CN114700806A - 一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，包括直驱电机，直驱电机的输出轴依次固定连接有装夹工装、液压涨紧头以及转角检测器芯轴，液压涨紧头上套设有加工工件，转角检测器芯轴远离液压涨紧头的一端还固定有上盖板和转角检测器外壳，上盖板顶部还设置有快拆螺栓，快拆螺栓的手柄处压紧上盖板，快拆螺栓的螺纹依次穿过上盖板、转角检测器芯轴后拧进液压涨紧头中，还包括固定在机床支架上的传感器支架，传感器支架固定有用于检测加工工件X向和Y向移动的X向位移传感器与Y向位移传感器。本发明一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，能在线测量磨齿机工件位姿的装置，补偿悬臂结构对工件位姿误差的影响。

Description

一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置

技术领域

本发明属于制造装备技术领域，涉及一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置。

背景技术

蜗杆砂轮磨齿机是一种高效的齿轮精加工设备。其通过蜗杆砂轮的高速旋转配合齿轮工件的同步转动实现齿轮齿面的高速、高效率磨削。传统蜗杆砂轮磨齿机采用机械齿轮以及传动轴实现砂轮和工件的同步，但是过长的传动比降低了磨齿机整体的能耗效率，产生了很大的能源浪费。并且长距离的传动也使得机械柔性对传动精度产生了很大影响。特别是需要进一步提高加工速度的时候，传统机械传动链很难满足磨齿机的要求。

随着伺服及驱动技术的发展，采用伺服或力矩电机直驱的蜗杆砂轮磨齿机成为了蜗杆砂轮磨齿机的主流。其各轴通过各自的闭环系统实现电机速度和位置的精确控制。在各轴的控制系统之上通过数控系统将机床的运动过程进行计算和分解并分配到各个轴上。通过这种方式由数控系统实现各轴之间的联动控制，减少了传动环节从传动链末端检测速度的位置，实现各轴的高精度同步控制。

但是目前机床当中的全闭环并非是真正意义上的全闭环。因为全闭环实际是需要知道工件的位置姿态信息。而闭环控制的实际检测点距离工件还有一定的空间距离。两者的位姿并不能严格意义上的等效。特别是像蜗杆砂轮磨齿机直驱工件轴这种工况。直驱电机布置在机床底座，位置和速度反馈也在电机上，而工件通常需要通过一个悬臂结构的工装固定，由于悬臂结构的问题导致工件和电机之间的位置存在一定的偏差。

磨齿机在工作过程可能需要面对不同规格工件更换的情况。不同规格的工件导致工件伺服轴惯量及动态响应发生变化。为了更好地进行工件回转的运动控制就需要对工件轴的动态响应特性进行测量并计算合理的伺服控制参数。

因此需要一种可以测量磨齿机工件位姿及动态特性的装置，补偿悬臂结构对工件位姿误差的影响并可测量工件轴动态特性以供分析使用，综合提高齿轮零件的加工精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，能在线测量磨齿机工件位姿和动态特性，补偿悬臂结构对工件位姿误差的影响并可测量工件轴动态特性以供分析使用，综合提高齿轮零件的加工精度。

本发明所采用的技术方案是，一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，包括直驱电机，直驱电机的输出轴依次固定连接有装夹工装、液压涨紧头以及转角检测器芯轴，液压涨紧头上套设有加工工件，转角检测器芯轴远离液压涨紧头的一端侧壁上固定套设有轴承的内圈，轴承的外圈固定套设有转角检测器外壳，转角检测器芯轴底部靠近液压涨紧头一端侧壁固定有旋转变压器转子，转角检测器外壳内侧壁与旋转变压器转子对应的位置处固定有旋转变压器定子，转角检测器芯轴远离液压涨紧头的一端还固定有上盖板，上盖板外缘处压紧轴承的内圈，上盖板顶部还设置有快拆螺栓，快拆螺栓的手柄处压紧上盖板，快拆螺栓的螺纹依次穿过上盖板、转角检测器芯轴后拧进液压涨紧头中，转角检测器外壳顶部还铰接有连接杆，连接杆另一端铰接在机床支架上，还包括固定在机床支架上的传感器支架，传感器支架固定有用于检测加工工件X向和Y向移动的X向位移传感器与Y向位移传感器。

本发明的特征还在于，

直驱电机的输出轴上连接有直驱电机法兰，装夹工装通过底部连接螺栓固定在直驱电机法兰上。

液压涨紧头顶部均匀设置有至少两个突起的定位块，转角检测器芯轴底部与定位块对应的位置处设置有凹槽，转角检测器芯轴放在液压涨紧头上且通过定位块伸入凹槽内配合将两者的旋转自由度限制在一起。

转角检测器芯轴底部还通过螺纹连接有底盖，转角检测器芯轴底部侧壁设置有旋转变压器转子安装槽，旋转变压器转子放置在旋转变压器转子安装槽内并通过底盖的外缘将旋转变压器转子压紧在旋转变压器转子安装槽内。

转角检测器外壳内侧壁底部与旋转变压器定子连接处设置有旋转变压器定子安装槽，旋转变压器定子放置在旋转变压器定子安装槽内，转角检测器外壳底部与旋转变压器定子连接处还通过外圆螺栓固定有环形的外底盖，外底盖的内缘将旋转变压器定子压紧到旋转变压器定子安装槽内。

转角检测器外壳内侧壁底部与轴承连接设置有轴承安装槽，轴承放在轴承安装槽内，转角检测器外壳底部与轴承连接处还通过内圆螺栓固定有内盖板，内盖板将轴承的外圈压紧在轴承安装槽内。

转角检测器芯轴顶部侧壁设置有轴承内圈安装槽，轴承内圈安装在轴承内圈安装槽中。

转角检测器外壳顶部通过连杆固定螺栓连接有下球铰座，下球铰座上连接有下连杆，下连杆另一端通过螺纹连接有上螺杆，机床支架上固定有上球铰座，上螺杆与上球铰座球铰连接。

下连杆和上螺杆连接处还设置有锁死螺母。

下球铰座还通过连杆固定销实现与转角检测器外壳的定位。

本发明的有益效果是：

1、本发明能直接检测蜗杆砂轮磨齿机末端工件的位置姿态，用以补偿工装柔性带来的误差影响，提高加工精度。

2、本发明可以采集安装不同规格工件时的工件伺服轴动态特性，进而为磨齿机加工过程的精确控制提供数据支持。

3、本发明的装置可调整性强，可适用于不同尺寸零件的加工过程。

4、本发明的末端角度检测装置采用快拆装置连接，实现加工时的工件快速更换。

附图说明

图1是本发明一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置的整体结构示意图；

图2是本发明一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置俯视方向的结构视图；

图3是本发明一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置中角位移检测装置侧面视图。

图中，1.直驱电机法兰，2.底部连接螺栓，3.装夹工装，4.液压涨紧头，5.转角检测器芯轴，6.底盖，7.旋转变压器转子，8.外圆螺栓，9.外底盖，10.旋转变压器定子，11.转角检测器外壳，12.内圆螺栓，13.内盖板，14.轴承，15.上盖板，16.快拆螺栓，17.下球铰座，18.连杆固定螺栓，19.连杆固定销，20.下连杆，21.锁死螺母，22.上螺杆，23.上球铰座，24.机床支架，25.传感器支架，26.X向位移传感器，27.Y向位移传感器，28.直驱电机，29.加工工件，30.蜗杆砂轮，31.定位块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其结构如图1所示，包括直驱电机28，直驱电机28的输出轴依次固定连接有装夹工装3、液压涨紧头4以及转角检测器芯轴5，液压涨紧头4上套设有加工工件29，如图2所示，转角检测器芯轴5远离液压涨紧头4的一端侧壁上固定套设有轴承14的内圈，轴承14的外圈固定套设有转角检测器外壳11，转角检测器芯轴5底部靠近液压涨紧头4一端侧壁固定有旋转变压器转子7，转角检测器外壳11内侧壁与旋转变压器转子7对应的位置处固定有旋转变压器定子10，转角检测器芯轴5远离液压涨紧头4的一端还固定有上盖板15，上盖板15外缘处压紧轴承14的内圈，上盖板15顶部还设置有快拆螺栓16，快拆螺栓16的手柄处压紧上盖板15，快拆螺栓16的螺纹依次穿过上盖板15、转角检测器芯轴5后拧进液压涨紧头4中，如图3所示，转角检测器外壳11顶部还铰接有连接杆，连接杆另一端铰接在机床支架24上，还包括固定在机床支架24上的传感器支架25，传感器支架25固定有用于检测加工工件29X向和Y向移动的X向位移传感器26与Y向位移传感器17。

直驱电机28的输出轴上连接有直驱电机法兰1，装夹工装3通过底部连接螺栓2固定在直驱电机法兰1上。

液压涨紧头4顶部均匀设置有至少两个突起的定位块31，转角检测器芯轴5底部与定位块31对应的位置处设置有凹槽，转角检测器芯轴5放在液压涨紧头4上且通过定位块31伸入凹槽内配合将两者的旋转自由度限制在一起。

转角检测器芯轴5底部还通过螺纹连接有底盖6，转角检测器芯轴5底部侧壁设置有旋转变压器转子安装槽，旋转变压器转子7放置在旋转变压器转子安装槽内并通过底盖6的外缘将旋转变压器转子7压紧在旋转变压器转子安装槽内。

转角检测器外壳11内侧壁底部与旋转变压器定子10连接处设置有旋转变压器定子安装槽，旋转变压器定子10放置在旋转变压器定子安装槽内，转角检测器外壳11底部与旋转变压器定子10连接处还通过外圆螺栓8固定有环形的外底盖9，外底盖9的内缘将旋转变压器定子10压紧到旋转变压器定子安装槽内。

转角检测器外壳11内侧壁底部与轴承14连接设置有轴承安装槽，轴承14放在轴承安装槽内，转角检测器外壳11底部与轴承14连接处还通过内圆螺栓12固定有内盖板13，内盖板13将轴承14的外圈压紧在轴承安装槽内。

转角检测器芯轴5顶部侧壁设置有轴承内圈安装槽，轴承14内圈安装在轴承内圈安装槽中。

转角检测器外壳11顶部通过连杆固定螺栓18连接有下球铰座17，下球铰座17上连接有下连杆20，下连杆20另一端通过螺纹连接有上螺杆22，机床支架24上固定有上球铰座23，上螺杆22与上球铰座23球铰连接。

下连杆20和上螺杆22连接处还设置有锁死螺母21。

下球铰座17还通过连杆固定销19实现与转角检测器外壳11的定位。

如图1所示，一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置包含直驱电机法兰1，底部连接螺栓2将装夹工装3和直驱电机法兰1固定连接在一起。液压涨紧头4安装在装夹工装3上。液压涨紧头4和装夹工装3同步旋转。

如图2所示，转角检测器芯轴5与液压涨紧头4贴合并通过液压涨紧头4表面的突起定位块将两者的旋转自由度限制在一起。底盖6通过螺纹与转角检测器芯轴5连接并压紧旋转变压器转子7。外圆螺栓8通过外底盖9压紧旋转变压器定子10到转角检测器外壳11上。内圆螺栓12通过内盖板13将轴承14的外圈压紧在转角检测器外壳11上。轴承14的内圈与转角检测器芯轴5固定，上盖板15压紧轴承14的内圈。快拆螺栓16的手柄处压紧上盖板15，快拆螺栓16的螺纹拧进液压涨紧头4中。

如图3所示，下球铰座17通过连杆固定螺栓18与转角检测器外壳11固定，并通过连杆固定销19实现与转角检测器外壳11的定位。下连杆20与下球铰座17球铰连接。锁死螺母21拧在上螺杆22上，上螺杆22拧入下连杆20中。上螺杆22与上球铰座23球铰连接。上球铰座23固定在机床支架24上。这样旋转变压器的内外圈通过轴承14隔离运动，旋转变压器转子7随液压涨紧头4一起旋转。旋转变压器定子10由于受到下连杆20和上螺杆22长度限制所产生的切向支撑力被限制了旋转自由度。所以当装夹工装3旋转，旋转变压器转子7和旋转变压器定子10就产生了相对旋转运动，通过对其输出信号处理就可以得到蜗杆砂轮磨齿机工件的旋转角度和速度信息。

传感器支架25固定在机床支架24上，X向位移传感器26与Y向位移传感器27固定在传感器支架25上。

本发明的工作原理为：

直驱电机法兰1固定连接在直驱电机输出轴28上。这样直驱电机的转动就可以传递到安装在直驱电机法兰1之上的结构。

初始状态下，X向位移传感器26和Y向位移传感器27在传感器支架25上的位置已经调整完毕，使其可以准确检测装夹工装3末端靠近加工工件29侧的径向方向位移。

开始加工前，快拆螺杆16为松开状态，由于下球铰座17和上球铰座23的存在，使得下连杆20和上螺杆22的长度不会对转角检测器芯轴5的拿起产生干涉。这样可以将转角检测器芯轴5以及安装在其上的所有装置快速从液压涨紧头4上拿开。将加工工件29放置在装夹工装3上，液压涨紧头4工作夹紧加工工件29。这时加工工件29可以由直驱电机输出轴28控制产生旋转运动。之后将转角检测器芯轴5及安装在之上的装置总成放在液压涨紧头4上，液压涨紧头4末端有突出的定位块可以实现转角检测器芯轴5与液压涨紧头4的旋转方向定位。松开锁死螺母21，调节下连杆20和上螺杆22连接之后的长度，使得下球铰座17在对应的位置之后安装并定位，之后拧紧锁死螺母21，并拧紧快拆螺杆16。

加工开始后，直驱电机输出轴28转动带动加工工件29转动，由于连接关系转角检测器芯轴5、底盖6、旋转变压器转子7、轴承14的内圈都会跟随加工工件29同步转动。而由于下连杆20、上螺杆22、锁死螺母21、下球铰座17以及上球铰座的连接关系使得转角检测器外壳11的旋转自由度被限制，从而不产生旋转运动，同时，连接在转角检测器外壳11上的轴承14的外圈、旋转变压器定子10等也不会产生旋转运动。这时由于旋转变压器转子7和旋转变压器定子10之间产生了相对转动，进而就可以测出靠近加工工件29末端的转动变化量。在加工时蜗杆砂轮30靠近并接触加工工件29，由于加工力的作用使得加工工件29在旋转方向产生扰动，在平面X、Y方向上产生变形。这时结合X向位移传感器26和Y向位移传感器27就可以获得加工工件29的平面位移偏差，通过旋转变压器定子10上的绕组信号分析就可以获得加工工件29的转动角位移变化情况。根据以上情况实时检测机床中的零件的加工状态。

加工结束之后松开快拆螺杆16，卸下转角检测器芯轴5及连接在之上的装置总成，取下加工工件29，清理加工位置后就可以准备下一次加工工作了。

在磨齿机更换不同规格的零件后，可以通过给工件轴一个扫频激励信号，通过本发明采集工件上实际的响应信号数据。使用该数据可计算出伺服轴在不同频率下的响应特性。通过自动化的程序设定并调整伺服增益及滤波器等参数使蜗杆砂轮磨齿机工件轴的频响特性尽量宽，并且共振频率得到抑制，从而提高伺服轴性能。

Claims (10)

1.一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，包括直驱电机（28），所述直驱电机（28）的输出轴依次固定连接有装夹工装（3）、液压涨紧头（4）以及转角检测器芯轴（5），所述液压涨紧头（4）上套设有加工工件（29），所述转角检测器芯轴（5）远离液压涨紧头（4）的一端侧壁上固定套设有轴承（14）的内圈，所述轴承（14）的外圈固定套设有转角检测器外壳（11），所述转角检测器芯轴（5）底部靠近液压涨紧头（4）一端侧壁固定有旋转变压器转子（7），所述转角检测器外壳（11）内侧壁与旋转变压器转子（7）对应的位置处固定有旋转变压器定子（10），所述转角检测器芯轴（5）远离液压涨紧头（4）的一端还固定有上盖板（15），所述上盖板（15）外缘处压紧轴承（14）的内圈，上盖板（15）顶部还设置有快拆螺栓（16），所述快拆螺栓（16）的手柄处压紧上盖板（15），所述快拆螺栓（16）的螺纹依次穿过上盖板（15）、转角检测器芯轴（5）后拧进液压涨紧头（4）中，所述转角检测器外壳（11）顶部还铰接有连接杆，所述连接杆另一端铰接在机床支架（24）上，还包括固定在机床支架（24）上的传感器支架（25），所述传感器支架（25）固定有用于检测加工工件（29）X向和Y向移动的X向位移传感器（26）与Y向位移传感器（17）。

2.根据权利要求1所述的一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，所述直驱电机（28）的输出轴上连接有直驱电机法兰（1），所述装夹工装（3）通过底部连接螺栓（2）固定在直驱电机法兰（1）上。

3.根据权利要求1所述的一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，所述液压涨紧头（4）顶部均匀设置有至少两个突起的定位块（31），所述转角检测器芯轴（5）底部与所述定位块（31）对应的位置处设置有凹槽，所述转角检测器芯轴（5）放在所述液压涨紧头（4）上且通过定位块（31）伸入所述凹槽内配合将两者的旋转自由度限制在一起。

4.根据权利要求1所述的一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，所述转角检测器芯轴（5）底部还通过螺纹连接有底盖（6），所述转角检测器芯轴（5）底部侧壁设置有旋转变压器转子安装槽，所述旋转变压器转子（7）放置在旋转变压器转子安装槽内并通过所述底盖（6）的外缘将旋转变压器转子（7）压紧在旋转变压器转子安装槽内。

5.根据权利要求4所述的一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，所述转角检测器外壳（11）内侧壁底部与旋转变压器定子（10）连接处设置有旋转变压器定子安装槽，所述旋转变压器定子（10）放置在所述旋转变压器定子安装槽内，所述转角检测器外壳（11）底部与旋转变压器定子（10）连接处还通过外圆螺栓（8）固定有环形的外底盖（9），所述外底盖（9）的内缘将所述旋转变压器定子（10）压紧到旋转变压器定子安装槽内。

6.根据权利要求5所述的一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，所述转角检测器外壳（11）内侧壁底部与所述轴承（14）连接设置有轴承安装槽，所述轴承（14）放在轴承安装槽内，所述转角检测器外壳（11）底部与所述轴承（14）连接处还通过内圆螺栓（12）固定有内盖板（13），所述内盖板（13）将轴承（14）的外圈压紧在轴承安装槽内。

7.根据权利要求5所述的一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，所述转角检测器芯轴（5）顶部侧壁设置有轴承内圈安装槽，所述轴承（14）内圈安装在所述轴承内圈安装槽中。

8.根据权利要求1所述的一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，所述转角检测器外壳（11）顶部通过连杆固定螺栓（18）连接有下球铰座（17），所述下球铰座（17）上连接有下连杆（20），所述下连杆（20）另一端通过螺纹连接有上螺杆（22），所述机床支架（24）上固定有上球铰座（23），所述上螺杆（22）与上球铰座（23）球铰连接。

9.根据权利要求8所述的一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，所述下连杆（20）和上螺杆（22）连接处还设置有锁死螺母（21）。

10.根据权利要求8所述的一种用于蜗杆砂轮磨齿机工件轴的动态特性测量装置，其特征在于，所述下球铰座（17）还通过连杆固定销（19）实现与转角检测器外壳（11）的定位。

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