专利名称：能虚拟中心距的环面蜗杆数控机床的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环面蜗杆数控机床，尤其是一种能虚拟中心距的环面蜗杆数控机床。
背景技术：
蜗杆传动是机械装备中常用的主要机械传动之一，它主要具有传动比范围宽(通常一级传动比即可达5～100)、结构紧凑、体积小、运动平稳、噪声低等特点，在传动系统中，对上游误差有缩敛作用，因而常用于精密圆分度机构中。
环面蜗杆传动如平面包络环面蜗杆传动、锥面包络环面蜗杆传动、直廓环面蜗杆传动等，还因其具有更高的承载能力、传动效率，寿命长，平均分度误差小等优越性，更适合应用于重要的场合，如各种冶金、矿山、采油、煤矿、化工、船舶、轨道交通、火炮、电梯以及通用设备等。圆柱蜗杆如常用的渐开线圆柱蜗杆、环面包络圆柱蜗杆(也称“尼曼蜗杆”)、锥面包络圆柱蜗杆等，因其制造工艺装备相对简单，因而虽然其传动性能不及环面蜗杆，也广泛用于中载或轻载场合。圆锥蜗杆齿面为阿基米德螺旋面，具有重合度大、齿面润滑条件好、通过轴向移动锥蜗杆可以调节齿侧间隙而不破坏齿面共轭、可以兼作离合器使用等独特优点，但目前在国内尚未在工业中得到广泛应用，有待进一步开发。
由于蜗杆传动属交错轴传动，蜗轮与蜗杆齿面接触时相对滑动速度较大，为降低齿面间的摩擦，优质的蜗杆齿面都必须具有很高的精度、硬度和光洁度。因此，蜗杆齿部除了采用车削或铣削成型外，都要进行淬火和精密磨削。
圆柱蜗杆齿部通常在车床上车削、旋风切削或在铣床上铣削加工，最后在圆柱蜗杆磨床上磨削。一部分也可利用螺纹磨床、铲齿车床或丝杆磨床加工。专用的蜗杆磨床都附带有可以磨削各种常用蜗杆的磨头及其砂轮修正器，此类机床我国汉江机床厂、大连机床厂和德国、日本等许多国家均有生产。
圆锥蜗杆沿分度锥母线导程相等，其齿面需在三轴联动的专机上车削或铣削成形，要求精度高、齿面粗糙度数值较小的硬齿面锥蜗杆还需磨齿。
圆环面蜗杆又可细分为凹环面和凸环面两种，其齿部的加工有别于圆柱蜗杆，加工时，蜗杆工件绕自身轴线作回转运动，而切削或磨削蜗杆螺纹齿的工具则绕距蜗杆轴线一定垂直距离的轴线按一定的传动比作回转运动。当前，环面蜗杆齿纹切削或磨削加工，一般在用滚齿机或车床改装的专机上进行，也有少量两轴联动的数控专用机床出现。
综合分析可以看出，以上诸多蜗杆加工机床中，存在下列缺陷1.加工圆柱蜗杆、圆锥蜗杆、凹圆环面蜗杆、凸圆环面蜗杆这四类蜗杆所用机床一般不具备通用性，尤其是加工圆锥蜗杆、凹圆环面蜗杆、凸圆环面蜗杆，需分别在各自的专机上进行。
2.各类蜗杆加工机床的功能一般比较单一，车削、铣削、磨削一般需在不同的机床上分别进行。
3.所有环面蜗杆加工机床，当加工凹圆环面蜗杆时，其工具台回转轴与蜗杆轴线的实际中心距，均必须不小于所加工的凹圆环面蜗杆与相配的蜗轮组成的蜗杆传动的中心距，机床的纵、横向尺寸都很大，不但占地大，笨重，而且极不经济；此外，若用现有滚齿机改装专机，虽能满足中心距的要求，但不能满足蜗杆长度要求；若用现有车床改装专机，虽能满足蜗杆长度要求，但不能满足中心距要求，这一矛盾长期未能解决。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述所有技术问题，采用一种能虚拟回转中心的，并且体积小、功能强的环面蜗杆数控机床。
本发明所涉及的环面蜗杆数控机床，由床身(1)、主轴箱(2)、主轴伺服电机(10)、主轴传动链(11)、主轴(12)、夹具(13)、尾座(15)、纵轴箱(3)、纵轴伺服电机(16)、纵轴滚珠丝杆(17)螺母(18)副、纵轴溜板箱(4)、大溜板(5)、纵向导轨(19)、横轴箱(6)、横轴伺服电机(20)、横轴滚珠丝杆(21)螺母(22)副、小溜板箱(7)、横向导轨(23)、回转伺服电机(24)、精密蜗轮(26)蜗杆(25)副、工具台(9)等组成；主轴(12)由安装于主轴箱(2)内的主轴伺服电机(10)经过主轴传动链(11)数控驱动，绕A向回转；大溜板(5)与纵轴溜板箱(4)固联，由纵轴箱内(3)的纵轴伺服电机(16)，通过滚珠丝杆(17)数控驱动纵轴溜板箱(4)中的螺母(18)带动，并在纵向导轨(19)上沿Z方向移动；小溜板箱(7)由安装于横轴箱(6)内的横轴伺服电机(20)，通过滚珠丝杆(21)数控驱动小溜板箱中的螺母(22)带动，并在横向导轨(23)上沿X方向移动；小溜板箱(7)上安装一精密蜗轮蜗杆传动装置，其中蜗杆(25)由回转伺服电机(24)数控驱动，并按一定的减速比传动与其相啮合的蜗轮(26)，从而使与蜗轮(26)相固接的工具台(9)绕Y作回转运动的同时，能按一定的平面曲线轨迹沿X、Z向平动。
该机床所涉及的四个坐标轴均为数控轴，可以实现数控四轴联动。
当在所述工具台(9)上安装车刀架或铣头或磨头(28)时，该机床便可分别用于车削或铣削或磨削蜗杆齿。
本发明的有益效果是本发明的虚拟回转中心功能，能够实现以小中心距的机床加工大中心距圆环面蜗杆，造价低，结构紧凑、占用空间小；配以不同的附件，本发明可用于车削、铣削、磨削加工，功能强；此外，本发明能够用于加工所有类型的蜗杆，通用性强，一机多用；本发明便于普及，利于推广。
图1为本发明的结构示意图(主视图)。
图2为本发明的结构示意图(俯视图)。
图3、图4分别为阐述本发明虚拟回转中心功能的原理图及本发明利用虚拟回转中心功能加工凹圆环面蜗杆的原理图。
图5、图6分别为阐述本发明虚拟回转中心功能的原理图及本发明利用虚拟回转中心功能加工凸圆环面蜗杆的原理图。
其中1——床身、2——主轴箱、3——纵轴箱、4——纵轴溜板箱、5——大溜板、6——横轴箱、7——小溜板箱、8——蜗轮箱、9——工具台、10——主轴伺服电机、11——主轴传动链、12——主轴、13——夹具、14——工件、15——尾座、16——纵轴伺服电机、17——纵轴滚珠丝杆、18——纵轴滚珠螺母、19——纵向导轨、20——横轴伺服电机、21——横轴滚珠丝杆、22——横轴滚珠螺母、23——横向导轨、24——回转伺服电机、25——精密蜗杆、26——精密蜗轮、27——直刃刀具具体实施方式
下面结合附图，对本发明的工作原理及实施方式作进一步的描述在本发明中，X、Y、Z、A四个轴的位置关系定义如下X、Z为位于水平面内的两相互垂直的移动轴，A为平行于Z的回转轴(主轴)，Y为垂直于XZ平面的回转轴；四个轴可以进行单动控制，也可以任意组合进行联动控制。
1)当A、X、Y、Z四轴联动时，该机床便可用于加工凹、凸圆环面蜗杆；也适合于加工复杂回转曲面零件。图3所示，当工具台的回转中心按一虚拟中心O为圆心作圆周运动即f(x，z)为一段圆弧，满足X2+Z2-R2＝0时，而固定在工具台上的任一曲线(包括直线)或曲面(包括平面)的运动为绕该虚拟中心公转的同时，随工具台作匀角速或非匀角速度自转，X、Z及Y再与主轴的回转运动A联动，就符合常用的圆弧回转面蜗杆即凹圆环面蜗杆螺纹的形成原理，此时工具台与工件的中心距远小于理论要求的中心距，不但实现了用小中心距的机床加工大中心距环面蜗杆的目的，而且该机床还同时可用于制造凸圆环面蜗杆(鼓型圆环面蜗杆)，原理如图5所示。机床的横向尺寸大大减小，占地小，费用省，有效地降低生产成本。
现以加工直廓环面蜗杆螺纹齿(即母线为直线的蜗杆齿)为例，具体解释其虚拟回转中心功能。如图4所示，工件14绕其轴线O1以角速度ω1回转(A向)，此时，固定在工具台上的直刃刀具27随工具台以角速度ω2绕O0回转(Y向)，而O0通过X，Z联动，沿着一圆弧曲线轨迹运动，实现以O为圆心的圆弧运动，使直线刀刃27保持与圆心为O、半径为rb的基圆(或称形成圆)相切。这样，直线刀刃27在蜗杆上形成的轨迹面，就是直廓环面蜗杆的螺旋齿面。本发明是将直线刀刃27以ω2绕O回转的运动，等效地分解为如下运动直线刀刃27以ω0随工具台9绕中心O0作回转运动(Y向)和由工具台9的回转中心通过横向(X向)平移和纵向(Y向)平移合成以O为圆心的圆弧运动。此时的机床实际加工中心距at远小于设计和理论要求的中心距a，实现了用小中心距加工制造大中心距环面蜗杆的目的，大大减小机床的横向尺寸。
2)当只让A、X、Z三轴联动时，该机床便可用于加工圆锥蜗杆；也适合于加工复杂回转曲面零件。
3)当只让A、Z两轴联动时，该机床便可用于加工圆柱蜗杆；也适合于加工圆柱面或圆柱螺纹类零件。
权利要求
1.一种能虚拟中心距的环面蜗杆数控机床，包括床身(1)、主轴箱(2)、主轴伺服电机(10)、主轴传动链(11)、主轴(12)、夹具(13)、尾座(15)、纵轴箱(3)、纵轴伺服电机(16)、纵轴滚珠丝杆(17)螺母(18)副、纵轴溜板箱(4)、大溜板(5)、纵向导轨(19)、横轴箱(6)、横轴伺服电机(20)、横轴滚珠丝杆(21)螺母(22)副、小溜板箱(7)、横向导轨(23)、回转伺服电机(24)、精密蜗轮(26)蜗杆(25)副、工具台(9)等，主轴(12)由安装于主轴箱(2)内的主轴伺服电机(10)经过主轴传动链(11)数控驱动，绕A向回转，大溜板(5)与纵轴溜板箱(4)固联，由纵轴箱内(3)的纵轴伺服电机(16)，通过滚珠丝杆(17)数控驱动纵轴溜板箱(4)中的螺母(18)带动，并在纵向导轨(19)上沿Z方向移动，小溜板箱(7)由安装于横轴箱(6)内的横轴伺服电机(20)，通过滚珠丝杆(21)数控驱动小溜板箱中的螺母(22)带动，并在横向导轨(23)上沿X方向移动，其特征在于小溜板箱(7)上的蜗轮箱(8)内安装一精密蜗轮蜗杆传动装置，其中蜗杆(25)由回转伺服电机(24)数控驱动，并按一定的减速比传动与其相啮合的蜗轮(26)，从而使与蜗轮(26)相固接的工具台(9)绕Y作回转运动，进而使工具台同时可作X、Z向移动和绕Y轴转动；该机床所涉及的四个坐标轴均为数控轴，可以任意组合联动，实现加工环面蜗杆所需的功能。
2.根据权利要求1所述的能虚拟中心距的环面蜗杆数控机床，其特征在于当四轴联动、用于加工圆环面蜗杆时，X、Z、Y三个数控轴组合形成一个虚拟回转中心，该虚拟回转中心功能使工具台与工件的中心距远小于加工蜗杆要求的中心距，从而实现用小中心距的机床加工制造大中心距圆环面蜗杆的目的。
3.根据权利要求1所述的能虚拟中心距的环面蜗杆数控机床，其特征在于当在所述工具台(9)上分别安装车刀架或铣头或磨头(28)时，该机床便可分别用于制成加工环面蜗杆的车削或铣削或磨削数控机床。
全文摘要
一种能虚拟中心距的环面蜗杆数控机床。该机床具有如下四个可联动坐标运动主轴(工件)绕自身轴线的回转运动A(平行于Z)，工具台在水平面内的两相互垂直的平移运动X、Z，工具台绕自身轴线O
文档编号B23F13/00GK1907615SQ200610095040
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月18日 优先权日2006年8月18日
发明者张光辉, 黎亚元 申请人:重庆大学