CN109932810B - 一种自基准可拆卸式对刀显微镜及转接平移观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密加工与测量技术领域，公开了一种自基准可拆卸式对刀显微镜及转接平移观测方法。为解决现有技术难以满足砂轮轴截面廓形与齿槽廓形的精准对刀问题，提出了依据凸透镜的放大成像原理，在使用同倍率、同视场、同物距的对刀显微镜基础上，通过转接头自基准的安装方式，采用工字型梁转接平移的方法，结合装卸结构单点或两点的定位调整，克服了对刀显微镜的光学设计参数与内、外齿精准对刀的实际观测需求之间的矛盾，达到了砂轮轴截面廓形与齿槽廓形的精准对刀，实现了对刀显微镜结构上可拆卸和在空间紧凑的情况下易于安装调试。本发明具有结构简单紧凑、可拆卸、调节方便有效、观测误差源少等优点，具有良好的市场应用前景与推广价值。

Description

一种自基准可拆卸式对刀显微镜及转接平移观测方法

技术领域

本发明属于精密加工与测量技术领域，涉及一种自基准可拆卸式对刀显微镜及转接平移观测方法。

背景技术

对刀即在工件坐标系中使刀具的刀位点位于起刀点(对刀点)上，使其在数控程序的控制下，由此刀具所切削出的加工表面相对于定位基准有正确的尺寸关系，从而保证零件的加工精度要求。在数控加工中，对刀的基本方法有试切法、对刀显微镜对刀、ATC对刀和自动对刀等。常用的对刀显微镜有直筒型、转角型。

磨削是提高表面光洁度和精度的合适方法。为了改善表面质量和尺寸精度，磨削常被用作制造零件的最终工艺，其中数控成形磨齿机以其加工精度高、效率高、齿面修形灵活等优点成为目前齿轮加工中最受欢迎的精加工机床。成形法磨齿是基于砂轮和工件齿轮成线接触，它是将砂轮轴截面廓形修成与齿槽廓形一致(或接触线一致)，依靠砂轮廓形来保证磨削齿形精度，因此，成形砂轮轴截面廓形与齿槽廓形对刀的好坏将直接影响到工件齿轮的加工精度，还会影响数控机床的操作。

砂轮磨削组件作为成形磨齿机中较为重要的部件，其中在砂轮与工件齿轮磨削过程中，由于砂轮与工件齿轮呈线接触磨削时，对砂轮旋转主轴产生一定的冲击作用，引起砂轮旋转主轴几何偏心，导致砂轮磨削组件的振动，进而造成对砂轮动态磨削力的影响，从而产生较大的不确定的复映误差，将不利于齿面加工精度的提高，基于此，通过砂轮主轴回转运动采用柔性驱动方式，对内、外齿轮进行磨削加工将有益于改善此问题，但是，由于砂轮磨削组件中砂轮悬臂架结构的限制，且常用的对刀显微镜是通过其上固有的光轴与刀具的夹持端，采用圆柱母线进行夹持、定位，故不能满足在砂轮悬臂架结构条件下砂轮轴截面廓形与齿槽廓形精准的显微对刀需求；常用的对刀显微镜结构上不可拆卸，不能满足在结构紧凑情况下的安装调试；此外，常用的对刀显微镜还可以采用磁性表座夹持的方式进行工件对刀，此方法对工件观测基准面和对刀显微镜物镜系统基准面的平行对中比较困难；存在较大的视觉误差和安装定位误差；对结构适应性要求比较高且磁性表座难以在不导磁的结构上固定。

发明内容

为解决在成形磨齿条件下，针对砂轮磨削组件采用柔性驱动方式的情况，对内、外齿轮进行磨削加工过程中，现有技术难以满足砂轮轴截面廓形与齿槽廓形的精准对刀问题，本发明提出了依据凸透镜的放大成像原理，在使用同倍率、同视场、同物距的对刀显微镜基础上，通过砂轮悬臂架上表面自基准安装的方式以及对刀显微镜的结构优化设计，采用工字型梁转接平移的方法，结合物镜系统基于长圆孔B的导向性调节和依靠圆柱母线法的单点或两点的定位调节，克服了对刀显微镜的光学设计参数与内、外齿精准对刀的实际观测需求之间的矛盾，在拓展观测范围的同时达到了砂轮轴截面廓形与齿槽廓形的精准对刀，实现了对刀显微镜结构上可拆卸和在空间紧凑的情况下易于安装调试，满足了内、外齿磨削加工过程中随着砂轮径向磨损的动态变化对对刀显微镜视场精准平移的工况需求。

具体技术方案如下：

一种自基准可拆卸式对刀显微镜，包括：目镜系统、自基准转接头、套筒、一字螺钉、物镜系统、球头紧定螺钉。

目镜系统与自基准转接头通过十字盘头螺栓连接，套筒经颈口V型凹槽，使用球头紧定螺钉与自基准转接头通过基孔制间隙配合，达到对称180°的两点定位调节的同时也可达到与母线配合的单点定位调节，套筒与物镜系统采用过渡配合经一字螺钉连接，借助套筒长圆孔B的导向作用，自基准转接头安装基准面与物镜系统观测平面始终保持平行，可实现装卸方便、易定位可调节以及竖直方向定距调焦的功能。

目镜系统上设有目镜筒、十字分划板、调焦旋钮、转接板，其中十字分划板和调焦旋钮用于目镜系统的微调焦，转接板上设有四个光孔A，用于与自基准转接头中设有光孔B的端面同轴线连接。

自基准转接头连接目镜筒与套筒的两端面上分别设有光孔B、光孔C，沿垂直于光孔B轴线方向的端面设有螺纹孔A，用于连接目镜筒；沿平行于光孔B轴线方向的上端面设有阶梯台面，用于避免空间结构紧凑的安装调试；长方体块的下底面与自基准转接头下底面共面，用作安装与观测的自基准面；长方体块的两侧设有长圆孔A，通过十字盘头螺栓连接，用于沿砂轮轴截面对称线方向和砂轮旋转主轴轴线方向的安装调整和平移观测；沿光孔C轴线方向的两侧面上均设有螺纹孔B，通过球头紧定螺钉，用于套筒沿圆柱端截面方向和圆柱轴线方向的紧定调节。

套筒外圆柱面上沿圆周设有V型凹槽，通过球头紧定螺钉与光孔C配合，在结构上实现装卸功能，同时用于在对称180°的两点定位调节的同时也可达到与母线配合的单点定位调节；套筒圆柱面上设有长圆孔B，用于沿平行于光孔C轴线方向的竖直移动，实现辅助导向的作用。

物镜系统圆柱面上设有螺纹孔C，基于套筒上的长圆孔B的导向作用，用于连接一字螺钉，实现物镜筒沿竖直方向的上、下移动，其中一字螺钉采用耐腐耐磨的铜材料。

进一步地，上述自基准可拆卸式对刀显微镜还包括工字型转接梁；工字型转接梁上设有凹槽A、凹槽B，作为物镜筒随着自基准转接头上的长圆孔A沿砂轮轴截面对称线方向和砂轮旋转主轴轴线方向进行位置调节的移动通道；工字型转接梁端面上设有光孔D、螺纹孔D，分别用于外齿磨削时与砂轮悬臂架上表面连接和用于连接自基准转接头上的长方体块，通过转接平移观测方法，实现基于自基准面的精准对刀。

进一步地，上述一种自基准可拆卸式对刀显微镜的转接平移观测方法，包括步骤如下：

当内齿磨削精准对刀时，基于自基准面的安装，在砂轮内边缘竖直方向的下端设置白炽光源的条件下，通过自基准转接头中长方体块的下表面与砂轮悬臂架的上表面经十字盘头螺栓直接连接，先将，长方体块沿长圆孔A长轴方向的两外侧面作为沿砂轮轴截面对称线方向的参考面；再将，长方体块沿长圆孔A短轴方向的错动平移作为沿砂轮旋转主轴轴线方向的位置调整；最后，通过目镜系统观测砂轮轴截面廓形与齿槽廓形之间的光隙变化，在自基准面上，反向校核沿砂轮轴截面对称线方向和砂轮旋转主轴轴线方向的微调整，达到砂轮轴截面对称线与齿槽对称线的精准对刀；若对刀完成后，由于皮带轮、电机、皮带、砂轮悬臂架、工字型转接梁之间的空间紧凑，通过套筒与自基准转接头中的装卸结构，实现安装调试与可拆卸的功能；

当外齿磨削精准对刀时，首先，通过工字型转接梁，将对刀显微镜的安装位置转移到砂轮的外边缘相对应的位置，并且在砂轮外边缘竖直方向的下端设置白炽光源；然后，将工字型转接梁的固有高度保证在物镜筒的有效行程范围内，通过物镜筒上一字螺钉沿长圆孔B长轴方向移动，实现在观测的竖直方向上的手动机械式补偿；最后，保证长方体块下表面与砂轮悬臂架上表面的平行度，减少或者避免了其它的安装定位误差和视觉误差。

通过自基准转接头中长方体块的下表面与工字型转接梁的上表面经十字盘头螺栓直接连接，先将，长方体块沿长圆孔A长轴方向的两外侧面作为沿砂轮轴截面对称线方向的参考面；再将，长方体块沿长圆孔A短轴方向的错动平移作为沿砂轮旋转主轴轴线方向的位置调整；最后，通过目镜系统观测砂轮轴截面廓形与齿槽廓形之间的光隙变化，在自基准面上，反向校核沿砂轮轴截面对称线方向和砂轮旋转主轴轴线方向的微调整，达到砂轮轴截面对称线与齿槽对称线的精准对刀。

本发明的有益效果在于，在成形磨齿条件下，针对砂轮磨削组件采用柔性驱动方式的情况，对内、外齿轮进行磨削加工过程中，现有技术难以满足砂轮轴截面廓形与齿槽廓形的精准对刀问题，提出了一种自基准可拆卸式对刀显微镜及转接平移观测方法，依据凸透镜的放大成像原理，在使用同倍率、同视场、同物距的对刀显微镜基础上，通过转接头自基准的安装方式，采用工字型梁转接平移的方法，结合装卸结构单点或两点的定位调整，克服了对刀显微镜的光学设计参数与内、外齿精准对刀的实际观测需求之间的矛盾，达到了砂轮轴截面廓形与齿槽廓形的精准对刀，实现了对刀显微镜结构上可拆卸和在空间紧凑的情况下易于安装调试。本发明具有结构简单紧凑、可拆卸、调节方便有效、观测误差源少等优点，具有良好的市场应用前景与推广价值。

附图说明

图1自基准可拆卸式对刀显微镜。

图2转接平移观测方法。

图3目镜系统。

图4自基准转接头。

图5套筒。

图6物镜系统。

图7工字型转接梁。

图8内齿磨削时自基准可拆卸式对刀显微镜工作原理；(a)立体图，(b)主视图。

图9外齿磨削时自基准可拆卸式对刀显微镜工作原理；(a)立体图，(b)主视图。

图中：1目镜系统；1-1目镜筒；1-2十字分划板；1-3调焦旋钮；1-4转接板；1-5光孔A；2自基准转接头；2-1螺纹孔A；2-2光孔B；2-3光孔C；2-4螺纹孔B；2-5长圆孔A；2-6长方体块；2-7阶梯台面；3套筒；3-1V型凹槽；3-2长圆孔B；4一字螺钉；5物镜系统；5-1螺纹孔C；5-2物镜筒；6球头紧定螺钉；7皮带轮；8电机；9皮带；10砂轮悬臂架；11工字型转接梁；11-1光孔D；11-2凹槽A；11-3螺纹孔D；11-4凹槽B。

具体实施方式

在成形磨齿条件下，针对砂轮磨削组件采用柔性驱动方式的情况，对内、外齿轮进行磨削加工过程中，为解决现有技术难以满足砂轮轴截面廓形与齿槽廓形的精准对刀问题，利用已公开发明专利“一种用于小模数齿轮磨削的砂轮组件及装配方法(CN108500399A)”，提供的解决方案与装置结构，本发明提出了一种自基准可拆卸式对刀显微镜及转接平移观测方法，克服了对刀显微镜放大倍率、视场与物距和内、外齿精准对刀的实际观测需求之间的矛盾，在拓展观测范围的同时达到了砂轮轴截面廓形与齿槽廓形的精准对刀，实现了对刀显微镜结构上可拆卸和在空间紧凑的情况下易于安装调试，满足了内、外齿磨削加工过程中随着砂轮径向磨损的动态变化对对刀显微镜视场精准平移的工况需求。

(1)克服对刀显微镜的光学设计参数和实际观测需求之间的矛盾以及结构的优化设计

依据凸透镜的放大成像原理，在使用同倍率、同视场、同物距的对刀显微镜基础上，通过砂轮悬臂架10上表面与长方体块2-6下表面的自基准安装方式、长圆孔A2-5的导向作用和工字型转接梁11的转接平移方法，结合物镜系统5基于长圆孔B3-2的导向性调节,经球头紧定螺钉6与装卸结构的V型凹槽3-1，依靠圆柱母线法的单点或两点的定位调节，实现安装调试、观测调整及可拆卸的功能。其中，对刀显微镜的视场为3.7mm(最大4mm)；倍率为X5；实际工作距离为44-56mm；物镜长为30mm；有效工作距离为50±1mm，物镜筒5-2上一字螺钉4上下手动机械式可调6mm(留有±2mm余量)，由于光学系统不是连续调焦，但是，对于内、外齿磨削的工况而言，随着工字型转接梁11的转接平移，导致实际观测的有效工作距离增大，即在原有的实际有效工作距离基础上增加了工字型转接梁11的高度，在同样的视场和倍率条件下，难以保证原有的实际有效工作距离，致使原有的光学系统的放大倍率、视场与物距和内、外齿精准对刀的实际观测需求产生矛盾，通过一字螺钉4调节物镜系统的观测距离进行手动机械式补偿工字型转接梁11高度值4mm，再将目镜微调，克服了光学设计参数与机械结构工况需求的矛盾，实现了定距调节和精准对刀；在保证物镜筒5-2与观测位置始终平行成像基础上，避免了不必要的安装定位误差和视觉误差；此外，通过采用自基准转接头2，一方面通过转接平移方法实现自基准定位；另一方面通过阶梯台面避免了皮带轮7、电机8、皮带9、砂轮悬臂架10、工字型转接梁11之间紧凑的空间结构干涉问题，最终达到了便于调节与装卸的实际需求。

(2)内齿磨削时对刀显微镜的安装位置调整

当内齿磨削精准对刀时，基于对刀显微镜的自基准面安装，在砂轮内边缘切向的竖直下端设有白炽光源的条件下，通过长方体块2-6的下表面与砂轮悬臂架10上表面经十字盘头螺栓直接连接，先将长方体块2-6沿长圆孔A2-5长轴方向的两外侧面作为沿砂轮轴截面对称线方向的参考面；再将沿长圆孔A2-5短轴方向的错动平移作为沿砂轮旋转主轴轴线方向的位置调整；最后通过目镜系统1观测砂轮轴截面廓形与齿槽廓形之间的光隙宽窄、明暗变化情况，反向校核自基准面上沿砂轮轴截面对称线方向和砂轮旋转主轴轴线方向的微调整，达到砂轮轴截面廓形与齿槽廓形线接触的精准对刀，显微对刀完成后，由于皮带轮7、电机8、皮带9、砂轮悬臂架10、工字型转接梁11之间的空间比较紧凑，故可通过套筒3与自基准转接头的装卸结构进行拆卸，以满足实际磨削的工况需求；

(3)外齿磨削时对刀显微镜的安装位置调整

当外齿磨削精准对刀时，基于砂轮悬臂架10上表面为安装基准，利用工字型转接梁11转接平移的方法，将对刀显微镜的安装位置转移到砂轮的外边缘切向相对应的竖直位置，即一端将光孔D11-1与砂轮悬臂架10的上表面通过M3十字盘头螺丝连接，另一端通过螺纹孔D11-3与长方体块2-6连接，可通过一字螺钉4沿长圆孔B3-2的长轴方向手动机械式补偿(可调范围：±6mm)，以保证实际观测距离与实际有效行程均为50±1mm，在工字型转接梁11上下表面、长方体块2-6下表面与砂轮悬臂架10上表面之间保证一定的平行度的基础上，实现物镜系统5与观测位置始终保持平行成像，从而减少或者避免了相关的安装定位误差和视觉误差，随后外齿磨削的观测原理、方法、步骤和内齿磨削的精准对刀一致。

Claims (2)

1.一种自基准可拆卸式对刀显微镜，其特征在于，包括：目镜系统(1)、自基准转接头(2)、套筒(3)、一字螺钉(4)、物镜系统(5)、球头紧定螺钉(6)、工字型转接梁(11)；

目镜系统(1)与自基准转接头(2)通过十字盘头螺栓连接，套筒(3)经颈口V型凹槽(3-1)，使用球头紧定螺钉(6)与自基准转接头(2)通过基孔制间隙配合，套筒(3)与物镜系统(5)采用过渡配合经一字螺钉(4)连接，借助套筒(3)长圆孔B(3-2)的导向作用，自基准转接头(2)安装基准面与物镜系统(1)观测平面始终保持平行；

目镜系统(1)上设有目镜筒(1-1)、十字分划板(1-2)、调焦旋钮(1-3)、转接板(1-4)，其中十字分划板(1-2)和调焦旋钮(1-3)用于目镜系统(1)的微调焦，转接板上设有光孔A(1-5)，用于与自基准转接头(2)中设有光孔B(2-2)的端面同轴线连接；

自基准转接头(2)连接目镜筒(1-1)与套筒(3)的两端面上分别设有光孔B(2-2)、光孔C(2-3)，沿垂直于光孔B(2-2)轴线方向的端面设有螺纹孔A(2-1)，用于连接目镜筒(1-1)；沿平行于光孔B(2-2)轴线方向的上端面设有阶梯台面(2-7)，用于避免空间结构紧凑的安装调试；长方体块(2-6)的下底面与自基准转接头(2)下底面共面，用作安装与观测的自基准面；长方体块(2-6)的两侧设有长圆孔A(2-5)，通过十字盘头螺栓连接，用于沿砂轮轴截面对称线方向和砂轮旋转主轴轴线方向的安装调整和平移观测；沿光孔C(2-3)轴线方向的两侧面上均设有螺纹孔B(2-4)，通过球头紧定螺钉(6)，用于套筒(3)沿圆柱端截面方向和圆柱轴线方向的紧定调节；

套筒(3)外圆柱面上沿圆周设有V型凹槽(3-1)，通过球头紧定螺钉(6)与光孔C(2-3)配合，在结构上实现装卸功能，同时用于在对称180°的两点定位调节的同时也可达到与母线配合的单点定位调节；套筒(3)圆柱面上设有长圆孔B(3-2)，用于沿平行于光孔C(2-3)轴线方向的竖直移动，实现辅助导向的作用；

物镜系统(5)圆柱面上设有螺纹孔C(5-1)，基于套筒(3)上的长圆孔B(3-2)的导向作用，用于连接一字螺钉(4)，实现物镜筒(5-2)沿竖直方向的上、下移动；

工字型转接梁(11)上设有凹槽A(11-2)、凹槽B(11-4)，作为物镜筒(5-2)随着自基准转接头(2)上的长圆孔A(2-5)沿砂轮轴截面对称线方向和砂轮旋转主轴轴线方向进行位置调节的移动通道；工字型转接梁(11)端面上设有光孔D(11-1)、螺纹孔D(11-3)，分别用于外齿磨削时与砂轮悬臂架(10)上表面连接和用于连接自基准转接头(2)上的长方体块(2-6)，通过转接平移观测方法，实现基于自基准面的精准对刀。

2.权利要求1所述的一种自基准可拆卸式对刀显微镜的转接平移观测方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)当内齿磨削精准对刀时，基于自基准面的安装，在砂轮内边缘竖直方向的下端设置白炽光源的条件下，通过自基准转接头(2)中长方体块(2-6)的下表面与砂轮悬臂架(10)的上表面经十字盘头螺栓直接连接，先将，长方体块(2-6)沿长圆孔A(2-5)长轴方向的两外侧面作为沿砂轮轴截面对称线方向的参考面；再将，长方体块(2-6)沿长圆孔A(2-5)短轴方向的错动平移作为沿砂轮旋转主轴轴线方向的位置调整；最后，通过目镜系统(1)观测砂轮轴截面廓形与齿槽廓形之间的光隙变化，在自基准面上，反向校核沿砂轮轴截面对称线方向和砂轮旋转主轴轴线方向的微调整，达到砂轮轴截面对称线与齿槽对称线的精准对刀；若对刀完成后，由于皮带轮(7)、电机(8)、皮带(9)、砂轮悬臂架(10)、工字型转接梁(11)之间的空间紧凑，通过套筒(3)与自基准转接头(2)中的装卸结构，实现安装调试与可拆卸的功能；

(2)当外齿磨削精准对刀时，首先，通过工字型转接梁(11)，将对刀显微镜的安装位置转移到砂轮的外边缘相对应的位置，并且在砂轮外边缘竖直方向的下端设置白炽光源；然后，将工字型转接梁(11)的固有高度保证在物镜筒(5-2)的有效行程范围内，通过物镜筒(5-2)上一字螺钉(4)沿长圆孔B(3-2)长轴方向移动，实现在观测的竖直方向上的手动机械式补偿；最后，保证长方体块(2-6)下表面与砂轮悬臂架(10)上表面的平行度；

通过自基准转接头(2)中长方体块(2-6)的下表面与工字型转接梁(11)的上表面经十字盘头螺栓直接连接，先将，长方体块(2-6)沿长圆孔A(2-5)长轴方向的两外侧面作为沿砂轮轴截面对称线方向的参考面；再将，长方体块(2-6)沿长圆孔A(2-5)短轴方向的错动平移作为沿砂轮旋转主轴轴线方向的位置调整；最后，通过目镜系统(1)观测砂轮轴截面廓形与齿槽廓形之间的光隙变化，在自基准面上，反向校核沿砂轮轴截面对称线方向和砂轮旋转主轴轴线方向的微调整，达到砂轮轴截面对称线与齿槽对称线的精准对刀。

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