一种磨齿机控制方法及磨齿机.pdf

本发明的目的是提供一种磨齿机控制方法，以实现自动对中和连续磨齿。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种磨齿机控制方法，采用包括工件主轴、砂轮主轴和修整轮主轴的磨齿机，包括以下步骤：1）记录安装在所述修整轮主轴上的修整轮的初始空间位置数据；2）采用所述修整轮对安装在所述砂轮主轴上的砂轮进行修形，当修形完成时，所述修整轮与砂轮啮合，即获得所述砂轮的齿槽或齿形的空间位置数据；3）通过检测获得安装在所述工件主轴上的待加工工件的齿形或齿槽的空间位置数据，并根据步骤2）所获得的砂轮齿槽或齿形的空间位置数据，调整所述砂轮和待加工工件的相对位置，实现待加工工件和砂轮的对刀。

权利要求书一种磨齿机控制方法，采用包括工件主轴、砂轮主轴和修整轮主轴的磨齿机，其特征在于，包括以下步骤：
1）记录安装在所述修整轮主轴上的修整轮的初始空间位置数据；
2）采用所述修整轮对安装在所述砂轮主轴上的砂轮进行修形，当修形完成时，所述修整轮与砂轮啮合，即获得所述砂轮的齿槽或齿形的空间位置数据；
3）通过检测获得安装在所述工件主轴上的待加工工件的齿形或齿槽的空间位置数据，并根据步骤2）所获得的砂轮齿槽或齿形的空间位置数据，调整所述砂轮和待加工工件的相对位置，实现待加工工件和砂轮的对刀。
根据权利要求1所述的一种磨齿机控制方法，其特征在于：步骤1）中所述修整轮的空间位置数据为修整轮表面的曲面数据，步骤2）中，所述砂轮的齿槽或齿形的空间位置数据为砂轮的齿槽或齿形表面的曲面数据。
根据权利要求1所述的一种磨齿机控制方法，其特征在于：所述磨齿机中的砂轮主轴平行于修整轮主轴，所述工件主轴垂直于砂轮主轴；以任意一点为原点，建立三维坐标系，使得所述砂轮主轴平行或重合于Y轴，所述工件主轴平行或重合于Z轴，所述工件主轴和砂轮主轴均垂直于X轴；
所述砂轮为蜗杆砂轮；
步骤1）中，所述修整轮的初始空间位置数据包括修整轮中心点的y坐标值；
步骤2）中，当修形完成时，所述修整轮与砂轮啮合，整轮中心点的y坐标值即为蜗杆砂轮任意齿槽或齿形的中心线的坐标，所述砂轮的齿槽或齿形的空间位置数据即为蜗杆砂轮任意齿槽的中心线的坐标。
根据1～3任一权利要求所述的一种磨齿机控制方法，其特征在于：步骤3）结束后将待加工工件进行加工成成品工件，并对所述成品工件的精度进行检测，当所述精度不符合标准时，重新转到步骤1）。
根据1～3任一权利要求所述的一种磨齿机控制方法，其特征在于：所述砂轮为成形砂轮或蜗杆砂轮。
一种采用1～5任一权利要求所述的控制方法的磨齿机。

说明书一种磨齿机控制方法及磨齿机
技术领域
本发明涉及磨齿机制造领域。
背景技术
数控磨齿机广泛应用于齿轮等零部件的制造。其中，数控成形砂轮磨齿机是一种适用于高精度内、外齿轮批量磨削加工的精密数控机床，其加工原理为成形法磨削，即将成形砂轮轴截面截形修整为与齿轮齿槽相对应的截面，进行成形磨削加工。数控展成砂轮磨齿机是另一种高效的精密数控机床，采用了一个蜗杆砂轮，利用展成原理，实现高效率的加工。现有技术中，不管是数控成形砂轮磨齿机，还是数控展成砂轮磨齿机的设计制造都已经比较成熟。在机械工业出版社2008年出版的《机械加工工艺手册（单行本）――齿轮、蜗轮蜗杆、花键加工》（以下简称参考文献1），等文献中，详细介绍了蜗杆砂轮磨齿机、立方氮化硼成形磨齿机等数控磨齿机或传统磨齿机。
现有的数控磨齿机主要包括了机床本体、电气及伺服控制系统、齿轮磨削系统、磨削对中系统、齿轮齿形对中系统等。部分磨齿机，如CN1453103C公开的成形磨削砂轮在线修整方法，还整合了砂轮修整系统，即实现了砂轮在线修整以提高生产效率。
由于磨齿加工属于对齿形的精加工，待加工工件在磨齿前已经被粗加工出一定齿形，因此，需要在磨齿加工前对工件和/或刀具进行调整，即对刀。由于实际生产中，往往是使得蜗杆砂轮的任意齿槽的中心线与待加工工件（如：齿轮）的任意齿形的中心线重合，因此，上述“对刀”在本领域中通常称为“对中”。如果不进行“对中”操作，不但得不到精磨的工件，反而会磨坏齿形。特别是在待加工工件的加工余量较小的情况下，废品率高。在待加工工件的加工余量较大的情况下，上述情况有所缓解，但效率低，砂轮磨损较快。如参考文献1第134页第二段对成形磨进行介绍时提到的“磨削直齿齿轮时，砂轮轴线垂直于齿轮的轴线，砂轮截形的中心线和齿轮齿槽的中心线相重合……”；又如参考文献1第135页第四段对蜗杆砂轮磨齿原理进行介绍时提到“磨齿时，蜗杆砂轮和被磨齿轮相对转动啮合……”都说明了调整砂轮与待加工工件位置的重要性，但是都没有提出较好的解决方法。
现实中，上述蜗杆砂轮修整及齿轮磨削时，很难实现自动化，齿形“对中”基本上依靠人工操作，而且每一次砂轮修整都要重新进行人工调整，对工人熟练程度和技巧要求高，生产效率较低。其原因是：砂轮安装在主轴上具有随意性，虽然现有技术早已存在成熟的齿形检测方法和设备，可以设想将齿形检测集成到数控磨齿机中，以实现齿形对中。但遗憾的是，现有的较为简便和精确的齿形检测方法大都是针对金属工件或是表面光滑工件的。由于砂轮表面粗糙且一般为非金属件，不能反馈正确的信号或会磨损测头，目前难以以便捷的方式精确地获得砂轮的齿形数据。所以，数控磨齿机领域仍然不能以简单的方式解决自动对中的问题，难以实现连续化生产。在成形磨领域，通常采用的对中装置，其精度要求高却容易磨损，总体加工精度不尽人意。同时，由于对中方式不同，难以在同一台设备中集成展成磨和成形磨。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种磨齿机控制方法，以实现自动对中和连续磨齿。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种磨齿机控制方法，采用包括工件主轴、砂轮主轴和修整轮主轴的磨齿机，包括以下步骤：
1）记录安装在所述修整轮主轴上的修整轮的初始空间位置数据；
2）采用所述修整轮对安装在所述砂轮主轴上的砂轮进行修形，当修形完成时，所述修整轮与砂轮啮合，即获得所述砂轮的齿槽或齿形的空间位置数据；
3）通过检测获得安装在所述工件主轴上的待加工工件的齿形或齿槽的空间位置数据，并根据步骤2）所获得的砂轮齿槽或齿形的空间位置数据，调整所述砂轮和待加工工件的相对位置，实现待加工工件和砂轮的对刀。
本发明采用具有修整轮的磨齿机，即现有“在线修整技术”中所采用的磨齿机。值得说明的是，由于将所述蜗杆砂轮在安装在砂轮主轴上具有随意性，砂轮齿形的空间位置数据是不能精确地确定的。但是，工件主轴、砂轮主轴和修整轮主轴的安装位置是已知的，各轴的角位移及位移量可以被精确记录，而修整轮的形状和尺寸也是已知的，数控系统可以控制修整轮按照一定轨迹运动。
虽然砂轮和修整轮均是非金属的、且表面均粗糙。但是砂轮形状较修整轮为更复杂（如展成磨中的蜗杆砂轮）、且磨损快，而修整轮形状通常较为简单、且磨损慢。因此，通过测量获得砂轮的位置数据（如截形、齿形或齿槽中心线）较为困难、成本高。但获得修整轮的位置数据相对较为容易，同时，修整轮磨损周期长，通常较为精密，一次检测后使用周期长。另外，市售的修整轮通常较为精密，其尺寸通常已经标出。
本发明正是利用了修整轮对砂轮进行修整完成后，修整轮与砂轮啮合的原理，通过修整轮的位置信息来找准砂轮的位置信息。之后，砂轮与修整轮必然分离，可能需要对砂轮的位置进行追踪，而追踪技术在数控领域属于公知。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述修整轮的初始空间位置数据，仅仅是修整轮的中心线位置数据即可，相对应的砂轮的齿槽或齿形的空间位置数据，即为砂轮任意齿槽或齿形的中心线位置数据。本领域中，通常要建立坐标系，优选方式中的磨齿机中的砂轮主轴平行于修整轮主轴，所述工件主轴垂直于砂轮主轴。以任意一点为原点，建立三维坐标系，使得所述砂轮主轴平行或重合于Y轴，所述工件主轴平行或重合于Z轴，所述工件主轴和砂轮主轴均垂直于X轴。建立坐标系后，所述修整轮的中心线位置数据即为修整轮中心点的y坐标值；所述砂轮任意齿槽或齿形的中心线位置数据即为蜗杆砂轮任意齿槽的中心线的坐标。
附图说明
本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。
图1为本发明的装置在X‑Z平面的投影示意图；
图2为本发明的装置在X‑Y平面的投影示意图；
图3为修整轮示意图；
图4为待加工工件示意图；
图5为s2旋转偏移量示意图
图中：1‑修整轮，2‑砂轮，3‑待加工工件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，作出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。
实施例1：
一种磨齿机控制方法，采用包括工件主轴、砂轮主轴和修整轮主轴的磨齿机，包括以下步骤：
1）记录安装在所述修整轮主轴上的修整轮的初始空间位置数据；
2）采用所述修整轮对安装在所述砂轮主轴上的砂轮进行修形，当修形完成时，所述修整轮与砂轮啮合，即获得所述砂轮的齿槽或齿形的空间位置数据；
3）通过检测获得安装在所述工件主轴上的待加工工件的齿形或齿槽的空间位置数据，并根据步骤2）所获得的砂轮齿槽或齿形的空间位置数据，调整所述砂轮和待加工工件的相对位置，实现待加工工件和砂轮的对刀。
需要说明的是，步骤1）和步骤2）是本实施例中最重要的技术要点。正是通过这两步找准了砂轮齿槽或齿形的空间位置，使得步骤3）在无需人工调整的情况下顺利进行，真正实现了磨齿机的全自动化。
本发明利用了修整轮与砂轮相啮合的原理，使得修整轮的初始空间位置数据与砂轮齿槽或齿形位置数据相对应。本实施例在修整轮与砂轮的啮合点找准砂轮齿槽或齿形位置数据后，利用成熟的技术对砂轮的位移进行追踪。因此，之后不管砂轮位置如何变化，其齿槽或齿形的位置数据都被数控系统记录着。因为现有技术中，只要是获得了的齿槽或齿形的位置数据，就能实现自动对刀，这与数控加工中心等设备中自动对刀的原理相同，属于本领域公知。同样地，检测材质为金属的待加工工件的齿形（如图1中的斜齿轮）也是公知技术。因此，本发明解决了找到了解决因砂轮（特别是蜗杆砂轮）的齿形难以检测而不能实现自动磨齿的方法。
本发明中，由于修整轮较为精密，且容易测量（如图3中的修整轮的尺寸一目了然），因此，可以根据实际需要，通过修整轮来获得的砂轮齿槽或齿形的多种位置数据。本实施例中，要求获得整个砂轮齿形的曲面数据，即步骤1）中所述修整轮的空间位置数据为修整轮表面的曲面数据，步骤2）中，所述砂轮的齿槽或齿形的空间位置数据为砂轮的齿槽或齿形表面的曲面数据。
实施例2：
同实施例1的步骤，本实施例对其进一步限定。所述磨齿机中的砂轮主轴平行于修整轮主轴，所述工件主轴垂直于砂轮主轴；以任意一点为原点，建立三维坐标系，使得所述砂轮主轴平行或重合于Y轴，所述工件主轴平行或重合于Z轴，所述工件主轴和砂轮主轴均垂直于X轴。上述内容主要是定义了磨齿机的坐标，属于本领域公知的内容。
本实施例中，所述砂轮为蜗杆砂轮；
步骤1）中，所述修整轮的初始空间位置数据包括修整轮中心点的y坐标值。即步骤1）为记录安装在所述修整轮主轴上的修整轮中心点的y坐标值。
步骤2）中，当修形完成时，所述修整轮与砂轮啮合，修整轮中心点的y坐标值即为蜗杆砂轮任意齿槽或齿形的中心线的坐标，所述砂轮的齿槽或齿形的空间位置数据即为蜗杆砂轮任意齿槽的中心线的坐标。即步骤2）为采用所述修整轮对安装在所述砂轮主轴上的砂轮进行修形，当修形完成时，所述修整轮与蜗杆砂轮啮合，即获得啮合时蜗杆砂轮任意齿槽的中心线的坐标。
下面结合附图来说明。
一、参数说明：
参见图1，图中修整轮1、砂轮2即蜗杆砂轮、待加工工件3即斜齿轮均处于数控磨齿机的三维坐标系中。初始时，（A1，D1，H1）为修整轮中心点坐标，（A2，D2，H2）为蜗杆砂轮中心点坐标，（A3，D3，H3）为齿轮安装基面中心点坐标即待加工工件3中心点，o1、o2、o3分别为修整轮、蜗杆砂轮、齿轮的回转轴线。
另外，还已知s1、s2分别为修整架、砂轮架的旋转轴，s1过修整轮的轴向对称平面且平行于X轴，s2在蜗杆砂轮的轴截面上且平行于X轴，其Y轴坐标为Ｄ2'，如图所示，其中ω2、ω3图示所标方向为正向，反之则为反向，而ω1不分正反。斜齿轮已知加工工艺参数：
齿轮类型：渐开线形，旋向：右旋，齿轮法向模数m，齿轮齿数z，齿轮螺旋角β，齿宽为B，齿轮变位系数x，齿顶高系数h*,顶隙系数c*，分圆压力角：α；
蜗杆砂轮头数k，总长为L，蜗杆砂轮外径顶隙系数c2*，旋向：右旋。
参见图3，修整轮外圆直径d1a，齿高补偿系数c1*(其轴截面齿形如图所示)；
由以上述已知工艺参数可计算出其它相关参数：
齿轮分度圆直径：d3f＝mz/cosβ；
展成磨削时齿轮节圆直径：d3j＝mz/cosβ+2mx；
法向齿距（也即基圆齿距）：p＝πm；
齿轮螺旋导程：
蜗杆砂轮修整前其分度圆直径：
蜗杆砂轮修整前其分度处螺旋升角：
修整轮分圆直径：d1f＝d1a‑2(h*+c2*)m；
要说明的是：文中提到的其通式为(其中ξ=0,1,2,3,4,5,……)，表示蜗杆砂轮第ξ次修整后其外圆直径，为等差数列，公差为‑f(f为单次直径修整量），即
同理，其通式为表示蜗杆砂轮第ξ次修整后其外圆直径，为等差数列，公差为‑f，即
γ0，γ1……，其通式为γξ，表示蜗杆砂轮第ξ次修整后其分度圆处的螺旋升角，其每一项的值为：
二、修整蜗杆砂轮：
如图1所示，在各自的主轴上安装修整轮及蜗杆砂轮。本实施例中，安装的蜗杆砂轮可以是完全未开槽的砂轮（一般为圆柱体状的砂轮），此时采用修整轮直接在圆柱体砂轮上修出齿槽，获得蜗杆砂轮。但为了减少修整量，减少修整轮的磨损，建议蜗杆砂轮先行开槽，即先部初加工出蜗杆砂轮，或采用市售的蜗杆砂轮,一般留有0.2～0.3mm的修整余量。较优的方案是蜗杆砂轮留有0.02～0.03mm的修整余量。
因为本实施例是修整蜗杆砂轮，其齿槽具有螺旋角度。修整轮绕s1轴顺时针旋转角度γ1（从图示V向观测），以便对蜗杆砂轮进行首次修整。
采用优选方案时，即采用先行开槽的蜗杆砂轮时，在蜗杆砂轮的首次修整前，可能与初始位置需通过人工对刀，使得修整轮中心线基本处于蜗杆砂轮齿槽中部。由于蜗杆砂轮留有加工余量，此处对精度要求不高。本实施例中，可以采用点动控制按钮让修整轮中心基本处于蜗杆砂轮齿槽中部（此处可通过操作人员目测或通过市场上现有的磨削对中系统完成，后者操作简单可靠）。
启动修整轮主轴旋转运动，带动修整轮转动。修整轮沿蜗杆砂轮径向进刀，当蜗杆砂轮与修整轮中心距为a1时停止进刀；其中：
待修整结束后，通过位移传感器测量蜗杆砂轮初始位置到结束位置在Y轴上的位移量e（e值也可能为0）。实施例中可以测量初始时处于点（A2，D2，H2）的蜗杆砂轮的中心点到本步骤结束点时Y坐标的变化量。记录下e值就相当于即找准了蜗杆砂轮任意齿形的中心线坐标。
继续完成对蜗杆砂轮的精修：蜗杆砂轮作螺旋进给运动，沿Y轴负向的移动速度为vdy，绕o2轴的转动速度ω2，进行蜗杆砂轮左右齿面的修整加工，修整完成后，蜗杆砂轮分圆直径为其中vdy与ω2满足以下关系式：将蜗杆砂轮有效齿形其左右齿面修整完毕后，修整轮沿X轴负向退刀，使两轮中心距大于两轮顶圆半径之和，然后蜗杆砂轮沿Y轴正向移动，使修整轮位于蜗杆砂轮的左侧。修整轮作径向进给运动，当蜗杆砂轮与修整轮中心距为b1时停止进刀，其中：之后提高蜗杆砂轮转速，蜗杆砂轮沿Y轴负向作进给运动，磨削蜗杆砂轮外圆，使其直径为
至此，蜗杆砂轮首次修整完毕，各运动轴回其坐标零点并停止运动。
三、加工齿轮：
安装待磨削齿轮工件，即斜齿轮。利用齿形检测仪（或其它可以检测齿形或齿槽中心位置的装置，均为现有技术）。检测待磨削齿轮齿形（或齿槽）的中心，记录检测后齿轮上端面任意颗齿齿形中心M与o3轴的连线与X轴负半轴的夹角θ(以逆时针方向计)，如图4所示。
蜗杆砂轮沿Y轴负向移动距离g，使蜗杆砂轮上位于齿轮一侧且距离蜗杆砂轮中心点位置最近的齿槽中心线与X轴重合，其中：g＝(D2‑D3)‑l，l为该中心线与蜗杆中心位置的距离（其中N∈[‑L/p,L/p]且N为整数，可采取一维线性搜索，取合适的N值使l∈(‑p/2,p/2]，±表示即可取正，亦可取负）。
由于是加工斜齿轮，砂轮架绕s2轴逆时针旋转角（从V1向看），使蜗杆砂轮法截面与齿轮法截面重合，其中：
（如果为负值，则顺时针旋转的角度）。
此时，如果能够保证砂轮中心点在s2上，就已经完成了蜗杆砂轮与待加工工件的对刀，即“对中”。已经实现了本发明的目的，之后的加工步骤均是本领域技术人员熟知。
但是，要保证蜗杆砂轮中心点在s2上需要增加机床设计难度及机床成本，因此本实施例提供一种优选方案，使得蜗杆砂轮中心点不在s2也能完成加工。
如附图所示，当蜗杆砂轮中心点不在s2时，蜗杆砂轮架顺时针转动角，与齿形对中的蜗杆砂轮上的齿槽位置将发生位移偏置。参见图5，为了消除因砂轮架旋转产生的偏置量，则蜗杆砂轮应沿Z轴正向移动δ2z，沿Y轴正向移动δ2y，其中：


ΔD2＝D2‑D2′‑l。
蜗杆砂轮正向转动λ角度，其中：（对于直齿轮：h为磨齿加工安全高度，N'为正整数，利用一维线性搜索，取合适的N'值使λ∈(‑180°,180°]。（注：对于蜗杆砂轮，移动其轴向位置和转动相应的角度有异曲同工之效，如果在步骤12及13中取