CN108581078A - 基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，机床包括床身、主轴箱、尾座及两组磨头加工单元，其中主轴箱和尾座安装于床身中部并分别设有用于顶持待加工环面蜗杆的驱动顶针和尾座顶针，两组磨头加工单元分别位于主轴箱的两侧并通过横纵向滑动导轨安装于床身，磨头加工单元的旋转运动与横纵方向运动联合形成虚拟回转中心运动，磨头加工单元上设有主轴电机驱动平面砂轮高速旋转形成磨削主运动，主轴箱驱动顶针带动待加工平面包络环面蜗杆的旋转及磨头横纵向滑动导轨的移动形成磨削辅助运动，平面砂轮的沿主轴方向的调整为磨削进给运动，从而实现平面包络环面蜗杆齿面的双面同时高效精密磨削加工，能从根本上解决目前平面包络环面蜗杆齿面加工效率低和加工精度低的问题。

Description

基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，尤其是涉及一种基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床。

背景技术

环面蜗杆传动具备多齿接触、重合度大、承载能力高、使用寿命长等优点，为当前动力蜗杆传动的主要发展方向，在航空航天、船舶航海、矿山冶金、煤矿化工等领域应用广泛，但目前环面蜗杆齿面加工精度较低的现状阻碍了其进一步推广和大面积应用。

在环面蜗杆加工机床方面，通常采用的加工方法或机床大致有如下几种：

1.中国专利“加工平面二次包络环面蜗杆专用机床”，申请号为： 93223232.9。该机床为在普通车床或滚齿机基础上自行改装而成，具有利于推广及成本低的优点，但存在刚性差、加工效率低、精度低、对操作者依赖性强、加工范围窄等缺点。

2.中国专利“多功能数控环面蜗杆机床”，申请号：01213122.9。它采用整体底座，T型分体床身，前端为安装主轴箱的前床身，中部为安装工作台的中床身，后端为安装尾部的后床身，蜗轮副安装在工作台底部，减小了机床整体尺寸，提高了加工工艺性，保证了机床具有足够的强度和刚度，但同样存在加工精度低和效率低的问题。

3.中国专利“数控五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床”，公开号：CN1493427A。该机床具有X、Y、Z、A、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，使之包络出环面蜗杆齿面，其优点为高速切削状态下大量切屑迅速剥落，效率大大高于环面蜗杆齿面磨削加工，但同样存在加工精度低的问题。

4.中国专利“能虚拟中心距的环面蜗杆数控机床”，申请号：200610095040.4。该机床能够实行小中心距机床加工大中心距环面蜗杆，且选择不同的数控轴联动可以实现环面蜗杆、鼓形蜗杆、圆柱蜗杆及锥蜗杆等所有螺旋面的车削、铣削或磨削加工，但同样存在加工精度低和效率低的问题。

5.中国专利“数控五轴三联动平面包络环面蜗杆旋风切削机床”，申请号：200820163771.2。该机床具有X、Y、Z、A、B五轴运动，并在X、Y、Z三轴方向上实现联动功能，利用旋风铣实现环面蜗杆齿面的精确成型，实现了小型环面蜗杆的加工，降低了机床和蜗杆的成本，但同样存在加工精度低和效率低的问题。

6.中国专利“一种四轴联动环面蜗杆数控车磨复合机床及其加工方法”，申请号：201010609380.0。该机床主轴即可高速旋转也可精确定位，能够实现环面蜗杆齿面的车削粗加工和磨削精加工，其结构简单、功能齐全，具有较高的可靠性和较强的环境适应能力，但同样存在加工精度低和效率低的问题。

7. 中国专利“一种具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床”，申请号：201410393515.2。该机床床身上设有主轴单元和加工单元，还包括检测单元和控制单元，从而实现环面蜗杆齿面的加工过程中的在线检测及修正加工，从根本上解决目前环面蜗杆齿面加工精度低问题，但同样存在加工效率低的不足。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足之处，提供一种基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，完全解决了上述现有机床技术加工环面蜗杆齿面存在的单齿面加工、效率低的技术问题。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现：

一种基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面高效精密磨削机床，包括床身、主轴单元和两组磨头加工单元，所述两组磨头加工单元分别位于主轴单元的两侧；

所述主轴单元包括主轴箱和尾座，所述主轴箱和尾座对应安装于床身中部，并分别设有用于顶持待加工平面包络环面蜗杆的驱动顶针和尾座顶针；

所述磨头加工单元包括Y向移动工作台、X向移动工作台、旋转工作台、升降机构、主轴电机和平面砂轮，所述Y向移动工作台通过直线移动导轨安装于床身上且能沿待加工平面包络环面蜗杆轴向自由移动，X向移动工作台通过直线移动导轨安装于Y向移动工作台上且能沿待加工平面包络环面蜗杆径向方向自由移动，旋转工作台旋转安装于X向移动工作台上，升降机构安装在旋转工作台上，主轴电机安装在升降机构上，平面砂轮固定于主轴电机的主轴上。

进一步，所述升降机构的中轴线穿过旋转工作台的自转轴心。

进一步，所述升降机构包括门形立柱和横梁，门形立柱固定在旋转工作台上，门形立柱内通过直线运动机构安装横梁，横梁能沿垂向自由移动。

进一步，还包括旋转工作盘，该旋转工作盘安装在横梁上，旋转工作盘上安装回转机构，回转机构的输出轴通过连接块与主轴电机连接。

进一步，所述Y向移动工作台和X向移动工作台的移动通过系统脉冲插补控制。

一种上述机床进行平面包络环面蜗杆齿面双面磨削的方法，所述待加工平面包络环面蜗杆绕其轴线旋转，两个平面砂轮对称布置于待加工平面包络环面蜗杆齿部两侧，利用包络展成加工原理同时磨削待加工平面包络环面蜗杆的左右两侧齿面，所述平面砂轮的旋转运动为磨削主运动，待加工平面包络环面蜗杆的旋转运动为磨削辅助运动，利用平面砂轮的轴向移动实现磨削进给运动。

进一步，通过两个平面砂轮的相位关系控制待加工平面包络环面蜗杆的齿厚。

进一步，所述两个平面砂轮的磨削起点位于待加工平面包络环面蜗杆的同一端，两个平面砂轮的磨削终点位于待加工平面包络环面蜗杆的另一端。

进一步，所述包络展成加工原理为虚拟回转中心原理。

进一步，通过系统脉冲补插控制Y向移动工作台和X向移动工作台，从而控制旋转工作台的X向移动和Y向移动，使得旋转工作台的运动轨迹是以实际回转中心为圆心的圆弧，同时旋转工作台绕其自身轴心旋转，使得平面砂轮的外圆轨迹是以旋转工作台的实际回转中心为圆心的圆弧。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.该机床配备两个磨削加工单元，同时对平面包络环面蜗杆的双侧齿面进行高效精密磨削加工，大大提高了其加工精度和加工效率，具有广泛的应用价值和原理的普遍性；

2.平面砂轮直接安装于主轴电机上，提高了砂轮的平面精度和磨削稳定性；

3.利用门形立柱与横梁相结合的结构，提高了磨头加工单元的刚性；

4. 两组磨头加工单元对称布置，平衡了被加工零件的受力不均匀性；

5.利用数值脉冲信号与虚拟回转中心原理结合，提供了磨削过程中程序的鲁棒性，进而大大提高了环面蜗杆齿面加工精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的双面磨削加工原理示意图；

图3为本发明中第一旋转工作台的驱动机构示意图；

图4为本发明中第一横梁的驱动机构示意图；

图5为本发明中平面包络环面蜗杆齿厚控制示意图。

具体实施方式

如图1至2所示，一种基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，包括床身1、主轴单元、两组磨头加工单元，其中两组磨头加工单元分别位于主轴单元的两侧，具体的是位于待加工平面包络环面蜗杆15的两侧。

本实施例中，所述主轴单元包括主轴箱13、驱动顶针14、待加工平面包络环面蜗杆15、尾座顶针16及尾座17。其中，主轴箱13固定安装于床身1上，主轴箱13端面安装驱动顶针14，驱动顶针14与主轴箱13内置的电机直连并获得精密回转运动。尾座顶针16固定安装于尾座17上，尾座17通过直线移动导轨18安装于床身1上，并可沿直线移动导轨18自由移动，进而依据待加工平面包络环面蜗杆15的长度调整夹持距离。待加工平面包络环面蜗杆15被驱动顶针14与尾座顶针16所顶持，并由驱动顶针14驱动绕其轴线转动。

本实施例中，所述两组磨头加工单元包括第一磨头加工单元和第二磨头加工单元。

其中，第一磨头加工单元包括第一Y向移动工作台27、第一X向移动工作台25、第一旋转工作台24、第一门形立柱29、第一横梁23、第一旋转工作盘21、第一主轴电机19和第一平面砂轮20。其中，第一Y向移动工作台27通过直线移动导轨18安装于床身1上并形成第一磨头加工单元沿待加工平面包络环面蜗杆15轴向的移动。第一X向移动工作台25通过直线移动导轨18安装于第一Y向移动工作台27上并形成第一磨头加工单元沿待加工平面包络环面蜗杆15径向的移动。在第一X向移动工作台25内安装有高精度双导程蜗轮蜗杆机构，高精度双导程蜗轮67通过第一回转轴承66和第二回转轴承68安装于第一X向移动工作台25内，并由高精度双导程蜗杆69驱动而形成回转运动，第一旋转工作台24底部与高精度双导程蜗轮67连接。

第一旋转工作台24上固定安装有第一门形立柱29，且第一门形立柱29的中轴线穿过第一旋转工作台24的自转轴心，第一门形立柱29的内部通过直线运动机构安装有第一横梁23，使得第一横梁23能沿垂向自由移动。具体的讲，第一门形立柱29两侧的立柱内部为空腔结构，在两个空腔的顶部分别安装第一电机55和第二电机61，第一电机55和第二电机61的输出端分别通过轴承与第一丝杆57和第二丝杆63的顶端连接，第一丝杆57和第二丝杆63的底端通过轴承固定在立柱内；第一丝杆57和第二丝杆63通过与滚珠59和螺母58配合形成滚珠丝杆运动副，第一横梁23的左右两端与螺母58固定连接，通过双电机驱动丝杆进而带动第一横梁23沿垂向自由移动。

第一横梁23上安装第一旋转工作盘21，第一旋转工作盘21内安装回转机构，回转机构的输出端通过第一连接块30与第一主轴电机19连接，第一平面砂轮20固定于第一主轴电机19的主轴31上并由其带动形成磨削主运动，通过第一旋转工作盘21上的回转机构可以调整第一平面砂轮20的角度。所述的回转机构为高精度双导程蜗轮蜗杆机构。

第二磨头加工单元包括第二Y向移动工作台3、第二X向移动工作台5、第二旋转工作台6、第二门形立柱7、第二横梁22、第二旋转工作盘8、第二主轴电机10和第二平面砂轮12。其中，第二Y向移动工作台3通过直线移动导轨18安装于床身1上并形成第二磨头加工单元沿待加工平面包络环面蜗杆15轴向的移动。第二X向移动工作台5通过直线移动导轨18安装于第二Y向移动工作台3上并形成第二磨头加工单元沿待加工平面包络环面蜗杆15径向的移动。在第二X向移动工作台5内安装有高精度双导程蜗轮蜗杆机构，高精度双导程蜗轮67通过第一回转轴承66和第二回转轴承68安装于第二X向移动工作台5内，并由高精度双导程蜗杆69驱动而形成回转运动，第二旋转工作台8底部与高精度双导程蜗轮67连接。

第二旋转工作台8上固定安装有第二门形立柱7，且第二门形立柱7的中轴线穿过第二旋转工作台8的自转轴心，第二门形立柱7的内部通过直线运动机构安装有第二横梁22，使得第二横梁22能沿垂向自由移动。具体的讲，第二门形立柱7两侧的立柱内部为空腔结构，在两个空腔的顶部分别安装第一电机55和第二电机61，第一电机55和第二电机61的输出端分别通过轴承与第一丝杆57和第二丝杆63的顶端连接，第一丝杆57和第二丝杆63的底端通过轴承固定在立柱内；第一丝杆57和第二丝杆63通过与滚珠59和螺母58配合形成滚珠丝杆运动副，第二横梁22的左右两端与螺母58固定连接，通过双电机驱动丝杆进而带动第二横梁22沿垂向自由移动。

第二横梁22上安装第二旋转工作盘8，第二旋转工作盘8内安装回转机构，回转机构的输出端通过第二连接块9与第二主轴电机10连接，第二平面砂轮12固定于第二主轴电机10的主轴11上并由其带动形成磨削主运动，通过第二旋转工作盘8可以调整第二平面砂轮12的角度。所述的回转机构为高精度双导程蜗轮蜗杆机构。

本实施例的磨削机床可以实现基于虚拟回转中心原理的平面包络环面蜗杆齿面双面高效精密磨削。通过系统脉冲插补控制第一、第二Y向移动工作台和第一、第二X向移动工作台，从而控制第一、第二旋转工作台的横向移动和纵向运动，使得第一、第二旋转工作台的运动轨迹是以虚拟中心为圆心、虚拟半径为半径的圆弧，同时第一、第二旋转工作台绕其自身轴线旋转，进而使得第一、第二平面砂轮的外圆轨迹满足待加工平面包络环面蜗杆齿面的磨削要求。待加工平面包络环面蜗杆绕其轴线的旋转运动，同时与两个旋转工作台的横向移动、纵向移动及转动，七个运动相互之间按几何约束关系联动，实现对待加工平面包络环面蜗杆齿面的双面精密高效磨削。

一种上述机床进行平面包络环面蜗杆齿面双面磨削的方法，所述待加工平面包络环面蜗杆绕其轴线旋转，两个平面砂轮对称布置于待加工平面包络环面蜗杆齿部两侧，利用包络展成加工原理同时磨削待加工平面包络环面蜗杆的左右两侧齿面，所述平面砂轮的旋转运动为磨削主运动，待加工平面包络环面蜗杆的旋转运动为磨削辅助运动，利用平面砂轮的轴向移动实现磨削进给运动。所述包络展成加工原理为虚拟回转中心加工原理。

通过两个平面砂轮的相位关系控制待加工平面包络环面蜗杆的齿厚。

所述两个平面砂轮的磨削起点位于待加工平面包络环面蜗杆的同一端，两个平面砂轮的磨削终点位于待加工平面包络环面蜗杆的另一端。

通过系统脉冲补插控制Y向移动工作台和X向移动工作台，从而控制旋转工作台的X向移动和Y向移动，使得旋转工作台的运动轨迹是以实际回转中心为圆心的圆弧，同时旋转工作台绕其自身轴心旋转，使得平面砂轮的外圆轨迹是以旋转工作台的实际回转中心为圆心的圆弧。

进一步讲：

第一旋转工作台24的横向移动Y₁和纵向运动X₁通过系统脉冲插补控制使得第一旋转工作台24的运动轨迹是以O₄为圆心、R₂为半径的圆弧，同时第一旋转工作台24绕其轴心O₂以W₂的角速度旋转，进而使得第一平面砂轮20的外圆轨迹是以O₄为圆心、R₁为半径的圆弧，并由第一主轴电机19带动第一平面砂轮20对待加工平面包络环面蜗杆15的一面进行磨削加工，从而满足待加工平面包络环面蜗杆15齿面的磨削要求。

第二旋转工作台6的横向移动Y₂和纵向运动X₂通过系统脉冲插补控制，使得第二旋转工作台6的运动轨迹是以O₅为圆心、R₄为半径的圆弧，同时第二旋转工作台6绕其轴心O₃以W₃的角速度旋转，进而使得第二平面砂轮12的外圆轨迹是以O₅为圆心、R₃为半径的圆弧，并由第二主轴电机带动第二平面砂轮12对待加工平面包络环面蜗杆15的另一面进行磨削加工，从而满足待加工平面包络环面蜗杆15齿面的磨削要求。

待加工平面包络环面蜗杆15绕其轴线O₁O₁以W₁的角速度旋转，同时与第一旋转工作台24的X₁移动、Y₁移动、W₂转动，以及与第二旋转工作台6的X₂移动、Y₂移动、W₃转动，七个运动相互之间按几何约束关系联动，实现对待加工平面包络环面蜗杆15齿面的双面精密高效磨削。

本实施例中，在磨削过程中，通过调整第一Y向移动工作台27进行第一平面砂轮20的磨削进给调整，通过调整第二Y向移动工作台3进行第二平面砂轮12的磨削进给调整；通过调整第一平面砂轮20与第二平面砂轮12之间的角度A的大小，可实现对待加工平面包络环面蜗杆15齿厚的精确控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，其特征在于：包括床身、主轴单元和两组磨头加工单元，所述两组磨头加工单元分别位于主轴单元的两侧；

所述主轴单元包括主轴箱和尾座，所述主轴箱和尾座对应安装于床身中部，并分别设有用于顶持待加工平面包络环面蜗杆的驱动顶针和尾座顶针；

所述磨头加工单元包括Y向移动工作台、X向移动工作台、旋转工作台、升降机构、主轴电机和平面砂轮，所述Y向移动工作台通过直线移动导轨安装于床身上且能沿待加工平面包络环面蜗杆轴向自由移动，X向移动工作台通过直线移动导轨安装于Y向移动工作台上且能沿待加工平面包络环面蜗杆径向方向自由移动，旋转工作台旋转安装于X向移动工作台上，升降机构安装在旋转工作台上，主轴电机安装在升降机构上，平面砂轮固定于主轴电机的主轴上。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，其特征在于：所述升降机构的中轴线穿过旋转工作台的自转轴心。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，其特征在于：所述升降机构包括门形立柱和横梁，门形立柱固定在旋转工作台上，门形立柱内通过直线运动机构安装横梁，横梁能沿垂向自由移动。

4.根据权利要求3所述的基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，其特征在于：还包括旋转工作盘，该旋转工作盘安装在横梁上，旋转工作盘上安装回转机构，回转机构的输出轴通过连接块与主轴电机连接。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，其特征在于：所述Y向移动工作台和X向移动工作台的移动通过系统脉冲插补控制。

6.一种利用1-5任一项所述基于虚拟回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床对蜗杆进行加工的方法，其特征在于：所述待加工平面包络环面蜗杆绕其轴线旋转，两个平面砂轮对称布置于待加工平面包络环面蜗杆齿部两侧，利用包络展成加工原理同时磨削待加工平面包络环面蜗杆的左右两侧齿面，所述平面砂轮的旋转运动为磨削主运动，待加工平面包络环面蜗杆的旋转运动为磨削辅助运动，利用平面砂轮的轴向移动实现磨削进给运动。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：通过两个平面砂轮的相位关系控制待加工平面包络环面蜗杆的齿厚。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述两个平面砂轮的磨削起点位于待加工平面包络环面蜗杆的同一端，两个平面砂轮的磨削终点位于待加工平面包络环面蜗杆的另一端。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述包络展成加工原理为虚拟回转中心原理。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：通过系统脉冲补插控制Y向移动工作台和X向移动工作台，从而控制旋转工作台的X向移动和Y向移动，使得旋转工作台的运动轨迹是以实际回转中心为圆心的圆弧，同时旋转工作台绕其自身轴心旋转，使得平面砂轮的外圆轨迹是以旋转工作台的实际回转中心为圆心的圆弧。