专利名称：一种圆柱齿轮全闭环数控加工系统及加工方法
技术领域：
本发明涉及一种精密机械加工系统及方法，特别是一种圆柱齿轮全闭环数控加工 系统及加工方法。
背景技术：
齿轮是最重要和应用最广泛的一类传动零件。目前齿轮最常见的加工方式有两 种一种是展成加工，另一种是单分度成形加工。展成加工法是通过机床传动链是刀具和 坯料类比齿轮啮合运动实现对齿轮的加工，单分度成形加工利用分度机构根据齿距分度后 用成形刀具进行单齿齿形加工。它们共同的技术特点是通过切削刀具对毛坯施加切削力去 除材料到达零件所需的形状和尺寸，典型的加工设备有滚齿机、插齿机、磨齿机等。这种两 种加工方法存在的问题是一、加工中施加的切削力不仅会使刀具、机床和坯料等发生变形 而且还会引起振动。这要么提高了对机床、刀具等刚性的要求，要么影响齿轮的加工精度； 二、加工精度受限于机床传动链的传动精度；三、不同的齿形参数的齿轮加工需要采用不同 的加工刀具。电火花线切割加工利用正负电极放电产生瞬间高温熔融金属实现材料去除，加工 过程几乎没有切削力。电火花线切割可以进行圆柱齿轮加工，并避免上述加工切削力引起 的问题。但是，目前通用的电火花线切割机床采用X-Y双轴插补的方式来逼近各种加工曲 线，加工精度一般只能到达0. 015mm左右。因此，在进行齿轮加工时分度精度和齿形精度无 法满足高精度的要求。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题而提供一种能降低电火花线切割加工时的误差，有 效的提高齿轮加工精度的圆柱齿轮全闭环数控加工系统及加工方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是
一种圆柱齿轮全闭环数控加工系统，它包括电火花线切割机床、数控回转工作台和全 闭环控制单元，所述数控回转工作台安装于电火花线切割机床的工作台上，数控回转工作 台轴线与电火花线切割机床的电极丝平行，加工齿轮坯料安装于数控回转工作台上，所述 电火花线切割机床包括线切割数控系统、X轴和Y轴的位移检测部件、切割执行部件，所述 线切割数控系统用于接收全闭环数控单元的加工信息和加工启动信号，并根据加工信息在 获得启动信号之后控制机床执行部件实施直线进给和电火花切割；所述χ轴和Y轴位移检 测部件用于精确测量所述直线进给的位移，并反馈给全闭环控制单元；所述数控回转工作 台包括回转工作台基体、运动执行部件和角位移检测部件；所述运动执行部件根据接收 到的全闭环控制单元发出的随动控制信号，实施随动回转进给；所述回转轴角位移检测部 件用于精确测量数控回转工作台的角位移，并反馈给全闭环控制单元；所述全闭环控制单 元用于接收操作者加工信息，根据齿轮参数计算齿距夹角，将齿形分解成直线进给和回转 进给，将直线进给的加工信息传送给通用电火花线切割数控系统，发送启动信号开始加工，
4接收通用电火花线切割机床X轴或者Y轴的位置检测部件的反馈信号，接收数控回转工作 台回转轴位置检测部件的反馈信号，根据当前已有的各次直线进给的速度和位移，计算出 下一步直线进给的速度和位移以及所应对应的回转速度和位移，发出随动回转控制信号， 控制数控回转工作台随动回转进给，接收单齿加工完成信号，判断整个齿轮是否全部进给 完毕，根据判断结果确定结束加工还是控制数控回转台精密转过一个齿距夹角，进行下一 个齿的加工。上述的全闭环控制单元根据直线位移反馈信号获取实际进给位移并计算进给速 度，根据实际的直线进给位移和速度，改变数控回转工作台的回转进给补偿直线进给的误差。一种利用上述圆柱齿轮全闭环数控加工系统进行圆柱齿轮加工的方法，它包括如 下步骤(1)输入加工齿轮信息到全闭环控制单元；(2)全闭环控制单元根据加工信息计算 齿距夹角，并将齿廓加工轨迹分解成直线进给和回转进给；(3)将直线进给加工信息传输 给电火花线切割机床的数控系统；(4)电火花线切割机床在其数控系统控制下做好加工准 备，等待启动命令；(5)全闭环控制单元发出启动加工信号，电火花线切割机床开始实施直 线进给加工；(6)全闭环控制单元同时启动数控回转工作台实施相应的回转进给；(7)全闭 环控制单元实时检测直线进给位移，计算直线进给位移和速度偏差及下一步随动回转位移 和速度；(8)控制数控回转工作台进行随动回转，补偿直线进给速度和位移偏差；(9)重复 上述(7)- (8)步骤直至直线进给完成，从而完成单齿齿廓加工；(10)电火花线切割机床向 全闭环控制单元发出加工完成信号，等待下一次启动；(11)全闭环控制单元判断是否加工 完全部齿廓，如果完成，则停机，如果没有，则控制数控回转工作台转动一个齿距夹角，并重 复上述步骤(5)- (11)。本发明取得了以下的技术效果
1、齿轮的分度精度由数控回转工作台的分度精度保证，而进行齿形加工时电火花线切 割机床只沿一个固定轴进行直线进给，数控回转工作台根据直线进给的实际位置和速度进 行随动回转，可以极大限度的补偿直线进精度不足带来的误差，因此，所述的圆柱齿轮全闭 环数控加工系统可以有效的提高电火花线切割加工圆柱齿轮的分度精度和齿形精度，可以 广泛的应用在精度要求较高的各种齿形的圆柱齿轮电火花线切割加工中；
2、相对于齿轮的单分度成形加工，所述的圆柱齿轮全闭环数控加工方法采用电火花加 工齿形，加工刀具(电极丝)的损耗极小，不会引入附加的加工误差，不需要先进行粗加工；
3、相对于电火花线切割用X-Y双轴插补方法加工齿轮，所述的圆柱齿轮全闭环数控加 工方法只需要电火花线切割机床进行一个固定轴的直线进给，提高了其加工精度；
4、所述的圆柱齿轮全闭环数控加工方法采用闭环控制，用随动回转进给补偿电火花线 切割机床直线进给误差，进一步提高了齿轮的加工精度。
图1是圆柱齿轮全闭环数控加工系统示意图； 图2是数控回转工作台与电火花线切割机床的结构示意图； 图3是圆柱齿轮齿廓加工轨迹分解成直线进给和回转进给的示意图； 图4是随动补偿加工方法的原理示意图5是圆柱齿轮全闭环数控加工系统进行齿轮加工时的控制流程图。
其中1 一电火花线切割机床、2—数控回转工作台、3—全闭环控制单元、4 一数控 回转工作台轴线、5—电极丝、6-齿轮坯料。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的实施例。实施例1
参见图1-2，一种圆柱齿轮全闭环数控加工系统，它包括电火花线切割机床1、数控回 转工作台2和全闭环控制单元3构成，所述数控回转工作台安装于电火花线切割机床的工 作台上，数控回转工作台的轴线4与电火花线切割机床的电极丝5平行，加工齿轮坯料6安 装于数控回转工作台上，所述电火花线切割机床包括线切割数控系统、X轴和Y轴的位移 检测部件、切割执行部件，所述线切割数控系统用于接收全闭环数控单元的加工信息和加 工启动信号，并根据加工信息在获得启动信号之后控制机床执行部件实施直线进给和电火 花切割；所述X轴和Y轴位移检测部件用于精确测量所述直线进给的位移，并反馈给全闭 环控制单元；所述数控回转工作台包括回转工作台基体，运动执行部件和角位移检测部 件；所述运动执行部件根据接收到的全闭环控制单元发出的随动控制信号，实施随动回转 进给；所述回转轴角位移检测部件用于精确测量数控回转工作台的角位移，并反馈给全闭 环控制单元；所述全闭环控制单元用于接收操作者加工信息，根据齿轮参数计算齿距夹角， 将齿形分解成直线进给和回转进给，将直线进给的加工信息传送给通用电火花线切割数控 系统，发送启动信号开始加工，接收通用电火花线切割机床X轴或者Y轴的位置检测部件的 反馈信号，接收数控回转工作台回转轴位置检测部件的反馈信号，根据当前已有的各次直 线进给的速度和位移，计算出下一步直线进给的速度和位移以及所应对应的回转速度和位 移，发出随动回转控制信号，控制数控回转工作台随动回转进给，接收单齿加工完成信号， 判断整个齿轮是否全部进给完毕，根据判断结果确定结束加工还是控制数控回转台精密转 过一个齿距夹角，进行下一个齿的加工。参见图3，齿轮齿廓的加工轨迹线可以通过电极丝沿坐标系轴 的相对直线进给和被加工齿轮绕其中心化点的回转进给合成。图3中raAOA (C), Cd), Ce), Cf)描述的是所述齿廓加工轨迹线上6个点、0,1,2,3,4,5、的情 况，6个点对应的直线进给坐标分别为J^力，力，J^ J^ JV回转进给坐标分别为 氏，巧，, ^ , ,钱。因此，齿廓的加工轨迹线可以分解为图所示的电极丝沿m
坐标系y轴的相对直线进给和图3 6W所示的被加工齿轮绕其回转中心化回转进给。图 中为描述方便仅列出6个点，实际分解时根据加工精度要求分解出更多的坐标点。参见图4，所述的随动补偿加工方法是指实际加工中，受到电火花放电间隙，被加 工零件材料均勻性，冲洗液纯净度等因素的影响，直线进给的位移和速度会偏离设计给定 的进给位移和速度，全闭环控制单元根据直线位移反馈信号获取实际进给位移并计算进给 速度，根据实际的直线进给位移和速度，改变数控回转工作台的回转进给补偿直线进给的 误差。图4 (a)是设计给定直线进给的位移曲线；图4 (力)是根据设计齿廓和直线进给位 移曲线分解出的对应的回转进给位移曲线；图4 (c)是实际的直线进给位移曲线，它偏离设 计给定的理论曲线，将引起加工误差；如采用图4 (c)所示实际的直线进给位移与图4 (.b) 所示回转进给位移将合成图4 (/)所示有误差的齿廓加工轨迹；图4 (Λ是根据实时检测直线进给位移进行随动补偿的回转进给曲线，它可以补偿直线进给位移和速度偏差带来的 加工误差，合成的齿廓加工轨迹如图4 (￡0所示。实施例2
参见图5，一种圆柱齿轮全闭环数控加工方法，它包括如下步骤(1)输入加工齿轮信 息到全闭环控制单元；(2)全闭环控制单元根据加工信息计算齿距夹角，并将齿廓加工轨 迹分解成直线进给和回转进给；(3)将直线进给加工信息传输给电火花线切割机床的数控 系统；(4)电火花线切割机床在其数控系统控制下做好加工准备，等待启动命令；(5)全闭 环控制单元发出启动加工信号，电火花线切割机床开始实施直线进给加工；(6)全闭环控 制单元同时启动数控回转工作台实施相应的回转进给；(7)全闭环控制单元实时检测直线 进给位移，计算直线进给位移和速度偏差及下一步随动回转位移和速度；(8)控制数控回 转工作台进行随动回转，补偿直线进给速度和位移偏差；(9)重复上述(7)- (8)步骤直至 直线进给完成，从而完成单齿齿廓加工；(10)电火花线切割机床向全闭环控制单元发出加 工完成信号，等待下一次启动；(11)全闭环控制单元判断是否加工完全部齿廓，如果完成， 则停机，如果没有，则控制数控回转工作台转动一个齿距夹角，并重复上述步骤(5 ) - (11)。本发明的操作原理
圆柱齿轮全闭环数控加工方法将圆柱齿轮加工过程分解成精密分度和单齿齿廓电火 花线切割闭环数控加工，将单齿齿形加工轨迹分解成直线进给和回转进给，将数控回转工 作台置于电火花线切割机床工作台上，数控回转工作台的回转轴线与电火花线切割的电极 丝相互平行，电火花线切割的工作台提供直线进给，其上的数控回转工作台提供精密分度 和随动回转进给，用于实现高精度齿轮的电火花线切割加工。所述的圆柱齿轮全闭环数控加工系统由通用电火花线切割机床、数控回转工作台 和全闭环控制系统构成。所述的精密分度是指根据被加工齿轮的齿数确定相邻两齿的相 距夹角，数控回转工作台带动被加工齿轮转动相应角位移并定位；所述的单齿随动数控加 工是指将单齿齿形分解为直线运动和回转运动，由通用电火花线切割机床提供直线运动 进给，由回转工作台提供回转运动进给，全闭环控制系统实时检测电火花线切割机床直线 进给的位移量和速度，并据此计算出相应的回转位移和速度，控制回转工作台进行精确的 随动回转进给。所述通用电火花线切割机床具有一般电火花线切割加工所需的各种基本功能，并 有输入和输出信号线与全闭环控制系统连接。所述输入信号线用于接收全闭环控制系统输 入的编程信息和启动信号。所述的编程信息是指全闭环数控系统对齿形进行直线运动和回 转运动分解后获得的直线运动轨迹所对应的电火花线切割加工信息，具体体现为各种加工 代码和加工参数等；所述的输出信号线用于单齿齿形加工完成后向全闭环控制系统提供完 成信号。所述通用电火花线切割机床在齿轮加工中只进行沿某一确定轴(X轴或Y轴)的进 给。其进给轴上安装有直线位移检测部件向全闭环数控系统提供实际进给坐标。所述数控回转工作台用于装夹被加工齿轮工件，并安装固定在上述的通用电火花 线切割机床的工作台面上，回转轴线与电火花线切割机床的电极丝平行，能在全闭环控制 系统的指令下进行精密分度和连续的随动回转，有输出信号线与全闭环控制系统连接。所 述的数控回转工作台在整个齿轮加工过程中完成两个相对独立的工作。其一在单齿齿 形加工中，根据全闭环控制系统的指令进行随动回转进给；其二 单齿齿形加工完成后，在全闭环控制系统的指令下按照加工齿轮的齿距夹角进行分度定位，准备下一个单齿齿形加 工。所述的数控回转工作台的回转运动由全闭环控制系统直接控制，通过传动链传递到数 控回转工作台的回转轴上。回转轴上装有角位移检测部件，实时检测回转工作台的角位移 和速度，并通过输出信号线反馈给全闭环控制系统。由于加工中，齿轮的分度精度由数控回转工作台的分度精度保证。而进行齿形加 工时电火花线切割机床只沿一个固定轴进行直线进给，数控回转工作台根据直线进给的实 际位置和速度进行随动回转，可以极大限度的补偿直线进精度不足给带来的误差。因此，所 述的圆柱齿轮全闭环数控加工系统可以有效的提高电火花线切割加工圆柱齿轮的分度精 度和齿形精度，可以广泛的应用在精度要求较高的各种齿形的圆柱齿轮电火花线切割加工 中。本发明的创新点在于
(1)将圆柱齿轮的加工分解成精密分度和单齿齿廓电火花线切割闭环数控加工；
(2)将单齿齿廓加工轨迹分解成直线进给和回转进给，电火花线切割机床只需提供一 个固定轴的直线进给，数控回转工作台提供回转进给；
(3)电火花线切割机床、数控回转工作台和全闭环控制单元构成一个闭环系统，全闭 环控制单元检测直线进给的位置和速度反馈后，可以控制数控回转工作台进行随动回转进 给，补偿直线进给误差。本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发 明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权 利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
8
权利要求
1.一种圆柱齿轮全闭环数控加工系统，其特征在于它包括电火花线切割机床(1)、数 控回转工作台(2)和全闭环控制单元(3)构成，所述数控回转工作台(2)安装于电火花线切 割机床(1)的工作台上，数控回转工作台(2)的轴线(4)与电火花线切割机床(1)的电极丝 (5)平行，加工齿轮坯料(6)安装于数控回转工作台(2)上；所述电火花线切割机床(1)具 有输入和输出信号线与全闭环控制单元连接，所述输入信号线用于接收全闭环控制单元输 入的编程信息和启动信号，所述的输出信号线用于单齿齿形加工完成后向全闭环控制系统 提供完成信号；所述电火花线切割机床(1)包括线切割数控系统、X轴和Y轴的位移检测部件和切割 执行部件，所述线切割数控系统与全闭环数控单元连接，并通过控制线连接切割执行部件， 用于接收全闭环数控单元的加工信息和加工启动信号，并根据加工信息在获得启动信号之 后控制机床执行部件实施直线进给和电火花切割；所述X轴和Y轴位移检测部件通过信号 线连接全闭环控制单元，安装在电火花线切割机床的给进轴上，用于精确测量所述直线进 给的位移，并反馈给全闭环控制单元；所述数控回转工作台(2)包括回转工作台基体、运动执行部件和角位移检测部件；所 述运动执行部件与全闭环控制单元连接，根据接收到的全闭环控制单元发出的随动控制信 号，实施随动回转进给；所述回转轴角位移检测部件通过信号线连接全闭环控制单元，用于 精确测量数控回转工作台的角位移，并反馈给全闭环控制单元；所述全闭环控制单元(3)用于接收操作者加工信息，根据齿轮参数计算齿距夹角，将 齿形分解成直线进给和回转进给，将直线进给的加工信息传送给通用电火花线切割数控系 统，发送启动信号开始加工，接收通用电火花线切割机床X轴或者Y轴的位置检测部件的 反馈信号，接收数控回转工作台回转轴位置检测部件的反馈信号，根据当前已有的各次直 线进给的速度和位移，计算出下一步直线进给的速度和位移以及所应对应的回转速度和位 移，发出随动回转控制信号，控制数控回转工作台随动回转进给，接收单齿加工完成信号， 判断整个齿轮是否全部进给完毕，根据判断结果确定结束加工还是控制数控回转台精密转 过一个齿距夹角，进行下一个齿的加工。
2.根据权利要求1所述的圆柱齿轮全闭环数控加工系统，其特征在于所述的全闭环 控制单元根据直线位移反馈信号获取实际进给位移并计算进给速度，根据实际的直线进给 位移和速度，改变数控回转工作台的回转进给补偿直线进给的误差。
3.一种利用权利要求1或2所述圆柱齿轮全闭环数控加工系统进行圆柱齿轮加工的方 法，其特征在于它包括如下步骤(1)输入加工齿轮信息到全闭环控制单元；(2)全闭环控 制单元根据加工信息计算齿距夹角，并将齿廓加工轨迹分解成直线进给和回转进给；(3) 将直线进给加工信息传输给电火花线切割机床的数控系统；(4)电火花线切割机床在其数 控系统控制下做好加工准备，等待启动命令；(5)全闭环控制单元发出启动加工信号，电火 花线切割机床开始实施直线进给加工；(6)全闭环控制单元同时启动数控回转工作台实施 相应的回转进给；(7)全闭环控制单元实时检测直线进给位移，计算直线进给位移和速度 偏差及下一步随动回转位移和速度；(8)控制数控回转工作台进行随动回转，补偿直线进 给速度和位移偏差；(9)重复上述(7)- (8)步骤直至直线进给完成，从而完成单齿齿廓加 工；(10)电火花线切割机床向全闭环控制单元发出加工完成信号，等待下一次启动；(11) 全闭环控制单元判断是否加工完全部齿廓，如果完成，则停机，如果没有，则控制数控回转工作台转动一个齿距夹角，并重复上述步骤(5)- (11)。
全文摘要
本发明涉及一种圆柱齿轮全闭环数控加工系统及方法，它包括电火花线切割机床、数控回转工作台和全闭环控制单元构成，所述数控回转工作台安装于电火花线切割机床的工作台上，数控回转工作台轴线与电火花线切割机床的电极丝平行，加工齿轮坯料安装于数控回转工作台上。本发明降低电火花线切割加工时的误差，有效的提高齿轮加工精度。
文档编号G05B19/19GK102059418SQ201010552620
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者冯继琴, 张兴红, 彭东林, 朱革, 杨继森, 郑方燕, 陈锡侯, 高忠华 申请人:重庆理工大学