一种直驱零传动全数控卧式滚齿的制造方法

一种直驱零传动全数控卧式滚齿的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种直驱零传动全数控卧式滚齿机，包括驱动系统、传动系统、数控系统、机床体、工件控制部、刀具部、位移控制部、防护罩、尾座箱、排屑装置、冷却装置、液压装置和电气柜；所述工件主轴C、刀具主轴B、进刀轴X和走刀轴Z采用直驱伺服电机驱动，配合高精度编码器和光栅尺进行闭环数据控制；所述机床体外，配套设置有冷却装置、液压装置和电气柜；在机床体前方设置有激光对刀装置；所述直驱式工件主轴箱设置在机床体的左端，机床体的右端设有可移动尾座箱，尾座箱通过滑动面可在机床体上移动。本新型根除了累积误差与分度误差，加工精度高，全闭环数控系统实现高速高效运行，实现干切加工与二次滚齿作业，产品表面质量优良。
【专利说明】一种直驱零传动全数控卧式滚齿机

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种滚齿机制造技术设备领域，特别涉及一种直驱零传动全数控 卧式滚齿机。

【背景技术】
[0002] 在齿轮机制造加工【技术领域】中，齿轮是广泛用于各种传动轴动力传递的通用零部 件，传统制造加工工艺大多使用滚齿机进行粗加工，然后进行精细磨削加工，由于滚齿机精 度与效率均不能满足齿轮工艺水平的需要，造成齿轮生产加工效率低、成本高。
[0003] 现有的数控卧式滚齿机床一般是在普通的机械式滚齿机床上进行改装，将机械式 滚齿机床上的普通电机更换成伺服电机或步进电机，各轴传动链还是通过齿轮、涡轮等机 械部件传动，所以其加工精度上没有提高，只是降低劳动强度，提升生产效率；现有的数控 卧式滚齿机床，有部分轴是通过伺服电机传动的，虽然各轴传动链中多级齿轮等机械部件 传动有所简化，但还是采用机械式传动较多，仍然无法彻底消除累积误差与分度误差的影 响；采用机械式传动，传动误差大、传动精度低、加工速度慢、设备故障率高、维修复杂。齿轮 加工精度决定了齿轮应用中所发挥的作用，在整体加工过程中，只要有一个轴的传动存在 非直驱模式，就会影响到整体机床的加工精度的提高，而齿轮本身也会存在磨损，从而进一 步增加传动齿轮轴的加工精度，也会影响到整个机床的使用寿命。
[0004] 发明专利CN102825340A，公开了一种数控滚齿机，是通过普通数滚流齿机进行改 造，将普通数控滚齿机中的展成运动部件的传动机构进行优化，实现电机主轴与滚刀主轴、 电机与工作台的之间的零传动；借此来提高普通数控滚齿机的加工精度；缺点是对普通数 控滚齿机的改进存在先天不足，仅仅实现了电机与滚刀轴、工作台的零传动，对于其它主轴 的控制与传动仍然存在加工误差，是较早期的技术改造，难以实现高精度加工。
[0005] 发明专利CN101298106A，公开了一种零传动数控滚齿机，其驱动滚刀旋转的第二 主轴与伺服电机直接连接，滚刀丝杠螺母中的丝杠与相应的伺服电机直接连接，但是驱动 工件主轴C的方式仍然为是通过一齿轮组驱动其转动，只能是有限减小传动误差。
[0006] 实用新型专利CN202726203U，公开了一种全自动七轴双直驱数控干切滚齿机，机 床的所有移动轴均为数控轴，刀具主轴B和工件主轴C双直驱技术；但缺点是：刀架体上的 伺服电机连接减速机，减速机通过联轴器连接滚珠丝杠，滚珠丝杠上装有左支架和右支架， 直驱的刀架体仍然有滚珠丝杠传动，也就是说控制刀具主轴B位移的进刀轴X与走刀轴Z 均没有实现直驱方式，所以无法避免累积误差的分度误差的产生，加工精度无法提高。虽然 是全数控，但是并非是全直驱。
[0007] 综上所述，现有技术中，卧式滚齿机床的工件主轴与刀具主轴以及相关的三座标 轴控制上，还或多或少的保留着齿轮传动方式，也正是因为在关键的工件主轴与刀具主轴 方向上，没有根本性的改革，致使目前制造加齿轮工工艺的精度不够好，生产的效率不高， 卧式滚齿机床的运行稳定性不良，难以实施齿轮的二次加工；缺乏一种高效率高精度全数 控的卧式滚齿机床，来满足实际制造与生产的需要。 实用新型内容
[0008] 为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种直驱零传动全数控卧式滚齿机床， 针对齿轮制造加工中所存在的缺陷问题，彻底去除数控卧式滚齿机床刀具主轴的二个中间 传动环节齿轮和工件主轴的二个中间传动环节齿轮，在关系到被加工工件的精度轴上，全 部采用直驱式零传动模式，从根本上避免由于齿轮传动造成的累积误差和分度误差，提高 工件的加工精度；采用全数控方式提高整体卧式滚齿机床的批量生产效率；分齿与差动实 行全闭环控制，确保整台卧式滚齿机床的稳定性运行；优化整机的结构设计和对刀功能，实 现高精度高效率的齿轮制造加工和二次滚齿加工。
[0009] 为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种直驱零传动全数控卧式滚齿 机，包括滚齿机构成①、滚齿机组件②、驱动系统④、传动系统⑤、数控系统⑥和配套装置 ⑦；其特征在于：
[0010] 所述直驱零传动全数控卧式滚齿机的整体加工精度和效率，与滚齿机各项要素紧 密相关，从整体硬件、结构、位置、连接、驱动方式、传动模式、数控措施，到整体所体现出来 的性能和功能都会直接影响到滚齿机的加工精度与效率；在这方面符合木桶原理，只要其 中有一块短板，则整桶水平就无法升高；只要有一个轴向在结构、驱动、传动、控制等要素中 存在缺陷，整体滚齿机的加工精度和效率以及相关的功能也就无法得到提升。为此本实用 新型在上述的各项要素中均提出了相对应的优化设计方案，从而才能在整体滚齿机的加工 精度和效率上，真正实现显著的、质的提升。
[0011] 所述滚齿机是按照范成法亦称展成法进行齿轮加工的；所述范成法是根据一对齿 轮啮合传动时，两轮的齿廓互为共轭曲线的原理来加工的。齿轮滚刀切齿时，滚刀的形状 像一个螺旋，其在轮坯端面上的投影是一齿条，当滚刀连续转动时，相当于一根无限长的投 影齿条向前移动。加工直齿圆柱齿轮时，由于滚刀的螺旋线必须与直齿轮的齿向一致，因此 需要把滚刀轴线倾斜一个螺旋升角；滚刀与轮坯的相对运动有两个，一个是范成运动，为切 制出所需齿数，另一个是进给运动，滚刀沿轮坯轴线方向移动。
[0012] ①所述滚齿机构成，包括机床体、工件控制部、刀具部、位移控制部、防护罩、尾座 箱、排屑装置、冷却装置、液压装置和电气柜；所述机床体上方设置有防护罩；所述机床体 中间设置有自动排屑装置；在所述的机床体之外，配套设置有所述的冷却装置、液压装置和 电气柜；在机床体前方设置有激光对刀装置；直驱式工件主轴箱设置在机床体的左端，机 床体的右端设有可移动尾座箱，尾座箱通过滑动面可在机床体上移动，所述传动系统由6 个伺服轴：刀角调节轴A、刀具主轴B、工件主轴C、进刀轴X、窜刀轴Y和走刀轴Z构成；在机 床体上设有驱动工件旋转的直驱式工件主轴箱，所述工件主轴箱中设置有工件主轴C ;所 述机床体上设置有驱动滚刀旋转的直驱式刀具主轴箱，所述的刀具主轴箱设置有刀具主轴 B ;所述机床体上设置有沿着X、Y、Z方向平移的平移装置、驱动刀具主轴箱沿着YZ平面内 旋转的刀角调节装置；所述的X、Y、Z在空间内两两垂直，进刀轴X沿前后方向设置，窜刀轴 Υ沿上、下方向设置，走刀轴Ζ沿左右方向设置。
[0013] 所述机床体上设有驱动工件旋转的直驱式工件主轴箱，所述工件主轴箱中设置有 工件主轴C，即C轴；所述机床体上设置有驱动滚刀旋转的直驱式刀具主轴箱，所述的刀具 主轴箱设置有刀具主轴Β，即Β轴；所述机床体上设置有驱动刀具主轴箱按加工要求沿着 Χ、γ、ζ方向平移的平移装置，驱动刀具主轴箱按加工要求沿着YZ平面内旋转的刀具角度调 整装置，即Α轴；所述的X、Υ、Ζ在空间内两两垂直，进刀轴X沿前后方向设置，窜刀轴Υ沿 上、下方向设置，走刀轴Z沿左右方向设置。在机床体前方还设置有激光对刀装置，便于工 件重新装夹后的二次加工。
[0014] 所述机床体的另一端设有可移动尾座箱，尾座箱通过滑动面可在机床体上移动。 尾座箱上设有尾座顶尖，尾座顶尖与直驱式工件主轴C同轴相对设置，通过尾座套筒由油 缸组件驱动可沿其轴向伸缩移动，顶紧或松开待加工工件的回转中心。在尾座箱体左端与 尾座套筒之间，设置有4个刹紧油缸，消除尾座套筒与尾座箱体之间的间隙。
[0015] 所述的机床体上方设置有防护罩，可开启与关闭，用于整机的防护；所述所述机床 体中间设置有排屑口，所述排屑口与自动排屑装置连通，并自动将加工铁屑排出机床体之 夕卜；在所述的机床体之外，配套设置有所述的冷却装置、液压装置和电气柜，为本实用新型 滚齿机提供配套装备。
[0016] ②所述滚齿机组件，包括：六个主轴，主轴箱，进给箱，拖板机构，连轴结，拖架托板 等。
[0017] 所述机床体上，设置有工件主轴C ;刀具主轴B轴；刀角调节主轴A ;所述工件主轴 C设置于工作台上并与工作台面平行，所述刀具主轴B设置于刀具主轴箱上并与工作台面 垂直，所述刀角调节轴A设置于进刀轴X进给箱上并与工作台面平行，用于调整控制刀具角 度；所述刀具主轴箱设置于三维控制台上，所述三维控制台设置于机床体中部；所述三维 工作台上设置有X、Y、Z三个移动轴，所述走刀轴Z为沿工作台平行方向移动的轴，所述进刀 轴X设置于X进给箱中，控制前后方向的进给移动；所述窜刀轴Υ设置于所述刀具主轴Β的 后方，与所述刀具主轴Β平行设置，控制刀具主轴箱的上下移动。所述走刀轴Ζ设置有走刀 轴Ζ拖板机构；所述窜刀轴Υ设置有窜刀轴Υ板机构。所述工件主轴C设置有工件主轴箱； 所述进刀轴X设置有进刀轴X主轴箱；所述刀具主轴Β设置有刀具主轴箱。各种主轴与驱 动、传动部分通过连轴结或者板托架连接。
[0018] ③所述滚齿机的位置与连接，所述的刀具平移装置和刀角调节装置包括可沿走 刀轴Ζ方向平移的走刀轴Ζ拖板机构、可沿进刀轴X方向平移的进刀轴X进给箱、可沿窜刀 轴Υ平移的窜刀轴Υ拖板机构。以及驱动刀具主轴箱在ΥΖ平面内转动的刀具角度调整装 置。走刀轴Ζ拖板机构通过直线滚动导轨副设置在机床体上，进刀轴X进给箱通过滑动导 轨副设置在走刀轴Ζ拖板机构上，窜刀轴Υ拖板机构设置在进刀轴X进给箱前端，刀角调节 轴Α通过涡轮副设置在进刀轴X进给箱左上部。
[0019] 所述的直驱式工件主轴箱设置在机床体的一端，工件主轴C(旋转轴），由空心伺 服电机通过连接件直接同轴驱动。工件主轴C为空心轴，其右端设有伸缩夹紧式工件夹头 组件。
[0020] 直驱式工件主轴C的转速由上位控制系统依据直驱式刀具主轴B的转速根据展成 法加工原理自动跟随。工件主轴C的实际圆周位置由同轴安装的高精度编码器确定。
[0021] 直驱式刀具主轴箱包括刀具主轴箱体、刀具主轴B、刀杆、空心伺服电机、连接器、 刀杆拉杆、高精度编码器和托架；刀具主轴B设置为B轴（旋转轴），由空心伺服电机通过 连接器直接驱动。刀具主轴B的实际圆周位置由同轴高精度编码器确定。刀杆通过拉杆拉 紧，在刀杆上可安装不同规格的滚刀，在刀杆尾端设有刀杆托架。
[0022] 走刀轴Z拖板机构包括走刀轴Z拖板座、走刀轴Z伺服电机、走刀轴Z滚珠丝杠副。 走刀轴Z伺服电机通过连轴结直接驱动走刀轴Z滚珠丝杠副，通过滚珠丝杠副上的丝母连 接座驱动刀具纵向走刀。走刀轴Z拖板座通过直线滚动导轨副设置于机床体上。
[0023] 进刀轴X进给机构通过贴塑导轨设置在走刀轴Z拖板机构上。包括进刀轴X进给 箱、进刀轴X伺服电机、进刀轴X滚珠丝杠副。进刀轴X伺服电机通过连轴结直接驱动进刀 轴X滚珠丝杠副，进刀轴X丝母连接座固定在走刀轴Z拖板座上，进刀轴X滚珠丝杠设置于 进刀轴X进给箱上；通过滚珠丝杠的旋转驱动进给箱前后移动以实现刀具径向进刀。
[0024] 窜刀轴Y拖板机构包括窜刀轴Y拖板座、窜刀轴Y伺服电机、减速器、连轴结、T型 丝杠副、丝母座。窜刀轴Y伺服电机连接减速器，再连轴结，然后驱动T型丝杠副，通过固定 在T型丝杠副上的丝母座驱动直驱式刀具主轴箱沿Y方向移动，实现刀具窜刀功能。窜刀 轴Y拖板机构固定在回转轴上。窜刀轴Y拖板机构通过拉杆、回转轴，设置于进刀轴X进给 箱上。由蝶形弹簧组、精密锁紧螺母，锁紧力作用于拉杆，将窜刀轴Y拖板机构通过回转轴 锁紧在进刀轴X进给箱体上。在进刀轴X进给箱后端设置有油缸和油缸体。当刀具角度需 要回转时，油缸先压紧蝶形弹簧组，减小回转轴与进刀轴X进给箱体之间的锁紧力，然后刀 具可调整角度。当刀具角度调整完成后，油缸退回，蝶形弹簧组作用于精密锁紧螺母，锁紧 力作用于拉杆，将回转轴与进刀轴X进给箱体之间重新锁紧。
[0025] A轴刀具角度调整装置由A轴伺服电机、减速机、连轴结、涡轮副组成；A轴伺服电 机通过减速机和连轴结驱动涡轮副，带动固定于回转轴上的窜刀轴Y拖板机构旋转，实现 刀具角度调整。涡轮副中的涡轮固定于回转轴上。
[0026] ④所述滚齿机的驱动系统，包括A、B、C、X、Y、Z轴的驱动方式和驱动伺服电机。
[0027] 本实用新型滚齿机应用内装式电机即直驱技术，刀具主轴B采用空心伺服电机驱 动，所述空心伺服电机直接套装在刀具主轴B上，所述刀具主轴B尾部同轴安装一个高精度 位置编码器反馈主轴位置；工件主轴C采用空心伺服电机驱动，所述伺服电机直接套装在 工件主轴C上，工件主轴C尾部同轴安装一个高精度位置编码器反馈主轴位置。这样工件 和刀具之间不存在任何机械传动元件，称之为"零传动"；反馈元件直接检测滚刀和工轴位 置，构成了真正意义的全闭环。可以得到理想的分度精度和很好的表面质量。
[0028] 所述进刀轴X通过伺服电机直接驱动控制，并设置直线光栅尺反馈位置信息；所 述走刀轴Z通过伺服电机直接驱动控制，并设置直线光栅尺反馈位置信息；进刀轴X与走刀 轴Z位置均构成闭环数控系统，驱动方式均采用伺服电机直接驱动，从而确保了整体刀具 主轴B的进刀轴X的进给移动和走刀轴Z的走刀移动均是在直驱状态下实现。
[0029] 所述刀角调节轴A设置有高精度位置编码器，用于控制刀具角度调整位置信息， 所述窜刀轴Y也设置有上下位置控制光栅尺，精确控制上下刀具位移距离。虽然刀角调节 轴A与窜刀轴Y的调整操作是在非工件加工时进行的，也就是说刀角调节轴A与窜刀轴Y 没有必要直接驱动，但是刀角调节轴A和窜刀轴Y的移动控制与反馈是会影响到整体刀具 主轴B的加工精度，为此，刀度调节轴A装有高精度编码器，窜刀轴Y装有直线光栅尺。
[0030] ⑤所述滚齿的传动系统，包括减速机，丝杆，丝杠，夹头夹具等，
[0031] 所述的传动系统设计技术方案是：由六个伺服轴：刀角度调整轴A ;刀具主轴B ; 工件主轴C;进刀轴X ;窜刀轴Y和走刀轴Z ;构成了直驱式零传动全数控卧式滚齿机床的 主体传动系统；所述的6个伺服轴通过上位数控系统按范成法滚铣原理进行数控运行；上 位数控系统依据工艺参数，输出对应的脉冲给各伺服轴驱动对应的伺服电机，对应轴的编 码器或光栅尺将位置信号反馈给上位数控系统。并采用15寸真彩触控屏做为操作界面，直 观、方便；各操作轴的具体传动方案如下：B轴传动由B轴空心伺服电机直接驱动（零传动） 刀具主轴B旋转；（直驱）；C轴传动由C轴空心伺服电机直接驱动（零传动）刀具主轴B 旋转；（直驱）；进刀轴X传动由进刀轴X伺服电机直接驱动滚珠丝杠48带动刀具实现刀具 主轴B径向进刀；（直驱）；走刀轴Z传动由走刀轴Z伺服电机直接驱动滚珠丝杠53带动刀 具实现刀具主轴B纵向走刀；（直驱）；窜刀轴Y传动由窜刀轴Y伺服电机32通过减速机 33驱动T型丝杠36实现刀具主轴B上下整体窜刀；A轴传动由A轴伺服电机57通过减速 机56驱动涡轮副41 (涡杆411和涡轮412)实现铣头角度调整。
[0032] ⑥所述滚齿机的数控系统，包括触屏控制器，高精度编码器，直线光栅尺，激光对 刀器，电气控制柜等。均通过闭环式控制回路系统进行实时控制与调节。
[0033] 本实用新型直驱式零传动数控卧式滚齿机床应用内装式电机即直驱技术，刀具主 轴B采用空心伺服电机驱动，所述空心伺服电机直接套装在刀具主轴B上，主轴尾部同轴安 装一个位置编码器反馈主轴位置；工件主轴C采用空心伺服电机驱动，所述伺服电机直接 套装在工件主轴C上，主轴尾部同轴安装一个位置编码器反馈主轴位置。所述进刀轴X通 过伺服电机直接驱动控制，并设置直线光栅尺反馈位置信息；所述走刀轴Z通过伺服电机 直接驱动控制，并设置直线光栅尺反馈位置信息；进刀轴X与走刀轴Z位置均构成闭环数控 系统。所述刀角调节轴A设置有高精度位置编码器，用于控制刀具角度调整位置信息，所述 窜刀轴Y也设置有上下位置控制光栅尺，精确控制上下刀具位移距离。
[0034] 反馈元件：直线光栅尺和高精度编码器直接检测滚刀和工轴位置，并将实时信息 反馈到控制系统，由控制系统发出反映令，对刀具和工轴进行调整操作，构成了真正意义的 全闭环。可以得到理想的分度精度和很好的表面质量。
[0035] 本实用新型中的全闭环控制有刀具主轴B(B轴）、工件主轴C(C轴）、径向进刀（进 刀轴X)、轴向进刀（走刀轴Z)、窜刀轴Y和刀角调节轴A ;刀具主轴B编码器直接检测刀具 主轴B的当前实际位置并反馈给上位数控系统，上位数控系统通过刀具主轴B编码器得到 刀具主轴B的当前实际位置，不需另外设置检测元件；进刀轴X方向设置有光栅尺检测进刀 轴X进给箱实际位置；走刀轴Z方向设置有光栅尺检测走刀轴Z拖板座的实际位置；刀角调 节轴A设置有高精度编码器，窜刀轴Y设置有光栅尺。
[0036] 本新型中，在机床体前方设置有激光对刀装置；工件第一次加工完成后，不拆卸工 件，操纵者在触摸屏控制器上启动对刀功能，激光对刀功能启动，工件主轴C按设定的速度 启动，上位控制系统自动计算齿槽的中心、齿槽的宽度，并存储对应数据，完成后工件主轴C 停止旋转；然后可将工件拆卸，同型号的工件需重新装夹二次加工时，安装好工件，操纵者 在触摸屏控制器上启动对刀功能，激光对刀功能启动，工件主轴C按该型号工件的数据自 动旋转到正确的齿槽中心的定位位置，然后就可以再次切削。
[0037] ⑦所述滚齿机配套装置，包括自动排屑装置、冷却装置、液压装置等。
[0038] 本实用新型中，在机床体中部设置有自动排屑口，加工时由自动排屑装置将切屑 自动排出；在机床体上还设有整体防护罩，防护罩将直驱式工件主轴箱、直驱式刀具主轴箱 以及滚刀移动及滚刀角度调整装置封装。防护罩正面设有可左右移动的活动门。
[0039] 所述的机床体之外，还配套调置有冷却装置和液压装置，为本实用新型滚齿机提 供所需的配套装备。
[0040] ⑧所述滚齿机的性能和功能特征，包括高效率，高速度，高精度；二次滚齿加工和 滚齿机的稳定性和重现性；全数控零编程操作；干切加工；硬齿面加工；刀具管理系统；防 撞功能；切削工艺存储功能。
[0041] 所述的工件主轴C、刀具主轴B、进刀轴X和走刀轴Z均采用伺服电机直接驱动方 式，将与工件加工精度与分度精度相关的齿轮传动部件均省略掉，因此从根本上排除了滚 齿加工过程中，累积误差与分度误差的产生与累积问题，是提高工件加工精度的根本措施； 在齿轮加工领域，全直驱模式是滚齿机床的一项重要创新，其它部件或装置的优化与改进 都依赖于最基础的技术创新，如果没有在驱动方式上的根本性优化，外围设置与装置的改 进都无法避免的会产生累积误差和分度误差。
[0042] ※具有高效率：所述直驱零传动全数控卧式滚齿机床主轴采用高精度高速轴承 且无中间传动环节，使其主轴速度直接取决于其直驱电机的转速，本新型中采用的直驱电 机速度达到3000rpm ;高转速可以把现代刀具的高速性能淋漓尽致地发挥出来，比传统卧 式滚齿机床提高效率10倍以上。
[0043] ※具有高速度：所述的工件主轴C、刀具主轴B、进刀轴X和走刀轴Z全直驱零传 动模式，避免了机械齿轮传动所造成的加工振动与振动传递问题，因此设备整机运转可以 在更高的速度下实现平稳加工作业，从而提高生产效率，节约生产成本。主轴最高转速达 到3000rpm ;工作台最高转速可达lOOOrpm。高转速可以把现代刀具的高速性能淋濟尽致地 发挥出来，从而获得很高的生产效率。使用"Speedcore"和硬质合金滚刀时线速度可达到 300m/min〇
[0044] ※具有高精度：由于分齿和差动运动采取了全闭环控制并采用的电子齿轮箱，分 齿精度可达到4级或更高。在实际应用中，加工精度受滚刀和工件装夹精度的限制，而机床 精度不再是影响加工精度的因素。生产实践中，在合理的装夹和冷却条件下，在高速切削 时，可以得到稳定的6级加工精度。由于上述的直驱式零传动设计与结构优化改进，使本实 用新型具有理想的分度精度和工件的优异表面质量。
[0045] ※工件二次加工与稳定性、重现性：由于本实用新型采用的直驱式零传动设计， 设置有激光对刀装置，可以在二次加工时使滚刀与齿轮槽对正并使得余量均匀，从而使工 件的二次加工成为可能并获得了稳定的加工性能，所述的工件主轴C、刀具主轴B、进刀轴X 和走刀轴Z全直驱零传动模式，导致加工工艺和加工过程的稳定性与重现性，因此可以实 现工件的二次加工和相同工件的重复加工，确保了批量工件的加工精度的均匀性。
[0046] ※全数控零编程操作：全数控系统，采用15寸真彩触摸屏为操作界面，零编程设 计，为使用与操作提供了方便，所有六个伺服轴均由上位数控系统按范成法滚铣控制，通过 编码器和光栅尺实时检测信号，并形成闭环式控制回路，并与直驱式零传动模式相配合，整 体提高卧式滚齿机床的性能与加工精度。
[0047] 直驱式数控卧式滚齿机床为用户提供了一个参数化的操作界面，用户根据工件情 况输入刀具参数、工件参数、工艺参数和进给次数，不需要任何编程指令。对操作人员的要 求低。
[0048] 所述的工件主轴C和刀具主轴B均选用空心伺服电机，均采用轴套装与高精度位 置编码器或光栅尺检测位置信号，确保驱动与信号采集反馈的实时性和精确性。
[0049] 所述的窜刀轴Y采用减速机、T型丝杆设计；所述的刀角调节轴A采用减速机、涡 杆与涡轮设计。所述的工件主轴C、刀具主轴B、进刀轴X和走刀轴Z直驱式零传动设计构 成了工件与刀具之间不存在任何机械传动元件，真正意义上实现了零传动，因此才能使位 置编码器检测信号实现实时传送与反馈，才能实现控制系统的全闭环数据控制。
[0050] ※干切加工：由于零传动使机床的运动平稳性和自动移刀功能，使得直驱式卧式 滚齿机床成为最适合进行高速干切滚切齿轮加工的机床。纯机械传动或传动链较长的卧式 滚齿机床不适合高速干切滚铣加工，是因为机械传动链的传动误差造成滚切加工过程中的 振动，而这种振动对于高速干切、质地硬脆的刀具材料是致命的影响，振动造成刀刃的非正 常磨损，刀具很快就丧失了齿形精度。
[0051] ※硬齿面加工：直驱式数控卧式滚齿机床通过激光对刀装置可对淬硬齿轮进行 二次对刀，可使用"Speedcore"和硬质合金滚刀对淬硬齿轮进行二次高速滚切加工，硬度可 达 HRC62。
[0052] ※刀具管理系统：均匀窜刀是提高刀具寿命、减少刃磨量和刃磨次数的重要手 段。可以设置窜刀步距、窜刀起始位置和终止位置、窜刀次数。当窜刀次数达到预定值时， 机床停机，提示操作者检查刀具或更换刀具。
[0053] 使用直驱式全数控卧式滚齿机，因采用可控制均匀窜刀，使滚刀的切削刃的磨损 量接近一致，充分利用滚刀的每个切削刃，成倍提高刀具寿命。
[0054] ※防撞功能：机床刀具中心到工件中心的位置采用绝对坐标，可以防止程序错误 造成的滚刀与工件的撞车。
[0055] ※切削工艺存储：在系统内建立数据库，可存储1000个工件的切削参数供以后调 用。
[0056] 通过上述技术方案，本实用新型技术方案的有益效果是：本新型在卧式滚齿机床 的关键轴B、C、X、Z轴均采用直驱结构（零传动），从根本上消除了累积误差与分度误差环 节，使工件的加工精度提高；本新型优化设计使机械结构大幅度简化，从而实现滚齿高效率 加工；由于全直驱和优化设计，使反馈元件直接检测滚刀和工件主轴C实时信号，构成真正 意义上的全闭环数控系统，使本实用新型拥有理想的分度加工精度；由于采用了直驱零传 动技术，使本实用新型的运行稳定性大大提高，从而可以实施高速运行和干切加工；加工的 齿轮产品表面质量优良；由于本新型采用了红激光对刀技术，使得本实用新型能够对工件 进行二次滚铣作业，进一步提高加工的精度与质量；本新型可以延长刀具的使用寿命；本 新型还可以对硬齿面材料进行加工；本新型提供的直驱式零传动数控卧式滚齿机床，可以 用来高精度高效率加工直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、鼓型齿轮、涡轮、链轮、同步带轮、直花键 轴、小角度斜花键轴、锥度花键轴等。

【专利附图】

【附图说明】
[0057] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中技术方案，下面将对实施例或 现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0058] 图1为本实用新型实施例所公开的一种直驱式零传动全数控卧式滚齿机传动系 统示意图；
[0059] 图2为本实用新型实施例所公开的一种直驱式零传动全数控卧式滚齿机结构图 示意图；
[0060] 图3为本实用新型实施例所公开的一种直驱式零传动全数控卧式滚齿机左视图 示意图；
[0061] 图4为本实用新型实施例所公开的一种直驱式零传动全数控卧式滚齿机俯视图 示意图。
[0062] 图中数字和字母所表示的相应部件名称：
[0063] 1.机床体2.工件主轴箱3.刀具主轴箱4.窜刀轴Y拖板机构5.进刀轴X进给 箱6.走刀轴Z拖板机构7.防护罩8.尾座箱9.刀角调节轴A 10.激光对刀器11.自动排 屑装置12.触屏控制器13.工件主轴C 14.空心伺服电机C 16.连轴结C 17.编码器C18. · 工件放松油缸19.油缸体20.工件夹头体21.工件夹头B22.蝶形弹簧组23.精密锁紧螺 母24.编码器B 25.刀杆拉杆26.连轴结B 27.伺服电机B 28.刀具主轴箱体29.刀具主轴 B30.刀杆31.刀杆托架32.伺服电机Y 33.减速机Y34.连轴结Y 35.窜刀轴Y拖板36. T 型丝杠副37.丝母座38.进刀轴X进给箱体39.回转轴40.拉杆Y 41.涡轮副42.蝶形弹 簧组43.精密锁紧螺母44.油缸45.油缸体46.伺服电机X 47.连轴结X 48.滚珠丝杠副X 49.丝母座X50.拖板Z 51.丝母座Z 52.直线导轨副53.滚珠丝杠副Z54.连轴结Z 55.伺 服电机Z 56.减速机A 57.伺服电机A58.尾座顶尖59.尾座套筒60.尾座油缸61.尾座箱 体

【具体实施方式】
[0064] 下面结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0065] 根据图1、图2、图3和图4,本实用新型提供了一种直驱式零传动全数控卧式滚齿 机，包括滚齿机构成①、滚齿机组件②、位置与连接③、驱动系统④、传动系统⑤、数控系统 ⑥和配套装置⑦，以及性能和功能特征⑧，其特征在于 ：
[0066] 所述滚齿机构成，包括机床体1、工件控制部、刀具部、位移控制部、防护罩7、尾座 箱8、自动排屑装置11、冷却装置、液压装置和电气柜。
[0067] 所述滚齿机组件，包括六个主轴，主轴箱，进给箱，拖板机构，连轴结，拖架托板和 油缸等。
[0068] 所述滚齿机的驱动系统，包括A、B、C、X、Y、Z轴的驱动方式和驱动伺服电机。
[0069] 所述滚齿的传动系统，包括减速机，丝杆，丝杠，夹头夹具等
[0070] 所述滚齿机的数控系统，包括触屏控制器12,高精度编码器，直线光栅尺，激光对 刀器10,电气控制柜等。刀角调节轴A9、刀具主轴B29、工件主轴C13,进刀轴X、窜刀轴Y和 走刀轴Z均通过闭环式控制回路系统进行实时控制与调节。
[0071] 所述滚齿机配套装置，包括自动排屑装置11、冷却装置、液压装置等。
[0072] 所述滚齿机的性能和功能特征，包括高效率，高速度，高精度；二次滚齿加工和滚 齿机的稳定性和重现性；全数控零编程操作；干切加工；硬齿面加工；刀具管理系统；防撞 功能；切削工艺存储功能。
[0073] 所述滚齿机组件位置与连接设置，在所述机床体1上设有驱动工件旋转的直驱式 工件主轴箱2 (其中的工件主轴C13设置为C轴），所述机床体上设置有驱动滚刀旋转的直 驱式刀具主轴箱3 (其中的刀具主轴B29设置为B轴），所述机床体上设置有驱动刀具主轴 箱3按加工要求沿着X、Y、Z方向平移的滚刀平移装置；所述机床体上设置有驱动刀具主轴 箱3按加工要求沿着ΥΖ平面内旋转的刀角调节轴Α9 (所述的Α轴）。所述的X、Υ、Ζ在空 间内两两垂直，进刀轴X沿前后方向移动设置，窜刀轴Y沿上、下方向移动设置，走刀轴Z沿 左右方向移动设置。在机床体1前方还设置有激光对刀器10,便于工件重新装夹后的二次 加工。
[0074] 机床体1支承工件主轴箱2和可移动尾座箱8的导轨采用双燕尾导轨，使受力结 构优于平导轨。机床体1支承滚刀平移及安装角度调整装置的导轨采用精密直线导轨副， 使其强度高、耐磨性好。
[0075] 滚刀平移装置及刀角调节轴A9包括可沿走刀轴Z方向平移的走刀轴Z拖板机构 6、可沿进刀轴X方向平移的进刀轴X进给箱5、可沿窜刀轴Y平移的窜刀轴Y拖板机构4。 以及驱动刀具主轴箱3在YZ平面内转动的刀角调节轴A9。走刀轴Z拖板机构6通过精密 直线导轨副设置在机床体1上，所述的进刀轴X进给箱5通过滑动导轨副设置在走刀轴Z 拖板机构6上，所述窜刀轴Y拖板机构4设置在所述进刀轴X进给箱5前端，所述刀角调节 轴A9通过涡轮副41设置在进刀轴X进给箱5左上部。
[0076] 直驱式工件主轴箱2设置在机床体1的左端，工件主轴C13设置为C轴（旋转轴）， 由力矩型空心伺服电机C14通过连轴结C16直接同轴驱动。工件主轴C13为空心轴，其右 端设有伸缩夹紧式工件夹头组件。直驱式工件主轴箱2左端设置有工件放松油缸体19,工 件放松油缸体19内设置有工件放松油缸18。
[0077] 伸缩夹紧式工件夹头组件由夹头体20、伸缩夹紧式工件夹头21、蝶形弹簧组22、 精密锁紧螺母23组成。根据工件不同尺寸可更换伸缩夹紧式工件夹头21。伸缩夹紧式工 件夹头21右端的工作部位设置有锥度，周边设置有等分槽。所述夹头体20头部设置有与 伸缩夹紧式工件夹头21配合的锥度。
[0078] 通过预先调节精密锁紧螺母23压缩蝶形弹簧组22来调整伸缩夹紧式工件夹头21 的夹持力。蝶形弹簧组22作用于伸缩夹紧式工件夹头21上，将工件夹紧。需放松工件时， 工件放松油缸18压缩蝶形弹簧组22,将伸缩夹紧式工件夹头21顶出，释放工件。
[0079] 在伸缩夹紧式工件夹头21内，设置有工件定位顶尖。
[0080] 直驱式工件主轴C13的转速由上位控制系统依据直驱式刀具主轴B29的转速根据 展成法加工原理自动跟随。工件主轴C13的实际圆周位置由同轴安装的高精度编码器C17 确定。
[0081] 直驱式刀具主轴箱3包括刀具主轴箱体28、刀具主轴B29、刀杆30、空心伺服电机 B27、连轴结B26、刀杆拉杆25、高精度编码器B24和刀杆托架31。刀具主轴B29设置为B轴 (旋转轴），由空心伺服电机B27通过连轴结B26直接驱动。刀具主轴B29的实际圆周位置 由同轴高精度编码器B24确定。刀杆30通过刀杆拉杆25拉紧，在刀杆30上可安装相同孔 径的不同规格的滚刀，安装孔径不相同的滚刀时需更换对应的刀杆，在刀杆尾端设有刀杆 托架31。
[0082] 所述机床体1的右端设有可移动尾座箱8,尾座箱8通过双燕尾滑动面可在机床体 1上移动。尾座箱8上设有尾座顶尖58,尾座顶尖58与直驱式工件主轴C13同轴相对设置， 通过尾座套筒59由油缸组件60驱动可沿其轴向伸缩移动，顶紧或松开待加工工件的回转 中心。在尾座箱体61左端与尾座套筒59之间，设置有4个刹紧油缸，消除尾座套筒59与 尾座箱体61之间的间隙。
[0083] 所述走刀轴Z拖板机构6包括走刀轴Z拖板座Z50、走刀轴Z伺服电机Z55、走刀 轴Z滚珠丝杠副Z53。走刀轴Z伺服电机Z55通过连轴结Z54直接驱动走刀轴Z滚珠丝杠 副Z53,通过滚珠丝杠副Z53上的丝母连接座Z51驱动刀具纵向走刀。走刀轴Z拖板机构6 通过精密直线导轨副52设置与机床体1上。
[0084] 所述进刀轴X进给机构通过贴塑双燕尾导轨设置在走刀轴Z拖板机构6上。包括 进刀轴X进给箱体38、进刀轴X伺服电机X46、进刀轴X滚珠丝杠副48。所述进刀轴X伺服 电机X46通过连轴结X47直接驱动进刀轴X滚珠丝杠副48,进刀轴X丝母连接座X49固定 在进刀轴X进给箱体38上。所述进刀轴X伺服电机X46、进刀轴X滚珠丝杠副48、连轴结 X47设置于走刀轴Z拖板机构6的拖板Z50上；通过滚珠丝杠副48的旋转驱动进刀轴X进 给箱5前后移动以实现刀具径向进刀。
[0085] 所述窜刀轴Y拖板机构4包括窜刀轴Y拖板35、窜刀轴Y伺服电机Y32、减速机 Y33、连轴结Y34、T型丝杠副36、丝母座37。窜刀轴Y伺服电机Y32连接减速机Y33,再连 接连轴结Y34,然后驱动T型丝杠副36,通过固定在刀具主轴箱体28上的丝母座37驱动直 驱式刀具主轴箱3沿Y方向移动，实现刀具窜刀功能。
[0086] 所述窜刀轴Y拖板机构4固定在回转轴39上。窜刀轴Y拖板机构4通过拉杆Y40、 回转轴39,设置于进刀轴X进给箱5上。由蝶形弹簧组42、精密锁紧螺母43,锁紧力作用于 拉杆Y40,将窜刀轴Y拖板机构4通过回转轴39锁紧在进给箱体38上。在进给箱体38后 端设置有油缸44,油缸体45。当刀具角度需要回转时，油缸44先压紧蝶形弹簧组42,减小 回转轴39与进给箱体38之间的锁紧力，然后刀具可调整角度。当刀具角度调整完成后， 油缸44退回，蝶形弹簧组42作用于精密锁紧螺母43,锁紧力作用于拉杆Y40,将回转轴39 与进给箱体38之间重新锁紧。
[0087] 所述刀角调节轴A9由A轴伺服电机A57、减速机A56、涡轮副41组成。A轴伺服电 A57通过减速机A56驱动涡轮副41，带动固定于回转轴39上的窜刀轴Y拖板机构4旋转， 实现刀具角度调整。涡轮副41中的涡轮固定于回转轴39上。
[0088] 本实用新型中，在机床体1如方设直有激光对刀器10。在工件弟一次加工完成后， 不拆卸工件，操纵者在触屏控制器12上启动对刀功能，激光对刀功能启动，工件主轴C按设 定的速度启动，上位控制系统自动计算工件槽的中心、工件槽的宽度，并存储对应数据，完 成后工件主轴C停止旋转。然后可将工件拆卸。同型号的工件需重新装夹二次加工时，安 装好工件，操纵者在触屏控制器12上启动对刀功能，激光对刀功能启动，工件主轴C按该型 号工件的数据自动旋转到正确的工件槽中心的定位位置，然后就可以再次切削。
[0089] 本实用新型中，在机床体1中部设置有自动排屑装置11，加工时由自动排屑装置 11将切屑自动排出。在机床体1上还设有整体防护罩7,防护罩7将直驱式工件主轴箱2、 刀具主轴箱3以及滚刀移动及滚刀角度调整装置封装。防护罩7正面设有可左右移动的活 动门。
[0090] 通过上述具体实施例，本实用新型的有益效果是：本新型在卧式滚齿机的关键轴 B、C、X、Z轴均采用直驱结构（零传动），从根本上消除了累积误差与分度误差环节，使工件 的加工精度提高；本新型优化设计使机械结构大幅度简化，从而实现齿轮高效率加工；由 于全直驱和优化设计，使反馈元件直接检测滚刀和工件主轴C实时信号，构成真正意义上 的全闭环数控系统，使本新型拥有理想的分度加工精度；由于采用了直驱零传动技术，使本 实用新型的运行稳定性大大提高，从而可以实施高速运行和干切加工；加工的齿轮产品表 面质量优良；由于本新型采用了激光对刀技术，使得本实用新型能够对工件进行二次滚齿 作业，进一步提高加工的精度与质量；本新型可以延长刀具的使用寿命；本新型还可以对 硬齿面材料进行加工；本新型提供的直驱式零传动数控卧式滚齿机床，可以用来高精度高 效率加工直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、鼓型齿轮、涡轮、链轮、同步带轮、直花键轴、小角度斜花 键轴、锥度花键轴等。
[0091] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新 型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定 义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因 此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理 和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1. 一种直驱零传动全数控卧式滚齿机，其特征在于，包括滚齿机构成、滚齿机组件、驱 动系统、传动系统、数控系统和配套装置；所述滚齿机构成，包括机床体、工件控制部、刀具 部、位移控制部、防护罩、尾座箱、排屑装置、冷却装置、液压装置和电气柜；所述机床体上方 设置有防护罩；所述机床体中间设置有自动排屑装置；在所述的机床体之外，配套设置有 所述的冷却装置、液压装置和电气柜；在机床体前方设置有激光对刀装置；直驱式工件主 轴箱设置在机床体的左端，机床体的右端设有可移动尾座箱，尾座箱通过滑动面可在机床 体上移动，所述传动系统由6个伺服轴：刀角调节轴A、刀具主轴B、工件主轴C、进刀轴X、窜 刀轴Y和走刀轴Z构成；在机床体上设有驱动工件旋转的直驱式工件主轴箱，所述工件主轴 箱中设置有工件主轴C ;所述机床体上设置有驱动滚刀旋转的直驱式刀具主轴箱，所述的 刀具主轴箱设置有刀具主轴B ;所述机床体上设置有沿着X、Y、Z方向平移的平移装置、驱动 刀具主轴箱沿着ΥΖ平面内旋转的刀角调节装置；所述的Χ、Υ、Ζ在空间内两两垂直，进刀轴 X沿前后方向设置，窜刀轴Υ沿上、下方向设置，走刀轴Ζ沿左右方向设置。
2. 根据权利要求1所述的一种直驱零传动全数控卧式滚齿机，其特征在于，所述的刀 具主轴Β、工件主轴C、进刀轴X和走刀轴Ζ均采用直驱式零传动设计；所述刀具主轴Β采用 空心伺服电机驱动，所述空心伺服电机直接套装在刀具主轴Β上，主轴尾部同轴安装一个 位置编码器反馈主轴位置；所述工件主轴C采用空心伺服电机驱动，所述伺服电机直接套 装在工件主轴C上，主轴尾部同轴安装一个位置编码器反馈主轴位置。
3. 根据权利要求1或2所述的一种直驱零传动全数控卧式滚齿机，其特征在于，所述的 进刀轴X方向设置有光栅尺检测进刀轴X进给箱实际位置；所述的走刀轴Ζ方向设置有光 栅尺检测走刀轴Ζ拖板座的实际位置。
4. 根据权利要求1所述的一种直驱零传动全数控卧式滚齿机床，其特征在于，所述刀 角调节轴Α设置有高精度位置编码器，用于控制刀具角度调整位置信息，所述窜刀轴Υ设置 有上下位置控制光栅尺，精确控制上下刀具位移距离。
5. 根据权利要求1所述的一种直驱零传动全数控卧式滚齿机，其特征在于，所述的机 床体前方设置有激光对刀装置，实现工件的二次加工和相同工件的重复加工。
6. 根据权利要求1所述的一种直驱零传动全数控卧式滚齿机，其特征在于，所述的数 控系统通过直线编码器或光栅尺实时检测信号，并形成全闭环式控制回路。
7. 根据权利要求1所述的一种直驱零传动全数控卧式滚齿机，其特征在于，所述的数 控系统为零编程操作，具有参数化的操作界面，可根据工件情况输入刀具参数、工件参数、 工艺参数和进给次数，不需要任何编程指令。
【文档编号】B23Q5/34GK203830851SQ201420108732
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】谢云生 申请人:张家港乙腾机械有限公司