毕业论文平面二次包络蜗杆专用数控磨床的设计与开发.docx
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毕业论文平面二次包络蜗杆专用数控磨床的设计与开发
毕业论文平面二次包络蜗杆专用数控磨床的设计与开发
1平面二次包络蜗杆加工设备的发展现状和趋势
平面二次包络蜗杆的加工设备在国内的设计开发可以追溯到上世纪70年代，首钢机械厂的研究人员在总结平面二次包络蜗杆副成型原理的基础之上利用旧车床，于1971年改造出一台能加工中心距为250mm的平面二次包络蜗杆车床，开创了国内生产平面二次包络蜗杆设备的先河，其中两项关键技术，一是车削专用磨头，二是在车床上增加的工装，为今后的平面二次包络蜗杆专用设备设计做了关键性的技术指导。
为了解决平面二次包络蜗杆高效、高精度的加工问题，相关研究单位、高等院校及相关企业都在致力于研究开发平面二次包络蜗杆高精度专用设备。
1.1国外加工设备的研究与开发
1.1.1瑞士Maag公司的SD系列磨床
早在上世纪60年代末70年代初，瑞士的马格公司开发出了三种SD系列的磨床，其型号分别为：
SD-32-X,SD-62，SD-60/B2。
其中SD-32-X型号的机床结构图1.1如下所示：
图1.1SD-32-X瑞士磨齿机
Fig.1.1SD-32-XSwitzerlandGrindingmachine
该机床的主要技术参数如下：
可磨削工件的直径：
20-320mm；齿数：
10-180mm；
展成行程：
0-8；螺旋角：
±45°；
模数：
1-12；最大托板行程（横向）：
350mm；
用双分度机构时最小齿数：
5；
在齿向方向上最大砂轮位移量：
±45；
砂轮直径：
200-280mm；
最多自动循环次数：
15次；
标准滚圆直径：
45,60,75,100,125,150,175,200,250,300（mm）；
机床重量：
6400kg；
砂轮修正机构补偿量：
0.001-0.002cm；
机床的最大进给量（单齿面）：
0.05mm
该机床精度高，可以达到德国标准DIN3级，可以安排完整的自动磨削程序，关键部件为砂轮修整反补偿装置以及齿形齿腹的修整机构，但是该机床价格昂贵，而且加工效率低、结构复杂，不适合目前市场大批量的生产，只适合单件小批量的生产。
另外，该机床也不是加工平面二次包络蜗杆的专用设备。
1.1.2瑞士莱斯豪威尔AZA型蜗杆砂轮磨齿机
瑞士Reishauer公司在上世纪70年代在NZA磨齿机的基础之上开发的具有更高自动化的蜗杆砂轮磨齿机。
其机床的结构图1.2如下：
图1.2NZA瑞士磨齿机
Fig.1.2NZASwitzerlandGrindingmachine
机床的主要技术参数：
最大外圆直径：
300mm；
最小根圆直径：
10；
最大行程长度：
180；
齿数：
12-260；
最大模数：
单线砂轮：
m6
双线砂轮：
m3
最小模数：
m0.5；
最大工件重量（包括夹具）：
60kg；
蜗杆砂轮尺寸：
最大直径：
350mm
最小直径：
270mm
宽度：
62,84,104（mm）
砂轮自动进给：
总量：
0.8mm
工件每次行程进给量：
0.01-0.08mm；
工件架切向位移：
手调最大：
90mm
自动位移：
4
电机总功率：
30kw；
机床净重：
5080kg；
机床外形尺寸：
2430×2280×2130（mm）
该机床采用蜗杆砂轮连续磨削的方式进行工作，虽然从一定程度上提高了磨削的效率和精度，自动化程度也得到的提高，但是也存在一些问题，比如：
砂轮主轴温升很高、同时机床价格居高不下、加工成本高。
并且该机床也不是加工平面二次包络蜗杆的专用设备。
1.1.3联邦德国生产的锥面磨齿机
该机床的工作过程是：
砂轮的轴向剖面修整成齿条的一个齿形，并沿齿向作直线往复运动。
工件通过蜗轮、丝杆和交换齿轮完成展成和分度运动,但也有用滚圆盘和钢带作展成运动,利用蜗轮副或分度盘作分度运动的。
砂轮架按工件螺旋角转过一个角度时可磨削斜齿轮。
该机床调整方便，通用性好，但是仅适用于单件小批量生产，不适合大规模加工，下表2-1是机床各种型号的主要参数：
表2-1各型号的参数
型号
NZA
AZA
AZA-K
ZB
RZ300E
传动链方式
机械传动链
机械传动链
机械传动链
机械传动链
电控制传动链
最大直径（mm）
300（330）
330（400）
330（400）
700（770）
300
最大齿宽（mm）
170
180
180
290
170
最大/最小模数（mm）
5（6）/0.5
6（8）/0.5
6（8）/0.5
7（10）/1.5
5/0.5
最大/最小齿数
130/12（8）
260/12（8）
260/12（8）
280/16（13）
256/7
最大螺旋角
45°
45°
45°
30°
45°
最大工件重量（kg）
50
60
60
300
40
磨削蜗杆
单头
单/双头
单/双头
单/双头
单头
保证精度
DIN4级
DIN4级
DIN4级
DIN4级
DIN2-3级
1.2国内加工设备的研究与开发
1.2.1二轴二联动磨床的开发
1999年春，重庆大学机械传动国家重点实验室作为“211”一期工程项目，利用已有的一台闲置螺纹磨床Y7250W，与西华大学数控技术研究所合作，于2002年春开发了一台二轴联动平面包络环面蜗杆数控磨床。
Y7520W是一种高精度螺纹磨床，可磨削加工最大直径为φ200mm、最大长度为500mm的螺纹及圆柱蜗杆等工件，因此用这种磨床来改装蜗杆磨床具有较强的改造基础。
由于是基于原磨床的床身结构进行改造，因此该磨床具有一些不足之处，例如：
（1）在加工中心距较大的蜗杆时，机床的回转工作台必须相对于工件向后移动较大距离，加工较小中心距蜗杆时，机床的回转工作台中心必须相对于工件向前移动较大距离，在这种情况下回转工作台来回运动范围很大，特别是加工小中心距的工件时，回转工作台必须与工件靠的很近，由于砂轮及砂轮头较大，在这种情况下，为获得正确的加工位置，砂轮头必须后退较大的距离，这就造成机床结构庞大。
（2）机床有很多运动层面，使机床结构很复杂，刚性差，加工精度难以保证，操作很不方便，以及一些相应结构问题和刚度问题，使得机床的总体结构不合理，同时由于振动带来的影响使得加工的精度不高。
1.2.2四轴四联动磨床的开发
西华大学与重庆大学利用一台CDK6150数控车床联合开发出一台四轴四联动加工平面二次包络蜗杆车床，该机床能满足对平面二次包络蜗杆的磨削，同时加工范围也得到扩大，但是，由于该机床是在普通车床上改造而来的，其结构、性能、精度等不能得到很好的保证，经过实际生产之后发现无论从机床导轨的精度、刚度上来说都存在很大的局限性，不能够完全实现高效、高精度的平面二次包络蜗杆的磨削。
宁江机床厂也在致力于对平面二次包络蜗杆专用机床的开发，于2004年和瑞士的兰伯特瓦力公司签署了合作协议，双方将致力于数控蜗杆铣床的开发。
目前，宁江机床厂已经开发出数控蜗杆铣床，但是并未投入大规模生产。
1.3平面二次包络蜗杆数控专用磨床开发的目的和意义
由于平面二次包络蜗杆具有良好的啮合特性以及硬度高、传动效率高、承载能力大等优势，现已被广泛应用于制造加工等行业，但是由于目前专门加工平面二次包络蜗杆的设备缺乏，造成加工平面二次包络蜗杆的成本高、效率低，因此也阻碍了其应用推广。
目前平面二次包络蜗杆磨削加工仍然不具备专用的加工设备，很多加工依旧停留在对车床或者磨床的一些改造上，比如增加一些必要的工装和磨头设备，但如此一来由于增加的工装和附件是基于之前专门的车床或磨床之后改造来的，因此就对加工蜗杆的精度造成了一定的影响,不能满足市场需求。
国外虽有可以磨削平面二次包络蜗杆的设备，但价格昂贵，结构复杂，很难在国内大批量生产使用。
基于目前市场大量需求以及平面二次包络环面蜗杆高效、高精度加工设备的缺乏,致使国内该类蜗杆供不应求，或者是由于购买外国专用设备生产以至于成本过高，无法得到推广和普及。
为此，提出了平面二次包络蜗杆高效、高精度专用数控磨床，利用现代设计理论和产品设计开发的思路对平面二次包络蜗杆的专用磨床进行设计开发。
1.4研究课题的来源、技术背景、主要内容
平面二次包络蜗杆在机械相关的领域和行业起作非常重要的作用。
基于目前各行业对环面包络蜗杆的广泛需求，要解决平面二次包络蜗杆高精度、高效率、低成本的加工问题，对加工的设备也提出了更高要求。
为此有必要开发一种能够解决平面二次包络蜗杆高精度、高效率、低成本的加工的专用设备。
本文将在西华大学数控研究所前期开发的数控蜗杆磨床的基础之上，结合西华大学数控研究所与上海合纵重工平面二次包络蜗杆加工设备课题，本课题特提出对平面二次包络蜗杆的专用数控磨床进行开发，为完成高精度、高效率、低成本平面二次包络蜗杆的专用数控磨床的开发。
本课题主要研究内容应包括：
（1）对现有的平面二次包络蜗杆的加工方法进行分析研究,找出存在的问题,论证平面二次包络蜗杆加工的专用数控磨床开发的必要性和可行性；
（2）对平面二次包络蜗杆加工理论进行分析,建立加工原理的数学模型，研究平面二次包络蜗杆磨削功能要求，提出本专用磨床设计的功能目标和确定详细明确的设计要求,为设计提供依据；
（3）根据平面二次包络蜗杆齿面成形原理，研究分析确定专用磨床采用的加工原理。
运用功能分析的方法，对平面二次包络蜗杆加工进行功能原理设计，研究平面二次包络蜗杆专用磨床的总体布局设计和总体结构方案的分析设计；
（4）在完成运动学、动力学的相关分析计算的基础上对平面二次包络蜗杆专用磨床的关键零部件进行分析设计研究；
（5）根据平面二次包络蜗杆专用磨床的总体布局设计和总体结构方案，完成整机的虚拟样机的设计；
（6）为验证专用磨床采用的加工原理正确性和结构的合理性，对虚拟样机进行运动仿真研究；
（7）为保证专用磨床加工精度和工作可靠性，对关键零部件进行结构分析研究；
（8）为保证平面二次包络蜗杆专用磨床完成加工过程的稳定性和安全性，对整机的辅助系统（润滑、密封、冷却、防护等装置）进行配置研究。
2平面二次包络蜗杆加工设备的功能原理分析
2.1平面二次包络蜗杆齿面加工原理建模分析
蜗杆螺旋齿的示意图如下，从图中可以看出将螺旋齿面分为三个部分：
1.蜗杆齿槽环面，2.蜗杆工作齿面，3.蜗杆齿顶环面，4.蜗杆非工作齿面，其中3和4面都可以看出是完全线接触。
图2.1蜗杆齿面的构成
Fig.2.1Wormtoothsurfaceconstituting
（1）、蜗杆齿面的加工
建立坐标系如图2.2
是空间固定标架1；
为空间固定标架2；
为联接蜗杆的标架1；
是联接工作台的标架2；
是工作台的转角，
是蜗杆的转角；
当
=
=0°时，
与
重合，
和
重合。
图2.2.蜗杆加工坐标系
Fig.2.2.Wormprocessingcoordinatesystem
（2）砂轮轮廓及配合
图2.3（a）为砂轮磨削截面，图2.3（b）为蜗杆喉颈和蜗轮啮合时的位置参数，
是砂轮磨削时的回转中心，L是工件的实际中心距，D1是蜗轮分度圆直径，α是分度圆压力角，Df1蜗杆喉颈位置齿根圆直径，Et1为分度圆齿槽宽，R2砂轮直径，β为砂轮磨削面所成的倾斜角，砂轮初始定位在：
l1=R2-L+0.5Df1；
砂轮齿形角为：
α0=arctan（tanαtcosβ）（2-1）
其中αt=α-φ0,φ0=180et1/
d2
砂轮齿顶宽为：
（2-2）
其中△S为磨头工作时留的侧隙
图2.3（a）砂轮轴截面
Fig.2.3（a）Wheelaxialsection
Dn/2
L
图2.3（b）砂轮啮合位置
Fig.2.3（b）Grindingwheelengagingposition
（3）啮合方程
蜗杆齿面和砂轮表面的啮合方程是：
（2-3）
联立其磨削面方程和图2.2中的坐标系可以得到蜗杆齿面方程:
（2-4）
其中
r、θ为砂轮的旋转参数
方程（2-4）所表达的就是由蜗杆齿面包络出蜗轮齿面的过程，即二次包络方程式，其中，加工蜗杆的转角是
，蜗轮的旋转角度是
，加工的实际中心距为a，传动比是i12，
=
i12。
这样就得到了加工蜗杆的啮合方程：
（2-5）
式（2-5）为修型运动的啮合方程，对于一般传动，
，可以推出：
联立方程（2-4）和方程（2-5）可以得到蜗轮齿面的方程。
[41]
2.2平面二次包络蜗杆的两轴两联动加工原理及设备分析
重庆大学机械传动国家重点实验室于1999年春与西华大学数控技术研究所合作，用型号为Y7250W的螺纹磨床历时两年多开发了一台二轴联动的平面二次包络蜗杆数控磨床，所开发的NC2050二轴二联动数控磨床总体结构图2.4如下：
图2.4NC2050二轴二联动数控磨床
Fig.2.4NC2050TwoaxislinkageCNCgrindingmachine
该二轴联动平面二次包络蜗杆数控磨床可以加工最大直径为200、长度为500mm的平面二次包络蜗杆，基于其加工范围比较大，以此作为基础改造出的能加工平面二次包络蜗杆的磨床对平面二次包络蜗杆数控磨削具有其现实意义的。
从图中可以看出，通过伺服电机带动主轴做回转运动，而砂轮通过回转工作台上的伺服电机驱动进行旋转，从而实现对蜗杆不同位置进行加工的工位变化，通过v方向的滑台实现砂轮的纵向运动，以随时保持与基圆相切，通过Y方向的滑台实现砂轮的径向运动，主轴和砂轮自身的回转运动都是通过CNC伺服系统控制，磨削前需要手动调整好砂轮垂直方向Z以获得正确的加工工位。
以下是改造后数控机床的个别主要技术指标：
额定转速：
1450r/pm；
功率：
2kw；
最大加工中心距：
300mm；
最小加工中心距：
100mm；
蜗杆工作部分长度：
150mm；
额定转速：
2000r/pm；
主基圆直径：
200mm；
加工蜗杆头数：
1-6；
主轴转速：
1-10r/pm；
该两轴两联动平面二次包络蜗杆数控磨床虽然能够满足加工平面二次包络蜗杆，但是也有一些问题：
（1）当加工中心距不同的蜗杆时，对床身的结构要求改变较大，当被加工蜗杆的中心距较小时，磨头需要向蜗杆旋转轴的垂直方向移动较大距离，但由于磨头的旋转工作台结构比较大，需要向反方向移动较大距离，才能保证加工位置的正确，这样一来导致机床的床身结构变大。
（2）该两轴两联动结构的磨床的运动是有多层滑台构成，即使保证了加工位置的正确，其加工精度也会在每一层的结构依次降低，因此总的加工精度也不能保证，不能满足现代加工的高精度要求，同时，磨床本身结构的刚度也降低，多层结构从人机工程的角度来看也不能满足操作者的方便操作。
通过主轴回转和砂轮架的回转实现两轴两联动，完成平面二次包络蜗杆环面的啮合。
同时，在机床主轴和尾座处分别添加了加高底座和尾座垫块，这样一来使得整个机床的刚度和精度大幅度下降，在主轴高速运行的状态下无法保证蜗杆加工所需的高精度要求。
并且，该机床的加工效率也是非常低的，不能满足当前大批量生产的需求。
2.3基于CDK6150改造的四轴四联动数控磨床
由于CDK-6150部分功能与我们所要求的平面二次包络蜗杆专用数控磨床有很多共同点，其本身具有加工平面二次包络蜗杆要求的主轴箱和X\Y运动的部件，同时主轴性能和主轴箱也具备专用磨床的一些要求，因此西华大学通过在该机床的机械部分上进行改造改装了一台GWNC4-A四轴四联动数控磨床。
改造主要是针对：
（1）在床头箱和尾座的部分垫高了165mm，由于原来的床身床头箱的高度不能满足加工的高度相等，即尾座和主轴箱的中心高不相同，同时由于添加了移动滑台，中心高也发生了变化；
（2）安装了专用磨头，作为磨削蜗杆的主要部件；
（3）将普通丝杆传动改为了滚珠丝杆运动，减少了机械爬行，提高了传递效率；
（4）配置了与四轴四联动数控系统相应的交流伺服电机。
改造后的示意图2.5如下：
磨头体
操作面板
磨头转台
A向
X向滚珠丝杆
Z向滚珠丝杆轴
Z向电机
A向电机
主轴垫高层
图2.5GWNC4-A四轴四联动数控磨床
Fig.2.5GWNC4-AFour-axislinkageCNCgrindingmachine
2.4平面二次包络蜗杆专用数控磨床应具备的功能
通过上一节的分析，确定平面二次包络蜗杆专用数控磨床所具备的基本功能为：
（1）横向、纵向工作台的运动功能：
通过伺服电机带动主轴进行回转运动，伺服电机将动力传递给滚珠丝杆，由滚珠丝杆将回转运动变为直线运动，从而实现工作台的进给功能；
（2）圆弧插补功能：
通过伺服电机驱动X、Y方向的滚珠丝杆，将回转运动转换为直线运动，以带动X、Y方向的工作台联动，实现圆弧插补运动，该过程由数控系统通过编程实现。
（3）磨头回转功能：
平面二次包络蜗杆加工的专用磨头安装在回转工作台上，回转工作台由蜗轮蜗杆的运动带动做回转运动。
（4）磨头磨削功能：
磨头的回转运动通过独立的电机带动，通过电机带动磨头实现砂轮的磨削功能。
2.5专用数控磨床总功能分析
（1）专用数控磨床总体功能分析
本磨床是专门针对平面二次包络蜗杆进行加工的专用数控磨床，因此除了包括数控磨床基本的要求以外，比如在功能上满足驱动、执行、控制等功能，同时在其专用磨头部件上必须具有砂轮角度调整、磨头进给等功能；在执行部件上，包括机床的油路和润滑系统的执行等功能；另外，在控制方面包括机床的启动和急停功能等。
详细的总体功能图如下图2.6所示：
冷却、润滑
x、y方向的进给
砂轮角度修正
图2.6总体功能图
Fig.2.6TotalFunctionChart
（2）建立专用数控磨床功能结构图
在完成整体功能的分析之后进一步对完成功能的详细步骤进行分析。
首先设定加工蜗杆的初始主轴转速等参数，确认机床系统各个部件处于正常状态后对工件进行安装夹紧以及定位。
根据蜗杆的加工需要调整好磨头的初始位置、砂轮的偏转角度等参数，确认初始加工工位。
通过数控系统进行机床主轴和滑台等部件走位的编程，启动主轴，通过实现四轴联动对蜗杆进行加工，这个过程中机床的润滑、冷却系统适时启动，对机床的各个部件进行辅助调节。
其具体的结构执行结构图2.7如下：
图2.7功能结构图
Fig.2.7FunctionalBlockDiagram
（3）寻找专用数控磨床原理和组合
根据功能结构图及专用机床要求具备的功能，在确定好机床系统的功能关系之后，充分考虑执行部件完成系统各个功能的实现原理，在保证完成系统功能的前提下对相关的执行原理进行优化选择，以确定专用数控磨床原理和组合。
对平面二次包络蜗杆专用数控磨床完成系统各个功能的方案选择是多种的，相应的组合更多，合理配置平面二次包络蜗杆专用数控磨床方案的组合是保证功能完成和节省经济和能源的必要条件，根据对平面二次包络蜗杆专用数控磨床主要功能分析，对完成各主要功能的方案进行分析得到平面二次包络蜗杆专用数控磨床功能组合的形态学矩阵如表2-1:
表2-1平面二次包络蜗杆磨床功能原理的形态学矩阵
功能元
功能元件
1
2
3
A
驱动形式
交流伺服电机
直流伺服电机
步进电机
B
传动形式
齿轮
同步带传动
C
工件定位
手动
气动
液压
D
夹紧
手动
气动
液压
E
砂轮修整
手动
气动
液压
F
x\y进给
滚珠丝杆
齿轮齿条
普通丝杆
方案评选的分析：
首先对驱动形式进行考虑，由于直流电机需要专用的电源，而步进电机又不能保证主轴转动的精度，交流伺服电机现在越来越被广泛应用于机床系统中，无论从其控制精度还是运行性能上来说都是比较好的选择，因此，选用交流伺服电机作为电机驱动。
另外传动形式，无论是齿轮传动还是同步带传动都各有优势，对于工件的定位和夹紧方式来说手动控制相比于气动和液压控制比较方便而且成本低，气动和液压装置不仅要配置相应的气缸和液压泵，而且控制上还需要配置相应的控制系统，提高了成本。
x、y向的进给可以选择滚珠丝杆和普通丝杆，但是滚珠丝杆相对来说摩擦系数小，有利于加工精度的提高。
运用淘汰法和优选法，经过初步的分析之后，初步选出3种方案：
方案
：
交流伺服电机（A1）—同步带轮（B2）—气动（C2）—手动（D1）—手动（E1）—滚珠丝杆（F1）；
方案
：
交流伺服电机（A1）—齿轮（B1）—手动（C1）—手动（D1）—手动（E1）—普通丝杆（F3）；
方案
：
交流伺服电机（A1）—齿轮（B1）—手动（C1）—手动（D1）—手动（E1）—普通丝杆（F3）；
（4）评价优选
①评价目标的确定
从数控机床的性能参数来说，我们要首先要考虑其加工的精度和范围，在满足这两个要求之后，应该从人机工程学的角度考虑其操作性、振动、噪声污染等，其次再考虑成本问题。
成本主要从两方面来考虑，一个是生产成本，另一个是使用成本，即在使用过程中所需要耗费的资金。
下表2-2为平面二次包络蜗杆专用磨床的评价目标：
表2-2评价目标
性能参数
效率、精度加工范围、噪声、振动
成本
生产成本、使用成本
使用性
操作方便、环保、安全性
②确定评价目标的权重系数和建立目标树
为了能够准确的确定各个评价目标的重要程度，采用强制判定法计算出各个评价目标的加权系数列表如下：
其中各个评价目标的权重系数即加权系数：
表2-3加权系数判别表
评价目标
比较目标
加工范围
变速
效率
精度
成本
安全性
噪声
振动
操作方便
K
加权系数
加工范围
×
1
1
0
0
1
1
0
1
5
0.03
变速
3
×
2
1
0
1
2
2
0
11
0.075
效率
4
2
×
1
0
2
2
2
1
14
0.096
精度
4
3
3
×
3
4
3
3
4
27
0.186
成本
4
4
4
1
×
2
2
3
3
23
0.158
安全性
3
3
2
0
2
×
2
1
1
14
0.096
噪声
3
2
2
1
2
2
×
2
1
15
0.103
振动
4
2
2
1
1
3
2
×
0
15
0.103
操作方便
3
4
3
0
1
3
3
4
×
21
0.145
145
1
下图2.7为根据加权系数判别表得出的评价目标树：
图2.7评定目标树
Fig.2.7Assessmentofthetargettree
③对3个评价目标进行评分
采用集体评分法，以减少个人主观因素对分值的影响，通过数控研究所的部分专家和同学所评的分数取平均值或者去除最大、最小值后的平均值作为有效分值，评分标准采用10分制，选择10分制的原因是根据以往设计的经验和目前市场的趋势做出相对准确的判断，而非通过计算得出结果，这种评分的优点在于可以更加迅速、更加实用的对目标做出相对合理的评价，“理想状态”取1
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