CN1281365C - 基圆差动式展成磨齿机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是基圆差动式展成磨齿机及其控制方法，采用两根钢带分别绕过两个定滑轮缠绕在基圆盘上，两钢带的一端头分别固定在基圆盘的两侧，另一端头分别固定在与床身固定连接的滑轮座上，或分别固定在工作台上；工件轴装有一个高精度齿轮，与之啮合的消隙齿轮同轴连接一编码器，基圆盘空套在工作台上，工件轴空套在基圆盘上。工业控制计算机通过接口电路、伺服放大系统控制展成运动伺服电机和差动运动伺服电机运转，控制展成运动伺服电机和差动运动伺服电机运转，对工件轴进行分度，使齿轮的制造误差所引起的分度误差可通过软件进行位置补偿而加以消除，使展成过程运动均匀，提高加工精度。

Description

基圆差动式展成磨齿机及其控制方法

技术领域

本发明涉及齿轮加工设备及方法。

背景技术

现有技术中的基圆展开法在原理上对展成过程的传动链没有特殊要求，实现渐开线展开运动的是一对偏心机构，在展成过程中滑块需要换向，使加工齿形的精度难以保证，而且机床展成速度不均匀，加工齿轮基圆直径调整困难，对刀不方便。

发明内容

本发明的目的是省去机械换向，使展成过程运动均匀，使机床调整方便，提高加工精度。

本发明是基圆差动式展成磨齿机，伺服电机(2)驱动固定在床身(1)上的工作台平动减速器(3)，工作台平动减速器(3)驱动齿轮(5)、丝杠齿轮(4)，丝杠齿轮(4)驱动滚珠丝杆(6)带动工作台(23)移动，基圆盘(21)空套在工作台(23)上，其特征在于左钢带(10′)、右钢带(10)分别绕过两个定滑轮(9′、9)缠绕在基圆盘(21)上，左钢带(10′)、右钢带(10)的端头(A′、A)分别固定在基圆盘(21)的两侧，左钢带(10′)的另一端头(B)、右钢带的另一端头(B′)分别固定在与床身(1)固定连接的左滑轮座(15)、右滑轮座(15′)上，或分别固定在工作台(23)上；定滑轮(9、9′)位于工件轴(22)的两侧，其轴心连线(CC′)与工作台(23)的移动方向平行，与工件轴(22)的轴线相垂直；工件轴(22)装有一个高精度工件轴齿轮(16)，一个消隙齿轮(8)与之啮合，消隙齿轮(8)同轴连接一个高分辨率编码器(7)，编码器(7)的机壳固定在基圆盘(21)上，伺服电机(19)与一个工件轴旋转减速器(18)对接，工件轴旋转减速器(18)的壳体固定在基圆盘(21)上，工件轴旋转减速器(18)的输出轴连接有驱动齿轮(17)，驱动齿轮(17)与工件轴齿轮(16)啮合，或工件轴旋转减速器(18)的输出轴连接一蜗杆，与装在工件轴(22)上的蜗轮啮合，基圆盘(21)空套在工作台(23)上，工件轴(22)空套在基圆盘(21)上。

当被加工的齿轮(11)的基圆半径R_b≥2×(基圆盘(21)的半径R_o)/3时，左钢带(10′)的端头(B)、右钢带(10)的端头(B′)分别由左固定架(14)、右固定架(14′)固定在左滑轮座(15)、右滑轮座(15′)上；当R_b＜2×(基圆盘(21)的半径R_o)/3时，左钢带(10)的端头(B)、右钢带(10′)的端头(B′)分别由左固定架(13)、右固定架(13′)固定在工作台(23)上。

驱动齿轮(17)与工件轴齿轮(16)的齿数比为1∶(3∽100)，工件轴齿轮(16)与消隙齿轮(8)的齿数比为(5∽20)∶1；或蜗杆与蜗轮的齿数比为1∶(10∽100)。

本发明是基圆差动式展成磨齿机的控制方法，首先由工业控制计算机的控制台输入被加工工件(11)的齿数Z、模数m、吃刀量S及工作台(23)的移动速度V；通过控制台人工通知计算机，控制伺服电动机(2)使工作台(23)移动，调整工件轴(22)轴线与砂轮(12)对称面在同一平面；工件(11)安装后，人工点动控制砂轮(12)进给系统，使砂轮(12)引入工件(11)齿槽并到位，调整砂轮(12)两侧间隙相等；

启动砂轮(12)旋转电机及上下的冲程电机，由控制台点动通知计算机，控制伺服电机(19)，使工件轴(22)相对基圆盘(21)偏转，当有磨削火花时，通知计算机让伺服电机(19)使工件轴(22)相对基圆盘(21)反方向偏转，当砂轮(12)另一侧与工件(11)接触有火花时，对刀完成，并由计算机自动记录工件轴(22)的反向偏转角θ_o；

对刀结束，启动自动加工的控制程序，按以下步骤运行：

(1)计算差动补偿速度ω₂：

  当R_b≥2×R_o/3时

  ω₂＝V/R_b-V//R_o＝V(1/R_b-1/R_o)；

  当R_o＜2×R_o/3时

  ω₂＝V/R_b-2V/R_o＝V(1/R_b-2/R_o)；

(2)计算换向偏转量θ₁及θ′₁：

  θ₁＝θ₀+2S/R_b≈θ₀+4S/(Z×M)

  θ′₁＝θ₀+S/R_b≈θ₀+2S/(Z×M)；

(3)计算分齿角度θ₂：

  θ₂＝2π/Z；

(4)清已磨削齿数计数器N：

  N＝0

(5)展成使工件脱离砂轮，伺服电动机(2)使工作台(23)以V速度移动，伺服电动机(19)使工件轴(22)补偿转速为ω₂，展成移动位置到时，停止展成；

(6)伺服电动机(19)使工件轴(22)偏转θ′₁；

(7)正常磨削当前齿槽的第一个侧面，伺服电动机(2)使工作台(23)以-V速度移动，伺服电动机(19)使工件轴(22)补偿转速为-ω₂，展成移动位置到时，停止展成；

(8)伺服电动机(19)使工件轴(22)偏转-θ₁；

(9)已磨削齿数计数器N加1：

  N＝N+1；

(10)正常磨削当前齿槽的第二个侧面，伺服电动机(2)使工作台(23)以V速度移动，伺服电动机(19)使工件轴(22)补偿转速为ω₂，展成移动位置到时，停止展成；

(11)判断所有齿槽是否磨完？若N＝Z磨完，转入第(14)步骤；

(12)以N×θ₂查工件轴齿轮(16)的误差补偿量θ₃；

(13)伺服电动机(19)使工件轴(22)偏转θ＝θ₁+θ₂+θ₃，使砂轮进入下一齿槽的第一个侧面的磨削位置，转入第(7)步骤循环；

(14)由控制台人工通知计算机是否再磨一圈？若不磨削，转入第(19)步骤；

(15)由控制台人工输入吃刀量S₁；

(16)计算换向偏转量θ₁及θ′₁：

  θ₁＝θ₁+2S₁/R_b≈θ₁+4S₁/(Z×M)

  θ′₁＝θ₁+S₁/R_b≈θ₁+2S₁/(Z×M)

(17)清已磨削齿数计数器N：

  N＝0；

(18)转入第(6)步骤；

(19)加工结束，停机。

本发明的有益效果是：机床传动系统简单，主要传动元件无需特殊加工工艺，制造难度小，操作使用方便，大大降低了设备成本，机床工作精度高，使设备档次提高。伺服电机(19)所决定的差动运动在旋转运动所占分量较小，所以引起的误差也小，当工件轴齿轮(16)有加工误差时，在最大误差复印时，也仅为工件轴齿轮(16)的误差的0.22倍。所以用一个较高精度的工件轴齿轮(16)完全可以胜任机床的高精度加工要求。

附图说明

图1是本发明的结构及传动示意图，图2是本发明控制系统框图，图3是实现本发明控制方法的程序流程图。

具体实施方式

首先结合图1展开本发明机械结构及传动关系，伺服电动机(2)与减速器(3)输入轴相连，工作台平动减速器(3)固定在床身(1)上，工作台平动减速器(3)的输出轴上装有齿轮(5)，齿轮(5)与滚珠丝杆(6)端头所装丝杠齿轮(4)啮合，滚珠丝杆(6)的螺母与工作台(23)固定连接。工作台(23)可在床身(1)上移动，在床身(1)上固定有左滑轮(9′)左滑轮座(15)和固定右滑轮(9)的右滑轮座(15′)，在左滑轮(9′)上绕左钢带(10′)，在右滑轮(9)上绕右钢带(10)，左钢带(10′)、右钢带(10)的端头(A、A′)各由一个左固定架(20)、右固定架(20′)固定在基圆盘(21)的两侧，左钢带(10′)、右钢带(10)分别绕过左滑轮(9′)、右滑轮(9)，另一端头(B′、B)分别由右固定架(14′)、左固定架(14)与床身(1)固定，或由左固连架(13)、右固连架(13)固定在工作台(23)上。基圆盘(21)空套在工作台(23)上的孔中，工件轴(22)空套在基圆盘(21)的孔中，在基圆盘(21)上固定有工件轴旋转减速器(18)及旋转编码器(7)，工件轴旋转减速器(18)的输入轴与伺服电机(19)相连，输出轴装有驱动齿轮(17)与工件轴(22)上所装工件轴齿轮(16)啮合，或者工件轴旋转减速器(18)的输出轴可由蜗轮蜗杆传给工件轴(22)。旋转编码器(7)的旋轴上安置有消隙齿轮(8)，消隙齿轮(8)与工件轴齿轮(16)啮合，当工件轴轮(16)相对基圆盘(21)转动时，可带动编码器(7)的转轴转动。

当伺服电机(2)通过滚珠丝杆(6)推动工作台(23)以速度V移动，若用固定架(14、14′)分别固定钢带的端头(B、B′)时，基圆盘(21)相对工作台(23)的转速为：ω₁＝V/R_o，R_o为基圆盘(21)的半径。若用固定架(13、13′)分别固定钢带的端头(B、B′)时，基圆盘(21)相对工作台(23)的转速为：ω₁＝2V/R_o。由具有自锁能力的工件轴旋转减速器(18)及驱动齿轮(17)将基圆盘(21)的转动传递给工件轴(22)，使工件轴(22)与基圆盘(21)同步转动。

为了加工不同基圆半径R_b的工件(11)，需工件(11)在ω₁基础上附加一差动旋转速度ω₂，该旋转速度由伺服电机(19)通过工件轴旋转减速器(18)、驱动齿轮(17)直接附加到工件轴(22)的工件轴齿轮(16)上，通过工件轴齿轮(16)将ω₁与ω₂合成，实现ω＝V/R_b＝ω₁+ω₂的展成要求，其中R_b为工件(11)的基圆半径。

分齿的实现，在工作台(23)左右移动展成磨削完一个齿糟的两个侧面后，通过展成使砂轮(12)彻底让开工件(11)，伺服电机(2)停止，伺服电机(19)通过编码器(7)进行闭环控制，对工件轴(22)进行分度，工件轴齿轮(16)的制造误差所引起的分度误差可通过软件进行位置补偿而加以消除。

对刀及吃刀量的实现，人工把砂轮(12)引入工件(11)的齿槽后，启动砂轮(12)的旋转及冲程，点动控制伺服电机(19)，使工件轴(22)带动工件(11)进行转动，并由软件记录工件(11)转角量，当砂轮(12)有磨削火花时，一个侧面对刀完成了，再通过点动使工件(11)反向转动，并由软件记录工件(11)的反向转角量θ_o，当砂轮(12)有磨削火花时，另一侧面对刀完成了。在磨削过程中，当反向磨另一个侧面时，首先把对刀时记录的结果通过伺服电机(19)对工件轴(22)进行偏转调整。吃刀量由人工通过面板自动设定，磨削过程中，在进行对刀量偏转调整时，增加吃刀量，然后进行偏转调整。

展成过程中传动链误差处理：现有技术中由滚珠丝杆实现部件的匀速运动是完全可以满足精度要求的，由伺服电机(19)所决定的差动运动ω₂不准确是引起工件(11)的加工误差的关键因素。本发明的驱动齿轮(17)、工件轴齿轮(16)采用大减速比，即驱动齿轮(17)与工件轴齿轮(16)的齿数比为1∶(5∽8)时，若减速器动力输出采用一对蜗轮蜗杆传递给工件轴(22)，蜗杆与蜗轮的齿数比为1∶(10∽100)，ω₂主要取决于工件轴齿轮(16)的误差，工件轴齿轮(16)的误差在工件(11)上的误差复印规律为：

Δ＝K₁×K₂×Δ₁

其中Δ为工件(11)上的误差复印量，Δ₁为工件轴齿轮(16)的加工误差，K₁为差动速度比例系数，K₁＝ω₂/ω＝ω₂/(ω₁+ω₂)，K₂为误差放大系数，K₂＝R_b/R_b1，R_b为工件(11)的基圆半径，R_b1为工件轴齿轮(16)的基圆半径；

若取R_b1＝R_o，最大加工基圆半径R_bmax＝5R_o/4，则工件(11)的基圆半径R_b＝2R_o/3时，有最大误差复印值，其值为：

Δ_max＝K₁×K₂×Δ₁＝Δ₁/4.5

这说明差动运动的ω₂在旋转运动所占分量较小，所以引起的误差也小，当工件轴齿轮(16)有加工误差时，在最大误差复印时，也仅为工件轴齿轮(16)的误差的0.22倍。

如图2所示为本发明的控制系统，工业控制计算机通过接口电路、伺服放大系统控制展成运动伺服电机(2)和差动运动伺服电机(19)运转，驱动磨齿机主机运转，磨齿机主机将运转量通过旋转编码器、接口电路传递给工业控制计算机。

图3为实现本发明控制方法的计算机流程图，本发明控制方法的步骤为：

首先由工业控制计算机的控制台输入被加工工件的齿数Z、模数m、吃刀量S及工作台(23)的移动速度V；通过控制台人工通知计算机，控制伺服电机(2)使工作台(23)移动，调整工件轴(22)轴线与砂轮(12)对称面在同一平面；工件(11)安装后，人工点动控制砂轮(12)进给系统，使砂轮(12)引入工件(11)齿槽并到位，调整砂轮(12)两侧间隙相等。

启动砂轮(12)旋转电机(附图中未表示)及上下的冲程电机(附图中未表示)，由控制台点动通知计算机，控制伺服电机(19)，使工件轴(22)相对基圆盘(21)偏转，当有磨削火花时，通知计算机让伺服电机(19)使工件轴相对基圆盘(21)反向偏转，当砂轮(12)另一侧与工件(11)接触有火花时，对刀完成，并由计算机自动记录工件轴(22)的反向偏转角θ_o；

对刀结束，启动自动加工的控制程序，按以下步骤运行：

(1)计算差动补偿速度ω₂：

  当R_b≥2×R_o/3时

  ω₂＝V/R_b-V/R_o＝V(1/R_b-1/R_o)；

  当R_o＜2×R_o/3时

  ω₂＝V/R_b-2V/R_o＝V(1/R_b-2/R_o)；

(2)计算换向偏转量θ₁及θ′₁：

  θ₁＝θ₀+2S/R_b≈θ₀+4S/(Z×M)

  θ′₁＝θ₀+S/R_b≈θ₀+2S/(Z×M)；

(3)计算分齿角度θ₂：

  θ₂＝2π/Z；

(4)清已磨削齿数计数器N：

  N＝0

(5)展成使工件脱离砂轮，伺服电动机(2)使工作台(23)以V速度移动，伺服电动机(19)使工件轴(22)补偿转速为ω₂，展成移动位置到时，停止展成；

(6)伺服电动机(19)使工件轴(22)偏转θ′₁；

(7)正常磨削当前齿槽的第一个侧面，伺服电动机(2)使工作台(23)以-V速度移动，伺服电动机(19)使工件轴(22)补偿转速为-ω₂，展成移动位置到时，停止展成；

(8)伺服电动机(19)使工件轴(22)偏转-θ₁；

(9)已磨削齿数计数器N加1：

  N＝N+1；

(10)正常磨削当前齿槽的第二个侧面，伺服电动机(2)使工作台(23)以V速度移动，伺服电动机(19)使工件轴(22)补偿转速为ω₂，展成移动位置到时，停止展成；

(11)判断所有齿槽是否磨完？若N＝Z磨完，转入第(14)步骤；

(12)以N×θ₂查工件轴齿轮(16)的误差补偿量θ₃；

(13)伺服电动机(19)使工件轴(22)偏转θ＝θ₁+θ₂+θ₃，使砂轮进入下一齿槽的第一个侧面的磨削位置，转入第(7)步骤循环；

(14)由控制台人工通知计算机是否再磨一圈？若不磨削，转入第(19)步骤；

(15)由控制台人工输入吃刀量S₁；

(16)计算换向偏转量θ₁及θ′₁：

  θ₁＝θ₁+2S₁/R_b≈θ₁+4S₁/(Z×M)

  θ′₁＝θ₁+S₁/R_b≈θ₁+2S₁/(Z×M)

(17)清已磨削齿数计数器N：

  N＝0；

(18)转入第(6)步骤；

(19)加工结束，停机。

Claims (4)

1、基圆差动式展成磨齿机，伺服电机(2)驱动固定在床身(1)上的工作台平动减速器(3)，工作台平动减速器(3)驱动齿轮(5)、丝杠齿轮(4)，丝杠齿轮(4)驱动滚珠丝杆(6)带动工作台(23)移动，基圆盘(21)空套在工作台(23)上，其特征在于左钢带(10′)、右钢带(10)分别绕过两个定滑轮(9′、9)缠绕在基圆盘(21)上，左钢带(10′)、右钢带(10)的端头(A′、A)分别固定在基圆盘(21)的两侧，左钢带(10′)的另一端头(B)、右钢带的另一端头(B′)分别固定在与床身(1)固定连接的左滑轮座(15)、右滑轮座(15′)上，或分别固定在工作台(23)上；左定滑轮(9′)、右定滑轮(9)分别位于工件轴(22)的两侧，其轴心连线(CC′)与工作台(23)的移动方向平行，与工件轴(22)的轴线相垂直；工件轴(22)装有一个高精度工件轴齿轮(16)，一个消隙齿轮(8)与之啮合，消隙齿轮(8)同轴连接一个高分辨率编码器(7)，编码器(7)的机壳固定在基圆盘(21)上，伺服电机(19)与一个工件轴旋转减速器(18)对接，工件轴旋转减速器(18)的壳体固定在基圆盘(21)上，工件轴旋转减速器(18)的输出轴连接有驱动齿轮(17)，驱动齿轮(17)与工件轴齿轮(16)啮合，或工件轴旋转减速器(18)的输出轴连接一蜗杆，与装在工件轴(22)上的蜗轮啮合，基圆盘(21)空套在工作台(23)上，工件轴(22)空套在基圆盘(21)上。

2、根据权利要求1所述的基圆差动式展成磨齿机，其特征在于当工件(11)的基圆半径R_b≥2×(基圆盘(21)的半径R_o)/3时，左钢带(10′)的端头(B)、右钢带(10)的端头(B′)分别由左固定架(14)、右固定架(14′)固定在左滑轮座(15)、右滑轮座(15′)上；当R_b＜2×(基圆盘(21)的半径R_o)/3时，左钢带(10′)的端头(B)、右钢带(10)的端头(B′)分别由左固定架(13)、右固定架(13′)固定在工作台(23)上。

3、根据权利要求1所述的基圆差动式展成磨齿机，其特征在于驱动齿轮(17)与工件轴齿轮(16)的齿数比为1∶(3∽100)，工件轴齿轮(16)与消隙齿轮(8)的齿数比为(5∽20)∶1；或蜗杆与蜗轮的齿数比为1∶(10∽100)。

4、基圆差动式展成磨齿机的控制方法，其特征在于：首先由工业控制计算机的控制台输入工件(11)的齿数Z、模数m、吃刀量S及工作台(23)的移动速度V；通过控制台人工通知计算机，控制伺服电动机(2)使工作台(23)移动，调整工件轴(22)轴线与砂轮(12)对称面在同一平面；工件(11)安装后，人工点动控制砂轮(12)进给系统，使砂轮(12)引入工件(11)齿槽并到位，调整砂轮(12)两侧间隙相等；

启动砂轮(12)旋转电机及上下的冲程电机，由控制台点动通知计算机，控制伺服电机(19)，使工件轴(22)相对基圆盘(21)偏转，当有磨削火花时，通知计算机让伺服电机(19)使工件轴(22)相对基圆盘(21)反方向偏转，当砂轮(12)另一侧与工件(11)接触有火花时，对刀完成，并由计算机自动记录工件轴(22)的反向偏转角θ_o；

对刀结束，启动自动加工的控制程序，按以下步骤运行：

(1)计算差动补偿速度ω₂：

当工件(11)的基圆半径R_b≥2×(基圆盘(21)的半径R_o)/3时，

ω₂＝V/R_b-V/R_o＝V(1/R_b-1/R_o)；

当R_o＜2×R_o/3时

ω₂＝V/R_b-2V/R_o＝V(1/R_b-2/R_o)；

(2)计算换向偏转量θ₁及θ′₁：

θ₁＝θ₀+2S/R_b≈θ₀+4S/(Z×M)

θ′₁＝θ₀+S/R_b ≈θ₀+2S/(Z×M)；

(3)计算分齿角度θ₂：

θ₂＝2π/Z；

(4)清已磨削齿数计数器N：

N＝0

(5)展成使工件脱离砂轮，伺服电动机(2)使工作台(23)以V速度移动，伺服电动机(19)使工件轴(22)补偿转速为ω₂，展成移动位置到时，停止展成；

(6)伺服电动机(19)使工件轴(22)偏转θ′₁；

(7)正常磨削当前齿槽的第一个侧面，伺服电动机(2)使工作台(23)以-V速度移动，伺服电动机(19)使工件轴(22)补偿转速为-ω₂，展成移动位置到时，停止展成；

(8)伺服电动机(19)使工件轴(22)偏转-θ₁；

(9)已磨削齿数计数器N加1：

N＝N+1；

(10)正常磨削当前齿槽的第二个侧面，伺服电动机(2)使工作台(23)以V速度移动，伺服电动机(19)使工件轴(22)补偿转速为ω₂，展成移动位置到时，停止展成；

(11)判断所有齿槽是否磨完？若N＝Z磨完，转入第(14)步骤；

(12)以N×θ₂查工件轴齿轮(16)的误差补偿量θ₃；

(13)伺服电动机(19)使工件轴(22)偏转θ＝θ₁+θ₂+θ₃，使砂轮进入下一齿槽的第一个侧面的磨削位置，转入第(7)步骤循环；

(14)由控制台人工通知计算机是否再磨一圈？若不磨削，转入第(19)步骤；

(15)由控制台人工输入吃刀量S₁；

(16)计算换向偏转量θ₁及θ′₁：

θ₁＝θ₁+2S₁/R_b≈θ₁+4S₁/(Z×M)

θ′₁＝θ₁+S₁/R_b≈θ₁+2S₁/(Z×M)

(17)清已磨削齿数计数器N：

N＝0；

(18)转入第(6)步骤；

(19)加工结束，停机。

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