CN1493427A - 数控五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数控五轴联动环面蜗杆切齿机床，它由机床和控制柜两大部分组成，机床主要包括床身、主轴箱、纵向滑台、垂直导轨、横向溜板和尾座，在垂直导轨上安装有支撑旋转刀具的刀架；刀架上安装有回转刀盘；回转刀盘上装有至少两个刀或一组刀。控制柜具有控制主轴旋转的程序和控制纵向、横向、垂直方向移动以及刀盘回转的程序。本发明的机床具有A、Y、X、Z、B五轴联动的功能，控制刀盘上的切刀刃口移动在空间模拟倾斜平面，使之包络出平面包络环面蜗杆齿面。本发明的效果是在高速切削状态下，如刀具轴与工作轴的转速可使切削速度达200米/分，大量切屑迅速剥落，比磨削蜗杆提高功效6～7倍，生产效率大幅度提高。

Description

数控五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床

技术领域

本发明涉及数控五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床。

背景技术

现在环面蜗杆磨削设备如德国HNC35TP以及本发明人的专利“数控四轴联动环面蜗杆磨床”[专利号ZL 92204765.0]，它的优点是使平面包络环面蜗杆螺旋面一次性精确成型，被加工的工件精度高、光洁度高，但其缺点是生产效率低，机床的成本昂贵，致使所加工的工件成本很高，满足不了日益发展的生产需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种精确成型的平面包络环面蜗杆数控切齿机床，提高生产效率，降低机床的成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种数控五轴联动环面蜗杆切齿机床，机床由两部分组成，即机床体与控制柜，机床体由床身、尾座、主轴箱、纵向滑台、横向溜板和垂直刀架构成，在垂直刀架上安装有旋转刀盘，控制柜具有控制主轴旋转和控制刀盘回转的程序以及控制纵向、横向、垂直方向移动的程序，使机床的A、B、Y、X、Z五轴联动，其中主轴及工件绕A轴旋转，工件在床身上沿Y轴纵向移动，刀盘绕B轴回转并沿X轴横向移动，切刀沿垂直导轨Z轴上下升降移动，第一坐标系∑₁与工件关联，第二坐标系∑₂与假想齿轮关联，第三坐标系∑₃与回转刀盘关联，第四坐标系∑₄与刃口关联，依靠上述坐标系的转换确定机床A，B，Y，X，Z五轴的运动方程，从而控制刀盘上的切刀刃口移动在空间模拟倾斜平面，使之包络出平面包络环面蜗杆齿面。于是切刀的刃口模拟出倾斜切削平面，而该切削平面绕第二坐标系∑₂的假想齿轮的中心轴K₂(O₂)转动，该转动是绕B轴的转动和B轴绕K₂(O₂)轴的转动合成，同时工件绕A轴旋转，在上述相对运动中展成平面包络环面蜗杆齿面。

所述刀架上安装有回转切刀刀盘。

所述回转切刀刀盘上装有至少两个刀，其刃型为直线型，安装在与回转刀体轴线垂直的平面内。

调整支撑旋转刀具的刀架的结构由伺服电机和丝杠螺母构成。

本发明的效果是在高速切削状态下，如刀具轴与工件轴的转速可达200米/分，大量切屑迅速剥落，比磨削蜗杆提高功效6～7倍。本发明机床在于补足环面蜗杆磨床的不足，提供一种高效切齿机床。

附图说明

图1为五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的侧视图；

图4为五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床另一种实施示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为图4的侧视图；

图7(1)蜗杆成型原理图；

图7(2)为表示坐标系的视图；

图8(1)表示了当h＝0时，切刀的运动状态；

图8(2)表示了当h＜0时，切刀的运动状态；

图8(3)表示了当h＞0时，切刀的运动状态；

图9表示了切刀盘在i₂(o₂)o₂j₂(o₂)中的运动状态。

具体实施方式

参照附图及实施例进一步说明其技术方案。

本发明五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床，它由机床和控制柜两大部分组成，机床主要包括床身、主轴箱、纵向滑台、垂直导轨、横向溜板和尾座，在垂直导轨上安装有支撑旋转刀具的刀架5；所述刀架5上安装有回转刀盘6；回转刀盘6上装有至少两个刀头，其刃型为直线型，安装在与回转刀体轴线垂直的平面内；调整支撑旋转刀具的刀架5的结构由伺服电机10和丝杠螺母构成。

控制柜具有控制主轴旋转的程序和控制纵向、横向、垂直方向移动以及刀盘回转的程序。使之具有A、B、Y、X、Z五轴联动的功能，使A轴、B轴、Y轴、X轴及Z轴五轴联动，控制刀盘6上的切刀刃口移动在空间模拟倾斜平面，使之包络出平面包络环面蜗杆齿面，主轴A可以根据给出的切削速度和工件尺寸进行自动调速以保证切削速度恒定。

工件安装在主轴与尾座之间。机床的主要动作有：主轴绕A轴旋转，工件在主轴与尾座间，纵向滑台在床身上沿Y轴移动，刀盘绕B轴回转，并沿X轴横向移动，切刀沿垂直导轨Z轴上下升降移动。A轴是主控制轴，工件绕A轴旋转，并沿Y轴移动，切刀既绕B轴按指定的速率旋转，同时沿X轴移动和沿Z轴升降。在五轴联动的条件下，切刀的刃口在空间移动模拟出一个倾斜平面。平面包络环面蜗杆的螺旋面即被展成。

为提高切齿效率，本机床在床身上安装垂直导轨，通过滚珠丝杠结构，使切刀体与丝母相连，切刀刃口沿导轨实现上下升降，切刀的刃型为直线，安装在垂直于回转刀体轴心线的平面内，左刀刃与空间假想圆锥相切，右刀刃与另一圆锥相切。这两个圆锥锥底相对。五轴联动使刀具刃口沿倾斜平面移动，展成蜗杆螺旋面。

本发明的五轴数控平面包络环面蜗杆切齿机床使这样实现的：

实施例1：如图4、5、6所示，床身1上装有纵向滑台3，主轴箱2和尾座7固定在滑台3上。工件安装在主轴与尾座之间，主轴A靠伺服马达9控制工件的旋转，纵向滑台靠伺服马达13使工件沿Y轴移动，溜板4安装在床身1上，靠伺服马达12使溜板4沿X轴横向进给，回转刀具6安装在垂直导轨的刀架5上，靠伺服马达11实现刀具绕B轴的回转，刀架靠伺服马达10通过丝杠丝母结构使切刀沿Z轴升降，A轴的转速可依据工件的尺寸及转速自动选择，以保证切削速度的恒定。

实施例2：如图1、2、3，床身1上装有主轴箱2和尾座7，纵向滑台3安装在床身1上，溜板4也安装在纵向滑台3上，垂直导轨装在溜板4上，刀架5上装有回转刀盘，刀盘依靠伺服马达11实现绕B轴的转动，回转刀盘6安装垂直导轨刀架5上，靠伺服马达10实现沿Z轴的上下升降。A轴的转速可依据工件的尺寸和转速自动选择，以使刀具的切削速度恒定。

如图7(1)所示，在五轴联动展成运动中，刀具的刃口模拟出平面∑₂，而∑₂绕K₂(O₂)轴转动(即B轴的转动和B轴绕K₂(O₂)轴的转动合成)，同时环面蜗杆(即工件)绕K₁(O₁)轴旋转(即A轴)，在相对运动中展成平面包络环面蜗杆齿面∑₁。

如图7(2)所示，坐标系∑₁：{o₁；i₁(o₁)，j₁(o₁)，k₁(o₁)}与工件蜗杆相联系，

为蜗杆顶园。坐标系∑₂：{o₂；i₂(o₂)，j₂(o₂)，k₂(o₂)}与空间假想齿轮相关联，坐标系∑₃：{o₃；i₃(₃)，j₃(₃)，k₃(₃)}与刀盘相关联，刀盘中心o₃绕假想齿轮o₂回转。坐标系∑₄：{i₄(δ)，j₄(δ)，k₄(δ)}与刃口关联。而假定四边形CDFG及四边形C’D’F’G’为平面，用以表示假想齿轮的齿面。令该平面与蜗杆螺旋面啮合即实现平面包络环面蜗杆的包络运动。本发明将回转刀盘的切削刃口设计在假想齿轮的齿面之中。令刃口在平面之中移动，而两平面又与两个锥底相对的锥体相切，半锥角为β_t。刃口移动即可包络出平面包络环面蜗杆的螺旋齿面。

如图7(2)所示，五轴的含义描述如下：

1.A轴：工件轴j₁(₁)，工件回转角₁，A轴为机床的主令轴；

2.B轴：刀盘的回转轴，图中k₃(₃)，₃为刀盘回转角；

3.X轴：图中i₁(o₁)轴，机床沿X方向移动；

4.Y轴：图中j₁(o₁)轴，机床沿Y方向移动；

5.Z轴：图中k₁(o₁)轴，机床沿Z轴作升降移动。

图8(1)，其中，坐标系∑₁：{o₁；i₁(o₁)，j₁(o₁)，k₁(o₁)}表示工件，而坐标系∑₂：{o₂；i₂(o₂)，j₂(o₂)，k₂(o₂)}与假想工具齿轮相关联。当h＝0时，假想齿轮的主基园半径为r_bt；当h≠0时，假想齿轮的中心o₂的坐标将沿着k₂(o₂)轴直线移动，此时，r_at为假想齿轮的外圆半径，r_ac为刀盘顶圆半径，图中1表示刀盘刃口1， $\stackrel{\‾}{o_2{o}_5}=h,$ h值可为正(见图8(3))，负(见图8(2))或零，图中1和3表示刃口1和3。

与刀盘相关联的坐标系∑₃的原点为o₃。而o₃在加工过程之中将围绕假想齿轮中心o₂回转。两坐标原点的距离

以r表示。向径r和j₂(o₂)轴之间的夹角以τ表示。使表示假想齿轮的坐标系∑₂：{o₂；i₂(o₂)，j₂(o₂)，k₂(o₂)}与表示刀盘的坐标系∑₃：{o₃；i₃(₃)，j₃₃)，k₃(₃)}以向径r和极角τ直接相关联以便于揭示刀盘回转中心o₃与假想齿轮中心o₂的运动关系。刀盘中心o₃的移动可描写在坐标系∑₁：{o₁；i₁(o₁)，j₁(o₁)，k₁(o₁)}之中。

$r=\sqrt{{r_{\mathrm{at}}}^2-{r_{\mathrm{ac}}}^2-{2r}_{\mathrm{at}}{r}_{\mathrm{ac}}\cos ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{at}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ac}})}----\left(2\right)$

τ＝₃+90°-α_at-η               (3)

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{at}}={\sin }^{-1}\left(\frac{r_{\mathrm{bt}}}{r_{\mathrm{at}}}\right)---\left(4\right)$

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ac}}={\sin }^{-1}\left(\frac{r_{\mathrm{bc}}}{r_{\mathrm{ac}}}\right)----\left(5\right)$

$\mathrm{\η}={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{at}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ac}})\×r_{\mathrm{ac}}}{r}\right)----\left(6\right)$

式中，α_at为假想齿轮顶园压力角，α_ac为刀盘顶园压力角。图中点N为工件与刀盘切入点，S为退出点。我们可以通过ΔO₂NO₅考察上述r及τ的数值。

方程(1)，(2)及(3)确定刀盘中心o₃与假想齿轮联动中的坐标，不难求出₃。

(1)在N点处，x₁(N)和y₁(N)为已知，刀盘中心o₃的回转角₃对于刃口1为：

(2)在S点处，x₁(S)和y₁(S)为已知，刀盘中心o₃的回转角₃对于刃口1为：

上述方程(7)及(8)建立了工件与刀盘的空间运动关系。在N点处，刀刃1进入切削，在S点处刀刃1退出切削。同理可推算出刀刃2，3…的切削转角₃值。

图8(1)EN是假想齿轮右齿平面与主平面中的主基园的交线。设若将EN视为刃口，当工件(蜗杆)绕j₁(o₁)轴旋转φ₁角时，刃口EN绕假想齿轮o₂回转，转角为₂，此时令 可实现假想齿轮与蜗杆的平面包络运动。本发明将回转刀盘与坐标系∑₃关联，使工件绕j₁(o₁)旋转₁，刀盘绕自身中心o₃旋转，转角为₃。而同时o₃绕假想齿轮o₂回转，转角为τ。刃口EN通过N点，N是蜗杆齿顶园弧的端点，各刀口均从N点起进入切齿，在S点脱离切削。机床的运动通过控制工件转角₁，假想齿轮转角₂，回转刀盘o₃绕自身轴线的转角₃以及绕o₂的回转的转角τ可以合成刃口1替代EN的五轴联动对蜗杆螺旋面的切削成型运动。

图8(2)及图8(3)是刀盘沿 上下移动距离h＜0或h＞0时，刃口EN的运动状态。

图9表示刀盘上4把刀刃刃口的位置。刃口2及刃口4为切削螺旋齿侧面的两把刀。刀具数目越多，切削效率也越高。坐标系∑₄：{o₃；i₄(δ)，j₄(δ)，k₄(δ)}与刃口相关联。其中o₃与o₄重合(o₃即o₄)。刃口1和刃口3为切削齿深的切刀。

本发明在现有数控环面蜗杆磨削机床运动原理的基础上，通过新型结构设计，用切削的方法将平面包络环面蜗杆螺旋齿面一次成型，使所加工的环面蜗杆与前述专利ZL 92204765.0用环面蜗杆磨床所加工出的蜗杆齿型完全一致，而生产效率却大幅度提高。如用磨削方法，一个蜗杆从光坯至成型约需1小时，而切削一根蜗杆从光坯至成型只需10分钟。这样将二者结合起来，以切齿作为蜗杆的粗加工，然后再用精磨提高表面光洁度，生产效率可大大提高。在高速切削状态下，如刀具轴与工作轴的转速可使切削速度达200米/分，大量切屑迅速剥落，比磨削蜗杆提高功效6～7倍。本发明机床补足了环面蜗杆磨床的不足，提供一种高效切齿机床。

Claims (7)

1、一种数控五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床，机床由两部分组成，即机床体与控制柜，机床体由床身、尾座、主轴箱、纵向滑台、横向溜板和垂直刀架构成，在垂直刀架上安装有旋转刀盘，控制柜具有控制主轴旋转和控制刀盘回转的程序以及控制纵向、横向、垂直方向移动的程序，使机床的A、B、Y、X、Z五轴联动，其中主轴及工件绕A轴旋转，工件在床身上沿Y轴纵向移动，刀盘绕B轴回转并沿X轴横向移动，切刀沿垂直导轨Z轴上下升降移动，第一坐标系∑₁与工件关联，第二坐标系∑₂与假想齿轮关联，第三坐标系∑₃与回转刀盘关联，第四坐标系∑₄与刃口关联，依靠上述坐标系的转换确定机床A，B，Y，X，Z五轴的运动方程，从而控制刀盘上的切刀刃口移动在空间模拟倾斜平面，使之包络出平面包络环面蜗杆齿面。

2、根据权利要求1所述的切齿机床，其特征在于，切刀的刃口模拟出倾斜切削平面，而该切削平面绕第二坐标系∑₂的假想齿轮的中心轴K₂(O₂)转动，该转动是绕B轴的转动和B轴绕K₂(O₂)轴的转动合成，同时工件绕A轴旋转，在上述相对运动中展成平面包络环面蜗杆齿面。

3、根据权利要求1或2所述的切齿机床，其特征在于，通过控制单位时间内的工件转角₁、假想齿轮转角₂、回转刀盘o₃绕自身轴线的转角₃、绕o₂的回转的转角τ以及假想齿轮中心o₂垂直移动的距离h，可以合成刃口对蜗杆螺旋面的切削成型运动，其中工件转角₁与假想齿轮转角₂的比为蜗杆的速比。

4、如权利要求1所述的机床，其特征在于，所述回转切刀刀盘上装有至少两个刀，其刃型为直线型，安装在与回转刀体轴线垂直的平面内。

5、根据权利要求2或4所述的切齿机床，其特征在于，回转刀盘的中心o₃和刀刃均位于假想齿轮的两齿面内，而该两齿面倾斜角β并分别与空间假想两锥体相切，其中两锥顶半角等于齿面的倾斜角β，该锥体的中心与假想齿轮的中心重合，其锥底直径r_b与假想齿轮的主基园直径r_bt相等，刀盘切削刃沿着假想齿轮的齿平面移动，而倾斜平面与空间两锥体相切并绕轴k₂(o₂)旋转，假想齿轮的中心o₂沿垂直轴k₂(₂)上下升降，切刀刃口自N点进入切削至S点退出切削，工件上各点坐标沿X轴，Y轴，Z轴随动，绕B轴做园弧插补运动。

6、如权利要求3所述的机床，其特征在于，₃的值可以通过下面的关系求出：

设定假想齿轮与工件间的中心距a_t，假想齿轮中心o₂与刀盘回转中心o₃的向径r坐标和极角τ，假想齿轮与刀盘顶园的压力角α_at，α_ac的数值以及已知工件的坐标x₁，y₁，z₁，即可计算刀盘回转中心o₃的坐标，在已知被加工工件的进入切削的N点及退出切削的S点的x₁，y₁，z₁数值时，依据下式

求出₃。

7、根据权利要求3或6所述的切齿机床，其特征在于，回转刀盘的中心o₃围绕着假想齿轮的中心o₂在空间运动，假想齿轮与工件(蜗杆)间的中心距为a_t，在第一坐标系∑₁中可建立回转刀盘中心o₃的7坐标方程：

           x₁(o₃)＝α_t-rsinτ

           y₁(o₃)＝rcosτ

           z₁(o₃)＝h

式中，x₁(o₃)，y₁(o₃)，z₁(o₃)表示刀盘中心o₃的坐标；

α_t-假想齿轮与工件的中心距；

r-刀盘中心o₃与假想齿轮中心o₂(o₅)的向径坐标值；

h-假想齿轮中心o₂垂直移动至o₅的距离，其值为h＝0，h＞0及h＜0。

τ-向径r的极角。

$r=\sqrt{{r_{\mathrm{at}}}^2+{r_{\mathrm{ac}}}^2-2r_{\mathrm{at}}{r}_{\mathrm{ac}}\cos ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{at}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ac}})}$

$\mathrm{\η}={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{at}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ac}})\×r_{\mathrm{ac}}}{r}\right)$

假想齿轮顶园压力角 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{at}}={\sin }^{-1}\left(\frac{r_{\mathrm{bt}}}{r_{\mathrm{at}}}\right)$

回转刀盘顶园压力角 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ac}}={\sin }^{-1}\left(\frac{r_{\mathrm{bc}}}{r_{\mathrm{ac}}}\right)$

τ＝₃+90°-α_at-η

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