CN112355880B - 一种具有在机测量功能的外圆珩磨机床及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有在机测量功能的外圆珩磨机床及测量方法，所述机床包括床身、主轴箱、尾座单元、珩磨单元、珩磨驱动单元以及测量单元。工件装夹在主轴箱与尾座单元之间，主轴驱动工件做圆周运动，珩磨驱动单元为丝杠螺母副结构，驱动珩磨单元沿工件轴向做直线往复运动，珩磨单元内珩磨头进给运动采用气压驱动，使珩磨头在加工中保持浮动状态。加工完成后，位于床身侧边的测量单元可对工件直径进行在机测量。本发明采用了气压浮动式珩磨单元，可避免加工缺陷，保证加工精度，且本发明能够完成工件的在机测量，测量方法采用比对式测量，减小了常规测量时的误差影响，并采用了主动误差补偿方法，极大的提高了测量精度和工作效率。

Description

一种具有在机测量功能的外圆珩磨机床及测量方法

技术领域

本发明属于机械磨削设备及测量技术领域，具体涉及一种具有在机测量功能的外圆珩磨机床及测量方法。

背景技术

现阶段，对长轴类工件表面的精细加工普遍采用外圆珩磨床，由于工件单边受力，容易弯曲，仅局限于刚性高、尺寸短的工件。而对于外圆珩磨设备常见的珩磨头多为整体式，且油石条进给多采用珩磨头上的油缸驱动，进给行程较小，无法适应大范围不同尺寸规格的零件加工，更换对应珩磨头时，过程繁杂，降低了工作效率。

此外，现有的外圆珩磨机床基本不配备相应的在机测量装置，对于加工后的工件采用常规千分尺测量，人工操作，费时费力，测量精度不易保证，同样也降低了工作效率。正是由于目前外圆珩磨加工的应用领域较少，使得外圆珩磨机的发展较为迟缓。

发明内容

为解决现有外圆珩磨设备存在的上述问题，本发明要设计一种测量效率高、结构简单、结构可靠性高的具有在机测量功能的外圆珩磨机床及测量方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有在机测量功能的外圆珩磨机床，包括床身、主轴箱、珩磨结构、尾座单元、珩磨驱动单元、外径测量单元及数控系统；

所述床身的床头安装主轴箱，所述床身中部安装两个直线导轨A，所述直线导轨A上方设有珩磨结构和尾座单元，均与直线导轨A滑动连接，所述床身在两个直线导轨A之间设有长凹槽，在长凹槽内安装珩磨驱动单元，所述床身一侧设有测量单元安装台，所述测量单元安装台上安装外径测量单元；

所述珩磨结构包括两个珩磨头、两个珩磨头支架、两个直线导轨B、气缸、四个上滑块、珩磨拖板、丝杆螺母支座和下滑块，所述珩磨拖板上安装两个直线导轨B，每个珩磨头支架下方设有两个上滑块，两个上滑块分别与两个直线导轨B滑动连接，所述珩磨头支架通过上滑块沿直线导轨B在X向移动，所述珩磨头与珩磨头支架上部固定连接，所述珩磨头沿直线导轨B在X向移动，所述气缸的缸体和活塞杆分别固定在两个珩磨头支架下方，气缸的伸缩运动带动两个珩磨头沿直线导轨B相向移动；所述珩磨拖板下方固定安装丝杆螺母支座；

所述珩磨驱动单元包括丝杆固定座、丝杆、丝杆螺母、电机支座、联轴器和丝杆电机，所述丝杆两端分别与丝杆固定座及电机支座的一端连接，所述丝杆电机安装在电机支座的另一端，所述丝杆电机与丝杆之间通过联轴器连接，所述丝杆螺母与丝杆螺母支座固定连接，所述丝杆螺母通过丝杆螺母支座带动珩磨结构在直线导轨A上沿Z向运动；

所述外径测量单元包括上测量仪、下测量仪、测量仪支架、气动滑台、转接板、直线模组和模组电机；所述直线模组一端安装模组电机，所述气动滑台通过转接板与直线模组连接，所述气动滑台上方安装测量仪支架，所述测量仪支架上安装上测量仪和下测量仪，所述上测量仪与下测量仪安装位置关于主轴轴线在竖直方向上对称，所述直线模组驱动上测量仪和下测量仪沿Z向移动，所述气动滑台驱动上测量仪和下测量仪沿X向移动；

所述上测量仪及下测量仪的测量形式为比对测量，即测量出标定后的测量仪触头接触工件后相较于标准件所产生的偏移量，所述上测量仪及下测量仪的内部均设有单向气缸，控制测杆的摆动，使得测量仪触头紧靠工件外圆表面；

所述尾座单元包括尾座、尾座拖板、尾座滑块和导轨钳制器，所述尾座拖板上方固定尾座，所述尾座拖板下方固定四个尾座滑块，所述尾座滑块与直线导轨A之间滑动连接；所述导轨钳制器共有两个、分别固定在尾座拖板两侧的下方，所述导轨钳制器随着尾座拖板在直线导轨A上滑动，当尾座单元移动至指定位置后，导轨钳制器锁紧直线导轨A，将整个尾座单元固定在直线导轨A上的指定位置。

一种具有在机测量功能的外圆珩磨机床的测量方法，包括以下步骤：

A、校准外径测量单元

A1、用双频激光干涉仪测量直线模组的直线度，记录直线模组在工件不同轴截面X₁、X₂、……、X_m位置处相较于基准水平面的高度偏差值Z₁、Z₂、Z₂……、Z_m，偏差值Z_m有正负之分，高于基准水平面的偏差值Z_m为正，低于基准水平面的偏差值Z_m为负。

A2、将校准件装夹至主轴箱与尾座单元之间，校准件标定后的直径记为D，直线模组驱动上测量仪和下测量仪沿Z向移至校准件上指定轴截面处，气动滑台沿X向驱动上测量仪和下测量仪移动至工件测量位，数控系统控制上测量仪和下测量仪两个触头接触到校准件外圆表面，由于上测量仪和下测量仪的测量原理为比对测量，数控系统采集当前轴截面处上测量仪和下测量仪的测量值a₀和b₀，a₀和b₀分别为当前上测量仪和下测量仪触头相对于标定直径D的偏差值，偏差值有正负之分，位于标定直径D外的测量数据为正值，位于标定直径D内的测量数据为负值。分别将上测量仪和下测量仪在该位置下所测得的a₀和b₀归零，则上测量仪和下测量仪对量程内任意直径工件所测得的测量值均为相对于标定直径D的偏移值。由此完成外径测量单元对测量直径D的校准。

B、对工件进行在机测量：

B1、通过数控系统控制直线模组驱动上测量仪和下测量仪移动到待测工件X₁截面处，气动滑台沿X向移动至工件测量位，上测量仪和下测量仪两个触头接触到待测件外圆表面，由数控系统采集当前轴截面处上测量仪和下测量仪的一组测量数据a₁₁和b₁₁，并记工件当前角度位置为0°。

B2、工件在主轴驱动下旋转θ，按步骤B1测量出该角度方向上的一组测量数据a₁₂、b₁₂。以此类推，主轴带动工件共旋转n＝(180°/θ)-1次，上测量仪和下测量仪正好测得工件整个圆周的n组测量数据a₁₁、b₁₁、a₁₂、b₁₂、……a_1n、b_1n。

B3、完成X₁截面测量后，数控系统控制直线模组驱动测量仪移动至下一测量位置X₂截面处，重复步骤B1-B2的测量操作，得到X₂截面处n组测量数据a₂₁、b₂₁、a₂₂、b₂₂、……a_2n、b_2n。依次类推，直线模组依次驱动测量仪至X₃、……、X_m截面处，完成工件各个截面的数据测量。

C、处理测量数据

C1、修正测量数据偏差：由于在不同截面X_m处直线模组在竖直方向上存在高度偏差Z_m，引起在不同截面下上测量仪和下测量仪的测量中心在竖直方向上存在相同的偏差Z_m，因此在各截面所测得的数据上加上偏差值Z_m，修正该截面上的测量数据，即修正后该截面的测量数据为A_mn＝a_mn+Z_m，B_mn＝b_mn+Z_m。

C2、计算工件直径：对于截面X_m，数控系统通过比对测量法首先根据第一组修正后测量数据A_m1和B_m1计算出当前0°下工件的直径D_m1＝D+A_m1+B_m1＝D+a_m1+b_m1+2Z_m，再根据第二组修正后测量数据A_m2和B_m2计算出旋转θ角度后工件的直径D_m2＝D+A_m2+B_m2＝D+a_m1+b_m1+2Z_m。依次类推，主轴带动工件共旋转n＝(180°/θ)-1次，并按照前述同样的方法计算出X_m截面下的n组直径值D_m1、D_m2、……、D_mn。

C3、剔除无效点：对于截面X_m，首先对该截面下所测量的n组实际直径值D_m1、D_m2……、D_mn取平均值记为D_x，利用下列公式进行计算。对于偏离程度Z大于某一数值的直径值实际值D_mn，予以剔除，也相应剔除该组测量数据；

C4、检测工件圆度：将无效点剔除后，将剩余的修正后测量数据按圆度测量方法中的两点法计算，得到X_m截面下工件圆度C，公式如下：C＝Max{A_m1,B_m1,A_m2,B_m2……A_mn,B_mn}－Min{A_m1,B_m1,A_m2,B_m2……A_mn,B_mn}即剩余修正后测量数据中的最大值减去最小值为工件在X_m截面下的圆度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明采用了分体式气压驱动外圆珩磨结构，分体式设计能够方便尺寸较大的工件进行吊装装夹，气缸驱动属于恒压力进给，执行元件数量少，可靠性高，且气体具有可压缩性，使得珩磨单元在加工过程中沿X向具有完全浮动性，能够很好的保证珩磨加工精度，整个珩磨单元的结构简单，珩磨头更换方便，加工可靠性高。

2、由于本发明具有在机测量功能，在工件完成加工后，能够在机测量工件的直径和圆度，可以减少常规测量时的人为造成的误差，解放劳动力，极大的提高了工作效率。

3、由于本发明采用双测量仪比对式测量方法，能够弱化测量仪沿X向移至测量位置时的定位误差对测量数据产生的影响，且两个测量仪可分别输出模拟量信号，便于数控系统进行测量数据的采集与处理。

4、由于本发明采用测量数据偏差主动修正方法，能够在测量单元进行每个截面测量时主动对测量数据进行偏差修正补偿，尽可能的减少系统误差对测量数据的影响，保证测量结果的准确性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明珩磨结构示意图；

图3是本发明测量单元结构示意图；

图4是本发明珩磨驱动单元结构示意图；

图5是本发明尾座单元结构示意图；

图6是本发明沿X向的外径测量方式示意图；

图7是本发明沿Z向的外径测量方式及直线模组偏差示意图；

图8是本发明测量数据采集形式示意图。

图中：1、主轴箱，2、三爪卡盘，3、模组电机，4、工件，5、珩磨结构，6、回转顶尖，7、尾座，8、尾座拖板，9、测量仪支架，10、气动滑台，11、测量单元安装台，12、直线模组，13、直线导轨A，14、丝杆电机，15、床身，16、直线导轨B，17、上滑块，18、珩磨头支架，19、珩磨头，20、调整螺栓，21、缓冲器，22、丝杆螺母支座，23、下滑块，24、气缸，25、珩磨拖板，26、触头，27、上测量仪，28、转接板，29、丝杆固定座，30、丝杆，31、丝杆螺母，32、电机支座，33、联轴器，34、尾座滑块，35、导轨钳制器，36、测杆，37、下测量仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-8所示，主轴箱1上设有三爪卡盘2，用于夹持工件4。尾座拖板8可通过尾座滑块34沿直线导轨A13移动，尾座拖板8底部固定有导轨钳制器35，可将尾座拖板8锁紧在直线导轨A13上。丝杆螺母支座22上端与珩磨拖板25底部通过螺钉固定连接，丝杆螺母支座22下端与丝杆螺母31通过螺钉固定连接，因此珩磨拖板25与丝杆30至之间形成丝杆螺母31副，丝杆电机14可通过驱动丝杆30转动来实现珩磨拖板25沿直线导轨A13的移动。在珩磨结构5内，两珩磨头19分别固定在两个珩磨头支架18上端，气缸24的活塞杆和缸体分别固定在两珩磨头支架18底部，活塞杆的伸缩可控制两珩磨头19沿X方向相向运动，从而使得珩磨头19上的油石条贴合工件4。在外径测量单元中，模组电机3可驱动直线模组12带动上测量仪27和下测量仪37沿Z向移动，气动滑台10可驱动上测量仪27和下测量仪37沿X向移动，可通过数控系统控制上测量仪27和下测量仪37移动至指定测量位置进行测量。

本发明加工工件4时，首先调整珩磨结构5中两珩磨头19之间的间距，使工件44位于两珩磨头19之间，再将工件4置于在主轴箱1与尾座7之间，尾座7可沿直线导轨A13移动，适应不同长度工件4，将尾座单元调整至合适位置后锁紧导轨钳制器35，再调节回转顶尖6顶紧工件4，并调节三爪卡盘2夹紧工件4，完成对工件4的定位装夹。装夹完成后，机床通电，给珩磨结构5中的气缸24通入压缩空气，气缸24的活塞杆收缩，两珩磨头19以较缓慢速度相向运动，在快靠近工件4时，缓冲器21的缓冲头与调整螺栓20的螺栓头接触，再次减缓两珩磨头19进给速度，直到两珩磨头19抱紧工件4外圆表面后，再对气缸24供气直至到达指定珩磨压力。珩磨结构5完成对工件4抱紧后，主轴带动工件4做圆周转动，丝杆电机14带动珩磨结构5沿Z向做往复运动，完成对工件4外圆表面的珩磨加工。

本发明测量工件4时，由数控系统控制直线模组12驱动两测量仪至工件4指定待测截面，气动滑台10驱动两测量仪沿X向移动至测量位置，测量仪内设有气缸24，可控制测量仪测杆36的摆动，使测量仪触头26能紧靠工件4的外圆表面，开始测量工件4在该截面该角度下相较于校准件直径D的偏移值，测量完成后，主轴带动工件4做定角度旋转，两测量仪依次测得各个角度下工件4的外圆尺寸偏移值，所测数据经数控系统计算处理后可得到工件4在该截面下各个角度处的直径值以及工件4在该截面下的圆度。直线模组12可驱动两测量仪至工件4的任意截面，完成同样的测量步骤，得出工件4在任意截面下的圆度。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，并不能由此理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员，在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种具有在机测量功能的外圆珩磨机床，其特征在于：包括床身(15)、主轴箱(1)、珩磨结构(5)、尾座单元、珩磨驱动单元、外径测量单元及数控系统；

所述床身(15)的床头安装主轴箱(1)，所述床身(15)中部安装两个直线导轨A(13)，所述直线导轨A(13)上方设有珩磨结构(5)和尾座单元，均与直线导轨A(13)滑动连接，所述床身(15)在两个直线导轨A(13)之间设有长凹槽，在长凹槽内安装珩磨驱动单元，所述床身(15)一侧设有测量单元安装台(11)，所述测量单元安装台(11)上安装外径测量单元；

所述珩磨结构(5)包括两个珩磨头(19)、两个珩磨头支架(18)、两个直线导轨B(16)、气缸(24)、四个上滑块(17)、珩磨拖板(25)、丝杆螺母支座(22)和下滑块(23)，所述珩磨拖板(25)上安装两个直线导轨B(16)，每个珩磨头支架(18)下方设有两个上滑块(17)，两个上滑块(17)分别与两个直线导轨B(16)滑动连接，所述珩磨头支架(18)通过上滑块(17)沿直线导轨B(16)在X向移动，所述珩磨头(19)与珩磨头支架(18)上部固定连接，所述珩磨头(19)沿直线导轨B(16)在X向移动，所述气缸(24)的缸体和活塞杆分别固定在两个珩磨头支架(18)下方，气缸(24)的伸缩运动带动两个珩磨头(19)沿直线导轨B(16)相向移动；所述珩磨拖板(25)下方固定安装丝杆螺母支座(22)；

所述珩磨驱动单元包括丝杆固定座(29)、丝杆(30)、丝杆螺母(31)、电机支座(32)、联轴器(33)和丝杆电机(14)，所述丝杆(30)两端分别与丝杆固定座(29)及电机支座(32)的一端连接，所述丝杆电机(14)安装在电机支座(32)的另一端，所述丝杆电机(14)与丝杆(30)之间通过联轴器(33)连接，所述丝杆螺母(31)与丝杆螺母支座(22)固定连接，所述丝杆螺母(31)通过丝杆螺母支座(22)带动珩磨结构(5)在直线导轨A(13)上沿Z向运动；

所述外径测量单元包括上测量仪(27)、下测量仪(37)、测量仪支架(9)、气动滑台(10)、转接板(28)、直线模组(12)和模组电机(3)；所述直线模组(12)一端安装模组电机(3)，所述气动滑台(10)通过转接板(28)与直线模组(12)连接，所述气动滑台(10)上方安装测量仪支架(9)，所述测量仪支架(9)上安装上测量仪(27)和下测量仪(37)，所述上测量仪(27)与下测量仪(37)安装位置关于主轴轴线在竖直方向上对称，所述直线模组(12)驱动上测量仪(27)和下测量仪(37)沿Z向移动，所述气动滑台(10)驱动上测量仪(27)和下测量仪(37)沿X向移动；

所述上测量仪(27)及下测量仪(37)的测量形式为比对测量，即测量出标定后的测量仪触头(26)接触工件(4)后相较于标准件所产生的偏移量，所述上测量仪(27)及下测量仪(37)的内部均设有单向气缸，控制测杆(36)的摆动，使得测量仪触头(26)紧靠工件(4)外圆表面；

所述尾座单元包括尾座(7)、尾座拖板(8)、尾座滑块(34)和导轨钳制器(35)，所述尾座拖板(8)上方固定尾座(7)，所述尾座拖板(8)下方固定四个尾座滑块(34)，所述尾座滑块(34)与直线导轨A(13)之间滑动连接；所述导轨钳制器(35)共有两个、分别固定在尾座拖板(8)两侧的下方，所述导轨钳制器(35)随着尾座拖板(8)在直线导轨A(13)上滑动，当尾座单元移动至指定位置后，导轨钳制器(35)锁紧直线导轨A(13)，将整个尾座单元固定在直线导轨A(13)上的指定位置。

2.一种具有在机测量功能的外圆珩磨机床的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、校准外径测量单元

A1、用双频激光干涉仪测量直线模组(12)的直线度，记录直线模组(12)在工件(4)不同轴截面X₁、X₂、……、X_m位置处相较于基准水平面的高度偏差值Z₁、Z₂、Z₂……、Z_m，偏差值Z_m有正负之分，高于基准水平面的偏差值Z_m为正，低于基准水平面的偏差值Z_m为负；

A2、将校准件装夹至主轴箱(1)与尾座单元之间，校准件标定后的直径记为D，直线模组(12)驱动上测量仪(27)和下测量仪(37)沿Z向移至校准件上指定轴截面处，气动滑台(10)沿X向驱动上测量仪(27)和下测量仪(37)移动至工件(4)测量位，数控系统控制上测量仪(27)和下测量仪(37)两个触头(26)接触到校准件外圆表面，由于上测量仪(27)和下测量仪(37)的测量原理为比对测量，数控系统采集当前轴截面处上测量仪(27)和下测量仪(37)的测量值a₀和b₀，a₀和b₀分别为当前上测量仪(27)和下测量仪(37)各自触头(26)相对于标定直径D的偏差值，偏差值有正负之分，位于标定直径D外的测量数据为正值，位于标定直径D内的测量数据为负值；分别将上测量仪(27)和下测量仪(37)在该位置下所测得的a₀和b₀归零，则上测量仪(27)和下测量仪(37)对量程内任意直径工件(4)所测得的测量值均为相对于标定直径D的偏移值；由此完成外径测量单元对测量直径D的校准；

B、对工件(4)进行在机测量：

B1、通过数控系统控制直线模组(12)驱动上测量仪(27)和下测量仪(37)移动到待测工件(4)X₁截面处，气动滑台(10)沿X向移动至工件(4)测量位，上测量仪(27)和下测量仪(37)两个触头(26)接触到待测件外圆表面，由数控系统采集当前轴截面处上测量仪(27)和下测量仪(37)的一组测量数据a₁₁和b₁₁，并记工件(4)当前角度位置为0°；

B2、工件(4)在主轴驱动下旋转θ，按步骤B1测量出该角度方向上的一组测量数据a₁₂、b₁₂；以此类推，主轴带动工件(4)共旋转n＝(180°/θ)-1次，上测量仪(27)和下测量仪(37)正好测得工件(4)整个圆周的n组测量数据a₁₁、b₁₁、a₁₂、b₁₂、……a_1n、b_1n；

B3、完成X₁截面测量后，数控系统控制直线模组(12)驱动测量仪移动至下一测量位置X₂截面处，重复步骤B1-B2的测量操作，得到X₂截面处n组测量数据a₂₁、b₂₁、a₂₂、b₂₂、……a_2n、b_2n；依次类推，直线模组(12)依次驱动测量仪至X₃、……、X_m截面处，完成工件(4)各个截面的数据测量；

C、处理测量数据

C1、修正测量数据偏差：由于在不同截面X_m处直线模组(12)在竖直方向上存在高度偏差Z_m，引起在不同截面下上测量仪(27)和下测量仪(37)的测量中心在竖直方向上存在相同的偏差值Z_m，因此在各截面所测得的数据上加上偏差值Z_m，修正该截面上的测量数据，即修正后该截面的测量数据为A_mn＝a_mn+Z_m，B_mn＝b_mn+Z_m；

C2、计算工件(4)直径：对于截面X_m，数控系统通过比对测量法首先根据第一组修正后测量数据A_m1和B_m1计算出当前0°下工件(4)的直径D_m1＝D+A_m1+B_m1＝D+a_m1+b_m1+2Z_m，再根据第二组修正后测量数据A_m2和B_m2计算出旋转θ角度后工件(4)的直径D_m2＝D+A_m2+B_m2＝D+a_m1+b_m1+2Z_m；依次类推，主轴带动工件(4)共旋转n＝(180°/θ)-1次，并按照前述同样的方法计算出X_m截面下的n组直径值D_m1、D_m2、……、D_mn；

C3、剔除无效点：对于截面X_m，首先对该截面下所测量的n组实际直径值D_m1、D_m2……、D_mn取平均值记为D_x，利用下列公式进行计算；对于偏差值Z大于某一数值的直径值实际值D_mn，予以剔除，也相应剔除该组测量数据；

C4、检测工件(4)圆度：将无效点剔除后，将剩余的修正后测量数据按圆度测量方法中的两点法计算，得到X_m截面下工件(4)圆度C，公式如下：

C＝Max{A_m1,B_m1,A_m2,B_m2……A_mn,B_mn}－Min{A_m1,B_m1,A_m2,B_m2……A_mn,B_mn}

即剩余修正后测量数据中的最大值减去最小值为工件(4)在X_m截面下的圆度。

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