自動(dòng)對(duì)齒技術(shù)在磨齒機(jī)上的應(yīng)用

杜原，彭寧，杜曉峰

（陜西秦川發(fā)展股份有限公司，陜西 寶雞 721009）

0 引言

隨著裝備制造技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了數(shù)字化、自動(dòng)化的趨勢，機(jī)床朝著高精、高效加工方向發(fā)展。在數(shù)控砂輪磨齒機(jī)的加工過程中，對(duì)刀過程一直是影響加工精度和加工效率的重要因素，傳統(tǒng)的人工對(duì)刀方法效率低下，對(duì)刀精度不高，加工的齒輪一致性不好，加工的齒輪精度不高，因此開發(fā)高精度的自動(dòng)對(duì)刀功能十分必要。國外數(shù)控砂輪磨齒機(jī)上普遍采用自動(dòng)對(duì)齒技術(shù)，使機(jī)床的加工效率得到很大提高，齒輪的加工從裝夾到自動(dòng)磨削實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)化，在這個(gè)過程中，自動(dòng)對(duì)齒技術(shù)的應(yīng)用是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。為解決此問題，公司成立專門課題組研究了利用高靈敏度、高精度的傳感器對(duì)刀方法，開發(fā)了對(duì)刀測頭機(jī)構(gòu)，在公司新型磨齒機(jī)上通過磨削齒輪驗(yàn)證了該技術(shù)的實(shí)用性和可靠性。

1 自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)的應(yīng)用

應(yīng)用自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)要研究自動(dòng)對(duì)刀的基本原理，利用原理設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中存在的問題并改進(jìn)結(jié)構(gòu)，磁感應(yīng)開關(guān)與齒輪的感應(yīng)距離是影響自動(dòng)對(duì)刀精度的重要因素，測頭的標(biāo)定與對(duì)刀的過程密切相關(guān)，必需標(biāo)定好測頭才能開始下面的步驟，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)給出測頭的適用范圍。

1.1 自動(dòng)對(duì)刀的基本原理簡介

自動(dòng)對(duì)刀裝置的測頭是磁感應(yīng)式傳感器，當(dāng)齒輪的齒面接近傳感器時(shí)，如圖1 所示傳感器達(dá)到工作電壓（高電平），系統(tǒng)的高速中斷口接受到信號(hào)并記錄上升沿所對(duì)應(yīng)的C1機(jī)床坐標(biāo)，當(dāng)齒頂轉(zhuǎn)離傳感器時(shí)，傳感器關(guān)斷（低電平），系統(tǒng)的高速中斷口接受到信號(hào)并記錄下降沿所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)C2。假如齒輪有N 個(gè)齒，旋轉(zhuǎn)一圈就會(huì)得到2N 個(gè)信號(hào)，NC 系統(tǒng)會(huì)記錄2N 個(gè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出θ1和Δθ，只要Δθ 小到一定程度，說明理論齒槽中心和傳感器對(duì)正齒槽中心的重合誤差很小，即可認(rèn)為自動(dòng)對(duì)刀結(jié)果正確。

圖1

式中：θ1為傳感器對(duì)正齒槽中心；θ2為理論齒槽中心。

1.2 自動(dòng)對(duì)刀測頭的調(diào)整

使用對(duì)刀功能之前要調(diào)整好對(duì)刀裝置的測頭與旋轉(zhuǎn)齒輪最大外圓之間的距離ΔT，如圖2 所示。如果由于齒輪安裝的偏心造成齒輪跳動(dòng)過大，或齒輪本身的齒頂圓度誤差ΔD 過大，每個(gè)齒觸發(fā)信號(hào)的位置與理論的觸發(fā)位置偏離過大，導(dǎo)致機(jī)床C 軸坐標(biāo)在數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生較大偏差，結(jié)果會(huì)造成齒輪的偏磨，在齒輪的表面余量分布不均勻的情況下，齒輪的公法線已經(jīng)加工到尺寸，有的齒面已經(jīng)磨光，而另一部分齒面上余量還沒有去除掉，這是對(duì)刀誤差直接造成加工中的廢品現(xiàn)象。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終確定出調(diào)整ΔT 的最佳距離范圍推薦值，在齒輪模數(shù)大于3 mm 時(shí)，ΔT 范圍 為0.2～0.5 mm；齒輪模數(shù)不大于3 mm 時(shí)，ΔT 范圍為0.2～0.3 mm。要注意調(diào)整ΔT 必須連續(xù)兩次執(zhí)行對(duì)齒程序，以驗(yàn)證傳感器測頭的重復(fù)性誤差沒有超出許可值，在NC 系統(tǒng)界面上顯示的對(duì)刀誤差小于0.05 mm，這樣才能認(rèn)為ΔT 已經(jīng)調(diào)整到最佳狀態(tài)。

圖2

1.3 測頭的標(biāo)定和對(duì)刀的基本過程

調(diào)整△T 后要進(jìn)行傳感器測頭的標(biāo)定，對(duì)于批量齒輪的加工，首先裝夾標(biāo)準(zhǔn)齒輪，用傳統(tǒng)人工對(duì)刀的方法把砂輪對(duì)進(jìn)齒槽，將機(jī)床C 軸當(dāng)前坐標(biāo)記錄并在對(duì)刀軟件中確認(rèn)已勾選“測頭對(duì)刀”功能，再執(zhí)行自動(dòng)對(duì)刀程序，這時(shí)傳感器已準(zhǔn)備就緒開始記錄齒槽中心的坐標(biāo)值，如圖2所示，齒輪將連續(xù)回轉(zhuǎn)2 圈，當(dāng)每個(gè)齒頂經(jīng)過傳感器時(shí)，系統(tǒng)高速記錄當(dāng)前齒頂對(duì)應(yīng)的機(jī)床坐標(biāo)，第1 圈檢齒，第2 圈重復(fù)檢齒，2 次檢齒結(jié)果相互對(duì)比，以監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，說明沒有漏檢和錯(cuò)檢，如果采集的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)奇異點(diǎn)，則NC 顯示必須重復(fù)對(duì)齒。上面的過程被稱為自動(dòng)對(duì)刀的學(xué)習(xí)過程。

學(xué)習(xí)完成后，對(duì)刀軟件計(jì)算出傳感器對(duì)正齒槽中心的C、Z 軸坐標(biāo)，NC 系統(tǒng)自動(dòng)將砂輪移動(dòng)到齒輪齒槽中，觀察系統(tǒng)界面上X、C 軸的坐標(biāo)是否與人工對(duì)刀設(shè)置的坐標(biāo)相一致，如果點(diǎn)擊圖3 中的“對(duì)刀”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算起磨點(diǎn)坐標(biāo)。一般設(shè)置對(duì)刀最大允許偏差為0.05 mm，如果齒坯精度等級(jí)較低，齒輪的各個(gè)齒相互間磨量相差較大，可以設(shè)置允許偏差量≤0.1 mm，但這樣容易造成偏磨而報(bào)廢齒輪，自動(dòng)對(duì)刀偏差在允許范圍內(nèi)，NC 系統(tǒng)會(huì)開始自動(dòng)磨削加工。

圖3

1.4 自動(dòng)對(duì)刀的適用范圍

經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)對(duì)比，給出了自動(dòng)對(duì)刀適用范圍：1）對(duì)齒坯的要求。齒坯不能倒棱、齒面不能磕碰和存在明顯的缺陷（注：倒棱或倒棱不均勻會(huì)誤觸發(fā)信號(hào)）。2）齒輪最大直徑上（齒頂圓柱）的齒厚2 mm，齒輪模數(shù)2 mm。3）齒輪最大直徑（齒頂圓柱）跳動(dòng)0.05 mm（注：否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算齒坯齒槽中心偏移，造成齒輪偏磨而報(bào)廢）。

1.5 自動(dòng)對(duì)刀機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

測頭選用德國巴魯夫公司高精度、高靈敏度的電磁感應(yīng)傳感器，由于ΔT 較小，齒輪旋轉(zhuǎn)的過程中意外碰撞測頭，固定該測頭的滑動(dòng)塊壓縮彈簧，避讓齒輪的碰撞，從而可有效地保護(hù)測頭，對(duì)準(zhǔn)測頭頂端通入的純凈壓縮空氣，可以吹走磨削垃圾和冷卻油，保持測頭感應(yīng)區(qū)域的純凈，避免垃圾堆積而影響對(duì)刀精度。

2 結(jié)語

使用這項(xiàng)自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)以后，機(jī)床已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)從裝夾到磨削的自動(dòng)化，機(jī)床的操作人員在磨削批量齒輪時(shí)，明顯提高了生產(chǎn)效率，取得了良好的效果，在公司的數(shù)控磨齒機(jī)上已經(jīng)批量使用，并在其它類似機(jī)床上得到越來越多的應(yīng)用。

圖4 自動(dòng)對(duì)刀機(jī)構(gòu)

［1］劉海寧.數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2011.