CN110262401A - 一种四轴联动环面蜗杆磨床直线轴的行程设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控装备技术领域，具体来说是一种四轴联动环面蜗杆磨床直线轴的行程设计方法，通过计算圆插补运动直线轴的行程，明确直线轴的运动范围，从而避免因机床行程设计不足导致加工范围缩小；或因行程过大，导致机床结构庞大，造成不必要的浪费。该方法对于平面包络、锥面包络、双锥面包络等环面蜗杆的加工均同样适用，对于环面蜗杆磨床的设计具有重要指导意义。

Description

一种四轴联动环面蜗杆磨床直线轴的行程设计方法

技术领域

本发明涉及数控装备技术领域，具体来说是一种四轴联动环面蜗杆磨床直线轴的行程设计方法。

背景技术

环面蜗杆传动具有承载能力强，传动效率高，使用寿命长等优点，在动力传动领域具有广泛的市场空间。环面蜗杆齿面的磨削需要在专用设备上进行。传统的环面蜗杆磨床采用两轴联动的加工方式，这种方式联动轴数少，结构庞大，加工范围具有局限性。

为此许多单位开展了新型环面蜗杆磨床的研制。陈燕，龚玉霞于期刊《机床与液压》上发表的文献“七轴四联动数控环面蜗杆磨床的研制”介绍了一种七轴四联动环面蜗杆磨床的研制方案，专利CN102107300A也研制了一种四轴联动环面蜗杆磨床。四轴联动的加工方法对环面蜗杆磨床的结构设计提出了新的要求，而由于数控轴数多，机床运动部件也相应较多，难以实现机床行程和加工范围的匹配。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种四轴联动环面蜗杆磨床直线轴的行程设计方法，能够避免因机床行程设计不足导致加工范围缩小，或因行程过大导致机床结构庞大。

为了实现上述目的，设计一种四轴联动环面蜗杆磨床直线轴的行程设计方法，所述的方法包括如下步骤：确定被加工件的规格尺寸，包括环面蜗杆齿根圆弧半径R_f1和主基圆半径r_b，而后根据加工件的规格尺寸确定插补运动轨迹，设当回转台的回转中心O₂位于D点时，对应磨削环面蜗杆的入口，当回转台的回转中心O₂位于C点时，对应磨削环面蜗杆的出口，D点在蜗杆坐标系O₁中的坐标为：

Z_D＝r_b

其中a为中心距，即主基圆圆心O₀与环面蜗杆的中心O₁之间的距离，L为臂长，即砂轮产形面的边缘到数控回转台回转中心O₂的距离，且夹角∠PO₂D为P为主基圆与过其圆心O₀且平行于蜗杆轴线的直线的交点。

取环面蜗杆的工作长度等于主基圆直径，则回转台转动到磨削环面蜗杆的出口时的夹角：

圆插补运动的插补半径为：

设回转台回转中心O₂的坐标(X₁,Z₁)为：

X₁＝a+R₁ sinθ

Z₁＝R₁ cosθ

其中θ为回转台的回转中心O₂与主基圆圆心O₀的连线与PO₀的夹角，其取值范围在∠PO₂C和∠PO₂D之间，在求解出加工范围内的X₁和Z₁的数值后，即可得到径向的最大行程X₁max和最小行程X₁min，及轴向的最大行程Z₁max，则以行程ΔX₁＝X₁max-X₁min为径向的设计行程，以2*Z₁max为轴向的设计行程ΔZ₁。

设环面蜗杆头数均为1，并取蜗杆分度圆直径系数k₁，主基圆直径系数k₂，传动比i，则环面蜗杆齿根圆弧半径R_f1和主基圆半径r_b的计算公式为：

本发明同现有技术相比，其优点在于：通过计算圆插补运动直线轴，即X轴和Z轴的行程，明确直线轴的运动范围，从而避免因机床行程设计不足导致加工范围缩小；或因行程过大，导致机床结构庞大，造成不必要的浪费。这对于环面蜗杆磨床的设计具有重要指导意义。

附图说明

图1是本发明的加工原理图；

图2是本发明的插补运动轨迹示意图；

图3是一实施方式中传动比为10时的插补轨迹范围示意图；

图4是一实施方式中传动比为36.5时的插补轨迹范围示意图；

图5是一实施方式中传动比为63时的插补轨迹范围示意图；

图中：1.环面蜗杆 2.数控回转台 3.X向工作台 4.主基圆 5.Z向工作台 6.主轴7.砂轮产形面 8.磨头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种方法的原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施方式所提供的一种四轴联动环面蜗杆磨床直线轴的行程设计方法，该方法对于平面包络、锥面包络、双锥面包络等环面蜗杆的加工均同样适用，共包括如下四个步骤，其可以将下述的步骤通过编程的方式记载于计算机的存储器中，并通过计算机的处理器按序进行处理，或者，也可以通过设计人员按下述步骤逐步操作，从而得到最终的设计结果并进行直线轴及环面蜗杆磨床的制造。

第一步：确定环面蜗杆磨床结构方案

根据四轴联动加工环面蜗杆的原理，机床除基本的结构件外还需配置专用的磨头、数控回转台和X向工作台及Z向工作台，它们之间的关系如图1所示，环面蜗杆安装在主轴上，专用的磨头安装在数控回转台上，数控回转台又安装在X向工作台上，X向工作台置于Z向工作台之上，本实施方式中的X向，即环面蜗杆的径向，为图1中的前后方向；而Z向，即环面蜗杆的轴向，为图1中的左右方向。X向工作台和Z向工作台分别沿环面蜗杆的径向和轴向移动，进行圆弧插补运动，运动过程中圆弧插补圆心与主基圆圆心O₀重合。与此同时主轴和数控回转台按照传动比的要求转动相应的角度，这样即可进行四轴联动磨削。根据机床设计方案，在中间平面内数控回转台的回转轴线与砂轮产形面共面，如图1所示数控回转台回转中心O₂在产形面的延长线上，砂轮产形面的边缘到数控回转台回转中心O₂的距离为臂长L。

第二步：确定被加工件的规格尺寸

该机床主要用来磨削环面蜗杆的齿面，故应首先明确被加工工件的尺寸范围和基本参数。对于不同规格的环面蜗杆，中心距和传动比是基本参数，其它参数都可以由这两个参数推导而来。本机床设计加工环面蜗杆的中心距a范围为a_min-a_max，传动比i范围为i_min-i_max。为简化计算，假设环面蜗杆头数均为1，并取蜗杆分度圆直径系数k₁，主基圆直径系数k₂。则整理后得到的环面蜗杆齿根圆弧半径R_f1和主基圆半径r_b的计算公式为：

第三步：确定插补运动轨迹

要实现环面蜗杆齿面的磨削就需要计算四联动轴的运动路径。在磨削过程中要保持砂轮产形面回转边缘始终和蜗杆齿根相切。存在某一位置，砂轮产形面在中间平面内的投影与蜗杆轴线垂直，如图2所示。本实施方式以环面蜗杆的轴线所在的直线为Z₁轴，并在中间平面内以经过环面蜗杆的中点且沿环面蜗杆径向设置的直线为X₁轴建立平面坐标系O₁，图2中数控回转台回转中心在插补圆上运动，插补圆即是回转中心的运动轨迹，当回转中心位于D点时，对应磨削蜗杆的入口。随着磨削的推进，当磨削出口时，数控回转台回转中心移动到图中的C点。

根据设计参数，D点在蜗杆坐标系O₁中的坐标为：

Z_D＝r_b (3)

且夹角∠PO₂D为P为为主基圆与过其圆心O₀且平行于蜗杆轴线的直线的交点。

当由入口磨削到出口时数控回转台转动的角度为工作半角的两倍，为了便于计算，取蜗杆的工作长度等于主基圆直径。则转动到出口时的夹角为：

数控回转台由D点到C点的运动轨迹即X₁轴和Z₁轴的运动范围。圆插补运动的插补半径为：

在转动过程数控回转台回转中心的坐标(X₁,Z₁)为：

X₁＝a+R₁ sinθ (7)

Z₁＝R₁ cosθ (8)

其中θ为数控转台回转中心与O₀的连线与PO₀的夹角，其取值范围在∠PO₂C和∠PO₂D之间。

第四步：确定机床设计参数

根据中心距a、传动比i和臂长L三项参数通过计算即可得到数控转台在蜗杆轴向和径向上的运动轨迹。求解加工范围内取所有取值下的X₁和Z₁的数值。即可得到X₁向的最大行程X₁max和最小行程X₁min，和Z₁向最大行程Z₁max和最小行程Z₁min。

在设计机床结构时，只要使中间平面内径向上数控回转台回转中心到蜗杆轴线的最近距离为X₁min，最远距离为X₁max，行程为ΔX₁＝X₁max-X₁min。考虑到另一侧齿面的加工，轴向行程ΔZ₁＝2*Z₁max即可。

实施例1

当臂长为250mm，中心距范围为80mm-630mm，传动比范围为分别10-63时的行程范围如图3-5所示：

在这三种情况下，X₁轴和Z₁轴对应的行程如表1所示。

根据加工范围和实际臂长，X₁向实际行程为383.60-299.69＝83.91mm；考虑到另一侧齿面的加工，Z₁向行程以蜗杆喉平面为基准取值为2*198.45＝396.90mm。

表1插补行程2

Claims (2)

1.一种四轴联动环面蜗杆磨床直线轴的行程设计方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：确定被加工件的规格尺寸，包括环面蜗杆齿根圆弧半径R_f1和主基圆半径r_b，而后根据加工件的规格尺寸确定插补运动轨迹，设当回转台的回转中心O₂位于D点时，对应磨削环面蜗杆的入口，当回转台的回转中心O₂位于C点时，对应磨削环面蜗杆的出口，D点在蜗杆坐标系O₁中的坐标为：

Z_D＝r_b

其中a为中心距，即主基圆圆心O₀与环面蜗杆的中心O₁之间的距离，L为臂长，即砂轮产形面的边缘到数控回转台回转中心O₂的距离，且夹角∠PO₂D为P为主基圆与过其圆心O₀且平行于环面蜗杆轴线的直线的交点；

取环面蜗杆的工作长度等于主基圆直径，则回转台转动到磨削环面蜗杆的出口时的夹角：

圆插补运动的插补半径为：

设回转台回转中心O₂的坐标(X₁,Z₁)为：

X₁＝a+R₁sinθ

Z₁＝R₁cosθ

其中θ为回转台的回转中心O₂与主基圆圆心O₀的连线与PO₀的夹角，其取值范围在∠PO₂C和∠PO₂D之间，

在求解出加工范围内的X₁和Z₁的数值后，即可得到径向的最大行程X₁max和最小行程X₁min，及轴向的最大行程Z₁max，则以行程ΔX₁＝X₁max-X₁min为径向的设计行程，以2*Z₁max为轴向的设计行程ΔZ₁。

2.如权利要求1所述的四轴联动环面蜗杆磨床直线轴的行程设计方法，其特征在于设环面蜗杆头数均为1，并取蜗杆分度圆直径系数k₁，主基圆直径系数k₂，则环面蜗杆齿根圆弧半径R_f1和主基圆半径r_b的计算公式为：