数控齿条成形磨齿机中在线修整装置的研究

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在成形磨 削加T过程 中，成形砂 轮 的磨 削性 能在很大程度上与成形砂轮 表面特性相关 ，成形 砂轮的外形轮廓精度及其尺寸精度直接决定被加工工件的加工质量。成形砂轮在磨削加工-段 时间后会出现不同程度的磨损 ，使得砂轮表面形成砂粒钝化 ，磨刃变得不锋利 ，并且 留下许多磨削颗粒堵 塞砂 轮气孔 ，难 以对工件进行有效磨削” 。因此 ，要完成成形磨削加工 ，先要解决成形砂轮修整问题 ，用 以保证工件 的尺寸精度和表面粗糙度 。

齿轮成型砂轮磨 削是实现齿轮高效 、高精度加工的发展方向。成形砂轮在理论上能够磨削任意模数 的工件 ，且能很方便 的改变被磨齿轮 的齿形修缘量 。在发动机 曲轴的制造过程 中，成形砂轮用于精磨 曲轴小头端倒 角、端面 、圆角、外 圆 。在大型杨路机械齿轮箱 的制造过程 中，成型砂轮沿着二 的齿 向移动 ，在-个行程 中同时完成对左右齿面 的磨削加工 。加工不 同端面形式的圆柱立铣刀和不 同端面形式的锥度立铣 刀，成形砂 轮能实现立铣刀 的直槽和螺旋槽丝锥 的磨 削 。成形砂轮不需要展成运动，减少了机床动作，使磨齿机结构简单，误差影响因素较少 ，加上砂 轮和齿轮接触线和啮合线不重合，传动平稳，因此成形法磨齿机精度比较稳定。

本研究中设计的数控齿条成形磨齿机的外形尺寸为 3400×1680×1670长 ×宽 ×高 ，采用 白刚玉砂轮 ，其主轴电机为 7.5kW，总功率达 12kW，砂轮线速度为 25m/s，加 工长度 可达 1000mm，最大 加工模 数 为20mm，磨齿精度达 6级以上。为提高成形砂轮的修整精度 ，对其在线修整装置进行了较深入的研究。

1 砂轮修整装置的结构1.1 整体结构成形砂轮修整器是成形砂轮修整装置的主要结构 ，成形砂轮修整器 的稳定性 和精 确度决定 了砂轮修整的精度，因而成形砂轮修整系统的设计中必须具有较高的精度和稳定性 。图 1为成形砂轮修整器结构图，由角度定位轴 、锁紧机构 、修整轴、修整进给轴和金刚石笔组成。

在图 1中，金 刚石笔通过夹 持机构 固定在修 整进给轴上 ，修整进给轴 固定在修整轴 的滑台上，修整收稿 日期 ：2012-12-17基金项 目：湖北省 自然科学基金 2011CDB077作者简 介：王君明 197O- ，男，湖北鄂州人 ，博士 ，高二，从事 CAD/CAM-体化 及先进磨削工 艺的研究 ，

2013年 8月 王君明，等：数控齿条成形磨齿机 中在线修整装置的研究 117·轴固定在角度定位轴的旋转工作台上，砂轮修整器角度定位轴 的回转 中心处于成形砂 轮 中心平面上 。

其中，修整轴用来完成垂直修磨面 的进给运动 ，修整进给轴完成沿修磨 面的平移运动 ，角度定位轴完 成金刚石笔的偏摆运动。修整轴由伺服电机、驱动器、联轴器 、蜗轮蜗杆机构、丝杆螺母 副、导轨、极限行程开关 、光栅尺组成 。修整进给轴 由电磁 阀、液压缸 、导轨和极 限行 程开 关组 成∏度定 位轴 由步进 电机、步进 电机驱动器 、联轴器 、蜗轮蜗杆机构 、极限行程开关 、光电编码器组成 。

1.修整轴 2.锁紧机构 3.修整进 给轴 4.金刚石笔 5.角度定位 轴图 1 成形砂轮修整 器锁紧机构 由液压缸、推杆、锁紧斜楔滑块等部件组成。锁紧机构主要是用来提高砂轮修整装置的刚度 ，可避免在砂轮修整时 ，因蜗轮蜗杆制造 问题而存在的传动间隙导致金刚石笔振动 ，从而影响砂轮修整质量。

1.2 砂轮修整器的锁紧装置数控齿条成形磨齿机在进行砂轮修整加工时，金刚石笔在接触成形砂轮或者修整过程中，砂轮修整器不可避免的会受 到冲击 。另外 ，由于蜗轮蜗杆制造水平 的限制 ，还有 传动 间 隙的存在 ，使振 动 加剧，从而影响砂轮修整器的修整质量。为了解决这个问题，必须提高砂轮修整器的整体刚度。为此，我们设计了锁紧装置 ，其结构如 2所示。

图 2 砂轮修整器锁 紧装置机构图图 2中，锁紧装置位 于修整进给轴下方 ，锁紧缸固定在修整轴滑台上。当角度定位轴和修整轴进给完成后 ，锁 紧液压缸启动 ，推杆 向右运动，推动锁紧滑块向右运动 。锁紧滑块下是 固定滑块 ，两滑块 的接触面为-斜 面。锁紧滑块在 向右运动 的同时，也向上运动 ，作用于修整进给轴基座上 ，实现对砂轮修整器的锁紧。随后 ，修整进 给轴 在修磨 液压缸 的驱动下进行砂轮修整 ，当修整完成后 ，锁紧液压 缸带动推杆向左运动，锁紧滑块松开，解除修整器锁紧。

2 成形砂轮修整器的工作方式齿轮磨齿机属于专用机床，加工产品种类较固定 ，所用 的成形砂 轮的种类较少 、外形轮廓相似 ，且成形砂轮的外形轮廓 比较简单 ，针对成形砂轮 的特点 ∩以设计 出 比较简洁 的修整加工 的轨迹 ，其轨迹如图 3所示。

竺兰 兰 整退刀3图 3 成 形 砂 轮 修 整 轨 迹从修整轨迹 图 中可看 出，成形 砂轮有三个 面要进行修整 ，分别是面 1、面 2和面 3，首先在面 1处进行对刀对刀时 ，金刚石笔与面 1垂直，修整轴完成修整进给，修 整进给轴在液压油缸 的带 动下进行修整 ；当面 1修整完成后 ，角度定位轴带动金 刚石笔进行偏摆运动，使金刚石笔与面2垂直，然后依次完成面2和面3的修整，完成-个砂轮修磨的循环；当面3修整完后 ，如须进行第二次进给 ，则在修整轴 的驱动下在面 3处 完成第二次修整进 给，沿相反路径再次修整 ，否则各修 整轴进行 回原点运 动。成形砂轮的修整轨迹简单 ，不需要数控轴联动 ，即可完成成形砂轮修整加工。

2.1 自动修整流程图装置的 自动修整流程图如图4所示 。

进入 自动修整模式前，先要进行对刀。从图 4中知，进入自动修整模式有两种方法：当首次进行砂轮修整时，直接从图 4里 的加工模式选择界面中点击修整模式进入 ；另外-种方法是从齿条加工界面中点击断点运行按钮 ，或是从操作面板上按下断点开关。当从前者进入修整模式时，将依次出现齿条选择界面、标准齿条参数设定界面或非标齿条参数设定界面图，然后根据设定的齿条参数进行磨削参数和修整参数的计算 ，再进入到砂轮修整界面进行砂轮修整 。当以第二种方式进入时，将跳过数值处理拈 ，修整各轴回到对刀点 ，然后直接进行砂轮的修整。

· 1 18· 组合机床与自动化加工技术 第 8期自动修整加工模式格 断 占 行格 翱 J l獭人 齿杀参效 l停止磨削动作， 圆 计算磨削参数； 各轴回对刀点计算砂轮修整参数 冷却、润滑、静压油箱启动，油泵电机、主轴电机启动击 i角度定位轴偏摆与面 垂直，修整进给轴动作 -主l锁紧缸夹紧i液压缸驱动修整轴动作l修整轴右限位 1锁紧缸松开，修整进给轴退刀，修整轴退刀 l卤 否却、润滑、静压油箱停止，油泵电机、主轴电机停止，各轴回原假图 4 自动修整 流程图2.2 自动修整步进程序结构砂轮修整运动属于顺序执行的步进工序，使用PLC的步进指令 SNXT009N，STEP008N执行 ，部分步进程序结构如图 5所示。

图 5 修磨 步进程序结构图 5中，2.04为 操 作 面 板 上 的 修 整 按 钮，W200.1为触摸屏上对应的修整模式软按钮，为了避免误操作 ，程序 规定 这两个按钮必须 同时有效才能开始修整动作 。另外在程序 开始时 ，先要读入 各修整轴的当前位置，便于各修整轴的精确控制，然后才按步进动作执行。

3 砂轮修整控制系统的设计砂轮修整装置中 ，角度定位轴 由步进电机驱 动，是用来进行修整时调整金刚石笔与砂轮修整面的角度 ，即进行角度定位。由于步进 电机没有运动反馈 ，无法对其进行位移精确地定位。因此 ，在设计 时，给角度定位轴接 人 了光 电编码器 ，通过编码器来反馈角度定位轴的旋转角度。修整轴由伺服电机驱动，用来完成修整量 的进给。由于伺服电机未补偿 滚珠丝杠的螺距误差 ，故在修整轴 工作台上安装 了直线光栅尺，从而构 成修整垂直进给 的全闭环控制。砂轮修整器部分的控制系统框图如图 6所示。

图6中，PLC接收到操作面板和触摸屏的砂轮修整指令后，按照既定程序控制三个修整轴进行预定动作，对砂轮进行修整。同时，通过高速计数器的输入端子对角度定位轴编码器和修整轴光栅 尺检测的脉冲进行计数 ，与理论脉冲数不断进行 比较 ，从而达到精确控制的 目的。

--角度定位轴编码器J角度定位轴步L.角度定位轴 。1进电机驱动器1。l步进电机悟 爵 PJC 懂 -r-莫屏 机驱动器 l服电机-÷ 修整轴光栅尺l图 6 修 整 器 控 制 系统 框 图3.1 角度定位轴的反镭制技术角度定位轴在修整装置 中主要起角度定位作用修整角度随齿形角的变化而变化 ，主要 由步进 电机 、步进 电机驱动器、蜗轮蜗杆机构、极 限行程开关、光 电编码器组成。由于步进 电机在二作 过程 中，若速度过快 ，会 出现过冲现象 ，从而造成精度降低。因此将步进电机 的工作行程分成 了两段 ：偏摆角度行程 的前 90%为正常工作段 ，后 10% 的偏摆 角度行程为减速工作段 ，对两段行程均进行反镭制 。在砂轮修整正常工作段 的反镭制程序 中，角度定位轴走过的偏摆角度通过编码器记录在-般用的数据寄存器中，角度定位轴 90%偏摆角度行程通过计算后放在断电保持数据寄存器 中，并通过 CPSL命令不断进行比较 ，当-般用的数据寄存器 中的数据大于或等于断电保持数据寄存器时，即认为正常工作行程走完 ，辅助继 电器接通 ，PLC用 ACC命令使角度定位轴低速运行。

在减速工作段的反镭制程序 中，-般用 的数据寄存器中贮存的是角度定位轴编码器的当前显示值，角度定位轴的 100%目标进给角度位置放在断电保持数据寄存器中。在角度定位轴的动作过程中，程序利用 CPSL命令不断的比较-般用的数据寄存器和断电保持数据寄存器中的数据 ，当-般用的数据寄存器中的数据大于或等于断电保持数据寄存器时，辅助继 电器接通，程序立即停止角度定位轴的运行。

3.2 修整轴的反镭制技术修整轴是用来完成修 整进 给的数 控轴 ，由伺 服电机控制 ，具 有速度 反馈 ，在本设 计 中使 用 了光栅尺 ，构成 了修 整轴 的全闭环控制 。修整轴 金 刚石笔的目标位置计算程序开始时，将修整轴的当前位置从触摸屏上传给数据寄存器，然后加上计算好或手工设定的修整轴进给量，得到修整轴的进给目标位置 ，存放在另-个数据寄存器 中。

下转第 121页2013年 8月 乔 华，等：枪钻机床 改装 BTA钻床 ·l2l·1.工件 2.钻套 3.油嘴 4.密封端盖 5.钻杆 6.机床导轨 7.钻杆箱 8.导轨滑块 9.联轴器 lO.配做刀柄图 6 机床 改装 后整体布局加工时 ，工件 1应顶紧钻套 2，前 端通过压紧钻套上的密封 圈来 达到密封 效果 ，后 端用密封 端盖 4里面的密封 圈来密封。高压液油经油嘴 3打入 ，通过授油箱的内腔到达钻头切削部分 ，然后把产 生的切屑压入空心钻杆 5，切削油以及切屑沿着钻杆到达钻杆箱部分并排出。增加联轴器 的目的是为 了保证机床夹头与钻杆箱中心轴线存在-定误差的时候，不影响机床的正常工作。组装的时候，-定保证授油箱和钻杆箱 的中心水平 同轴 ，这样机床才 能正常有效的工作。

3 试验机床改装调试成功后 ，分别钻削 Cr28不锈钢工件的冷却孔，进行对比切削试验，结合山特维克推荐的加工参数 和机床实 际的加工条件 ，最 终确定加工参数 ，试验结果如表 1。

表 1 切削试验 结果加工 进 给量 转 速 切削速度 液压 加工 加工-个方式 MPa 精度 孔耗时 min枪 钻 O.08 1300 81.6 5 T9 13.5BTA 0.20 11OO 69.0 3 T8 6.4实际切削试 验证 明，枪钻钻床改装成 BTA机床后 ，效果明显 ，BTA刀具大进给量钻削加工非常平稳 ，可提高加工效率 2倍以上 ，同时加工质量明显提高。