专利名称：螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀模块及其方法
技术领域：
本发明涉及一种螺纹加工机床的对刀模块及其方法，具体是一种螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀模块及其方法。
背景技术：
内螺纹是螺母的重要结构特征，它对实现螺母的功能(动力转换功能、定位功能、 同步功能等)起着关键性作用，因此在螺母的生产过程中必须保证内螺纹的加工精度。在螺母内螺纹滚道的加工过程中，一般需要经过多次磨削才能达到加工标准，这就要求砂轮在每次磨削时都必须是从内螺纹螺旋线的起点切入，也就是要求实现对内螺纹滚道中心的定位，即对刀得到内螺纹滚道中心的轴向位移值，令内螺纹滚道中心与砂轮切削面重合，这样，砂轮磨削就能够满足加工要求，否则会损坏已经磨好的螺纹滚道，造成“乱扣”，从而影响到螺母的内螺纹精度，甚至导致工件失效报废，所以在螺母磨削加工过程中必须对螺纹滚道进行准确高效的自动对刀。目前，我国的生产厂家在滚珠螺母、转向器螺母等的磨削加工过程中，对螺母内螺纹滚道主要采用人工操作的接触式方法对刀，存在着较多弊端劳动强度大、对刀精度和效率不高、易受主观因素影响、造成精细刀具的磨损破坏和工件的接触伤害等；另一方面，数控机床中的自动对刀系统主要是针对外螺纹而设计的，且多是基于接触式的原理。以内螺纹滚道为对象的非接触式自动对刀在国内研究较少，在国外也没有相关的公开技术资料， 因此有必要研究开发螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀的新方法和新设备，以促进螺母加工行业的发展，推动机械工业技术的进步。经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利公布号CN 101898316 A,名称为 数控外螺纹磨床自动对刀装置，该发明公开了一种基于接触式传感器的数控外螺纹磨床自动对刀装置。但此自动对刀装置针对的对象是丝杠的外螺纹滚道，且是基于接触式的对刀方法，而螺母的滚道面为内螺纹滚道，结构存在着差异和特殊性性螺母的表面分布有反向器孔；螺母径向结构尺寸小，内部空间有限等。由于对象的结构特点明显不同，使得螺母自动对刀的难度较外螺纹滚道更为困难，传统的接触式自动对刀方法和模块无法直接应用于螺母内螺纹滚道的自动对刀中。而另一中国发明专利公布号CN 102162717 A，名称为滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置及其方法，主要针对的是螺旋内滚道型面的非接触式检测，其在测量原理和方法上与对刀有明显差别，无法直接应用。因此，在螺母内螺纹滚道的非接触式对刀方面，还没有具备高精高效的自动对刀方法和装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀模块及其方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种螺母内螺纹滚道非接触式对刀模块，包括接近开关、支撑组件、平移定位组件以及控制与处理组件；支撑组件包括底座、头架、气缸支架、测杆和卡盘；平移定位组件主要包括横向(Y方向)平移定位机构、轴向(X方向)平移定位机构和气缸；控制与处理组件即为过程控制和数据处理所需的数控系统。气缸支架固定在底座上，气缸则固定在气缸支架上，接近开关通过测杆固定在气缸上，而测杆可随气缸活塞的运动实现伸缩动作；卡盘通过头架与轴向平移定位机构固定，螺母则装夹在卡盘上， 可随横向平移定位机构和轴向平移定位机构实现水平面内的位置调整。横向平移定位机构、轴向平移定位机构、气缸以及接近开关分别连接至数控系统。一种螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀方法，首先气缸动作以伸出测杆，接近开关暂不工作，准备对刀；然后沿横向(+Y方向)平移螺母，使XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线在接近开关的有效量程内；接着螺母随轴向平移定位机构沿轴向(+X方向)进给， 当内螺纹滚道进入接近开关的测量范围后，开关开启并对螺母内螺纹滚道进行对刀操作， 实时采集开关量信号的变化及相应位置信息；随后，数控系统对信号数据进行分析与处理， 得到对应的内螺纹滚道中心位置，通过相应的坐标变换，确定砂轮的磨削起点位置，实现砂轮对刀的定位；最后，气缸动作以收回测杆，螺母则平移至正确的砂轮磨削起点位置。本发明与现有技术相比，其显著优点1、采用本发明提出的方法，可对螺母内螺纹滚道进行非接触式的自动对刀，相比现在采用的人工接触式对刀方法而言，具有高效率、高可靠性和无接触损伤的优点；2、由于所采用磨削中心平移定位组件和接近开关的测量精度都可以达到μ m级，该对刀方法可实现螺母内螺纹滚道的高精度对刀；3、本发明螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀模块结构简单，对刀位移数据精确可靠，适用性强，具有良好的市场前景和发展潜力。
图I为本发明螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀模块的结构组成及连接组装示意图。
图2为螺母在实际磨削过程中的砂轮加工位置示意图。
图3为两个接近开关在测杆上的分布形式。
图4为接近开关测量方向示意图。
图5电平变化点与内螺纹滚道中心的位置几何关系图。
图6为本实施例的自动对刀流程图。
图7为螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀过程示意图(单开关式)。
图8为螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀过程示意图(双开关式)。
具体实施例方式
本发明采用接近开关和数控系统的配合对待测螺母内螺纹滚道的电平变化点的轴向位移进行数据采集，其中，接近开关随气缸可实现轴向位移的伸缩动作；螺母随横向平移定位机构和轴向平移定位机构可实现水平面内的位置调整。通过对采集的位移数据进行相应的坐标变换处理，可确定砂轮的磨削起点位置，从而实现螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀，且对刀效率和精度较高。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1，本发明螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀模块，包括接近开关6、支撑组件、平移定位组件以及控制与处理组件；支撑组件包括底座11、头架I、气缸支架9、测杆7和卡盘3;平移定位组件主要包括横向(Y方向)平移定位机构10、轴向(X方向)平移定位机构2和气缸8 ;控制与处理组件即为过程控制和数据处理所需的数控系统12。砂轮 5和气缸支架9固定在底座11上，气缸8则固定在气缸支架9上，接近开关6通过测杆7固定在气缸8上，而测杆7可随气缸8活塞的运动实现伸缩动作；卡盘3通过头架I与轴向平移定位机构2固定,螺母4则装夹在卡盘3上,可随横向平移定位机构10和轴向平移定位机构2实现水平面内的位置调整。横向平移定位机构10、轴向平移定位机构2、气缸8以及接近开关6分别连接至数控系统12。本发明螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀方法，包括如下步骤首先气缸8动作以伸出测杆7，接近开关6暂不工作，准备对刀；螺母4随横向平移定位机构10作横向(+Y 方向)平移的运动，使XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线在接近开关6的有效量程内；接着螺母4随轴向平移定位机构2沿轴向(+X方向)进给，当内螺纹滚道进入接近开关6的测量范围后，开关6开启并对螺母4内螺纹滚道进行对刀操作，实时采集开关量信号的变化及相应位置信息；随后，数控系统12对信号数据进行分析与处理，得到对应的内螺纹滚道中心位置，通过相应的坐标变换，确定砂轮5的磨削起点位置，实现砂轮5对刀的定位；最后， 气缸8动作以收回测杆7，螺母4则平移至正确的砂轮5磨削起点位置。在螺母4的磨削加工过程中，砂轮5高速自转，螺母4在自转的同时匀速轴向进给，砂轮5中心与螺母4的中心轴线等高，如图2(a)所示；如图2(b)所示的为砂轮磨削加工的示意，内螺纹滚道中心与砂轮切削面相切。本发明螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀方法，所述的对刀方法根据接近开关 6的个数分为两种单开关形式和双开关形式。本发明螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀方法，所述的“单开关形式”方法是指对刀过程中，一个接近开关将先后经历两次电平变化，数控系统会在电平变化瞬时记录下当时的螺母位移，最后根据电平变化类型(高电平转低电平与低电平转高电平)和内螺纹结构的几何关系确定内螺纹滚道中心的轴向位移值。本发明螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀方法，所述的“双开关形式”方法中， 两个接近开关6在测杆7上的分布形式如图3所示两个接近开关6在平行于测杆7轴线的方向上同轴排列，开关测头相对放置，-X方向一侧为“前接近开关”，+X方向一侧为“后接近开关”，同时要求两个开关测头中心的间距L为I. 7 I. 8倍的螺距左右。“双开关形式” 方法是指对刀过程中，当“前接近开关”遇到电平变化瞬时，数控系统记录下当时的螺母位移，紧接着，当“后接近开关”遇到电平变化瞬时，数控系统再记录下当时的螺母位移，最后根据电平变化类型、前后开关的测头间距L以及内螺纹结构的几何关系确定内螺纹滚道中心的轴向位移值。本发明螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀方法，所述的接近开关6测量方向如图4所示(正视图(a)中，方向表现为由纸面里向外；右视图(b)中，方向表现为水平向左) 接近开关6的测量方向为-Y方向，测杆7轴线与螺母4中心轴线平行等高。本发明螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀方法，所述的“XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线在接近开关的有效量程内”是指接近开关6与内螺纹小径的径向距离在接近开关6的有效量程范围内、与内螺纹大径的径向距离超出接近开关6的有效量程，具体地，接近开关6与内螺纹小径的径向距离为开关有效量程的15% 30%)。下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例中待测螺母为滚珠螺母，其周向分布有多个反向器孔。如图I所示，本实施例涉及的螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀模块，包括头架I、轴向平移定位机构2、卡盘3、螺母4、砂轮5、接近开关6、测杆7、气缸8、气缸支架9、横向平移定位机构10、底座11、 数控系统12。底座11为整体铸铁件，结构与普通滚珠螺母磨床的床身大致相同；砂轮5固定在底座11上；气缸支架9也固定在底座11上，气缸8则固定在气缸支架9上，接近开关 6通过测杆7固定在气缸8上，而测杆7可随气缸8活塞的运动实现伸缩动作，同时测杆7 轴线与砂轮5中心轴线平行等高；卡盘3通过头架I与轴向平移定位机构2固定，螺母4则装夹在卡盘3上，可随横向平移定位机构10和轴向平移定位机构2实现水平面内的位置调整。横向平移定位机构10、轴向平移定位机构2、气缸8以及接近开关6分别连接至数控系统12。实施例中所采用的接近开关6是德国Balluff公司BES 516-3040-I02-C-PU系列的PNP型开关产品，其结构紧凑，开关反应精度较高。由于接近开关与滚珠螺母内螺纹小径的径向距离在接近开关的有效量程范围内、与内螺纹大径的径向距离超出开关的有效量程，所以在内螺纹滚道轴向一个螺距的进给距离里面，接近开关会有两次开关量的变化，即高电平转低电平和低电平转高电平的信号变化瞬间，该两个电平变化点的位置与内螺纹滚道中心有着固定的几何关系(图5(a)和(c)是单开关形式情况，图5(b)和(d)是双开关形式情况)如图5(a) (b)所示，一种情况是两电平变化点关于内螺纹滚道中心所在的径向平面对称；另一种情况是两电平变化点关于一个径向平面对称，而该径向平面与内螺纹滚道中心相距半个螺距，如图5(c) (d)所示。针对上述不同情况，可分别得到对应的内螺纹滚道中心位置，以进一步完成对刀过程。本实施例涉及的上述滚珠螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀方法，包括如下步骤，如图6所示
首先，进行对刀前的准备工作对数控系统12进行初始化设置；把待测螺母4装夹到卡盘3上，再横向(+Y方向)平移螺母4，使XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线在接近开关的有效量程内(开关与内螺纹小径的径向距离在接近开关的有效量程范围内、与内螺纹大径的径向距离超出开关的有效量程，具体地，开关6与内螺纹小径的径向距离为接近开关有效量程的15% 30%)。然后，通过数控系统12对轴向平移定位机构2的进给进行设置，螺母4随轴向平移定位机构2沿轴向(+X方向)进行进给，当内螺纹滚道进入接近开关6的测量范围后，接通接近开关6的电源，开关6开始工作，随着轴向平移定位机构2的继续进给，接近开关6 将出现电平变化，此时数控系统12记录下当时的螺母4轴向位移，如图7所示为单开关形式的对刀方法(a)高低高情况，SI为高电平转低电平的瞬时螺母所对应的位移，S2为低电平转高电平的瞬时螺母所对应的位移，此时XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线中对应的内螺纹滚道中心轴向位移为S= (Sl+S2)/2 ;(b)低高低情况，SI为低电平转高电平的瞬时螺母所对应的位移，S2为高电平转低电平的瞬时螺母所对应的位移，此时对应的内螺纹滚道中心轴向位移为S= (S1+S2土t)/2，其中t为滚珠螺母内螺纹的螺距。对刀过程中，位移值都是在开关量变化瞬时，通过数控系统12同步获得的。在获得两个电平变化信息后， 停止轴向自动进给，断开接近开关6的电源，气缸8动作以收回测杆7。对于双开关形式的对刀方法，如图8所示，也分两种情况(a)先低后高，SI为前开关在低电平转高电平的瞬时螺母所对应的位移，S2为后开关在高电平转低电平的瞬时螺母所对应的位移，此时对应的内螺纹滚道中心轴向位移为S= (L+S1+S2土t)/2，其中t为滚珠螺母内螺纹的螺距，L为两个接近开关6测头中心的间距，且I. 7t (=L〈=1.8t，另外需要说明的是，左边开关为前开关，右边开关为后开关；(b)先高后低，SI为前开关在高电平转低电平的瞬时螺母所对应的位移，S2为后开关在低电平转高电平的瞬时螺母所对应的位移,此时对应的内螺纹滚道中心轴向位移为S= (L+Sl+S2)/2。双开关式对刀方法要求先记录前开关电平变化时的位移，再记录后开关电平变化时的位移，如果后开关优先于前开关遇到电平变化，不予考虑，即必须以前开关的电平变化为起点。最后，数控系统12处理电平与位移信息，判断两次电平变化的类型以区别出具体属于哪一种情形，依据计算方法得到XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线中对应的内螺纹滚道中心轴向位移S，再进行合理的数据修正S+ Δ S±nt (其中，Λ S为对刀过程中的接近开关测头与砂轮中心径向平面间的轴向距离，η为整数，t为滚珠螺母内螺纹的螺距)，得到的数据值需要符合实际加工要求。根据最终的砂轮对刀定位值，螺母4随平移定位机构自动平移至正确的砂轮磨削起点位置。上述过程中，接近开关6的电源控制、轴向平移定位机构2与横向平移定位机构10 的进给以及数据的分析与处理都是通过该模块的数控系统12完成的。通过上面的具体实施例，采用本发明中的方法及其模块实现了对螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀，对刀定位精度、整体效率都得到了较大的提高。
权利要求
1.一种螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀模块，其特征在于包括接近开关[6]、支撑组件、平移定位组件以及控制与处理组件；支撑组件包括底座[11]、头架[I]、气缸支架[9]、测杆[7]和卡盘[3];平移定位组件包括横向即Y方向平移定位机构[10]、轴向即X方向平移定位机构[2]和气缸[8];控制与处理组件即为过程控制和数据处理所需的数控系统[12];砂轮[5]和气缸支架[9]固定在底座[11]上，气缸[8]则固定在气缸支架[9]上， 接近开关[6]通过测杆[7]固定在气缸[8]上，而测杆[7]可随气缸[8]活塞的运动实现伸缩动作；卡盘[3]通过头架[I]与轴向平移定位机构[2]固定，螺母[4]则装夹在卡盘[3] 上，可随横向平移定位机构[10]和轴向平移定位机构[2]实现水平面内的位置调整；横向平移定位机构[10]、轴向平移定位机构[2]、气缸[8]以及接近开关[6]分别连接至数控系统[12]。
2.一种螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀方法，其特征在于包括如下步骤首先气缸[8]动作以伸出测杆[7]，接近开关[6]暂不工作，准备对刀；螺母[4]随横向平移定位机构[10]作横向即+Y方向平移的运动，使XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线在接近开关[6] 的有效量程内；接着螺母[4]随轴向平移定位机构[2]沿轴向即+X方向进给，当内螺纹滚道进入接近开关[6]的测量范围后，接近开关[6]开启并对螺母[4]内螺纹滚道进行对刀， 实时采集开关量信号的变化及相应位置信息；随后，数控系统[12]对采集到的信号数据进行分析与处理，得到对应的内螺纹滚道中心位置，通过相应的坐标变换，确定砂轮[5]的磨削起点位置，实现砂轮[5]对刀的定位；最后，气缸[8]动作以收回测杆[7]，螺母[4]则平移至正确的砂轮[5]磨削起点位置。
3.根据权利要求2所述的螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀方法，其特征在于接近开关[6]开启并对螺母[4]内螺纹滚道进行对刀的方法根据接近开关[6]的个数分为两种当接近开关[6]的个数为一个时采用单开关形式，当接近开关[6]的个数为两个时采用双开关形式。
4.根据权利要求2或3所述的螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀方法，其特征在于 所述的“单开关形式”方法是指对刀过程中，一个接近开关[6]将先后经历两次电平变化， 数控系统[12]会在电平变化瞬时记录下当时的螺母[4]位移，最后根据电平变化类型和内螺纹结构的几何关系确定内螺纹滚道中心的轴向位移值。
5.根据权利要求2或3所述的螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀方法，其特征在于 所述的“双开关形式”方法中，两个接近开关[6]在测杆[7]上的分布如下两个接近开关[6]在平行于测杆[7]轴线的方向上同轴排列，开关测头相对放置，-X方向一侧为“前接近开关”，+X方向一侧为“后接近开关”，同时要求两个开关测头中心的间距L为I. 7 I. 8倍的螺距；“双开关形式”方法是指对刀过程中，当“前接近开关”遇到电平变化瞬时，数控系统[12]记录下当时的螺母位移，紧接着，当“后接近开关”遇到电平变化瞬时，数控系统再记录下当时的螺母[4]位移，最后根据电平变化类型、前后开关的测头间距L以及内螺纹结构的几何关系确定内螺纹滚道中心的轴向位移值。
6.根据权利要求2所述的螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀方法，其特征在于所述的接近开关[6]的测量方向为-Y方向，测杆[7]轴线与螺母[4]中心轴线平行等高。
7.根据权利要求2所述的螺母内螺纹滚道非接触式自动对刀方法，其特征在于所述的“XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线在接近开关[6]的有效量程内”是指接近开关[6]与内螺纹小径的径向距离在接近开关[6]的有效量程范围内、与内螺纹大径的径向距离超出接近开关[6]的有效量程，要求接近开关[6]与内螺纹小径的径向距离为接近开关[6] 有效量程的15% 30%。
全文摘要
本发明公开了一种螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀模块及其方法。首先气缸动作以伸出测杆，接近开关暂不工作，准备对刀；然后沿横向(+Y方向)平移螺母，使XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线在接近开关的有效量程内；接着螺母随轴向平移定位机构沿轴向(+X方向)进给，当内螺纹滚道进入接近开关的测量范围后，开关开启并对螺母内螺纹滚道进行对刀操作，实时采集开关量信号的变化及相应位置信息；随后，数控系统对信号数据进行分析与处理，得到对应的内螺纹滚道中心位置，通过相应的坐标变换，确定砂轮的磨削起点位置，实现砂轮对刀的定位；最后，气缸动作以收回测杆，螺母则平移至正确的砂轮磨削起点位置。本发明还公开了一种自动对刀模块，其中，接近开关随气缸可实现轴向位移的伸缩动作；螺母随横向平移定位机构和轴向平移定位机构可实现水平面内的位置调整。使用该自动对刀方法及模块，可实现螺母内螺纹滚道的非接触式自动对刀，有效地提高螺母内螺纹滚道磨削加工的精度和效率。
文档编号B24B41/06GK102581726SQ20121007352
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者冯虎田, 周斌, 张传剑, 李春梅, 欧屹, 王禹林, 陶卫军 申请人:南京理工大学