（机械电子工程专业论文）平面二次包络环面蜗杆数控系统设计与开发.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 平面二次包络环面蜗杆副是蜗轮蜗杆传动中的一种，它是用来传递空间交错轴运动 和动力的传动机构，具有多齿啮合、瞬时双线接触、承载能力强等优点，极其符合现代 机械重载、高速的需求，因此被广泛应用在通用机械、冶金工业、石油化工机械等行业。 由于平面二次包络环面蜗杆加工困难，主要是它在加工过程中有它自己特有的计算 公式，需要完成一些计算工作，对数控系统的运算能力有很高的要求，现有的数控系统 在这方面有局限性。为了提高平面二次包络环面蜗杆的加工精度和加工效率，降低其加 工成本，对其加工设备和加工方法的研究开发成为了目前非常重要的工作。本论文参考 了相关领域的一些研究成果，采用了一种以虚拟中心为原理的四轴四联动数控系统来完 成平面二次包络环面蜗杆的精确加工。论文中详细分析了平面二次包络环面蜗杆的成形 原理、四轴联动的运动过程、加工中心虚拟化原理，并探讨了该蜗杆的加工方法和加工 设备，最终确定了数控加工方法，并开发了一种主从结构的开放式数控系统。在分析加 工方法和加工原理的基础上，建立了从蜗杆几何参数到加工代码的转换，完成了硬件系 统的设计和软件系统的设计，该系统采用了先进控制软件技术，运用计算机实现输入 输出、程序编辑等系统管理功能；并结合t 而。数字运动控制器完成译码、插补、位置控 制等实时控制任务，使得该系统动态响应能力得到提高，同时具有很好的实时性。 关键词：四轴联动；平面二次包络蜗杆；开放式数控系统；运动控制器 a b s t r a c t jh ep l a n e 。q u a ( 蛔t l c e 1 1 v e l o p ea n i l u l a rw o 肋g e a rp a i ri sak i l l do fw o m a n dw o n n w n e e jg e 虬n1 sa 饥i n s m t s s l o n - m e c h a i 】i s mu s e dt o 缸a 芏1 s f 打t 1 1 em o t i o no fm es p a c ec r o s s e d a ) 【e sa n dt h ed y n a r m cm o t l o no fm e c h a i l i s m nh a sm 锄ya d v 柚t a g e ss u c ha sm u l t it o o m m e s m n g ，m s t a i l 咖e o u sd o u b l c tc o m a c t ，s n o n gb e 撕n gc a p a c 岫a n ds oo n s oi ti se x 仃c ：m e l v c 0 1 1 s 1 s t e n tw l t l lt l l em o d e mm e c h a l l i c a ld 锄a l l do fo v 甜o a d 锄d1 1 i 曲s p e e d ，s oi th a sb e e n w l d e i yu s e dmg c l l e r a lm a c 址矧呵，m e t a l l u r 舀c a l 协d u s n y ，p e t 】? o c h c i n i c a lm a c l l i n e r ya n do t l l e r s a st h ep l a n e 。q u a d r a t l c - e 芏l v e l o p e 锄u l a rw o m lp r o c e s s i l l gi s v e r yd i 踊c u l t ，m a 瑚yi i l t n ep r o c e s sl th a s1 t so w n u m q u ef b n n u l a ，n e e d ss o m ec a l c u l a t i o i l s ，a 1 1 dr e q u i r et h en cs y s t e m 叩e r a t l o nw l u l1 1 i 曲c a p a c 时r e q u i r e m e m s ，b u tt h ee x i s t i n gs y s t e mh a u sl i n l i t a t i o l l si i lt h i s a r e a mo r d e rt o 蚰p r 0 v et l l em a c b i 血n gp r e c i s i o n 锄dp r o c e s s i l l ge m c i e l l c yo ft l l e p 上a n e 。q u a d r a t l c 一肋v e l o p e锄u l a rw o r ma 1 1 dr e d u c em ep r o c e s s i i l gc o s t ，m ep r o c e s s i n g e q u l p m 咖a i l dp r o c e s s 证gm e t h o dr e s e a r c h 觚dd e v e l o p m e mh a sb e c o m em ev e r yi n l p o n a 呲 w o r k lm sa m c l em a k e sr e f e r e n c et 0r e l e v a mr e s e 鲫c hr e s u l t s ，a n da d o p t sa v i n u a lc e n t e rf o r t 1 1 ep r i n c i p l eo ff 矾n a x i s - i n t 即o l a t i o nn cs y s t 锄t 0c 伽叩l e t ep r e c i s ep r o c e s s m go fm e w o n n i nt l l i sp 印e ri tm a l ( e sad e t a i l e d 锄a l y s i s o fm ew o m l ，m ef o n x 】l i i l gp r i r l c i p l eo f o u 卜a x i s l t e 巾o l a 乜0 nm o t l o np r o c e s s ，m a c l l i m n gc e n t e rv i r t u a lp 血c i p l e ，柚dd i s c u s s e sm e w o 加p r o c e s s m gm e t h o da n dp r o c e s s i l l ge q u i p m e n t ，a 1 1 du l t i m a t e l yd e t e r m i 王1 e st 1 1 en c p r o c e s s m gm e t h o d ，a n dd e v e l 叩e sam a s t * s l a v ea r c k t e c t u r eo f0 p e l lc n cs y s t e m b a s e do n t h e 锄a l y s l so fp r o c e s s i r 培m e m o da n dp 血c i p l e ，i te s t a b l i s h e st h ec o n v e r s i o n 矗o mg e o m 确c p a r a m e t e ro tt h ew o i mg e a rt ot 1 1 ep r o c e s s i l l gc o d e ，a n dc 0 m p l c t e sm ed e s i g no fh a r d w a r e s y s t 锄锄ds o f 时a r es y s t e m t l l i ss y s t e ma d o p t s 也ea d v a n c e dc o n 臼0 ls o 胁a r et e c h n o l o g y ， c a nu s ec o m p u t e rt or e a l l z es o m es y s t 锄m a i l a g e m e n t 劬c t i o n1 i l 【e 也e 证p u t o u t p u t ，p r o 灯锄 e d i t i i 坞，c o n 小i n e dw i t hm et r i od i g i t a lm o t i o nc o n n o lc a r d ，i tc o m p l e t e ss o m er e a l t i m e c o n n o lt a s l 【s ，s u c ha sd e c o d i i 培，m e r p o l a t i o n ，p o s i t i o nc o n n 0 1a n ds oo n t h es y s t e m i i i l p r o v e s 1 t sd y n 锄cr c s p 0 1 1 s ea b i i i t y ，s i m u l t a n e o u s l yi th a s g o o dr e 矾t 血ep e r f o m l a n c e k e yw o r d s ：f o u r 。a x i s - h l t e 印0 1 a t i o n ；t h ep l a i l e q u a d r a t i c e n v e l o p ea 曲1 u l a rw o n n ； o p e nc n cs y s t e m ；m o t i o nc o o r d j i l a t o r 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题背景 早在2 0 世纪7 0 年代，我国始创了一种新型的机械传动方式平面二次包络环面 蜗杆传动。它是源自于美国“c o n e ”蜗杆( 即球面蜗杆) 和日本东京工业大学“斜平面 蜗轮”理论。平面二次包络环面蜗杆传动具有多齿啮合、综合曲率半径大、瞬时双线接 触、承载能力强、加工工艺性能好、工作效率高、使用寿命长等优点，因而极其符合现 代机械重载、高速的需求，因此它被广泛应用在通用机械、轻工机械、冶金工业、造船 工业、石油化工机械、兵器工业等行业。 由于平面二次包络环面蜗杆传动的如此广泛的运用，它在我国问世以后受到各方面 的高度重视。许多高等院校、科研单位、大型企业都开展了对这种传动的研究、实验和 试制工作，并且研究了平面二次包络环面蜗杆的加工方法和加工设备，这些都极大程度 地推动了平面二次包络环面蜗杆传动在我国的广泛传播和大规模的运用。 为了提高平面二次包络环面蜗杆的加工精度和加工效率，降低其加工成本，对其加 工设备和加工方法的研究开发成为了目前非常重要的工作。加工平面二次包络环面蜗杆 的方法主要是先利用车削的方法进行粗车蜗杆毛坯，然后对蜗杆毛坯进行相应的热处 理，在热处理之后精磨蜗杆轮廓齿面，进而加工出符合要求的平面二次包络环面蜗杆。 从加工原理上来说，平面二次包络环面蜗杆的加工方法主要有对偶范成加工法、非对偶 范成加工法、数控加工法三种方法。为了加工平面二次包络环面蜗杆，很多企业往往是 通过采用现有的设备对其进行改装。为了实现平面二次包络环面蜗杆加工所需要的运 动，在多种设备( 例如滚齿机、插齿机、车床等设备) 上面加装附件来满足平面二次包 络环面蜗杆的加工，但是这种简易的加工设备与方法都难于满足平面二次包络环面蜗杆 高精度和高效率的生产要求，这极大地影响了平面二次包络环面蜗杆的高精度、标准化、 序列化、大批量的生产和推广使用，使该蜗杆凭其优异性能在市场中竞争的能力大打折 扣。随着数控技术的高速发展，数控加工法不仅可以提高平面二次包络环面蜗杆的加工 精度，还可以实现蜗杆、蜗轮的完全非对偶加工，因此数控加工法在平面二次包络环面 蜗杆副的加工中应用最为广泛。采用现代数控技术来进行平面二次包络蜗杆的生产是解 决上述矛盾的有效手段和必由之路，已越来越成为人们的共识。 很多致力于平面二次包络环面蜗杆加工方法及设备的学者专家研究并开发了通用 的数控磨床、数控车削加工设备等先进工具，进一步提高了平面二次包络环面蜗杆的加 工精度和加工效率。目前有些科研单位相继开发并应用了二轴联动数控磨床、虚拟中心 四轴联动数控磨床，这些通用数控系统虽然功能很多，加工精度和效率越来越高，使用 方便，具有很多优点，但是对于平面二次包络环面蜗杆副的加工有很多功能是不必要的， 平面二次包络环面蜗杆数控系统设计与开发 而大多数功能不能满足实际应用的要求，并且平面二次包络环面蜗杆副的参数计算量比 较大，所以，为了便于控制和加工，本文开发了一种基于开放式数控系统的专用平面二 次包络环面蜗杆四轴联动数控磨床控制系统。 1 2 课题的研究意义 由于平面二次包络环面蜗杆加工很困难，主要是它在加工过程中有它自己特有的计 算公式，需要进行大量的计算，现有的系统在这方面有局限性。这个问题很大程度上限 制了它更广泛的应用。为了解决这个问题，目前多采用两种办法：一是在通用机床上作 相应的改造再投入使用；二是开发了以虚拟中心为基础的四轴四联动数控磨床。随着计 算机技术和数控技术的不断发展，现在的四轴四联动的数控磨床也采用先进的计算机技 术和数控技术。这在一定程度上弥补了通用机床的不足，提高了加工质量和精度。 目前平面二次包络环面蜗杆数控磨床的数控系统结构模式大多是传统的专用c n c 系统。这是一种专用的封闭型体系结构的数控系统，它可以由用户做人机界面，但是必 须使用专门的开发工具，需要耗费较多的人力物力，而对它的功能扩展、改变和维修， 都必须求助于系统的供应商。然而，数控系统本身就是一个综合性很强的系统，其控制 对象是以实时运动为主要工作状态的机械系统，具备很明显的实时控制特性、实时交互 特性和实时监测特性，需要运用专门的技术处理手段。因此，这种封闭式的数控系统在 结构上和性能上都存在很大的局限性。而开放式的体系结构能使数控系统具有更好的通 用性、适应性、扩展性和柔性，并向智能化、网络化方向大大的发展。并且开放式体系 结构是采用了多个c p u ，能够实现增强通信功能、提高进线、故障自动排除、联网的 能力。开放式体系结构的新一代数控系统，在其硬件、软件及其总线规范都实行了对外 开放的，从而有足够的软、硬件资源可利用，不仅让数控系统制造商以及用户进行的系 统集成得到有力的帮助，而且也为用户的二次开发提供了有利的条件，促进了数控系统 的开发和广泛应用。 通过调研，目前现有的平面二次包络环面蜗杆的生产加工模式无法完全满足客户的 需求，而且在功能上也不能满足要求，因此导致它在应用过程中受到许多限制。为了使 企业能够提供给客户满意的产品，并且在存在激烈竞争的产品市场中取得优势，本课题 针对实际生产情况开发出一种平面二次包络环面蜗杆数控磨床的数控系统。开发的数控 系统能够达到稳定的加工质量，能够更好的满足客户对产品的多种需求，降低企业的生 产成本，提高企业效益和市场竞争力。并且该平面二次包络环面蜗杆数控系统研制成功， 可进行批量生产，以此来满足市场需求。经调查，全国使用该设备的企业有很多，该设 备批量生产后可大大提高企业的竞争能力，具有可观的经济效益和社会效益。所以本课 题是一项具有很大开发潜力的研究方向。 2 西华大学硕士学位论文 1 3 平面二次包络环面蜗杆及其加工设备 1 3 1 平面二次包络环面蜗杆传动副及其特点 蜗轮蜗杆传动是机械传动领域的一种重要形式，是用来传递空间交错轴的运动和动 力的运动机构，属于齿轮传动的范畴。它具有传动速比大、传动平稳、振动、冲击和噪 声都很小、易于实现自锁等优点。它的用途广泛，无论在传递动力，还是在传动运动的 空间机构中都有非常广泛的应用。 蜗杆传动主要有圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和圆锥蜗杆传动三大类，其中前两种 应用比较广泛。平面二次包络环面蜗杆是环面蜗杆的一种。平面二次包络环面蜗轮蜗杆 副是一种不同于普通蜗轮蜗杆副的新型转角传动形式。它是一种新兴的传动装置，其承 载能力大、传动效率高、耐磨损、结构紧凑合理。特别适用于重载、大功率设备，因此 被广泛地应用于各种传动机械中，如冶金、矿产、起重、化工、建筑、橡塑、船舶等行 业以及其它机械设备上。 平面二次包络环面蜗轮蜗杆副是以一个平面为母面，通过相对螺旋运动，包络出环 面蜗杆的齿面，然后再以蜗杆的齿面为母面，通过相对运动包络出蜗轮的齿面而形成的。 用这种方法加工出的平面二次包络环面蜗杆副，具有以下特征： ( 1 ) 承载能力大； ( 2 ) 传动效率高； ( 3 ) 无噪音和稳啮合； ( 4 ) 传动速比选择有较大范围； ( 5 ) 高质量的材才及热处理方法； ( 6 ) 结构紧凑合理； ( 7 ) 节省能量； ( 8 ) 使用寿命长。 1 3 2 平面二次包络环面蜗杆加工设备及其发展状况 2 0 世纪7 0 年代初，我国研制成了平面二次包络环面蜗杆传动副，它被命名为“首 钢( s g ) _ 7 1 型蜗轮副”。这种平面二次包络环面蜗杆传动不同于平面一次包络环面蜗杆 传动副，它是以平面蜗轮作为刀具，通过两次包络完成的加工。第一次包络过程被展成 平面包络环面蜗杆后，再以蜗杆为参照对象制作成蜗轮滚刀，二次包络蜗轮与蜗杆啮合 展成蜗轮齿面，由于经过两次共轭啮合，所以称作为平面二次包络环面蜗杆传动副。平 面二次包络环面蜗杆可以通过淬火磨削，而蜗轮可以采用滚刀进行加工( 与用齿轮滚刀 加工齿轮很相似) 。该传动具有多齿啮合、接触特性好、承载能力大、双线接触以及传 动效率高等优点，在性能方面超过了其它蜗轮蜗杆并且逐渐的取代了它们。 早在一九七二年，日本科学家就提出了蜗杆二次作用的理论，深入地研究了有关刀 3 平面二次包络环面蜗杆数控系统设计与开发 具产形面二次接触如何在蜗轮齿面上形成新接触区方面的问题。而国内的许多科学家在 不断地学习和总结国外的蜗杆二次作用的理论基础上也提出了很多相关理论【2 】： ( 1 ) 研究了蜗杆边齿项变尖和蜗杆和蜗轮的根切； ( 2 ) 研究了齿面接触线和各类界线的数学模型； ( 3 ) 确定了蜗杆齿面接触线法向诱导法曲率等参数； ( 4 ) 在蜗杆修形方面做了很多研究和计算。 其研究对如何选择平面二次包络环面蜗杆副的参数及评价微观啮合质量等方面起 了很大作用。 自从这种传动在我国问世以后，受到许多科研单位、企业和高等院校的重视，许多 科研工作者进行了研究、实验和加工平面二次包络环面蜗杆，取得不菲的成绩。重庆大 学、北京科技大学等高校较早进行了理论研究，还有一些机械研究所也进行了这项研究。 在对平面二次包络环面蜗杆传动进行讨论研究期间，我国机械传动学术界形成了理论与 实践紧密结合，勇于创新，不断取得新成果的欣欣向荣的局面。理论研究与实际应用的 成就推动着平面二次包络环面蜗杆传动副在我国的广泛传播和推广。 近年来，工程机械与太阳能越来越被广泛使用，而平面二次包络环面蜗杆传动副的 设计和运用也起到了很大的作用。平面二次包络环面蜗杆专用机床的设计制造已经从各 厂家自行研制发展到专业机床厂生产。平面二次包络环面蜗杆数控专用机床也已经出 现，如大连第二机床厂可加工中心距为3 2 0 衄的蜗杆数控专用机床，宝鸡广环机床有 限公司g h ( 5 0 多功能数控蜗杆机床可加工中心距为5 0 0 n l i i l ，郑州机械研究所与重庆 机床厂也合作成功研制了一台数控机床。2 0 世纪9 0 年代，天津华盛昌齿轮公司与德国 克林贝格公司合作生产的h n c 3 5 t p 9 轴数控专用蜗杆磨床就已经投入了使用，可磨削精 度为5 级的环面蜗杆，可加工中心距为5 0 0 m m 。随着数控技术的发展，广泛应用在蜗 杆磨床领域中，数控蜗杆磨床越来越具有优越性，它不仅提高了工件的加工精度和加工 质量，而且还提高了生产效率，降低了成本和劳动强度，自动化程度大大提高。例如在 磨齿加工时，原来是每面分别磨螺旋、入口、出口倒坡，应用数控技术就可将入口、螺 旋出口一次磨出l 5 | 。 目前国内对平面二次包络环面蜗杆的磨削加工大多数停留在技术改造的层面上，例 如在车床、螺纹磨床及滚齿机上可以通过改变一些结构来实现对平面二次包络环面蜗杆 的磨削加工，并且有很多的工矿企业与相关的研究机构对磨削设备有更深的探讨。德国 i i l 2 e h i b e r g 与天津华盛昌齿轮有限公司合作生产了三台h n c 3 5 t p 平面二次包络环面 蜗杆数控磨床，其是在螺纹磨床基础上进行改造的，但是由于其成本很高，导致价格昂 贵，不能够大批量生产，很难赢得市场的青睐。在这方面西华大学机械数控研究所也做 了一些研究工作：利用已有的一台螺纹磨床y 7 2 5 0 w ，成功改造成了二轴联动平面二次 包络环面蜗杆数控磨床；利用一台c l 6 1 5 0 1 5 0 0 数控车床，成功把它改造成了四轴四 4 西华大学硕士学位论文 联动的蜗杆数控磨床，并投入了实际应用中，效果很明显。 随着计算机技术的发展，数控技术的进一步发展，平面二次包络环面蜗杆的加工方 法和加工设备将进一步向数控化专用化发展。平面二次包络环面蜗杆的数控加工中心的 研制包括两大部分：数控系统和机械系统。本课题主要完成数控系统的研究与设计。 1 4 主要研究的内容 综上所述，为了推进平面二次包络环面蜗杆在我国更加便捷和更加广泛的应用， 平面二次包络环面蜗杆的加工方法和专用加工设备的研究和创新是目前最为关键的工 作。本课题中，主要在研究平面二次包络环面蜗杆四轴四联动数控磨床加工方法的基础 上，开发出了用于平面二次包络环面蜗杆磨削的开放式数控系统。本论文主要完成的工 作如下所示： 1 详细分析平面二次包络环面蜗杆成型原理及加工机理，并对平面二次包络环面蜗 杆数控加工工艺进行了详细研究。 2 在对开放式数控系统构建方法分析的基础上，提出了平面二次包络环面蜗杆四轴 联动数控磨床的总体方案，开发了一种开放式四轴联动数控系统。 3 在研究开放式数控系统实时性、稳定性的基础上对数控系统的硬件和软件进行了 详细设计。 4 研究了以虚拟中心为原理的四轴四联动平面二次包络环面蜗杆数控系统的误差 产生机理和改进方法。 s 平面二次包络环面蜗杆数控系统设计与开发 2 平面二次包络环面蜗杆副成型原理及加工分析 2 1平面二次包络环面蜗杆的形成 2 1 1 环面蜗杆的分类及特点 ( 1 ) 直廓环面蜗杆 这种环面蜗杆是采用的加工刀具是直线刀刃的车刀。因为它在处于轴向位置的截面 中，其齿轮轮廓的形状是直线的，所以这种环面蜗杆就被叫做直廓环面蜗杆。这类环面 蜗杆的特点是，其体表螺旋面是车刀的直线刀刃随着工作台运动的过程中形成的轨迹， 它是不可展的直纹面。另外，如果要加工得到这种螺旋面，还可以用其它的不同的加工 刀具来加工这种环面蜗杆，例如渐开线插齿刀。此类环面蜗杆副的优点是制作简便，但 其缺点也很明显，由于加工刀具的外径受到限制，它只能在中心距比较小的传动中使用。 因此它的应用范围比较狭窄h 1 。 ( 2 ) 平面包络环面蜗杆 如图2 1 所示，平面包络环面蜗杆的加工过程可以用此图来表示，选用平面砂轮作 为刀具包络图中的蜗杆体，并对其表面进行磨削，同时这个蜗杆沿自身的轴线做回转运 动，砂轮平面的轨迹形成所要得到的螺旋曲面。由图可知，在加工过程中，要保证平面 砂轮一直相切于主基圆o ，与此同时，还要一直相切于蜗杆的内齿面。 图2 1 平面包络环面蜗杆 f i g 2 1p l 锄e - l e n v c l 叩e 锄u l a rw 咀 ( 3 ) 单锥面包络环面蜗杆 用单锥面砂轮作为刀具来包络蜗杆体，并对其表面进行磨削，同时这个蜗杆沿自身 6 西华大学硕士学位论文 的轴线做回转运动，砂轮平面的运动轨迹形成所要得到的螺旋曲面。在加工过程中，要 保证此砂轮的锥面直母线分别相切于蜗杆的内齿面和主基圆。这个砂轮仅有一个锥面， 所以被叫做单锥面包络环面蜗杆。 ( 4 ) 双锥面包络环面蜗杆 双锥面包络环面蜗杆的特点是采用双锥面砂轮作为刀具来包络待加工蜗杆体，并对 其表面进行磨削，同时这个蜗杆沿自身的轴线做回转运动，砂轮平面的运动轨迹形成所 要得到的螺旋曲面。刀具的两个锥面同时磨削蜗杆齿槽两侧的螺旋面，形成了双锥面包 络环面蜗杆产形面。 2 1 2 环面蜗杆的形成 环面蜗杆副是通过环面蜗杆包围蜗轮或圆柱齿轮运动而形成的。环面蜗杆的分度曲 面为圆环内表面的一部分。当蜗轮和蜗杆互相包围的时候，它被称为双包围蜗杆副。 环面蜗杆螺旋面是由平面砂轮、直线刀刃车刀、角度铣刀以及锥面砂轮加工而成的。 下面分析一下由直线刀刃形成环面蜗杆螺旋面的工作过程。将刀具( 直线刀刃车刀或角 度铣刀) 装在回转刀座上，回转刀座的回转轴线和环面蜗杆轴线是交错的，回转刀座的 回转中心和环面蜗杆的轴心分别是回转刀座轴线和环面蜗杆轴线的公垂线在回转刀座 轴线上和环面蜗杆轴线上的垂足。当环面蜗杆不修形时，回转刀座的轴心到环面蜗杆轴 线的距离就和被加工的环面蜗杆副的中心距相等；此时，回转刀座的速比与环面蜗杆副 的传动比相等。在回转刀座的轴心与环面蜗杆的轴线所在的蜗轮的中间平面上，由环面 蜗杆成形圆( 即蜗轮主基圆) 和环面蜗杆的齿廓来确定刀具的位置，砂轮的直母线、铣 刀或车刀的直线刀刃和这个环面蜗杆的成形圆的几何关系应该是相切的，并且与蜗杆齿 廓保持重合或者相切关系。当环面蜗杆在工作台上沿着它的回转轴做回转运动的时候， 环面蜗杆副按照原来的传动比传动，而刀座也仍然按原来的速比传动，当两者达到同步 时，车刀直线刀刃会在蜗杆表面上形成一定的轨迹，而这个轨迹在几何学中可能是平面 和曲面，也可能时锥面的包络面哺1 。这个轨迹面就形成了环面蜗杆螺旋面。 2 1 3 平面二次包络环面蜗杆副的成型原理 ( 1 ) 平面一次包络环面蜗杆副的成型原理 将平面包络环面蜗杆与直平面砂轮或者斜平面砂轮相配组成的蜗杆副称为平面一 次包络环面蜗杆副。这种平面砂轮的端面齿廓是直线的，而其齿面是平面的。在加工过 程中，蜗杆体和平面砂轮同时做相对运动，并且平面砂轮包络蜗杆体而形成蜗杆齿面。 由于在加工过程中经历了一次包络运动，就被叫做平面一次包络蜗杆。 ( 2 ) 平面二次包络环面蜗杆的成型原理 在平面一包环面蜗杆的基础上，将一次包络成形的蜗杆作为基本件进行系列的加 工制成蜗轮滚刀，再按照与第一次包络相同的运动关系加工安装在蜗轮轴上的蜗轮毛 7 平面二次包络环面蜗杆数控系统设计与开发 胚，包络成新的蜗轮齿面。这样，它是经过两次包络运动形成的，就被称为平面二包环 面蜗杆。 具体来讲，首先将一次包络运动后所形成的环面蜗杆的螺旋面作为刀具的产形面， 然后在此基础上安装轮坯和刀具，并保证蜗杆与蜗轮轴垂直、中心距为某固定值，最后 使滚刀和轮坯以固有的传动比同时做相对运动，从而得到平面二次包络环面蜗杆。 这种蜗杆传动副很多优点，例如，双线接触、多齿啮合、高承载力等。它的使用性 能很好，因此被广泛应用。 2 。2 平面二次包络环面蜗杆的加工 平面二次包络环面蜗杆是多齿啮合、双线接触的，对在实际工作情况中存在的一些 制造误差、重承载力和弹性变形都十分敏感，这就意味着要尽量提高制造精度，这样一 来不仅增加了制造难度，还提高了制造成本。近几年来，西华大学数控技术研究所在平 面二次包络环面蜗杆副的加工方法和加工设备方面做了一些研究和开发工作，设计了平 面二次包络环面蜗杆四轴四联动数控磨床，从机床结构、数控加工方法等方面都有了进 一步地改善。 2 2 1平面二次包络环面蜗杆的传统加工方法 平面二次包络环面蜗杆的传统加工方法是运用平面包络法磨削，它是使用平面砂轮 分别磨削出环面蜗杆的两个侧面。如图2 2 所示，把加工过程中用来精磨蜗杆轮廓的齿 面的砂轮平面称为产形面。该平面要满足两个条件：一是要保持和主基圆相切，二是要 始终与工作台的中心轴保持一个倾角，记做。所以这个平面的位置很精确并且可以表 示与其相对应的蜗杆轮廓齿面。在开始加工零件的时候，应先掌握该传动副的啮合条件 并且依此来调整平面砂轮的位置，使其和基圆保持时刻相切的几何关系；然后再确定 并调整砂轮的倾斜角度，使它和工作台的夹角为，同时使它仍保持与主基圆相切。另 外，还需要来回移动工作台的位置，目的是使它的回转中心始终处在蜗杆体的纵向中心 线上。同时，应该使工作台和待加工工件的距离与该传动副的中心距相等。在完成了一 系列准备工作并使它满足这些条件后，还要考虑调整平面砂轮刀头的前后距离和上下高 度，使刀具在工作台上的位置适当。在加工过程中，工作台围绕回转中心d 转动，砂轮 也跟着回转，刀具的工作面在围绕工作台运动的过程中，逐渐形成一个圆锥( 如图2 3 所示) ，同时待加工工件也在以它自身的中心轴为回转中心转动，这样，两个轴同时运 动一起完成平面二包环面蜗杆的加工。 8 西华大学硕士学位论文 1 蜗杆2 砂轮架3 砂轮产形面4 基圆5 回转工作台 图2 2 蜗杆加工示意图 f i g 2 2p 血c i p l eo f r o n n p r o c e s s 图2 3 砂轮加工侧面图 f 嘻2 3 w h e e l ss u r f a c ef b 观b 勰ec i r c l e 2 2 2 传统加工方法的缺陷 以前开发的通用数控磨床是采用传统的加工方法来实现对包络环面蜗杆的加工，这 种磨削方法是基于上文所分析的加工原理来实现的。它将蜗轮蜗杆相配作为传动副，并 将其设为回转工作台，利用回转工作台来带动砂轮架和砂轮绕回转中心旋转来加工成 型。数控磨床的工作台设置有多层，其中可移动的一层能够调节中心距，从而使砂轮的 磨削面和主基圆相切，并调节砂轮架的纵向运动、横向运动以及砂轮架垂直方向的运动。 这种传统结构的数控磨床存在的一些问题有： q | l _ 平面二次包络环面蜗杆数控系统设计与开发 在加工中心距较大的环面蜗杆的时候，为了使待加工工件和回转工作台保持一个 适当的距离，要大幅度地向后移动该回转工作台；在加工中心距较小的环面蜗杆时，该 数控磨床的回转工作台中心必须相对于工件向前移动一段较大的距离。这样一来，回转 工作台会频繁的移动，并且前后移动的范围会很大。尤其是在加工中心距较小的工件时， 为了精确加工，要求工作台与工件必须靠得很近。由于平面砂轮及其刀尖体积大，要占 据很大的空间，在这种情况下，为了把刀具调整到合适的地方放置，刀具就必须移动一 大段距离，这就造成数控磨床结构很庞大，所占空间很大。 根据图2 3 可以看出，数控磨床有很多的运动层面，这使数控磨床的结构很复杂， 不仅刚性差、操作很不方便，而且加工精度难以保证。还有一些相应的结构问题和刚度 问题，使得数控磨床的总体结构不合理，基于这种情况，西华数控研究所又研发了新的 四轴联动的数控磨床。 运动控制困难。加工时计算量较大，程序编制工作量大、过程复杂。 2 3 本章小结 本章主要对平面二次包络环面蜗杆的特点及其形成原理做了详细的分析和阐述，在 此基础上，研究了平面二次包络环面蜗杆的加工方法，并对传统的加工方法进行了分析， 发现传统方法的局限性和不足之处，以及传统的平面二次包络环面蜗杆专用数控磨床在 加工过程中存在的缺陷，为下文对四轴联动数控磨床加工方法的研究打下了基础。 西华大学硕士学位论文 3 四轴四联动数控磨床加工方法的研究 为了解决通用数控磨床所存在的问题，一方面简化磨床总体结构、便于使用，另一 方面提高加工质量、加工精度和工作效率，本论文设计一台四联动的数控机床。该数控 磨床采用了平面二包环面蜗杆的虚拟化加工中心的理论，使得数控机床的整个组织架构 更加简洁紧凑，并且对工件的加工中心距的加减空间也作了一定程度的扩大，另外还能 方便地进行各项调整，进一步提高了加工精度和自动化效率。 3 1 四轴联动数控磨床加工方法分析 先对四轴四联动方法进行分析。如图3 1 所示，假设形成此图中蜗杆的左侧齿面轮 廓的母直线为z ，它与线段面重合，并且始终保持相切于圆d ，( 即蜗轮的主基圆) 。当 图中仍= o 的时候，线段否与瓦，甄构成一个鲋q b ，这个三角形是刚体的。根 据上文所分析的环面蜗杆的成形原理，加工工件的虚拟刀具的工作台的中心为0 ，分度 圆的半径为r 。工件回转的角速度及转角和虚拟刀具的角速度及转角分别为劬，仍和鸭， 仍；并且它们之间的关系满足： 堕：盟：鱼：，( 3 1 ) 锡仍z 1 “ 式中，f 。：为环面蜗杆的传动比。 假设被加工的环面蜗杆在时刻f 所转过的角度为仍，则万及鲋q b 相应地也绕轴 心q 转过仍角，此时，鲋d 2 曰处于4 q e 位置。 平面二次包络环面蜗杆数控系统设计与开发 1 ) a _ 加工中心距2 ) q 一虚拟中心3 ) o 、o 厂砂轮架回转中心 4 ) e 、e 广蜗杆轴与砂轮轴的中心距 5 ) r 一基圆半径 6 ) 尺蜗杆分度圆弧半径7 ) r 一砂轮架轨迹圆半径 8 ) 国一砂轮架回转角速度9 ) 戤一砂轮架绕虚拟中心旋转角速度 图3 1 环面蜗杆加工中心距虚拟化原理 f i g 3 1p 血c i p l eo f h y p o m e s i z e dc e l l t e ra b o u ta 衄u l a rw o m 通过研究分析，可以看出上述问题的实质是，如何实现线段，根据环面蜗杆副传动 比的大小由面的位置移动到硒位置。如图3 1 所示，假设在鲋d 曰中任取一点o ， 为了简明的目的，该点从线段4d 2 上取得，使得d q = 足，过点o 作d c d 2 b ，根据 相似三角形原理，可知削d c 鲋d 2 b ，那么同理相应地得到鲋，q 召，m d 2 e ， d ，d ，= d 0 = 足。依上所述，线段，随鲋d b 转动而转动，也就是说，线段，随削d c 在 平面a o c ( 即鲋d c 所在的平面) 范围内平动。考虑到力学理论里平面的运动规律， 可以将鲋d c 的平动过程拆分为两种运动：鲋d c 平面中某点的平移运动和削d c 平面 西华大学硕士学位论文 绕此点的旋转。因此，假设在图中取幽d c 中的任意一点为基点o ，那么线段，的平面 运动也可以分解成基点o 通过沿x 轴、z 轴的运动做圆周运动，其中圆的圆心为d ，、 半径为；以及，随鲋d c 所在的平面绕基点o 的转动，并且它转动的角速度恰好和 ，相等。由此可知，通常操作人员在加工平面二次包络环面蜗杆时，首先将砂轮放置 在的刀具的大工作台( 鲋a 刀) 上，让它直接绕大工作台的中心a 旋转，也可以改为 将砂轮放置在小工作台( 鲋d c ) 上，让这个工作台的一边以角速度国，自转，一边沿x 轴、z 轴方向移动以此实现以点d 为虚拟中心、以& 为半径的圆弧运动。这样一来， 就可以大大地减小工作台的直径和实际的中心距大小，这实际上就是加工中心距的虚拟 化原理的现实意义。 如图3 2 所示，首先来分析一下四轴四联动数控磨床方案的工作原理。在x 轴方向 和z 轴方向的双层工作台上安装了可以绕自身旋转的砂轮回转台和磨削头，x 轴、z 轴联动实现环面蜗杆的圆插补，使磨削头和砂轮回转台作圆周运动，同时，磨削头按照 一定的规律沿y 轴过回转中心a 作旋转运动，以此来实现x 轴、y 轴、z 轴的三轴联 动，并且使刀具的产形面始终相切于基圆。x 轴、y 轴、z 轴的三轴联动以及蜗杆绕自 身轴心的a 向主回转运动合成从而实现了四轴联动，以保证蜗杆与蜗轮的啮合运动，最 终完成整个蜗杆的加工。 图3 2 加工原理图 f i g 3 2 ( 衲p ho f p m c e s s i n gp 血c i p l e 3 2 数控磨床四轴联动的运动分析 ( 1 ) z 轴插补中心的确定 z 轴插补中心是插补圆的圆心，也是蜗轮的主基圆的圆心。如果以待加工的工件蜗 平面二次包络环面蜗杆数控系统设计与开发 杆的位置为参考位置，那么，插补中心由蜗杆蜗轮运动副的中心距决定，并且它还应该 在工件喉颈圆弧的中心线上。同时，也可以通过数控编程来确定z 轴基准点。因此，z 轴插补中心的确定是很灵活的，也是比较容易实现的。解决了z 轴插补中心的确定这个 问题，在制造大中心距的蜗杆的时候，就不必专门去制造大型的数控磨床来实现了。这 样一来，可以极大地简化数控磨床的机械结构，方便使用时的调整。 ( 2 ) 插补半径的确定 如图3 3 所示，首先确定z 轴插补中心为环面蜗杆的基圆圆心o 。图中，三角形 a o 7 c 表示简化后的磨削头，点o 表示磨削头的回转中心，点a 表示加工环面蜗杆 的砂轮的刀尖。回转中心沿在插补圆附近随着回转工作台运动，同时砂轮刀尖在磨削圆 范围内旋转。由图可知，图示中的刀尖轨迹是没有进行角度补偿时砂轮刀尖的运动轨迹， 砂轮刀尖并不总在磨削圆上。如果要加工出想要的蜗杆面轨迹，就要保证砂轮工作面与 基圆相切并且砂轮刀尖始终在磨削削圆上。那么，只有在插补半径为砂轮回转工作台的 回转中心o 到插补中心o 的距离时，使其进行相应的y 轴回转运动并进行适当的角 度补偿，才能实现加工。 势 亢 蘑削圜 图3 3 运动分析图 f i g 3 3g i 证d i n gw h e e lm o v 锄e n t 由图3 3 可知，磨削头在x 轴、z 轴进行圆插补时，在没有进行角度补偿的情况下， 砂轮刀尖移动的轨迹就是图中的虚线圆，它的圆心与基圆圆心不重合。当砂轮刀尖由位 置l 插补到位置2 时，砂轮工作面已经不和基圆相切，而且此时砂轮刀尖已经开始偏离 了磨削圆的轨迹。由图可以看出，要使砂轮工作面保持始终相切于基圆的状态，必须把 磨削头围绕砂轮架的中心o 旋转一定的角度来进行角度补偿才能实现。经过前人的分 析和科研成果得出，圆插补过程中砂轮随回转工作台转动的角度与磨削头绕砂轮架的中 心点07 回转的角度之间存在某种规律。 在虚拟中心确定的情况下，砂轮的长度也在系统确定的时候也就随之确定了，那么 1 4 西华大学硕士学位论文 当砂轮侧面和中心距所在的方向垂直时，插补半径就等于中心距减去蜗杆喉颈半径与砂 轮长度之和。 图3 4 角度补偿图 f i g 3 4a n 舀e - c o m p e i l s a t i o no f 卿d i n gw h c e l 如图3 4 所示，三角形a o b 表示整个砂轮，它是磨削头的一半，其磨削面与基 圆相切，a b 表示砂轮磨削的初始位置，点o 表示基圆、插补圆、理想磨削圆的圆心， 点a 为砂轮刀尖的位置，o 为工作台的回转中心。在砂轮没有围绕工作台回转中心旋 转的情况下，砂轮刀尖随工作台做插补运动，假设砂轮转过任意一个角度后，砂轮平 动到a l o l 7 b l7 的位置，为使刀尖a l 到达理想的磨削圆上，砂轮绕砂轮架回转 中心o 旋转一个角度0 ，到达理想位置a lo l b l 。这时，上文所提到的要研究的圆 插补轨迹的回转角度与磨削头绕砂轮架的回转中心o 回转的角度之间的几何关系就是 角和角0 之间关系。因为砂轮总是固定在回转工作台的砂轮架上的，所以砂轮面是不 变的，a o 7 b 、a l0 l 7 b 1 与a l 0 1 7 b 1 全等，即a b = a l b l ，a o = a lo l7 。 因为a 和a 1 都在同一个磨削圆上所以a o = a 1o ，同理o o7 = o o l 。根据相似三角 形原理，可以得出结论a o o 相似于a o l o ，么a o 0 等于么a o l o ，又因为 么1 和么2 分别与么a o 7 o 和么a 0 1 o 互补，所以，么l 和么2 相等。因为a 1 o l 7 b 1 是由a o7 b 平动而得到的砂轮平面，所以a 1 0 】与a o 两直线平行，故么2 + 0 = 么3 。 由o po 可知，么3 = 么1 + 。综上所述，可以得出结论：角和角0 相等。也就是说， 磨削头绕砂轮架的回转中心o7 回转的角度与圆插补轨迹的回转角度相等。 当砂轮从a o b 位置做插补运动平移到a l o l 7 b i 位置时，砂轮围绕砂轮 架回转中心o l 旋转的角度和砂轮架随工作台转过的角度相等时，砂轮刀尖正好处于 磨削圆的圆周上，能够满足加工的要求。也可以证明，只要插补误差恒定，砂轮刀尖在 整个插补运动的过程中所引起的刀尖误差不会随着角的变化而发生变化。 平面二次包络环面蜗杆数控系统设计与开发 假设为初定插补圆半径，z 为砂轮z 向移动量，则最终插补圆半径r 可计算 得出： r = 瓜i 西 ( 3 2 ) 3 3 四轴联动数控加工方法的优缺点 这种方法具有很多优点。一是加工零件的工艺范围较大，不仅可以实现环面蜗杆的 加工，以及变节距、变传动比的蜗杆加工，还可以实现对圆柱蜗杆、丝杆的加工，只需 要实现x 轴、z 轴联动，也可以作为一般的普通机床使用。二是加工零件尺寸范围较大， 而且机床结构更紧凑。三是调整方便。如果要调整或者校正机床，只要设定好机床的一 些参数就行了。而且工作人员的操作也非常简便。另外编程加工过程也相对来说比较简 单，加工时只要操作者输入一些机床参数，系统就能进行编程和运算，尤其是对基圆的 调整，可通过数控机床z 轴的编程控制，按照坐标值对其进行精确定位，其误差还可以 在编程中补偿。 但是由于这种数控磨床是运用封闭式的数控系统，且其控制器因为没有配置开放性 的驱动软件，所以必须自行开发。因而这种数控磨床很难进一步开发远程监控功能、故 障诊断和维修等功能。因此，这种数控机床存在很大的局限性，其自动化程度和工作效 率不高，难以开发成开放式的人机界面和进行智能化的加工。 因此，根据实际生产的需求，本论文开发了一种新的基于平面二次包络环面蜗杆磨 床的开放式数控系统。 3 4 通用数控磨床的c n c 系统编程方法及难点 在使用通用的平面二次包络环面蜗杆专用磨床进行加工的过程中，编制零件加工程 序之前都要进行机床调整工作，并进行较多的数学计算。首先在进行加工之前要确定机 床以及各坐标轴的零点，还要调整好砂轮以及回转工作台的位置。然后要根据蜗杆自身 的参数，如蜗杆头数、蜗轮齿数、基圆直径、螺旋角等参数，按照蜗杆加工成型原理分 析中所得的关系计算出插补圆半径值、各坐标轴的进给量等，最后根据这些坐标值进行 编程，最终完成零件的加工。具体过程简单地概括起来如下： 在图3 1 中，假设为初定插补圆半径，z 为砂轮z 向移动量，则最终插补圆半 径r 可由公式3 2 计算得出。确定了r 后即可进行数控编程。采用相对坐标方式较简单。 要实现a a 。段的圆插补运动，就要对其进行插补编程。让a 按逆时针方向走圆到a t 点 转过a 角。角a 的大小应与蜗杆喉颈的圆心角一样大，同时砂