數(shù)控齒條成形磨齒機(jī)中在線修整裝置的研究*

王君明，童福元，趙大興

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068)

0 引言

在成形磨削加工過程中，成形砂輪的磨削性能在很大程度上與成形砂輪表面特性相關(guān)，成形砂輪的外形輪廓精度及其尺寸精度直接決定被加工工件的加工質(zhì)量。成形砂輪在磨削加工一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，使得砂輪表面形成砂粒鈍化，磨刃變得不鋒利，并且留下許多磨削顆粒堵塞砂輪氣孔，難以對(duì)工件進(jìn)行有效磨削［1］。因此，要完成成形磨削加工，先要解決成形砂輪修整問題，用以保證工件的尺寸精度和表面粗糙度［2］。

齒輪成型砂輪磨削是實(shí)現(xiàn)齒輪高效、高精度加工的發(fā)展方向。成形砂輪在理論上能夠磨削任意模數(shù)的工件，且能很方便的改變被磨齒輪的齒形修緣量。在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的制造過程中，成形砂輪用于精磨曲軸小頭端倒角、端面、圓角、外圓［3］。在大型楊路機(jī)械齒輪箱的制造過程中，成型砂輪沿著工件的齒向移動(dòng)，在一個(gè)行程中同時(shí)完成對(duì)左右齒面的磨削加工［4］。加工不同端面形式的圓柱立銑刀和不同端面形式的錐度立銑刀，成形砂輪能實(shí)現(xiàn)立銑刀的直槽和螺旋槽絲錐的磨削［5］。成形砂輪不需要展成運(yùn)動(dòng)，減少了機(jī)床動(dòng)作，使磨齒機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，誤差影響因素較少，加上砂輪和齒輪接觸線和嚙合線不重合，傳動(dòng)平穩(wěn)，因此成形法磨齒機(jī)精度比較穩(wěn)定。

本研究中設(shè)計(jì)的數(shù)控齒條成形磨齒機(jī)的外形尺寸為3400×1680×1670(長(zhǎng)×寬×高)，采用白剛玉砂輪，其主軸電機(jī)為7.5kW，總功率達(dá)12kW，砂輪線速度為25m/s，加工長(zhǎng)度可達(dá)1000mm，最大加工模數(shù)為20mm，磨齒精度達(dá)6級(jí)以上。為提高成形砂輪的修整精度，對(duì)其在線修整裝置進(jìn)行了較深入的研究。

1 砂輪修整裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

成形砂輪修整器是成形砂輪修整裝置的主要結(jié)構(gòu)，成形砂輪修整器的穩(wěn)定性和精確度決定了砂輪修整的精度，因而成形砂輪修整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須具有較高的精度和穩(wěn)定性。圖1為成形砂輪修整器結(jié)構(gòu)圖，由角度定位軸、鎖緊機(jī)構(gòu)、修整軸、修整進(jìn)給軸和金剛石筆組成。

在圖1中，金剛石筆通過夾持機(jī)構(gòu)固定在修整進(jìn)給軸上，修整進(jìn)給軸固定在修整軸的滑臺(tái)上，修整軸固定在角度定位軸的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，砂輪修整器角度定位軸的回轉(zhuǎn)中心處于成形砂輪中心平面上。其中，修整軸用來完成垂直修磨面的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，修整進(jìn)給軸完成沿修磨面的平移運(yùn)動(dòng)，角度定位軸完成金剛石筆的偏擺運(yùn)動(dòng)。修整軸由伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、絲桿螺母副、導(dǎo)軌、極限行程開關(guān)、光柵尺組成。修整進(jìn)給軸由電磁閥、液壓缸、導(dǎo)軌和極限行程開關(guān)組成。角度定位軸由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、極限行程開關(guān)、光電編碼器組成。

圖1 成形砂輪修整器

鎖緊機(jī)構(gòu)由液壓缸、推桿、鎖緊斜楔滑塊等部件組成。鎖緊機(jī)構(gòu)主要是用來提高砂輪修整裝置的剛度，可避免在砂輪修整時(shí)，因蝸輪蝸桿制造問題而存在的傳動(dòng)間隙導(dǎo)致金剛石筆振動(dòng)，從而影響砂輪修整質(zhì)量。

1.2 砂輪修整器的鎖緊裝置

數(shù)控齒條成形磨齒機(jī)在進(jìn)行砂輪修整加工時(shí)，金剛石筆在接觸成形砂輪或者修整過程中，砂輪修整器不可避免的會(huì)受到?jīng)_擊。另外，由于蝸輪蝸桿制造水平的限制，還有傳動(dòng)間隙的存在，使振動(dòng)加劇，從而影響砂輪修整器的修整質(zhì)量。為了解決這個(gè)問題，必須提高砂輪修整器的整體剛度。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了鎖緊裝置，其結(jié)構(gòu)如2所示。

圖2 砂輪修整器鎖緊裝置機(jī)構(gòu)圖

圖2中，鎖緊裝置位于修整進(jìn)給軸下方，鎖緊缸固定在修整軸滑臺(tái)上。當(dāng)角度定位軸和修整軸進(jìn)給完成后，鎖緊液壓缸啟動(dòng)，推桿向右運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鎖緊滑塊向右運(yùn)動(dòng)。鎖緊滑塊下是固定滑塊，兩滑塊的接觸面為一斜面。鎖緊滑塊在向右運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也向上運(yùn)動(dòng)，作用于修整進(jìn)給軸基座上，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪修整器的鎖緊。隨后，修整進(jìn)給軸在修磨液壓缸的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行砂輪修整，當(dāng)修整完成后，鎖緊液壓缸帶動(dòng)推桿向左運(yùn)動(dòng)，鎖緊滑塊松開，解除修整器鎖緊。

2 成形砂輪修整器的工作方式

齒輪磨齒機(jī)屬于專用機(jī)床，加工產(chǎn)品種類較固定，所用的成形砂輪的種類較少、外形輪廓相似，且成形砂輪的外形輪廓比較簡(jiǎn)單，針對(duì)成形砂輪的特點(diǎn)?？梢栽O(shè)計(jì)出比較簡(jiǎn)潔的修整加工的軌跡，其軌跡如圖3所示。

圖3 成形砂輪修整軌跡

從修整軌跡圖中可看出，成形砂輪有三個(gè)面要進(jìn)行修整，分別是面1、面2和面3，首先在面1處進(jìn)行對(duì)刀(對(duì)刀時(shí)，金剛石筆與面1垂直)，修整軸完成修整進(jìn)給，修整進(jìn)給軸在液壓油缸的帶動(dòng)下進(jìn)行修整;當(dāng)面1修整完成后，角度定位軸帶動(dòng)金剛石筆進(jìn)行偏擺運(yùn)動(dòng)，使金剛石筆與面2垂直，然后依次完成面2和面3的修整，完成一個(gè)砂輪修磨的循環(huán);當(dāng)面3修整完后，如須進(jìn)行第二次進(jìn)給，則在修整軸的驅(qū)動(dòng)下在面3處完成第二次修整進(jìn)給，沿相反路徑再次修整，否則各修整軸進(jìn)行回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。成形砂輪的修整軌跡簡(jiǎn)單，不需要數(shù)控軸聯(lián)動(dòng)，即可完成成形砂輪修整加工。

2.1 自動(dòng)修整流程圖

裝置的自動(dòng)修整流程圖如圖4所示。

進(jìn)入自動(dòng)修整模式前，先要進(jìn)行對(duì)刀。從圖4中知，進(jìn)入自動(dòng)修整模式有兩種方法：當(dāng)首次進(jìn)行砂輪修整時(shí)，直接從圖4里的加工模式選擇界面中點(diǎn)擊修整模式進(jìn)入;另外一種方法是從齒條加工界面中點(diǎn)擊斷點(diǎn)運(yùn)行按鈕，或是從操作面板上按下斷點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)從前者進(jìn)入修整模式時(shí)，將依次出現(xiàn)齒條選擇界面、標(biāo)準(zhǔn)齒條參數(shù)設(shè)定界面或非標(biāo)齒條參數(shù)設(shè)定界面圖，然后根據(jù)設(shè)定的齒條參數(shù)進(jìn)行磨削參數(shù)和修整參數(shù)的計(jì)算，再進(jìn)入到砂輪修整界面進(jìn)行砂輪修整。當(dāng)以第二種方式進(jìn)入時(shí)，將跳過數(shù)值處理模塊，修整各軸回到對(duì)刀點(diǎn)，然后直接進(jìn)行砂輪的修整。

圖4 自動(dòng)修整流程圖

2.2 自動(dòng)修整步進(jìn)程序結(jié)構(gòu)

砂輪修整運(yùn)動(dòng)屬于順序執(zhí)行的步進(jìn)工序，使用PLC的步進(jìn)指令SNXT(009)N，STEP(008)N執(zhí)行，部分步進(jìn)程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 修磨步進(jìn)程序結(jié)構(gòu)

圖5中，I2.04為操作面板上的修整按鈕，W200.1為觸摸屏上對(duì)應(yīng)的修整模式軟按鈕，為了避免誤操作，程序規(guī)定這兩個(gè)按鈕必須同時(shí)有效才能開始修整動(dòng)作。另外在程序開始時(shí)，先要讀入各修整軸的當(dāng)前位置，便于各修整軸的精確控制，然后才按步進(jìn)動(dòng)作執(zhí)行。

3 砂輪修整控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

砂輪修整裝置中，角度定位軸由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是用來進(jìn)行修整時(shí)調(diào)整金剛石筆與砂輪修整面的角度，即進(jìn)行角度定位。由于步進(jìn)電機(jī)沒有運(yùn)動(dòng)反饋，無法對(duì)其進(jìn)行位移精確地定位。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，給角度定位軸接入了光電編碼器，通過編碼器來反饋角度定位軸的旋轉(zhuǎn)角度。修整軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用來完成修整量的進(jìn)給。由于伺服電機(jī)未補(bǔ)償滾珠絲杠的螺距誤差，故在修整軸工作臺(tái)上安裝了直線光柵尺，從而構(gòu)成修整垂直進(jìn)給的全閉環(huán)控制。砂輪修整器部分的控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6中，PLC接收到操作面板和觸摸屏的砂輪修整指令后，按照既定程序控制三個(gè)修整軸進(jìn)行預(yù)定動(dòng)作，對(duì)砂輪進(jìn)行修整。同時(shí)，通過高速計(jì)數(shù)器的輸入端子對(duì)角度定位軸編碼器和修整軸光柵尺檢測(cè)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，與理論脈沖數(shù)不斷進(jìn)行比較，從而達(dá)到精確控制的目的。

圖6 修整器控制系統(tǒng)框圖

3.1 角度定位軸的反饋控制技術(shù)

角度定位軸在修整裝置中主要起角度定位作用(修整角度隨齒形角的變化而變化)，主要由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、極限行程開關(guān)、光電編碼器組成。由于步進(jìn)電機(jī)在工作過程中，若速度過快，會(huì)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，從而造成精度降低。因此將步進(jìn)電機(jī)的工作行程分成了兩段：偏擺角度行程的前90%為正常工作段，后10%的偏擺角度行程為減速工作段，對(duì)兩段行程均進(jìn)行反饋控制。在砂輪修整正常工作段的反饋控制程序中，角度定位軸走過的偏擺角度通過編碼器記錄在一般用的數(shù)據(jù)寄存器中，角度定位軸90%偏擺角度行程通過計(jì)算后放在斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器中，并通過CPSL命令不斷進(jìn)行比較，當(dāng)一般用的數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)大于或等于斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器時(shí)，即認(rèn)為正常工作行程走完，輔助繼電器接通，PLC用ACC命令使角度定位軸低速運(yùn)行。

在減速工作段的反饋控制程序中，一般用的數(shù)據(jù)寄存器中貯存的是角度定位軸編碼器的當(dāng)前顯示值，角度定位軸的100%目標(biāo)進(jìn)給角度位置放在斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器中。在角度定位軸的動(dòng)作過程中，程序利用CPSL命令不斷的比較一般用的數(shù)據(jù)寄存器和斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)，當(dāng)一般用的數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)大于或等于斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器時(shí)，輔助繼電器接通，程序立即停止角度定位軸的運(yùn)行。

3.2 修整軸的反饋控制技術(shù)

修整軸是用來完成修整進(jìn)給的數(shù)控軸，由伺服電機(jī)控制，具有速度反饋，在本設(shè)計(jì)中使用了光柵尺，構(gòu)成了修整軸的全閉環(huán)控制。修整軸(金剛石筆)的目標(biāo)位置計(jì)算程序開始時(shí)，將修整軸的當(dāng)前位置從觸摸屏上傳給數(shù)據(jù)寄存器，然后加上計(jì)算好或手工設(shè)定的修整軸進(jìn)給量，得到修整軸的進(jìn)給目標(biāo)位置，存放在另一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中。

當(dāng)修整軸動(dòng)作后，記錄其運(yùn)行的光柵尺數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器不斷變化，程序使用CPSL命令將一般用的數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)值與目標(biāo)位置斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)位置后，使用INI命令停止修整軸的脈沖輸出。修整軸的控制脈沖來自于PLC的高速脈沖輸出端子。

4 結(jié)語

采用成形砂輪進(jìn)行加工，既可以保證精度，又可以提高生產(chǎn)率，效果很好。要實(shí)現(xiàn)成形磨削，就要解決成形砂輪修整問題。齒輪磨齒機(jī)成型砂輪修整裝置對(duì)修整成型砂輪具有成本低、效率高、精度質(zhì)量穩(wěn)定及操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而提高了成形磨削的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為齒輪磨齒機(jī)國(guó)產(chǎn)化提供了保障。

［1］郭興星，李超杰.成形砂輪磨削技術(shù)在齒輪磨削中的應(yīng)用研究［J］.磨料磨具通訊，2011(8)：5－7.

［2］李繼賢，張飛虎.成形砂輪修整技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.機(jī)械工程師，2006(10)：19－22.

［3］劉昌杰，王洋.SIEMENS+840D系統(tǒng)在NAXOS大小頭磨床改造中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工人(冷加工)，2005(11)：16 －18，32.

［4］李勝，胡高.華成型磨齒法在大型養(yǎng)路機(jī)械齒輪箱加工中的應(yīng)用［J］.機(jī)車車輛工藝，2007(1)：16－17，27.

［5］W0608.中國(guó)汽車，中國(guó)"心臟";"心臟"制造，我來支招!［Z］.MC 現(xiàn)代零部件，2006(6)：47.

［6］徐瑾.任意母線砂輪修形的數(shù)控技術(shù)研究［D］.武漢理工大學(xué)，2006.

［7］孫燕燕，林東玲，張宇，喬楠楠.金剛石滾輪成形砂輪修整器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2010(2)：51－52.

［8］張宏強(qiáng)，顧超寧.數(shù)控金剛石滾輪修整裝置的設(shè)計(jì)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2005(5)：56－57.

［9］T.Suzuki，H.Ohmori.Y.Dai，W.Lin.Ultra － pre ～ ·ision fabricati()I1 of Glass Ceramic Aspherical Minors by El，1D-grinding with a Nano － level Posititming Hydrostati c Drive S.vstem［J］.Key Engineering Materials.2003，238：49－52.

［10］任小中，鄧效忠，蘇建新.成型砂輪數(shù)控修整裝置的研制與試驗(yàn)［J］.工具技術(shù)，2008，42(10)：97－99.