CN109227241B - 摆动式偏心内圆联动磨削方法 - Google Patents

摆动式偏心内圆联动磨削方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种摆动式偏心内圆联动磨削方法，其以工件旋转机构带动工件绕C轴摆动，在工件摆动的同时，以磨具进给机构带动磨具在偏心内圆孔内的X轴方向上往复移动，使磨具相对于工件的磨削轨迹为相应偏心内圆的内圆磨削轨迹，直至磨削出所需的偏心内圆，在工件绕C轴的一个摆动周期中，磨具在偏心内圆孔优选沿同一周向移动方向磨削内圆孔一周，所述工件旋转机构优选采用力矩电机驱动并设有用于采集实时旋转角度数据的角度光栅尺，所述磨具进给机构采用直线电机驱动，其导轨优选采用静压导轨。采用这种加工方法无需对偏心内圆设计和制备专用的偏心卡具，加工耗时短，效率高，磨床占用量小，且有利于提高工件的加工精度。

Description

摆动式偏心内圆联动磨削方法
技术领域
本发明涉及一种摆动式偏心内圆联动磨削方法，属机械加工技术领域。
背景技术
偏心内圆工件上通常设有多个偏心内圆，例如RV减速器的行星支架有3个偏心内圆，现有技术下，磨削加工内圆的方式是以工件旋转机构(例如头架和卡盘等)带动工件绕所要加工的内圆中心(中心轴线)旋转，同时以磨具进给机构(例如工作台和砂轮架等)带动磨具在偏心内圆孔(可预加工形成，也可磨削而成)内沿内圆的径向(可称为X轴方向)移动，并可以依据工艺要求做轴向移动以进行所需的轴向磨削或者不做轴向磨削，由此使得磨具相对于工件在轴向投影面上的磨削轨迹为逐渐扩展的圆形轨迹(可称为该偏心内圆的内圆磨削轨迹)，直至达到设定的内圆磨削内径，由于偏心内圆的中心轴线与工件旋转机构的旋转中心轴线(可称为C轴，或简称为工件中心)不重叠，需要针对所加工的偏心内圆制备专门的夹具(可称为偏心卡具)，借助偏心卡具使偏心内圆的中心轴线恰好位于工件旋转机构的旋转中心轴线上，工件旋转机构带动工件绕所要加工的偏心内圆中心(指中心轴线)旋转，磨具在X轴方向上做进给插补即可完成工件加工。这种偏心内圆的磨削加工方法具有明显的缺陷：由于需要对每个偏心内圆制备一套专用的偏心卡具，导致较高的工装成本；基于作业上的便利，一套偏心卡具安装在一个磨床上，每个偏心内圆都要配备一台带有相应偏心卡具的磨床，设备的投资大，占地面积大，对厂房的投入高；由于加工过程中工件需多次装夹定位，存在多次定位的误差；当加工不同品种的工件时，需更换偏心夹头；当工件更新升级时，需要重新设计制造偏心夹具，费用高并花费大量的机床调整时间；另外专用卡具本身的精度限制也影响了工件的加工精度。由此，导致产品的加工精度低，加工效率低，且辅助时间长，设备和场地投资大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种摆动式偏心内圆联动磨削方法，采用这种加工方法无需对偏心内圆设计和制备专用的偏心卡具，加工耗时短，效率高，磨床占用量小，且有利于提高工件的加工精度。
本发明的技术方案是：一种摆动式偏心内圆联动磨削方法，其以工件旋转机构带动工件绕C轴摆动，在工件摆动的同时，以磨具进给机构带动磨具在偏心内圆孔内的X轴方向上往复移动，使磨具相对于工件的磨削轨迹为相应偏心内圆的内圆磨削轨迹，直至磨削出所需的偏心内圆。
可以依据下列方式(控制模型)确定工件旋转角度与磨具移动距离之间的关系：
Figure BDA0001865022510000021
Figure BDA0001865022510000022
其中，R为所加工的偏心内圆中心与实时磨削点之间的间距，即实时磨削的偏心内圆孔半径，r为磨具的半径，L为偏心内圆中心与旋转中心(工件旋转中心或工件旋转机构的旋转中心，即C轴位置)之间的间距，α为工件的实时摆动角度(偏心内圆中心与旋转中心之间的连线相对于X轴方向的角度)，X左为磨具磨削偏心内圆孔的左侧时与旋转中心之间的距离，X右为磨具磨削偏心内圆孔的右侧时与旋转中心之间的距离。
在工件绕C轴的一个摆动周期中，磨具优选在偏心内圆孔沿同一周向移动方向磨削内圆孔一周，磨具相对于偏心内圆孔的周向移动方向不变，以避免换向误差。
可以通过工件绕C轴摆动速度和磨具在偏心内圆孔内的X轴方向上移动速度的配合等适宜方式实现恒线速度磨削，以避免因线速度(磨具与工件相互接触的磨削部位之间的相对移动速度)不恒定导致的不同部位磨削量差异。
可以设置光磨步骤，通过光磨消除因之前磨削步骤中因线速度不恒定导致的不同部位磨削量差异。
可以依据磨削线速度与磨削量之间的关系调整磨具的控制位移量，以通过磨具与工件(偏心内圆孔孔壁)之间压力的改变补偿因线速度差异导致的磨削量误差，以提高磨削精度。
所述工件旋转机构优选采用力矩电机驱动。
所述工件旋转机构优选设有用于采集实时旋转角度数据的角度光栅尺，以角度光栅尺采集的实时旋转角度进行旋转角度或速度的控制，以提高控制精度。
所述磨具进给机构采用直线电机驱动。
所述磨具进给机构的移动部和固定部之间的导轨优选采用静压导轨。
当同一工件上设有多个偏心内圆时，可以将工件一次性装夹在同一磨床上进行各偏心内圆的磨削加工。
依据磨削精度要求，同一偏心内圆的磨削分为多个磨削过程，不同磨削过程采用不同的磨削速度和磨削精度，例如，粗磨、半精磨和精磨等，各磨削过程的磨削精度依次提高，以提高效率并保证精度。
本发明的有益效果是：通过工件C向摆动和磨具X向往复移动的相互配合，使磨具在偏心内圆孔内相对于工件的运动轨迹恰好与现有技术下工件绕偏心内圆中心(偏心内圆中心轴线)的加工方式下磨具相对于工件的磨削轨迹相同，由此无需针对偏心内圆设计专门的卡具，无需在磨削过程中使工件绕特定偏心内圆的中心旋转，就可以磨削出所需的偏心内圆，当工件设有多个偏心内圆时，只要控制工件和磨具的协同移动方式，就能够在同一个磨床上加工不同的偏心内圆，且只需要在该磨床上一次装夹定位，由此节省了所需的磨床数量，且避免了因多次装夹定位带来的误差，避免了因专用偏心夹具自身精度对加工精度的影响，由此不仅提高了产生效率，节省了生产成本和生产线的建设成本，而且还有利于提高偏心内圆的加工精度。
附图说明
图1是工件和磨具构造及运动方式的示意图；
图2是一个运动周期内工件和磨具相对位置和运动过程的一种实施方式的示意图；
图3工件与磨具运动配合方式或控制模型的计算原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，本发明以X-C联动的方式对偏心内圆进行磨削加工，在磨削过程中，以工件11的中心轴线为旋转轴线(C轴)12，通过工件旋转机构10(图中只显示卡爪)带动工件绕C轴进行摆动，同时通过磨具进给机构30带动磨具31在偏心内圆孔20内在X轴方向进行往复移动，工件和磨具均按规定的路径进行运动，两者运动的合成，使得磨具相对于工件的磨削轨迹与现有技术下磨具相对于工件的磨削轨迹相同或达到相同的磨削效果，由此在不设置偏心卡具的情况下同样能够加工出所需的偏心内圆。
参见图3，在现有技术背景和控制方式下，可以利用几何关系中的余弦定理，推导出基本计算原理，将粗精光等磨削循环与数学模型融合，推导出偏心圆加工的数学模型，利用Matlab仿真加工轨迹，同时借助Solid Works的Motion插件，进行三维实体加工仿真。
获得的控制模型(数学模型)为：
Figure BDA0001865022510000051
Figure BDA0001865022510000052
参见图3，A点为旋转中心(或称中心轴线，下同)或者摆动中心，工件在工件旋转机构的带动下绕此点摆动，B点为偏心内圆中心、C点为磨具中心，当磨具在磨具进给机构带动下沿X轴方向往复移动时，该点始终在X轴线上，D点为实时磨削点，为磨具与偏心内圆孔之间的实时接触部位，E点为工件的外缘，∠BAC即为工件旋转角度α，线段AB为偏心内圆中心与旋转中心之间的距离L，线段BD为实时的偏心内圆孔半径R，线段CD为磨具(通常为砂轮)半径。
其中，
Figure BDA0001865022510000053
根据工件实际的旋转情况，
当磨具中心在偏心孔左侧时：
Figure BDA0001865022510000061
当磨具中心在偏心孔右侧时：
Figure BDA0001865022510000062
设磨具位移为X，工件旋转角度为α，将上式与磨床坐标对应起来，即获得上述数学模型。
考虑磨床对精度的要求较高，因此本发明对两轴运动的快速响应提出了较高的要求，其中，X轴上的磨具要做连续的往复运动，若磨具进给机构的采用普通的丝杠传动，反向间隙问题难以完美的解决，因此，X轴采用直线电机驱动方式，彻底消除了反向间隙问题，磨具进给机构的导轨选用静压导轨，以最大程度降低了磨具进给机构的摩擦力，提高了磨具进给机构快速响应能力。C轴方向的工件摆动，需要按照计算的角度要连续进行摆动，普通皮带传动或齿轮传动方式，快速响应效率低，不能满足要求，在长时间的工作中，反向间隙问题也是难以完全消除，因此，工件旋转机构采用力矩电机和角度光栅尺组合配置来保证工件的摆动精度。
通常，偏心内圆工件上通常设置有多个偏心内圆，例如RV减速器的行星支架有3个偏心内圆，可以将偏心内圆工件一次装夹后，在同一磨床上完成多个偏心内圆的高效、精密磨削，既减少了工件装卡时间又提高了产品精度，具有良好的柔性特点和高精、高效的特征。
考虑到在换向时，各轴速度变化对加工精度的影响，例如：较高的X轴和C轴的加速度响应。对于该项技术的随动误差，可引入智能优化算法进行磨削量的补充，通过利用现有控制系统的自学习功能，使机床在随动过程中的加工误差自动优化，经过申请人在外圆磨削机床上的长期验证，能够得到了很好的优化效果。
本说明书所称偏心内圆孔是指加工过程中工件上用于加工形成相应偏心内圆的孔。
涉及平面分析和平面计算时，相关中心轴线(或简称中心)的位置是指该中心轴线在该平面上的位置(即该中心轴线与该平面交点的位置)。
本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。

Claims (8)

1.一种摆动式偏心内圆联动磨削方法，其特征在于以工件旋转机构带动工件绕C轴摆动，在工件摆动的同时，以磨具进给机构带动磨具在偏心内圆孔内的X轴方向上往复移动，使磨具相对于工件的磨削轨迹为相应偏心内圆的内圆磨削轨迹，直至磨削出所需的偏心内圆，在工件绕C轴的一个摆动周期中，磨具在偏心内圆孔沿同一周向移动方向磨削内圆孔一周，依据磨削线速度与磨削量之间的关系调整磨具的控制位移量，以通过磨具与工件之间压力的改变补偿因线速度差异导致的磨削量误差，A点为摆动中心，工件在工件旋转机构的带动下绕此点摆动，B点为偏心内圆中心、C点为磨具中心，当磨具在磨具进给机构带动下沿X轴方向往复移动时，C点始终在X轴线上，D点为实时磨削点，为磨具与偏心内圆孔之间的实时接触部位，E点为工件的外缘，∠BAC即为工件旋转角度，线段AB为偏心内圆中心与旋转中心之间的距离，线段BD为实时的偏心内圆孔半径，线段CD为磨具半径。
2.如权利要求1所述的磨削方法，其特征在于依据下列方式确定工件旋转角度与磨具移动距离之间的关系：
Figure FDA0002739143210000011
Figure FDA0002739143210000012
其中，R为所加工的偏心内圆中心与实时磨削点之间的间距，r为磨具的半径，L为偏心内圆中心与旋转中心之间的间距，α为工件的实时摆动角度，X左为磨具磨削偏心内圆孔的左侧时与旋转中心之间的距离，X右为磨具磨削偏心内圆孔的右侧时与旋转中心之间的距离。
3.如权利要求1－2任一所述的磨削方法，其特征在于所述工件旋转机构采用力矩电机驱动。
4.如权利要求3所述的磨削方法，其特征在于所述工件旋转机构设有用于采集实时旋转角度数据的角度光栅尺，以角度光栅尺采集的实时旋转角度进行旋转角度或速度的控制。
5.如权利要求1－2任一所述的磨削方法，其特征在于所述磨具进给机构采用直线电机驱动。
6.如权利要求5所述的磨削方法，其特征在于所述磨具进给机构的移动部和固定部之间的导轨采用静压导轨。
7.如权利要求1－2任一所述的磨削方法，其特征在于当同一工件上设有多个偏心内圆时，将工件一次性装夹在同一磨床上进行各所述偏心内圆的磨削加工。
8.如权利要求7所述的磨削方法，其特征在于同一偏心内圆的磨削分为多个磨削过程，不同磨削过程采用不同的磨削速度和磨削精度，各磨削过程的磨削精度依次提高。
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