[发明专利]多轴多结构选择的自由型数控锥齿轮加工机床

说明书

技术领域

本发明属于制造齿轮的机器中的螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮铣齿和磨齿机床这一领域。

发明背景

近代研究开发的具有六个空间自由度的自由型数控螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮加工机床，虽然能实施提高加工效率的干切削法加工齿轮，加工质量也有所提高。但是生产实践表明，这些机床仍然很难达到预定的齿面质量和干切削法应有的高生产效率指标。它们的问题又集中地表现在(1)切削工具达不到预期的重磨寿命；(2)现有专利提供的机床在实际应用中难于达到预定的生产效率；(3)被加工齿面上时而随机地出现波纹或折射波纹；(4)动刚度不足的机械系统，其数控系统很难获得稳定的控制精度。自然这些问题的最佳解决尚有待于刀具或砂轮的改进和机床主轴动态精度的提高。但是，从机床结构设计的角度来处理这些问题，则提高整台机床结构系统的动刚度以及顺畅地排除在采用“干切削法”时高速切下的高温切屑，依然是这类机床当前面临的关键课题。

事实上，所有加工锥齿轮和准双曲面齿轮的过程，都是由工具(砂轮或刀具)运动扮演的产形齿轮与被加工齿轮的共轭啮合运动过程。它们最终都可归结为工具切削(或磨削)被加工齿轮时两者之间的一个直线位移矢量和一个旋转运动矢量所表达的复合相对运动。将这两个中的线位移矢量分解在设定的三个独立的座标轴X，Y，Z上就可得到实现所述的共轭啮合运动过程所必需的三个直线位移自由度上的运动。再如图1，图2，图5，图6所示，将齿轮主轴轴线A上的旋转矢量a和工具主轴轴线C上的旋转矢量c作为三个旋转自由度中的两个旋转自由度上的矢量。再将同时垂直于工具主轴轴线和齿轮主轴轴线的方向上的旋转矢量b(矢性积b＝c×a)设定为A或C轴线中任一轴线绕之旋转的枢轴轴线B为第三个旋转自由度，就可获得在三维空间中描述产形齿轮与被加工齿轮的共轭啮合过程的六个自由度上所需的相对运动。

根据本专利的发明人在1981年揭示并发表在当年中国的“机械工程学报”第二期和中国机械工业出版社于1988年4月出版的“弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮”一书中详细描述的“齿面接触分析”的矢量代数计算原理和方法，很容易利用具有摇台结构的传统旧式螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮加工机床的基本理论调整参数，以其中的理论摇台转角为自变量，计算出在任一指定的时刻沿X，Y，Z三个座标方向的线位移和绕A，C轴旋转的角位移。有了由机床的基本理论调整参数和任一指定时刻的摇台角所确定的旋转矢量a和旋转矢量c，利用同样的矢量代数公式就可计算出工具轴线和工件轴线之间在对应的指定时刻的夹角及它们两者之间绕枢轴b的轴线B的相对角位移。在信息化数控技术日益高度完善的今天，用简单的结构来实现这类机床在六个自由度方向的大功率，大扭矩不等速运动，原则上已没有数控技术上的困难。

在已公布的国际专利号为WO 02/066193；美国专利号为US2005/0025597A1，US 4981402，US5961260，US6712566B2，US7198441B1；中国专利号为CN1457279A，CN1958226A等专利文献中所描述的这类机床上，所述的六个自由度上的相对运动方向的布局，都是参照传统的具有摇台结构的旧式机床的布局，将枢轴轴线B上的旋转矢量b的方向设定为直角座标系中的铅垂座标轴方向。

图1图2所示，为上述已公布的枢轴轴线B上的旋转矢量b设在铅垂方向的专利中一类机床的调整位置示意正视图和顶视图。它们由工具主轴按需要作垂直升降位移。但齿轮轴线本身始终保持符合人体工程学要求的固定高度不变并绕垂直的枢轴b转动或摆动。为了能在这类机床上加工左旋和右旋齿轮，工具主轴必须能够上升到高出符合人体工程学要求的高度以上，再升高一段高度H和加工准双曲面齿轮时的垂直位移。

图5，图6所示，为已公布的枢轴轴线B上的旋转矢量b设在铅垂方向的专利中另一类机床的调整位置示意正视图和顶视图。它们是由齿轮主轴按需要作垂直升降位移，但工具主轴本身始终保持符合人体工程学要求的固定高度不变并绕垂直的枢轴b转动或摆动。为了能在这类机床上加工左旋和右旋齿轮，齿轮主轴也必须能够上升到高出符合人体工程学要求的高度以上，再升高一段高度H和加工准双曲面齿轮时的垂直位移。