CN102357678A - 一种加工螺旋锥齿轮的机床和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控机加工设备及方法，具体是指加工螺旋锥齿轮的机床和方法，该机床上设有用于自动上下料的传送带，并有机械手进行齿轮的上下料，从而实现齿轮加工的完全自动化。该装置结构简单、占地面积小，既可以用于螺旋锥齿轮的湿切，也可以用于螺旋锥齿轮的干切；既可以用来作螺旋锥齿轮铣齿机，也可以用于作螺旋锥齿轮磨齿机；不仅能对加工好的齿轮进行精度检测，而且还带有自动上下料装置。

Description

一种加工螺旋锥齿轮的机床和方法

技术领域

本发明涉及数控机加工设备及方法，具体是指加工螺旋锥齿轮的机床和方法。

背景技术

螺旋锥齿轮加工机床的原理如图1所示，用摇台代表产形轮，刀具(刀盘或砂轮)切削刃运动所形成的切削面代表产形轮上的一个轮齿，加工时产形轮与齿轮绕各自轴线回转作啮合运动，刀具即可在轮坯上加工出一个轮齿。螺旋锥齿轮的轮齿表面的形状取决于刀盘和工件在任一时刻的相对位置，假定工件不动，刀盘在空间的位置由刀盘中心的位置(三个坐标)和刀盘轴线的方向(两个坐标)五个参数所完全确定，因此所有加工螺旋锥齿轮的数控机床均由三个直线轴和三个转动轴组成，在加工时用计算机控制六轴五联动就可以加工出各种齿制的螺旋锥齿轮。自从1989年出现第一台六轴五联动的数控铣齿机以后，为汽车大批量生产的数控铣齿机已经发展了两代，第一代的创新点是把结构复杂的机械型机床改进为六轴五联动数控机床，数控铣齿机既能加工圆弧齿锥齿轮，又能加工齿螺旋锥齿轮，其结构如图2所示；第二代的创新点是能干切削加工螺旋锥齿轮，如图3所示。但这些机床都不能自动上下料，影响了齿轮加工的生产效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，设计一种加工螺旋锥齿轮的机床和方法，不仅适合于湿切和干切，既能加工圆弧齿锥齿轮，也能加工摆线齿锥齿轮，而且能利用机床本身的数控轴来进行在线检测和自动上下料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种加工螺旋锥齿轮的机床，有床身，其特征是，床身的右左两侧和后侧分别设有右墙板、左墙板和后墙板，右墙板和左墙板平行，右墙板和左墙板的上部分别设有与地面平行的X轴导轨，X轴导轨上装有可在动力驱动下沿X轴导轨前后移动的X轴滑台；X轴滑台的前侧和上侧分别设有与地面平行并与X轴导轨垂直的Y轴导轨，Y轴导轨上装有可在动力驱动下沿Y轴导轨左右移动的Y轴滑台；Y轴滑台的前侧装有与地面垂直的Z轴滑槽，Z轴滑槽内设有Z轴导轨，Z轴导轨上装有可在动力驱动下沿Z轴滑槽上下移动的Z轴滑台；Z轴滑台上设有垂直于地面的刀盘主轴C轴，C轴上装有加工齿轮的刀盘或砂轮，刀盘或砂轮在动力驱动下可绕C轴回转；左墙板和右墙板之间设有平行于右墙板的支撑板，并在右墙板和支撑板上装有A-B轴联合装置，A-B轴联合装置的中间设有工件主轴A轴，A轴上装有被加工的齿轮，该齿轮可以在动力驱动下绕A轴回转；A-B轴联合装置上设有与A轴垂直的回转轴B轴，A-B轴联合装置可在动力驱动下绕B轴回转；床身在支撑板与右墙板之间设有落屑槽，Z轴滑台的左侧设有导轨，导轨上装有可在动力驱动下上下移动的机械手，左墙板和支撑板之间设有传送带，后墙板或左墙板上设有开口，传送带经过左墙板或后墙板的开口绕至左墙板前方构成环形。

Z轴滑台的右侧设有垂直于地面方向的探针。

床身右侧对应落屑槽下方设有一个可***排屑装置的孔。

支撑板上设有修整器，修整器上设有在动力作用下的回转轴D轴，D轴的方向与地面垂直，修整器顶端装有金刚滚轮，用金刚滚轮的端面修整砂轮。

修整器也可以设置在A-B轴联合装置上，修整器上设有在动力作用下的回转轴D，修整器顶端装有金刚滚轮，修整器根据B轴的回转改变方向，用金刚滚轮的内侧和外侧分别修整砂轮的外侧和内侧。

床身的右墙板上开孔，通过该孔可调整工件的夹紧装置。

一种用所述机床加工螺旋锥齿轮的方法，其特征是，该方法包括：

a.建立空间直角坐标系，以通过B轴回转轴线并与地面平行的平面为X-Y平面，以通过B轴回转轴线并与地面垂直的平面为Y-Z平面，以通过A轴回转轴线并与Y轴回转轴线垂直的平面为Z-X平面，它们的交点O即为机床坐标系的原点，刀盘主轴端面中点O’在该坐标系里的坐标即为x、y、z，A轴轴线与X-Y平面的夹角为β，工件的回转角为α；

b.根据公式：

sinβ＝-cp；

x＝O_MO_C·i-Lcosβ；

y＝O_MO_C·j；

z＝O_MO_C·k+Lsinβ+H；

计算出产形轮从展成起始位置到展成结束位置所对应的x、y、z、β，计算机程序控制刀盘和工件到展成的起始位置，然后控制X、Y、Z、A、B五轴联动进行展成运动就可以加工出工件的一个轮齿，然后刀盘退出，工件分度并回到第二个轮齿的展成起始位置，计算机控制X、Y、Z、A、B五轴联动展成第二个轮齿，如此循环往复，直到加工完所有的轮齿；

所述公式中，c为刀具轴线向量，p为工件轴线向量，O_M为齿轮副交叉点，O_C为刀具中点，L＝L₀+A_d+M_d，其中L₀是机床常数，A_d是齿轮夹具长度，M_d是齿轮的安装距，H是刀具高。

c.齿轮(17)加工完以后，B轴回转到90°的位置，机械手下移到工作位置，通过X、Y、Z三轴联合运动使机械手对准A轴下移并夹取齿轮，把加工好的齿轮放到传送带上后，机械手松开上移，传送带前移一个位置，机械手下移再把另一个要加工的工件安装在工件主轴A轴上。

d.重复上述步骤b和步骤c。

在机械型螺旋锥齿轮的加工机床上，以经过刀具中心O_C并垂直于摇台轴线的平面为X′-Y′平面，摇台向内的轴线为Z′轴，可以求出刀具轴线c、工件轴线p和齿轮副交叉点O_M到刀具中点O_C的矢量表达式为：

c＝[sin i sin(q-j)，-sin i cos(q-j)，-cos i]

p＝(-cosγ_M，0，sinγ_M)

O_MO_C＝(Scosq-X_Pcosγ_M，Ssinq-E_P，X_BP+X_Psinγ_M)

由图8可以看到刀具轴线c与工件轴线p的夹角为90ⁿ+β，所以cp＝cos(90+β)＝-sinβ。由此即可求得β角的计算公式和坐标矢量为：

sinβ＝-cp

同时还可以看到

k＝-c

$j=\frac{c\×p}{|c\×p|}=\frac{c\×p}{\cos \mathrm{\β}}$

i＝j×k

由图8还可以求得刀盘主轴中心O′在该坐标系里的坐标：

x＝O_MO_C·i-Lcosβ

y＝O_MO_C·j

z＝O_MO_C·k+L sin β+H

其中L＝L₀+A_d+M_d，L₀是机床常数，A_d是齿轮夹具长度，M_d是齿轮的安装距，H是刀具高度。至于工件轴的转角α，在正常的考虑之下，应该按照下面的公式计算：

α＝R_a(Δq-cΔq²-dΔq³-eΔq⁴-fΔq⁵)

还要考虑刀倾机构作用所附加的函数f(β)。

对每一个摇台转角q，都计算出产形轮从展成起始位置q₀到展成结束位置所对应的x、y、z、α、β。

相较于其它加工螺旋锥齿轮的机床，本发明具有如下优越性：

1.该机床为立式加工机床，占地面积少；

2.B轴直接固定在床身上，刚性好；

3.可以实现干切，排屑很方便；

4.机床带有探针，可用于自动余量分配和齿轮精度测量；

5.机床带传送带和自动上下料的机械手，实现了加工的完全自动化；

6.防护容易。

附图说明

图1为螺旋锥齿轮加工原理图；

图2为第一代数控铣齿机结构图；

图3为第二代数控铣齿机结构图；

图4为本发明所述数控铣齿机结构图；

图5为图4中机床床身结构图；

图6为图4中A-B轴联合装置结构图；

图7为图4中Z轴滑台结构图；

图8为图4数控机床坐标系的建立示意图；

图9为图4中齿轮精度的检测示意图；

图10为砂轮修整器的第一种安装位置；

图11为砂轮修整器的第二种安装位置。

具体实施方式

如图4-图6所示，一种加工螺旋锥齿轮的机床，有床身1，床身1的右左两侧和后侧分别设有右墙板2、左墙板12和后墙板21，右墙板2和左墙板12平行，右墙板2和左墙板12的上部分别设有与地面平行的X轴导轨3，X轴导轨3上装有可在动力驱动下沿X轴导轨3前后移动的X轴滑台4；X轴滑台4的前侧和上侧分别设有与地面平行并与X轴导轨3垂直的Y轴导轨5，Y轴导轨5上装有可在动力驱动下沿Y轴导轨5左右移动的Y轴滑台6；Y轴滑台6的前侧装有与地面垂直的Z轴滑槽7，Z轴滑槽7内设有Z轴导轨9，Z轴导轨9上装有可在动力驱动下沿Z轴滑槽7上下移动的Z轴滑台8；Z轴滑台8上设有垂直于地面的刀盘主轴C轴，C轴上装有加工齿轮的刀盘或砂轮13，刀盘或砂轮13在动力驱动下可绕C轴回转；左墙板12和右墙板2之间设有平行于右墙板2的支撑板14，并在右墙板2和支撑板14上装有A-B轴联合装置16，A-B轴联合装置16的中间设有工件主轴A轴161，A轴161上装有被加工的齿轮17，该齿轮17可以在动力驱动下绕A轴161回转；A-B轴联合装置16上设有与A轴161垂直的回转轴B轴162，A-B轴联合装置16可在动力驱动下绕B轴162回转；床身在支撑板14与右墙板2之间设有落屑槽101，Z轴滑台8的左侧设有导轨18，导轨18上装有可在动力驱动下上下移动的机械手11，左墙板12和支撑板14之间设有传送带15，后墙板21或左墙板12上设有开口，传送带15经过左墙板12或后墙板21的开口绕至左墙板12前方构成环形。

床身1右侧对应落屑槽101下方设有一个可***排屑装置的孔102，床身1的右墙板2上开孔。

如图7和图9所示，Z轴滑台8的右侧设有垂直于地面方向的探针10。

如图10所示，支撑板上设有修整器19，修整器19上设有在动力作用下的回转轴D轴，D轴的方向与地面垂直，修整器19顶端装有金刚滚轮20。

如图11所示，A-B轴联合装置16上设有修整器19，修整器19上设有在动力作用下的回转轴D，修整器19顶端装有金刚滚轮20，修整器19根据B轴的回转改变方向。

所述三个直线导轨和滑动驱动机构采用滚动导轨和滚珠丝杆，伺服电机通过直联或减速装置将伺服电机转动传给所述滚珠丝杆，带动X轴滑台4、Y轴滑台6和Z轴滑台8移动；X轴、Y轴和Z轴的位移用光栅尺测定，闭环控制；A轴和C轴采用电主轴或者力矩电机直接驱动，回转精度用光栅盘测定，闭环控制；A-B轴联合装置16绕B轴的回转用伺服电机通过蜗轮副或齿轮箱直接驱动，其转角用高精度光栅盘测定、闭环控制。三爪机械手11和探针10的上下用气缸完成，传送带的运动通过伺服电机来驱动。

如图8所示建立坐标系，用端面铣齿法(Face Milling)加工弧齿锥齿轮和弧齿准双曲面齿轮时，可先根据切齿计算程序算出的机床调整参数输入机床，然后用机床的数控程序计算出X、Y、Z、A、B各轴从展成的起始位置到结束位置在每一时刻所应该到达的位置。加工时机械手4和探针10都上行到待命位置，给定刀盘或砂轮合适的转速，各轴运行到起始位置，六轴五联动进行展成运动就可以加工出工件的一个轮齿。然后刀盘或砂轮13退出，工件分度并回到第二个轮齿的展成起始位置，五轴联动展成第二个轮齿。如此循环往复，直到加工完所有的轮齿。刀盘或砂轮13停止运转，工件夹紧装置松开，机械手4下行到工作位置并张开三爪，通过X、Y、Z三轴的运动把加工好的齿轮卸下并放回到传送带上。传送带15前进一个工位，机械手4夹起另一个待加工的齿轮17放置到夹具上去。机械手4上行到待命位置，探针10下行到工作位置给工件自动进行余量分配后夹紧。机床开始加工第二个齿轮。磨齿机在加工第二个齿轮之前还要修整砂轮。

用端面滚齿法(Face Hobbing)加工摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮时，把调整卡上的各机床调整参数输入机床，然后用机床的数控程序计算出X、Y、Z、A、B各轴从展成的起始位置到结束位置在每一时刻所应该到达的位置。加工时机械手4和探针10都上行到待命位置。展成时各轴运行到起始位置，工件轴和刀具轴按工件齿数和滚刀盘的刀齿组数所确定的传动比连续回转，连续滚铣即可加工出所需的齿轮，中间不需分度。齿轮加工完后刀盘停止运转，工件夹紧装置松开，机械手4下行到工作位置并张开三爪，通过X、Y、Z三轴的运动把加工好的齿轮卸下并放回到传送带上。传送带15前进一个工位，机械手4夹起另一个待加工的齿轮17放置到夹具上去。机械手4上行到待命位置，探针10下行到工作位置给工件自动进行余量分配后夹紧。机床开始加工第二个齿轮。

Claims (7)

1.一种加工螺旋锥齿轮的机床，有床身(1)，其特征是，床身(1)的右左两侧和后侧分别设有右墙板(2)、左墙板(12)和后墙板(21)，右墙板(2)和左墙板(12)平行，右墙板(2)和左墙板(12)的上部分别设有与地面平行的X轴导轨(3)，X轴导轨(3)上装有可在动力驱动下沿X轴导轨(3)前后移动的X轴滑台(4)；X轴滑台(4)的前侧和上侧分别设有与地面平行并与X轴导轨(3)垂直的Y轴导轨(5)，Y轴导轨(5)上装有可在动力驱动下沿Y轴导轨(5)左右移动的Y轴滑台(6)；Y轴滑台(6)的前侧装有与地面垂直的Z轴滑槽(7)，Z轴滑槽(7)内设有Z轴导轨(9)，Z轴导轨(9)上装有可在动力驱动下沿Z轴滑槽(7)上下移动的Z轴滑台(8)；Z轴滑台(8)上设有垂直于地面的刀盘主轴C轴，C轴上装有加工齿轮的刀盘或砂轮(13)，刀盘或砂轮(13)在动力驱动下可绕C轴回转；左墙板(12)和右墙板(2)之间设有平行于右墙板(2)的支撑板(14)，并在右墙板(2)和支撑板(14)上装有A-B轴联合装置(16)，A-B轴联合装置(16)的中间设有工件主轴A轴(161)，A轴(161)上装有被加工的齿轮(17)，该齿轮(17)可以在动力驱动下绕A轴(161)回转；A-B轴联合装置(16)上设有与A轴(161)垂直的回转轴B轴(162)，A-B轴联合装置(16)可在动力驱动下绕B轴(162)回转；床身在支撑板(14)与右墙板(2)之间设有落屑槽(101)，Z轴滑台(8)的左侧设有导轨(18)，导轨(18)上装有可在动力驱动下上下移动的机械手(11)，左墙板(12)和支撑板(14)之间设有传送带(15)，后墙板(21)或左墙板(12)上设有开口，传送带(15)经过左墙板(12)或后墙板(21)的开口绕至左墙板(12)前方构成环形。

2.根据权利要求1所述一种加工螺旋锥齿轮的机床，其特征是，Z轴滑台(8)的右侧设有垂直于地面方向的探针(10)。

3.根据权利要求1所述一种加工螺旋锥齿轮的机床，其特征是，床身(1)右侧对应落屑槽(101)下方设有一个可***排屑装置的孔(102)。

4.根据权利要求1所述一种加工螺旋锥齿轮的机床，其特征是，支撑板上设有修整器(19)，修整器(19)上设有在动力驱动下的回转轴D轴，D轴的方向与地面垂直，修整器(19)顶端装有金刚滚轮(20)。

5.根据权利要求1所述一种加工螺旋锥齿轮的机床，其特征是，A-B轴联合装置(16)上设有修整器(19)，修整器(19)上设有在动力驱动下的回转轴D，修整器(19)顶端装有金刚滚轮(20)，修整器(19)根据B轴的回转改变方向。

6.根据权利要求1所述一种加工螺旋锥齿轮的机床，其特征是，床身(1)的右墙板(2)上开孔。

7.一种根据权利要求1所述机床加工螺旋锥齿轮的方法，其特征是，该方法包括：

a.建立空间直角坐标系，以通过B轴回转轴线并与地面平行的平面为X-Y平面，以通过B轴回转轴线并与地面垂直的平面为Y-Z平面，以通过A轴回转轴线并与Y轴回转轴线垂直的平面为Z-X平面，它们的交点O即为机床坐标系的原点，刀盘主轴端面中点O’在该坐标系里的坐标即为x、y、z，A轴轴线与X-Y平面的夹角为β，工件的回转角为α；

b.根据公式：

sinβ＝-cp；

x＝O_MO_C·i-Lcosβ；

y＝O_MO_C·j；

z＝O_MO_C·k+Lsinβ+H；

计算出产形轮从展成起始位置到展成结束位置所对应的x、y、z、β，计算机程序控制刀盘和工件到展成的起始位置，然后控制X、Y、Z、A、B五轴联动进行展成运动就可以加工出工件的一个轮齿，然后刀盘退出，工件分度并回到第二个轮齿的展成起始位置，计算机控制X、Y、Z、A、B五轴联动展成第二个轮齿，如此循环往复，直到加工完所有的轮齿；

所述公式中，c为刀具轴线向量，p为工件轴线向量，O_M为齿轮副交叉点，O_C为刀具中点，L＝L₀+A_d+M_d，其中L₀是机床常数，A_d是齿轮夹具长度，M_d是齿轮的安装距，H是刀具高；

c.齿轮(17)加工完以后，B轴回转到90°的位置，机械手(11)下移到工作位置，通过X、Y、Z三轴联合运动使机械手对准A轴下移并夹取齿轮(12)，把加工好的齿轮(12)放到传送带上后，机械手(11)松开上移，传送带前移一个位置，机械手(11)下移再把另一个要加工的工件安装在工件主轴A轴上。

d.重复上述步骤b和步骤c。

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