定位基准圆(7)；径向推力油缸(1)分别与径向张紧轮(3)和直线位移传感器(2)连接，三者共同设置在同一工装上；径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)相对转台回转中心均匀布置，相互之间呈120°夹角；径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)直径相同；第一定位轮(4)和第二定位轮(5)中心位置固定，并与圆柱齿轮偏心方向对称；所述径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)需要根据圆柱齿轮的规格大小进行校正和标定，通过径向推力油缸(1)推动径向张紧轮(3)使得齿轮周向满足三点定位原则并对应确定的偏心量e，偏心方向与径向张紧轮(3)的张紧方向相同。
2.一种圆柱齿轮偏心定位数控倒角算法，其特征在于包括偏心量e换算的步骤：所述的偏心量e可以通过直线位移传感器(2)自动测得油缸行程L并换算，以外齿轮自动定位分析其具体原理，偏心定位后的外齿轮的内圈从理论状态下的外齿轮定位基准圆(15)到达张紧后的外齿轮内圆轮廓(16)，原来的工件中心从O点偏心后达到O1点，对于直角三角形O1AC：O1A＝R-a，O1C＝e+(r-a)/2，
Figure FDA0002857459650000011
令滚轮外边缘所在的圆(14)与理论状态下的外齿轮定位基准圆(15)的单侧间隙Δ＝R-r，r0＝r-a，则：
Figure FDA0002857459650000012
Figure FDA0002857459650000013
若e/r0趋于无穷小，Δ/e＝0.5，以此作为理论值；
油缸总行程L＝Δ+e，则油缸行程L与偏心量e满足：e＝2/3L；
字母R、r分别代表滚轮外边缘所在的圆(14)和理论状态下的外齿轮定位基准圆(15)的半径；
A代表第一定位轮(4)的圆心；
C代表AB与过O点的水平线的交点，其中B为第二定位轮(5)的圆心；
AC代表A点与C点之间的距离；
a代表径向张紧轮(3)的半径。
3.根据权利要求2所述的圆柱齿轮偏心定位数控倒角算法，其特征在于还包括基于齿轮偏心量的数控倒角刀位轨迹补偿的换算步骤：
所述的基于齿轮偏心量的数控倒角刀位轨迹补偿换算是基于极坐标系的工作原理，将含有偏心量e的任意刀位轨迹上的点坐标进行坐标变换；以外齿轮自动定位为例分析，假设无偏心量的理论刀位点的直角坐标(x，y)，在工件沿着-x向偏心e之后，刀位点的坐标更新为(x-e，y)，转换为极坐标：
极径：
Figure FDA0002857459650000021
极角：
Figure FDA0002857459650000022
4.根据权利要求2所述的圆柱齿轮偏心定位数控倒角算法，其特征在于还包括所述的圆柱齿轮通过如权利要求1所述偏心定位装置自动夹紧的步骤：
分为五步：
(1)根据圆柱齿轮的类型和规格调整定位夹紧装置的布置；
(2)将批量加工的外齿轮吊装进工装内，根据理论状态下的外齿轮定位基准圆(15)调整径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)和第二定位轮(5)的位置，径向张紧轮处于缩回状态，校正三个滚轮的滚轮外边缘所在的圆(14)与转台回转中心O处于同心，并且确保滚轮与定位基准圆的单侧间隙Δ≤2.5mm；
(3)当径向张紧轮(3)张紧到位后，外齿轮的定位基准圆处于张紧后的外齿轮内圆轮廓(16)，采用三组同步转角油缸(13)进行齿圈的端面夹紧；
(4)在转角油缸夹紧到位后，读取径向推力油缸(1)的行程L，自动计算出外齿轮的偏心量e＝2/3L，并通过PLC赋值给系统同变量；
(5)按照偏心倒角程序进行齿轮齿廓和齿向的数控倒角，倒角完成后，先松开三组同步转角油缸(13)，再他通过径向推力油缸(1)控制径向张紧轮(3)缩回，外齿轮便可以轻松吊出；
所述的圆柱齿轮偏心定位装置可以同时满足内齿和外齿的定位夹紧要求，只需要将牛腿(10)上的径向推力油缸(1)、直线位移传感器(2)、径向张紧轮(3)、第一定位轮(4)、第二定位轮(5)和转角油缸(13)调整方向，并通过牛腿径向调节装置(9)调节三个滚轮的位置，做好标定，就可以方便地进行偏心量的自动测量和工件的自动定位装夹。
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