CN110045687A - 渐开线插补控制成型方法 - Google Patents

Abstract

渐开线插补控制成型方法,属于机械控制领域，为了解决精确控制形成渐开线轨迹的问题，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，控制器由展角控制器和发生线控制器组成；展角控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至展角控制电机驱动器；发生线控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至发生线控制电机驱动器；效果是提高了渐开线轨迹控制精度。

Description

渐开线插补控制成型方法

技术领域

本发明属于机械控制领域，涉及一种渐开线插补装置及控制成型方法。

背景技术

机械制造的渐开线齿轮加工通常采用展成法或者成型法。展成法一般使用渐开线齿轮切削机床，如滚齿机或者插齿机；渐开线齿轮切削机床的传动链长，结构复杂使机床的加工精度下降；因此齿轮的制造精度下降。此外渐开线齿轮切削刀具结构非常复杂，其刀具制造、刀具修磨工艺复杂技术要求高。而成型法是采用渐开线刃形的专用齿轮铣刀切削加工轮齿的以保证齿轮的渐开线齿型的正确性；其刀具特别是尖齿成型铣刀的制造工艺复杂，形成渐开线刃型，保证渐开线轮齿的加工精度。

发明内容

为了解决精确控制形成渐开线轨迹的问题，本发明提供了一种渐开线插补控制成型方法，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，控制器由展角控制器和发生线控制器组成；

展角控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至展角控制电机驱动器；发生线控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至发生线控制电机驱动器；

电动机的转角控制展角运动机构的角位移和发生线运动机构的直线位移，电动机的转速控制展角运动机构的运动角速度和发生线运动机构的运动速度；

展角驱动电动机与展角运动机构连接，展角驱动电动机的转角控制展角运动机构的角位移，展角驱动电动机的转速控制展角运动机构的运动角速度；发生线驱动电动机与发生线运动机构连接，发生线驱动电动机的转角控制发生线运动机构的直线位移，发生线驱动电动机的转速控制发生线运动机构的运动速度。

有益效果：使用控制器并采用数字控制技术，以控制算法对对电机的转角、转速等控制，从而能够提高渐开线轨迹形成精度，并且能够使机床机械结构更加简洁，大幅度减少机械加工量。

附图说明

本发明共有附图3幅；

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的另一结构示意图；

图3为发明渐开线的形成图示。

其中：

展角运动机构：

101是展角运动机构的蜗轮/蜗杆传动副；

102是展角运动机构驱动电机；

103是展角运动机构的从动件，本发明采用的是安装于蜗轮上的基圆半径调整机构，其轴线的法平面与发生线运动机构的丝杆轴线即发生线运动方向平行；

发生线运动机构：

201是发生线运动机构驱动电机；

202是发生线运动机构的传动机构；

203是发生线运动机构的丝杆，其轴线是本发明的发生线运动方向。

1.基座，2.展角驱动电动机，3.第一轴承座，4.蜗杆，5.蜗轮，6.支架，7.第一丝母，8.第一丝杆，9.第一齿轮，10.第二丝杆，11.第二丝母，12.第二齿轮，13.发生线驱动电动机，14.支座。

具体实施方式

实施例1：

本实施例公开一张渐开线插补装置，是一种数字控制机构，可广泛应用于机械制造，尤其适于应用在渐开线齿轮制造和渐开线齿轮切削刀具制造、刀具修磨机床等自动机械的控制和调节中。在本实施例中，所述渐开线插补装置，其区别于现有齿轮加工技术中使用滚齿机和插齿机形成渐开线齿形，替代目前的渐开线齿轮铣刀的加工刃磨方法或者提高成型法渐开线齿轮刀具的制造精度。

一种渐开线插补装置，由控制器和机械运动机构组成。渐开线插补装置的机械运动机构由蜗轮/蜗杆机构组成的展角运动机构、安装于展角运动机构从动件上的发生线运动机构、以及基圆半径调整机构组成。当展角运动机构在其控制电动机的带动下回转时，带动发生线运动机构同步回转；同时，发生线运动机构在发生线控制电机的带动下，其从动件丝杆进行轴向运动。上述两种运动的组合，形成丝杆轴线在基圆上的纯滚动运动，从而丝杆上的点的运动轨迹即是半径为R_b的基圆上的渐开线。

有益效果：

1.机构结构简单、传动链短，可以大幅度提高渐开线齿轮的制造精度；

2.同时采用数字控制技术，能够使机床机械结构更加简洁，大幅度减少机械加工量。

具体技术方案是，该渐开线插补装置包括控制器、电动机和渐开线插补机构。渐开线插补机构是一种串联机械机构，渐开线插补机构包括：展角运动机构——本方案采用蜗轮/蜗杆4机构；发生线运动机构——本方案采用的是丝杆/丝母机构；以及基圆半径调整机构——本方案采用丝杆/丝母机构组成。

作为技术方案的补充，所述展角运动机构构成渐开线插补机构的动坐标系；在展角运动机构即渐开线插补机构的动坐标系上安装的基圆半径调整机构的丝母或丝杆上安装发生线运动机构；所述发生线运动机构的轴线即发生线运动机构的运动方向与展角运渐开线动机构轴线的法平面平行，且与基圆相切。发生线运动机构和展角运动机构同时运动且满足一定的函数关系时则发生线(即发生线运动机构的推杆)上特定点的运动轨迹形成渐开线。

作为技术方案的补充，所述控制器由展角运动机构控制器和发生线运动机构控制器组成，所述电动机由展角驱动电动机2和发生线驱动电动机13组成。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，电动机的转角控制展角运动机构的角位移和发生线运动机构的直线位移，电动机的转速控制展角运动机构的运动角速度和发生线运动机构的运动速度；作为技术方案的进一步补充，所述渐开线插补装置还包括展角控制电机驱动器和发生线控制电机驱动器；

展角运动机构控制器，其内置控制算法，用于控制展角驱动电动机2的转角和转速，展角控制器通过内置的控制算法获得展角驱动电动机2的转角和转速并输出所述转角和转速的控制信号至展角控制电机驱动器；

展角运动机构的运动规律为等角速度运动；即其电动机的角速度由下述方程确定：

电机控制脉冲频率f₁由下式决定

其中：ω₁：展角运动机构电机的转动角速度；展角运动机构的运动角速度；f₁：展角运动机构电机的控制脉冲频率；δ₁：展角运动机构电机的当量转角。

展角控制电机驱动器接收展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展角驱动电动机2，控制展角驱动电动机2的转角和转速；展角驱动电动机2，与展角运动机构连接，展角驱动电动机2的转角控制展角运动机构的角位移，展角驱动电动机2的转速控制展角运动机构运动的角速度。

发生线运动机构控制器，其内置控制算法，用于控制发生线驱动电动机13的转角和转速，发生线控制器通过内置的控制算法获得发生线驱动电动机13的转角和转速并输出所述转角和转速的控制信号至发生线控制电机驱动器；

发生线运动机构的直线运动受控于展角运动机构的回转角度，其运动距离(伸长量)为：

ρ＝θ·R_b

当ω₁为常数时，发生线运动机构的运动规律为匀速直线运动；其运动速度由下式决定：

其电动机的运动角速度由下述方程确定：

电动机控制脉冲频率f₂由下式确定：

其中：v₂：发生线运动机构的运动速度；ω₂：发生线运动机构电动机转动角速度；f₂：发生线运动机构电动机控制脉冲频率；δ₂：发生线运动机构电动机的当量转角。

发生线控制电机驱动器，接收发生线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发生线驱动电动机13，控制发生线驱动电动机13的转角和转速；

发生线驱动电动机13，与发生线运动机构连接，发生线驱动电动机13的转角控制发生线运动机构的直线位移，发生线驱动电动机13的转速控制发生线运动机构的运动速度。

作为技术方案更进一步的补充，展角运动机构的运动规律为等角速度运动；展角驱动电动机2的转角由运动方程

确定：

发生线运动机构的运动规律为ρ＝θ×R_b；发生线驱动电动机13的转角由运动方程

ρ＝θ×R_b

确定：

由此得到：

其中：ρ：发生线运动机构预定的运动位移；t₀：螺旋副传动机构的基本导程；θ：展角运动机构转角位移；发生线驱动电动机13运动的转角；展角驱动电动机2运动的转角；i₂：发生线运动机构的传动比；i₁：展角运动机构的传动比；R_b：基圆半径。

上述详细描述了装置依据算法对运动机构的控制，而在该方案中，所述的基圆半径R_b调整控制机构，采用丝杠/螺母副，可以准确控制基圆半径R_b，并具有自锁性；其驱动方式可以采用手动驱动控制或采用电机驱动控制。

本实施例使用控制器控制电动机，进而使用电动机控制发生线运动机构和展角运动机构，实现渐开线插补加工所需的机械运动，使渐开线齿轮加工更加简化；精度大幅度提高，解决了现有加工中存在的技术问题。采用数字控制技术使渐开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渐开线的预定运动规律；本实施例在需要改变不同的加工齿数和模数等齿轮参数时，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)即可获得不同的渐开线运动参数，增大了机构的应用范围和灵活性。本实施例的发生线运动机构采用丝杆、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。本实施例的展角运动机构采用蜗轮、蜗杆4机构，结构紧凑、传动比大且具有自锁性。

实施例2：

本实施例的技术方案与实施例1相同，区别在于：控制器采用通用型运动控制器。电动机是伺服电动机。发生线运动机构的传动机构是齿轮传动，发生线运动机构是齿轮齿条机构，展角运动机构是齿轮副。

实施例3：

本实施例的技术方案与实施例1相同，区别在于：展角运动机构的传动机构是蜗轮蜗杆4传动；发生线运动机构的传动机构是同步齿形带传动，发生线运动机构是丝杆/螺母副。

实施例4：

本实施例公开了一种渐开线插补装置，如图1所示，其包括基座1、展角驱动电动机2、第一轴承座3、蜗杆4、蜗轮5、支架6、第一丝母7、第一丝杆8、第一齿轮9、第二丝杆10、第二丝母11、第二齿轮12、发生线驱动电动机13以及支座14；第二丝母11、发生线驱动电动机13固定在支座14，发生线驱动电动机13的转轴与第二齿轮12在轴向连接以使得第二齿轮12随动发生线驱动电动机13的转轴而轴向转动，第二齿轮12与第一齿轮9啮合以使得第一齿轮9随动第二齿轮12在轴向转动，第一齿轮9固定在第二丝母11以使第二丝母11随动第一齿轮9在轴向转动，第二丝母11由轴承安装在轴承座，第二丝杆10与轴承连接，且由第一齿轮9的中央部分的开口贯穿而出，以随动第二丝母11在轴向转动；展角驱动电动机2的转轴与蜗杆4连接，且横向安装的蜗杆4可转动连接在两个相对的第一轴承座3之间，第一轴承座3固定于基座1，以使得蜗杆4随动展角驱动电动机2的转轴而轴向转动，蜗轮5由固定柱固定在基座1，蜗轮5横向安装，且与蜗杆4啮合，以使得蜗轮5在水平向随动蜗杆4圆周摆动；蜗杆4的上端面固定支架6，使得支架6随动蜗轮5圆周摆动，支架6水平摆放，且支架6是由横架及其两端连接的竖架围接而成的中间空心的架子，两个竖架相对设置且之间安装第一丝母7，第一丝母7与第一丝杆8连接，丝杆8随动支架圆周摆动，第一丝杆8与支座14固定连接，使得支座随动丝杆8圆周摆动。

由上述，展角驱动电动机2的转轴转动而使得蜗杆4在轴向转动，蜗轮5与蜗杆4啮合，并横向安装，其随动蜗杆4可圆周转动，在本实施例中，蜗轮5做水平圆周摆动。发生线驱动电动机13的转轴转动而使得第二齿轮12随动在轴向转动，第一齿轮9与第二齿轮12啮合而随动轴向转动，第一齿轮9与第二丝母11连接，第二丝母11随动第一齿轮9轴向转动，而使得因轴承与第二丝母11连接的第二丝杠，其随动第一齿轮9轴向转动。蜗轮5做水平圆周摆动，固定在其上端面的支架6随动圆周摆动，而连接在支架6的第一丝杆8随动圆周摆动，第一丝杆8与支座14固定连接，支架6随动圆周摆动，而第二丝母11固定在支座14而随动其圆周摆动，第二丝杆10随动第二丝母11轴向转动并圆周摆动，形成运动的合成轨迹，为渐开线。第二丝杠运动方向，即第二丝杠轴线与蜗轮5轴线的法平面平行，且与蜗轮5圆周摆动产生的基圆相切。第一丝杆8与第一丝母7配合，以旋进和旋出的方式，可以对第一丝杆8的长度进行控制，从而能够改变形成渐开线的基圆半径。

由此可知，本实施例中，使用电机并配合传动机构，蜗轮5蜗杆4组合将电机转轴的轴向运动传动为圆周摆动，齿轮、丝母、丝杆组合，将电机转轴的轴向运动传动为丝杆的轴向运动，且由蜗轮5其上的支架6与支座14的连接，使得丝杆的运动轨迹为圆周摆动及轴向运动的合成运动轨迹，从而形成渐开线，而将支架6与支座14的连接选择为丝母丝杆机构，是为了能够实现对于基圆半径的调整，由此，该装置可以由合成运动对渐开线的轨迹形成，并且能够调整基圆半径，然而，为了能够形成轨迹可控的渐开线，本实施例进一步公开下述方案：

由上述所述渐开线插补装置，可以理解为，其包括渐开线插补机构，所述的渐开线插补机构由展角运动机构和发生线运动机构组成，所述发生线运动机构的运动方向与展角运动机构轴线的法平面平行，且与展角机构运动产生的基圆相切，发生线运动机构和展角运动机构同时运动合成渐开线。

具体的说，所述的渐开线插补装置，还包括控制器、电动机、展角控制电机驱动器和发生线控制电机驱动器，所述的控制器内置控制算法输出控制信号至电动机驱动展角控制电机驱动器和发生线控制电机驱动器，并由其对电动机控制，所述的电动机包括展角驱动电动机2和发生线驱动电动机13。

具体的说，所述渐开线插补机构还包括展角运动机构的传动机构和发生线运动机构传动机构，展角运动机构安装于支撑板上，发生线运动机构和基圆半径调整结构安装于展角运动机构上。

具体的说，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，控制器由展角控制器和发生线控制器组成；展角控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至展角控制电机驱动器；发生线控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至发生线控制电机驱动器。

具体的说，所述展角控制电机驱动器接收展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展角驱动电动机2，控制展角驱动电动机2的转角和转速；所述发生线控制电机驱动器，接收发生线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发生线驱动电动机13，控制发生线驱动电动机13的转角和转速。

具体的说，电动机的转角控制展角运动机构的角位移和发生线运动机构的直线位移，电动机的转速控制展角运动机构的运动角速度和发生线运动机构的运动速度；展角驱动电动机2与展角运动机构连接，展角驱动电动机2的转角控制展角运动机构的角位移，展角驱动电动机2的转速控制展角运动机构的运动角速度；发生线驱动电动机13与发生线运动机构连接，发生线驱动电动机13的转角控制发生线运动机构的直线位移，发生线驱动电动机13的转速控制发生线运动机构的运动速度。

具体的说，所述的展角运动机构包括第一轴承座3、蜗杆4、蜗轮5、支架6，所述的发生线运动机构包括第一齿轮9、第二丝杆10、第二丝母11、第二齿轮12及支座14。还包括基圆半径调整机构。基圆半径调整机构包括第一丝母7、第一丝杆8。

由上述装置，实施一种渐开线插补控制成型方法，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，控制器由展角控制器和发生线控制器组成；展角控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至展角控制电机驱动器；发生线控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至发生线控制电机驱动器；电动机的转角控制展角运动机构的角位移和发生线运动机构的直线位移，电动机的转速控制展角运动机构的运动角速度和发生线运动机构的运动速度；展角驱动电动机2与展角运动机构连接，展角驱动电动机2的转角控制展角运动机构的角位移，展角驱动电动机2的转速控制展角运动机构的运动角速度；发生线驱动电动机13与发生线运动机构连接，发生线驱动电动机13的转角控制发生线运动机构的直线位移，发生线驱动电动机13的转速控制发生线运动机构的运动速度。

展角控制器其内置控制算法：展角运动机构的运动规律为等角速度运动，展角驱动电动机2的角速度由方程(1)确定：

电机控制脉冲频率f₁由方程(2)确定：

其中：

ω₁：展角运动机构电机的转动角速度；

展角运动机构的运动角速度；

f₁：展角运动机构电机的控制脉冲频率；

δ₁：展角运动机构电机的当量转角。

发生线控制器其内置控制算法：发生线运动机构的直线运动受控于展角运动机构的回转角度，其运动距离为：

ρ＝θ·R_b (3)

当展角运动机构电机的转动角速度ω₁为常数时，发生线运动机构的运动规律为匀速直线运动，其运动速度由公式(4)确定：

电动机的运动角速度由公式(5)确定：

电动机控制脉冲频率f₂由公式(6)确定：

其中：

ρ：发生线运动机构预定的运动位移；

θ：展角运动机构转角位移；

R_b：基圆半径

i₂：发生线运动机构的传动比；

i₁：展角运动机构的传动比；

t₀：螺旋副传动机构的基本导程；

v₂：发生线运动机构的运动速度；

ω₂：发生线运动机构电动机转动角速度；

f₂：发生线运动机构电动机控制脉冲频率；

δ₂：发生线运动机构电动机的当量转角。

展角运动机构的运动规律为等角速度运动，展角驱动电动机2的转角由运动方程(7)确定：

发生线运动机构的运动规律为

ρ＝θ×R_b (8)

发生线驱动电动机13的转角由运动方程(9)确定

ρ＝θ×R_b

由此得到：

其中：

ρ：发生线运动机构预定的运动位移；

t₀：螺旋副传动机构的基本导程；

θ：展角运动机构转角位移；

发生线驱动电动机13运动的转角；

展角驱动电动机2运动的转角；

i₂：发生线运动机构的传动比；

i₁：展角运动机构的传动比；

R_b：基圆半径。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种渐开线插补控制成型方法，其特征在于，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，控制器由展角控制器和发生线控制器组成；

展角控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至展角控制电机驱动器；发生线控制器其内置控制算法，输出所述转角和转速的控制信号至发生线控制电机驱动器；

电动机的转角控制展角运动机构的角位移和发生线运动机构的直线位移，电动机的转速控制展角运动机构的运动角速度和发生线运动机构的运动速度；

展角驱动电动机与展角运动机构连接，展角驱动电动机的转角控制展角运动机构的角位移，展角驱动电动机的转速控制展角运动机构的运动角速度；发生线驱动电动机与发生线运动机构连接，发生线驱动电动机的转角控制发生线运动机构的直线位移，发生线驱动电动机的转速控制发生线运动机构的运动速度。

2.如权利要求1所述的渐开线插补控制成型方法，其特征在于，展角控制器其内置控制算法：

展角运动机构的运动规律为等角速度运动，展角驱动电动机的角速度由方程(1)确定：

电机控制脉冲频率f₁由方程(2)确定：

其中：

ω₁：展角运动机构电机的转动角速度；

展角运动机构的运动角速度；

f₁：展角运动机构电机的控制脉冲频率；

δ₁：展角运动机构电机的当量转角。

3.如权利要求2所述的渐开线插补控制成型方法，其特征在于，发生线控制器其内置控制算法：

发生线运动机构的直线运动受控于展角运动机构的回转角度，其运动距离为：

ρ＝θ·R_b(3)

当展角运动机构电机的转动角速度ω₁为常数时，发生线运动机构的运动规律为匀速直线运动，其运动速度由公式(4)确定：

电动机的运动角速度由公式(5)确定：

电动机控制脉冲频率f₂由公式(6)确定：

其中：

ρ：发生线运动机构预定的运动位移；

θ：展角运动机构转角位移；

R_b：基圆半径

i₂:发生线运动机构的传动比；

i₁：展角运动机构的传动比；

t₀:螺旋副传动机构的基本导程；

v₂：发生线运动机构的运动速度；

ω₂：发生线运动机构电动机转动角速度；

f₂：发生线运动机构电动机控制脉冲频率；

δ₂：发生线运动机构电动机的当量转角。

4.如权利要求3所述的渐开线插补控制成型方法，其特征在于，展角运动机构的运动规律为等角速度运动，展角驱动电动机的转角由运动方程(7)确定：

发生线运动机构的运动规律为

ρ＝θ×R_b (8)

发生线驱动电动机的转角由运动方程(9)确定

ρ＝θ×R_b

由此得到：

其中：

ρ：发生线运动机构预定的运动位移；

t₀:螺旋副传动机构的基本导程；

θ：展角运动机构转角位移；

发生线驱动电动机运动的转角；

展角驱动电动机运动的转角；

i₂:发生线运动机构的传动比；

i₁：展角运动机构的传动比；

R_b：基圆半径。