蜗杆磨床的齿形误差控制方法及装置 |
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| 申请号 | CN201410354513.2 | 申请日 | 2014-07-23 | 公开(公告)号 | CN104128884A | 公开(公告)日 | 2014-11-05 |
| 申请人 | 江苏大学; | 发明人 | 周建忠; 蒋萍; 陈寒松; 黄舒; 朱涛; 刘伟; 张建亮; | ||||
| 摘要 | 一种用于 蜗杆 磨床的齿形误差控制方法及装置，其特征在于所述的装置主要包括修整器、光学系统、CCD像 传感器 、计算机 数据采集 和处理系统、红外线发射器、感应器和数控系统。修整器位于最上方，光学系统安装在机床防护罩内， 砂轮 和ZK蜗杆之间；CCD像传感器、计算机数据采集和处理系统位于砂轮的另一头便于接收 信号 ，红外线发射器安装在 工作台 左边，感应器固定在工作台的右侧。本 发明 通过CCD投影测量和红外感应技术，更方便更精确地掌握砂轮磨损情况，对刀准确与否以及所需的纵向进给量，实现ZK蜗杆的齿形误差控制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种蜗杆磨床齿形误差控制方法，其特征是它包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 蜗杆磨床的齿形误差控制方法及装置技术领域背景技术[0002] 蜗杆传动具有减速比大、结构紧凑、传动平稳等特点，广泛应用于各种传动装置和分度机构中。普通圆柱蜗杆传动中，ZK蜗杆传动可采用磨削精确成型、承载能力高、寿命长，适合批量生产，是一种值得大力推广的机械传动形式。随着工业技术的发展，对蜗杆副在承载能力、传动精度等方面提出了更高的要求。磨削的好坏影响着ZK蜗杆的齿形精度和表面粗糙度等。传统磨削中出现大量烟雾说明砂轮钝了，需要启动砂轮修整器。但是出现烟雾的原因很多，比如磨量太大，高速运转的砂轮超出它的承载能力就会产生很多烟，有的甚至烧蚀蜗杆表面；车削退刀过快会引起积屑瘤，磨削退刀部位时磨量突然增加，也带来大量烟雾。因而难以准确把握砂轮修整时间，只是凭经验来判定。传统的砂轮对刀是让砂轮缓慢靠近ZK蜗杆齿槽（前一步车削留有余量），当与左右两侧面都有间隙且距离差不多时停下来，用手拨动砂轮空转一圈，如果蜗杆转动自如，就关闭冷却系统，启动开关使砂轮在原地高速运转，观察砂轮两侧的火花是否对称，如果两边一样多时，说明对刀准确，打开冷却液，可以加工了。对刀时伸进去大概20丝，所以纵向进给时相应减少些。模数很小的ZK蜗杆由于齿槽细，对刀不准砂轮容易崩断出现缺口，缩短砂轮的使用寿命。磨削过程中不了解砂轮的磨损量、对刀不准、不能控制进给量都将影响ZK蜗杆工作表面的质量，增加齿形误差，降低加工精度，使传动不平稳，增加蜗杆的报废率。 [0003] 对现有文献的检索发现，中国专利公开号CN 102581763A一种超精密磨床自动对刀系统，通过固定在机床防护罩上方摄像头成像后将图像传输至处理器，处理器中配套的数据处理软件根据换算确定工件以及砂轮在摄像头坐标系X、Y、Z 轴方向的位置数据，并根据坐标变换求出工件和砂轮在工件坐标系的X、Y、Z 轴方向所处的位置，确定工件坐标系中工件的加工初始点和砂轮下刀点的距离，并计算生成超精密磨床数控系统可识别的NC 文件，完成自动对刀，减少磨削工艺时间，提高效率。 [0004] 但是，砂轮和工件处在不同的位置时(砂轮纵向运动，工件横向进给）即每次加工前摄像头就要拍摄一次，代价较高，而且忽略砂轮不断磨损半径会减小的情况，它摄取的只是砂轮和工件的中心位置。 [0005] 中国专利公布号CN 101733705A一种砂轮磨损自动检测及补偿方法，其特征在于：采用砂轮修整器对磨削后的砂轮自动修整循环，采用砂轮直径检测器对加工中的砂轮直径进行在线检测、检测后获得的砂轮直径数据传送至数控系统，数控系统将砂轮直径数据与原始砂轮直径数据相比，获得砂轮磨损量和砂轮修整量，数控系统控制机床的进刀量从而实现砂轮的自动补偿。 [0006] 但是该文献仅考虑纵向进给的变化，没有考虑到横向运动。磨削过程中砂轮盘的直径会减小，齿顶和分度圆处的齿厚也减小，因而磨削出的蜗杆齿高是达到了，但是齿槽可能不满足条件。 [0007] 又一中国专利公开号CN 101456159A火花识别对刀方法及磨削加工自动化系统，首先用摄像方法实时采集检测工件表面状态，图像处理软件对信息进行实时阈值甄别，一旦检测到砂轮接触工件表面产生的摩擦火花，图像最高阈值跃升至设定的门槛阈值，同时停止砂轮运动和启动相应的程序和伺服执行机构开始磨削。 [0008] 火花识别对刀方法及磨削加工自动化系统，能实时捕捉砂轮与加工表面接触时的摩擦火花信息，相比操作人员用肉眼判别进步不少，但是当蜗杆加工中齿槽有磨削残留物时火花的走向可能不对称，如果加工模数较大的蜗杆，磨削需要分左侧面、右侧面、底面三个部分进行，捕捉到的火花也是加工哪个面那个面附近的火花多，所以存在一定的局限性，很难保证对刀准确性。 发明内容[0009] 本发明的目的针对现有的蜗杆磨床砂轮修整难度大，精度无法控制的问题，提供一种蜗杆磨床的齿形误差控制方法及装置。 [0010] 本发明的技术方案之一：一种蜗杆磨床齿形误差控制方法，其特征是它包括以下步骤 首先，向数控系统输入需加工蜗杆的模数、直径系数和头数，数控系统自动计算得出相应的分度圆、齿顶圆、齿顶厚度和齿高尺寸； 其次，用CCD投影测量和红外感应技术测量砂轮的直径； 在机床防护罩内、砂轮和蜗杆之间安装一光学系统，既能在不进给时照射到砂轮分度圆和齿顶，又能在进给时照射到砂轮和蜗杆并存的区域；光源采用红外光，抗干扰性强，光通过光学系统形成了光幕，光幕射向砂轮，此时磨床是停止运动的，目的在于成像稳定；CCD像传感器、计算机数据采集和处理系统位于砂轮的另一头，射向CCD像传感器的平行光被砂轮挡住一部分，因此CCD像传感器输出的信号有一个缺口，缺口各边的长度与砂轮的尺寸有一一对应的关系，利用计算机数据采集和处理系统得到缺口对应的CCD像元数，CCD像元数与理论计算值对比是否在误差范围内，如果超出范围，就使砂轮高速旋转但不纵向进给，使用砂轮修整器修整； 第三，纵向进给砂轮，在距离蜗杆齿顶外圆3-5 mm处停下，以便于后期进给，测纵向进给量；如果在蜗杆的齿槽内停下，需要先退后再继续进给；打开光学系统，光通过光学系统形成的光幕射向砂轮前部和蜗杆的螺旋齿部分；射向CCD像传感器的平行光被砂轮前部和蜗杆的螺旋齿部分挡住一部分，因此CCD像传感器输出的信号有缺口，利用计算机数据采集和处理系统得到缺口对应的CCD像元数，经过计算可以得出两侧间隙；间隙哪边大就往哪边移动，移动量也可以通过间隙差算出；对刀完成后改用手动进给； 第四，在工作台左边安装一红外线发射器，它的发射灯管设计成一圈圈向外扩散的形状；根据蜗杆的齿顶圆直径来选择哪一组发射灯管，使红外线正好落在蜗杆的齿顶圆上并被感应器接收；感应器固定在工作台的右侧，含有光敏电阻，红外线照射的时候光敏电阻的阻值很小，当物体经过时有阴影出现，它的阻值发生变化进而产生交流电；在纵向进给到砂轮齿顶与蜗杆齿顶外圆重合时感应器中的光敏电阻感应光线变化并放大信号反馈给数控系统；砂轮暂停，数控系统记住该纵向位置，砂轮退出，工作台移到左侧起点开始磨削。 [0011] 所述的修整器包括样板、导轨、滑块、相位触块和金刚笔，样板设置成20°倾斜角对称安装在两头，导轨带有刻度，行程多少根据砂轮的厚度来决定，滑块根据所需的行程沿着导向槽来回上下移动，两相位触块和相位开关反向安装，以便接收相应的信号，当滑块碰到左相位触块时左相位开关反馈信号给右相位开关，右相位开关控制右相位触块，滑块在返回过程中接受右相位触块的指示移动。伴随着滑块的来回移动，顶针也沿着样板的20°斜边上下运动，进而带动金刚笔；金刚笔下面两工作部位都设计成20°，便于修整砂轮工作面；砂轮的齿顶外圆修整用磨刀，随着砂轮的快速转动，磨刀把齿顶磨平了，然后关闭电动开关，测量一下齿顶的尺寸是否满足要求，不满足就重复以上步骤直至满足为止。 [0012] 本发明的技术方案之二。 [0013] 一种蜗杆磨床齿形误差控制装置，其特征在于它主要包括砂轮修整装置、光学系统13、CCD像传感器14、计算机数据采集和处理系统25、红外线发射器15、感应器16和数控系统17，所述的光学系统13为红外光源，它安装在机床防护罩内、砂轮和ZK蜗杆之间靠近砂轮11的上部位置处，不进给时能照射到砂轮分度圆和齿顶，进给时又能照射砂轮和蜗杆并存的区域，用于感应光学系统13的CCD像传感器14安装在靠近砂轮11的下部位置处并与计算机数据采集和处理系统25电气连接；红外线发射器15安装在蜗杆12的一侧，与红外线发射器15相配的感应器16安装在蜗杆12的另一侧，感应器16与数控系统17电气连接；所述的砂轮修整装置包括分别位于砂轮两侧的两个金刚笔10，每个金刚笔10的工作部设计成与砂轮10工作部相配的20度角，每个金刚笔10与对应的顶针9相连，顶针9的针尖与斜角为20的样板1相抵，顶针的驱动端与滑块3相连，滑块3在导轨2的导向槽4中上下移动，在导向槽4的一侧分别安装有右相位开关5、左相位天关6、右相位触块7和左相位触块8，导轨2带有刻度，滑块3的行程由砂轮11的厚度决定，滑块3根据所需的行程沿着导向槽4来回上下移动，所述的两个相位触块和两个相位开关反向安装，以便接收相应的信号，当滑块3碰到左相位触块8时左相位开关6反馈信号给右相位开关5，右相位开关5控制右相位触块7，滑块3在返回过程中接受右相位触块7的指示移动。伴随着滑块3的来回移动，顶针9也沿着样板的20°斜边上下运动，进而带动金刚笔10完成对砂轮的修整。 [0014] 所述的射向CCD像传感器的平行光被挡住一部分，因此CCD像传感器输出的信号有缺口，缺口各边的长度与砂轮或蜗杆的尺寸有一一对应的关系，利用计算机数据采集和处理系统得到缺口对应的CCD像元数，进而实现砂轮磨损检测和准确对刀。 [0015] 所述的红外线发射器15的发射灯管设计成一圈圈向外扩散的形状，根据蜗杆的齿顶圆直径来选择哪一组发射灯管，使红外线正好落在蜗杆的齿顶圆上并被感应器16接收；在纵向进给到砂轮齿顶与蜗杆齿顶外圆重合时感应器16中的光敏电阻感应光线变化并放大信号反馈给数控系统17，砂轮暂停，数控系统17记住该纵向位置。 [0016] 本发明的有益效果是：CCD投影测量稳定性较好，CCD本身自扫描分辨率高、灵敏度高、结构紧凑、位置准确； 红外感应灵敏度高，安全可靠。通过CCD投影测量和红外感应技术，可以更方便更精确地掌握砂轮磨损情况，对刀准确与否以及所需的纵向进给量，实现蜗杆的齿形误差控制。 [0019] 图2是本发明实施例的ZK蜗杆磨床齿形误差控制装置示意图。 [0020] 图3是本发明的光学系统所处的位置示意图。 [0021] 图4是本发明的CCD投影测量砂轮齿顶和分度圆之间的部分并与原理论值对比示意图。 [0022] 图5是本发明的CCD投影测量砂轮和蜗杆并存区域示意图。 [0023] 图6是本发明的红外线发射器示意图。 [0024] 图7是本发明的红外线经过ZK蜗杆齿顶圆感应砂轮进入示意图。 [0025] 图8是本发明的感应器电路图。 [0026] 图中：1样板，2导轨，3滑块，4导向槽，5右相位开关，6左相位开关，7右相位触块，8左相位触块，9顶针，10金刚笔，11砂轮，12 ZK蜗杆，13光学系统,14 CCD像传感器，15红外线发射器，16感应器，17数控系统，18砂轮分度圆和齿顶理论计算值，19砂轮分度圆和齿顶CCD像元数，20光幕,21砂轮前部,22 ZK蜗杆的螺旋齿部分，23红外线，24发射灯管，25计算机数据采集和处理系统，26砂轮分度圆，27砂轮齿顶。 具体实施方案 [0027] 下面结构附图的实施例对本发明作进一步的说明。 [0028] 实施例一。 [0029] 一种ZK蜗杆磨床齿形误差控制方法，如图1所示，当加工一种不同参数的ZK蜗杆12时，首先向数控系统17输入ZK蜗杆12的模数、直径系数和头数，数控系统17经过计算得出相应的分度圆、齿顶、齿高等尺寸。 [0030] 随着磨削的进行，砂轮11会逐渐磨损，直径从500mm（砂轮11原直径，也有400mm的）减小到300mm。因此只有在砂轮11刚使用的时候才容易控制齿形误差，对刀没什么问题的情况下，由于直径一定纵向进给量也确定，工作台只需横向进给就能保证齿形精度。 [0031] 随着砂轮11的磨损，其直径逐渐变小，要测量很困难，需要把砂轮11拆卸下来单独测量，因为砂轮11是固定在磨床上的，拆卸很不方便。基于此，本实施例考虑用CCD投影测量和红外感应技术来解决。 [0032] CCD投影测量用的光学系统13安装可在机床防护罩内（减少冷却液等的污染），介于砂轮11和ZK蜗杆12之间，如图3所示，平时能照射到砂轮11分度圆26和齿顶27，进给时又能照射砂轮11和蜗杆12并存的区域。光源采用波长较长的红外光，抗干扰性强，光通过光学系统13形成了光幕20（如图4），光幕20射向砂轮11，此时磨床是停止运动的，目的在于成像稳定。CCD像传感器14、计算机数据采集和处理系统25位于砂轮11的另一头，射向CCD像传感器14的平行光被砂轮11挡住一部分，因此CCD像传感器14输出的信号有一个缺口，缺口各边的长度与砂轮11的尺寸有一一对应的关系，利用计算机数据采集和处理系统25得到缺口对应的CCD像元数19，CCD像元数19与理论计算值18对比是否在误差范围内，如图4。 [0033] 如果超出范围，就使砂轮11高速旋转但不纵向进给，使用砂轮修整器修整。修整器主要由以下几个部分组成（见图2）：样板1设置成20°倾斜角（标准压力角是20°）对称安装在两头，导轨2带有刻度，行程多少根据砂轮11的厚度来决定，滑块3根据所需的行程沿着导向槽4来回上下移动，相位触块7，8和相位开关5，6反向安装，以便接收相应的信号，当滑块3碰到相位触块8时相位开关6反馈信号给相位开关5，相位开关5控制相位触块7，滑块3在返回过程中接受相位触块7的指示移动。伴随着滑块3的来回移动，顶针9也沿着样板1的20°斜边上下运动，进而带动金刚笔10。金刚笔10下面两工作部位都设计成20°，便于修整砂轮11工作面。砂轮11的齿顶27外圆修整用磨刀，随着砂轮11的快速转动，磨刀把齿顶27磨平了，然后关闭电动开关，测量一下齿顶27的尺寸是否满足要求，不满足就重复以上步骤直至满足为止，一般磨削2，3次齿顶27就达标了。 [0034] 纵向进给砂轮11，在靠近ZK蜗杆12并留有一定距离（3~5 mm）处停下，这是便于后期进给，测纵向进给量。如果在ZK蜗杆12的齿槽内停下，退后至超出蜗杆12的齿顶圆5 mm以内即可，再继续进给。打开光学系统13，光通过光学系统13形成的光幕20射向砂轮前部21和ZK蜗杆12的螺旋齿部分22，如图5。射向CCD像传感器14的平行光被砂轮前部21和ZK蜗杆12的螺旋齿部分22挡住一部分，因此CCD像传感器14输出的信号有缺口，缺口各边的长度与砂轮前部21和ZK蜗杆12的螺旋齿部分22的尺寸有一一对应的关系，利用计算机数据采集和处理系统25得到缺口对应的CCD像元数，经过计算可以得出两侧间隙。间隙哪边大就往哪边移动，移动量也可以通过间隙差算出。对刀完成后改用手动进给。 [0035] 红外线发射器15安装在工作台左边，它的发射灯管24设计成圆形阵列状圆孔向外扩散的形状，如图6所示。根据ZK蜗杆12的齿顶圆直径来选择哪一组发射灯管24，使红外线23正好落在ZK蜗杆12的齿顶圆上并被感应器16接收。感应器16固定在工作台的右侧，含有光敏电阻R1，红外线照射的时候光敏电阻R1的阻值很小，当物体经过时有阴影出现，它的阻值变化进而产生交流电。R2，R3，R4，R5是固定电阻，C1，C2都是电容，能让交流信号通过并阻止直流信号，C2又是一个反馈电容，提高放大效果；Q1，Q2是三极管，VCC 表示直流电源正极，GND 代表直流电源负极，IN、OUT分别表示信号输入输出。当光强改变时，交流信号产生经过C1后给共发射极放大电路放大。光敏电阻R1提供三极管偏置电流，R3是集电极电阻。在纵向进给到砂轮齿顶27与ZK蜗杆12齿顶外圆重合时感应器16中的光敏电阻感应光线变化并放大信号反馈给数控系统17。砂轮11暂停，数控系统17记住该纵向位置，这样磨削深度就很容易把握，即ZK蜗杆的齿高。砂轮11退出，工作台移到左侧起点开始磨削。 [0036] 实施例二。 [0037] 如图2-8所示。 [0038] 一种蜗杆磨床齿形误差控制装置，它主要包括砂轮修整装置、光学系统13、CCD像传感器14、计算机数据采集和处理系统25、红外线发射器15、感应器16和数控系统17，如图2所示，所述的光学系统13为红外光源，它安装在机床防护罩内、砂轮11和ZK蜗杆12之间靠近砂轮11的上部位置处（不进给时能照射到砂轮11的分度圆和齿顶处，进给时又能照射砂轮11和蜗杆12并存的区域），如图3所示，用于感应光学系统13的CCD像传感器14正对着光学系统13，位于砂轮11的下方并与计算机数据采集和处理系统25电气连接，光学系统13射向CCD像传感器14的平行光被砂轮11挡住一部分，因此CCD像传感器14输出的信号有一个缺口，缺口各边的长度与砂轮11的尺寸有一一对应的关系，利用计算机数据采集和处理系统25得到缺口对应的CCD像元数19，CCD像元数19与理论计算值18对比是否在误差范围内，如图4；红外线发射器15安装在蜗杆12的一侧，与红外线发射器15相配的感应器16安装在蜗杆12的另一侧，感应器16与数控系统17电气连接；所述的砂轮修整装置包括分别位于砂轮两侧的两个金刚笔10，每个金刚笔10的工作部设计成与砂轮10工作部相配的20度角，每个金刚笔10与对应的顶针9相连，顶针9的针尖与斜角为20的样板1相抵，顶针的驱动端与滑块3相连，滑块3在导轨2的导向槽4中上下移动，在导向槽4的一侧分别安装有右相位开关5、左相位天关6、右相位触块7和左相位触块8，导轨2带有刻度，滑块3的行程由砂轮11的厚度决定，滑块3根据所需的行程沿着导向槽4来回上下移动，所述的两个相位触块和两个相位开关反向安装，以便接收相应的信号，当滑块3碰到左相位触块8时左相位开关6反馈信号给右相位开关5，右相位开关5控制右相位触块 7，滑块3在返回过程中接受右相位触块7的指示移动。伴随着滑块3的来回移动，顶针9也沿着样板的20°斜边上下运动，进而带动金刚笔10完成对砂轮的修整。所述的射向CCD像传感器的平行光被挡住一部分，因此CCD像传感器输出的信号有缺口，缺口各边的长度与砂轮或蜗杆的尺寸有一一对应的关系，利用计算机数据采集和处理系统得到缺口对应的CCD像元数，进而实现砂轮磨损检测和准确对刀，如图5所示。 [0039] 所述的红外线发射器15的发射灯管设计成一圈圈向外扩散的形状（如图6），根据蜗杆的齿顶圆直径来选择哪一组发射灯管24，使红外线23正好落在蜗杆的齿顶圆上并被感应器16接收，如图7所示；在纵向进给到砂轮齿顶与蜗杆齿顶外圆重合时感应器16中的光敏电阻感应光线变化并放大信号反馈给数控系统17，砂轮暂停，数控系统17记住该纵向位置。感应器16固定在工作台的右侧，含有光敏电阻R1，红外线照射的时候光敏电阻R1的阻值很小，当物体经过时有阴影出现，它的阻值变化进而产生交流电，如图8所示，R2，R3，R4，R5是固定电阻，C1，C2都是电容，能让交流信号通过并阻止直流信号，C2又是一个反馈电容，提高放大效果；Q1，Q2是三极管，VCC 表示直流电源正极，GND 代表直流电源负极，IN、OUT分别表示信号输入输出。当光强改变时，交流信号产生经过C1后给共发射极放大电路放大。光敏电阻R1提供三极管偏置电流，R3是集电极电阻。在纵向进给到砂轮齿顶27与ZK蜗杆12齿顶外圆重合时感应器16中的光敏电阻感应光线变化并放大信号反馈给数控系统17。砂轮11暂停，数控系统17记住该纵向位置，这样磨削深度就很容易把握，即ZK蜗杆的齿高。砂轮11退出，工作台移到左侧起点开始磨削。 [0040] 本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。 |
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