專利名稱：一種用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)控滾壓機床，具體涉及一種用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床。
背景技術(shù)：
扭力軸是履帶車輛的懸掛系統(tǒng)中重要的部件，用來減輕裝甲車輛在運動時地面對車體的沖擊，其可靠性直接關(guān)系到懸掛系統(tǒng)的穩(wěn)定性。扭力軸在車輛行駛過程中受到大應(yīng)力和交變載荷的作用，易在齒根和外圓部分的疲勞應(yīng)力源發(fā)生斷裂。因此，在切削工藝完成之后還需要進行表面強化處理。表面強化處理方法有兩種。一種是采用噴丸處理保證扭力軸表面硬化；另一種方法是采用滾壓處理，滾壓扭力軸的花鍵槽、桿部以及扭桿與花鍵頭部的過渡部位。在實際生產(chǎn)過程中，一般都采用滾壓處理的方法。目前，普通型扭力軸表面強化滾壓機床已經(jīng)在生產(chǎn)線上廣泛使用，但是其存在不少技術(shù)問題，不利于產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)和開發(fā)。主要問題有以下幾點(1)外圓滾壓和齒根滾壓分別在兩臺機床上進行，增加了設(shè)備數(shù)量和占地面積，而且在加工時需要多次裝夾和搬運工件，成本高，效率低；(2)滾壓齒根時對刀方法使用的是手工對刀，需要熟練的操作工人謹(jǐn)慎操作，加工效率低并且具有一定的危險性；(3)卡盤使用的是機械式卡盤，不能精確控制夾緊壓力，而且增加工人的勞動量。(4)滾壓頭液壓壓力不能實現(xiàn)伺服調(diào)節(jié)，限制了工藝參數(shù)的調(diào)整和改變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是致力于解決上述問題，提出了一種用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床，該機床可以對扭力軸進行外圓滾壓和齒根滾壓，提高了滾壓加工的效率。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床，其特征在于，包括機床主體、外圓滾壓頭、齒根滾壓頭、內(nèi)置頂尖、內(nèi)花鍵卡套、連接機構(gòu)、測量系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)；其中所述數(shù)控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)分別與測量系統(tǒng)相連，連接機構(gòu)設(shè)于機床主體的托板箱的工作臺上；當(dāng)對扭力軸的外圓滾壓時外圓滾壓頭通過連接機構(gòu)固定于工作臺上，內(nèi)置頂尖固定于機床主體上的氣動卡盤內(nèi)且與機床主軸相連，內(nèi)花鍵卡套通過氣動卡盤的卡爪卡緊于氣動卡盤上；扭力軸的一端卡緊于內(nèi)花鍵卡套內(nèi)并與內(nèi)置頂尖頂緊，扭力軸另一端與機床主體上的尾座頂尖頂緊；數(shù)控系統(tǒng)控制機床主體上的伺服電機旋轉(zhuǎn)，來驅(qū)動工作臺沿主軸方向移動、以及驅(qū)動扭力軸旋轉(zhuǎn)；外圓滾壓頭在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，對扭力軸的外圓進行滾壓；當(dāng)對扭力軸的齒根滾壓時齒根滾壓頭通過連接機構(gòu)固定于工作臺上；扭力軸一端穿過氣動卡盤與機床主體內(nèi)部的機床主軸相連，扭力軸另一端與尾座頂尖頂緊；在進行齒根對位時，所述測量系統(tǒng)測量出扭力軸的齒根位置，并將其傳輸給數(shù)控系統(tǒng)；所述數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)齒根位置，控制伺服電機帶動扭力軸旋轉(zhuǎn)，使得齒根滾壓頭上的滾輪與齒根相對；在進行滾壓時，氣動卡盤的卡爪卡緊扭力軸，齒根滾壓頭在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，對扭力軸的齒根進行滾壓。進一步地，所述測量系統(tǒng)包括激光位移傳感器、光電編碼以及數(shù)據(jù)處理模塊；其中激光位移傳感器安裝于機床托板上，光電編碼器位于機床主軸箱內(nèi)且通過同步帶輪與主軸尾部相連，數(shù)據(jù)處理模塊分別與激光位移傳感器以及光電編碼相連；激光位移傳感器用于檢測扭力軸的半徑R，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；光電編碼器用于檢測主軸的旋轉(zhuǎn)角度e，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理裝置對接收到的旋轉(zhuǎn)角度e和扭力軸的半徑R進行計算，獲取扭力軸的齒根位置，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。進一步地，本發(fā)明計算扭力軸齒根位置的具體方法為選取扭力軸齒形截面對應(yīng)的一組(e，R)，將所選取的(e，R)中R的次最大和次最小分別記為Rmax和Rmin,將所選取的(9，R)中按9由小到大，依次將e對應(yīng)的R與Rmax和Rmin比較，將第一個落在Rmin±0. 3mm范圍的點記為S，從S開始，找到第一個落在Rmin±0. 3mm范圍的點并記為A，找到第一個超出Rmin±0. 3mm范圍的點記為B;則齒根位置的坐標(biāo)即為(Qc, Rc)，其中0 c = ( 0 A+ 0 B)/2,其中e A為A點所對應(yīng)的角度，e B為B點所對應(yīng)的角度，R。為e。所對應(yīng)的距離；計算出扭力軸齒根位置的坐標(biāo)(e。，Rc) o進一步地，本發(fā)明所述液壓系統(tǒng)包括PID控制單元、液壓泵站、電液流量伺服閥以及壓力傳感器；其中液壓泵站輸出管路與電液流量伺服閥進油口相連，壓力傳感器位于電液流量伺服閥出油管路，且電液流量伺服閥出油管路與機床上滾壓頭的液壓缸相連，PID控制單元分別與壓力傳感器和電液流量伺服閥的控制端相連；PID控制單元根據(jù)壓力傳感器采集的壓力值，采用PID算法實現(xiàn)對電液流量伺服閥控制端的控制。進一步地，本發(fā)明所述PID算法為根據(jù)當(dāng)前第K個采樣時刻壓力傳感器采集的壓力值V (K)，控制電液流量伺服閥出油口的油壓output (K);其中e (K)=C-V (K);其中，C為根據(jù)電液流量伺服閥出油口所需的油壓設(shè)定的控制值，e (K)為第K個米樣時刻伺服端輸入的誤差值；則輸出增量A output為A Output=KpX (e (K)-e (K-1))+Ki Xe (K)+Kd(e (K_2) Xe (K_l)+e (K-2));其中，e (K-1)為第(K-1)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，e (K_2)為第(K_2)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，output (K-1)為第(K-1)個采樣時刻控制單元輸出量；Kp=100為伺服端積分系數(shù)，Ki=50為伺服端比例系數(shù)，Kd=700為伺服端微分系數(shù)，則輸出量output (K)為output (K) =output (K_l) +A output。有益效果(I)本發(fā)明對扭力軸外圓進行滾壓時，由于需要扭力軸旋轉(zhuǎn)，因此利用卡套卡緊扭力軸，扭力軸隨卡套與氣動卡盤一起轉(zhuǎn)動，來實現(xiàn)對外圓的滾壓；本發(fā)明對扭力軸齒根進行滾壓時，由于需要扭力軸固定，因此利用氣動卡盤卡緊扭力軸，來實現(xiàn)對齒根的滾壓；因此本發(fā)明機床可實現(xiàn)對對扭力軸進行外圓滾壓和齒根滾壓，提高了滾壓的效率，減少占地面積，降低成本。
(2)本發(fā)明采用高精度激光位移傳感器可迅速定位扭力軸齒根位置，實現(xiàn)快速對刀，與現(xiàn)有通過人工進行齒根對位相比，本發(fā)明機床提高加工效率和加工精度。(3)本發(fā)明采用PID算法對液壓系統(tǒng)的輸出的液壓進行控制，從而可實現(xiàn)恒壓力輸出，保證了對扭力軸各部分滾壓的均勻性，提高扭力軸的質(zhì)量。


圖1為被加工件扭力軸；圖2為扭力軸外圓滾壓強化方式安裝示意圖；圖3為氣動卡盤、內(nèi)鍵花卡套以及內(nèi)置頂尖的連接方式示意圖；圖4為扭力軸齒根滾壓強化方式安裝示意圖；圖5是尋找齒根位置方法示意圖；1-機床主體，2-托板箱，3-外圓滾壓頭，4-氣動卡盤，5-內(nèi)花鍵卡套，6-扭力軸，7-測量系統(tǒng)，8-尾座頂尖，9-內(nèi)置頂尖，10-主軸。
具體實施例方式本發(fā)明的數(shù)控滾壓機床是以CKSOi型臥式數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)為原型進行改進，將普通機械式卡盤更換為中空型氣動卡盤，增加外圓滾壓頭和齒根滾壓頭；移除刀架部分，在中托板上加工出四個螺紋定位孔，采用連接機構(gòu)(螺栓)固定滾壓頭；增加內(nèi)置頂尖和內(nèi)花鍵卡套兩樣配件，同時增加測量系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)以及液壓伺服系統(tǒng)。本發(fā)明的數(shù)控滾壓機床應(yīng)用于汽車扭力軸的滾壓強化加工，加工過程分為外圓滾壓和齒根滾壓兩部分，如圖1所示。根據(jù)不同的滾壓加工方式，扭力軸外圓與齒根部位滾壓采用不同的滾壓裝置，其滾壓強化過程及機床配置方式也有所不同。如圖2所示，當(dāng)對扭力軸的外圓滾壓時外圓滾壓頭3通過連接機構(gòu)固定于工作臺上，內(nèi)置頂尖9固定于機床主體I上的氣動卡盤4內(nèi)且與機床主軸10相連，并隨機床主軸10轉(zhuǎn)動；內(nèi)花鍵卡套5通過氣動卡盤4的卡爪卡緊于氣動卡盤4上；扭力軸6的一端卡緊于內(nèi)花鍵卡套5內(nèi)并與內(nèi)置頂尖9頂緊，扭力軸6另一端與機床主體I上的尾座頂尖8頂緊；數(shù)控系統(tǒng)控制機床主體上的伺服電機旋轉(zhuǎn)，來驅(qū)動工作臺沿主軸方向移動、以及驅(qū)動扭力軸旋轉(zhuǎn)；外圓滾壓頭3在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，對扭力軸的外圓進行滾壓。在對扭力軸的外圓進行滾壓時，需要扭力軸旋轉(zhuǎn)來保證滾壓的均勻性，因此本發(fā)明將扭力軸的一端放置于內(nèi)花鍵卡套內(nèi)，通過與機床主軸相連的氣動卡盤、以及固連于氣動卡盤上的內(nèi)花鍵卡套帶動扭力軸旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有不存在內(nèi)花鍵卡套的外圓滾壓加工機床，其通過氣動卡盤的卡爪直接卡緊于扭力軸的外圓上，由于卡爪卡緊的部位無法被滾壓頭滾壓至IJ，因此在加工的過程中需要不停變動卡爪所卡緊的位置，來實現(xiàn)對扭力軸外圓的滾壓，其滾壓效率低。本發(fā)明設(shè)置內(nèi)花鍵卡套，通過內(nèi)花鍵卡套與扭力軸一端帶有齒的部位卡緊，使得扭力軸的外圓全部裸露在外，因此在滾壓的過程中無需變更扭力軸的位置既可實現(xiàn)對扭力軸外圓的全部滾壓，相比于現(xiàn)有的滾壓機床，本發(fā)明滾壓機床的滾壓效率更高。如圖4所示，當(dāng)對扭力軸的齒根滾壓時齒根滾壓頭通過連接機構(gòu)固定于工作臺上；扭力軸一端穿過氣動卡盤4與機床主軸10相連，扭力軸另一端與尾座頂尖8頂緊；在進行齒根對位時，所述測量系統(tǒng)測量出扭力軸的齒根位置，并將其傳輸給數(shù)控系統(tǒng)；所述數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)齒根位置，控制伺服電機帶動扭力軸旋轉(zhuǎn)，使得齒根滾壓頭上的滾輪與齒根相對；在進行滾壓時，氣動卡盤4的卡爪卡緊扭力軸，齒根滾壓頭在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，對扭力軸的齒根進行滾壓。在對扭力軸的齒根進行滾壓時，主要分成兩個過程，第一、齒根對位，第二、齒根滾壓。本發(fā)明扭力軸與主軸直接相連，在進行齒根對位時，通過主軸的旋轉(zhuǎn)帶動扭力軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)；在進行齒根滾壓時，此時通過氣動卡盤的卡爪卡緊扭力軸的外圓，使得扭力軸固定，此時利用齒根滾壓頭對扭力軸進行齒根滾壓。本發(fā)明的機床可實現(xiàn)對對扭力軸進行外圓滾壓和齒根滾壓，提高了滾壓的效率，減少占地面積，降低成本。本發(fā)明測量系統(tǒng)包括激光位移傳感器、光電編碼以及數(shù)據(jù)處理模塊；其中激光位移傳感器安裝于機床托板上，光電編碼器位于機床主軸箱內(nèi)且通過同步帶輪與主軸尾部相連，數(shù)據(jù)處理模塊分別與激光位移傳感器以及光電編碼相連；激光位移傳感器用于檢測扭力軸的半徑R，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；光電編碼器用于檢測主軸的旋轉(zhuǎn)角度e，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理裝置對接收到的旋轉(zhuǎn)角度e和扭力軸的半徑R進行計算，獲取扭力軸的齒根位置，并傳輸給滾壓運動控制子系統(tǒng)。其中，計算扭力軸齒根位置的具體方法按照發(fā)明內(nèi)容所述的方法實施，如圖5所示。本發(fā)明采用該方法可自動準(zhǔn)確尋找到齒根的位置，無需人工進行齒根對準(zhǔn)，從而保證了本發(fā)明機床的自動化性，提高扭力軸滾壓的效率。液壓系統(tǒng)包括PID控制單元、液壓泵站、電液流量伺服閥以及壓力傳感器；其中液壓泵站輸出管路與電液流量伺服閥進油口相連，壓力傳感器位于電液流量伺服閥出油管路，且電液流量伺服閥出油管路與機床上滾壓頭的液壓缸相連，PID控制單元分別與壓力傳感器和電液流量伺服閥的控制端相連；PID控制單元根據(jù)壓力傳感器采集的壓力值，采用PID算法實現(xiàn)對電液流量伺服閥控制端的控制。其中，PID算法按照發(fā)明內(nèi)容所述的方法實施；本算法算式中不需要累加，控制增量Aoutput的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，并且控制器每次只輸出控制增量，因此發(fā)生故障時，影響范圍小。同時在此算法中，Kp、K1、Kd的確定是通過建立此系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且考慮了對系統(tǒng)階躍輸入具有最佳的ITAE (即誤差絕對值與時間之積的積分)性能，且調(diào)節(jié)時間較小等因素，由此得到其值。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床，其特征在于，包括機床主體(I)、外圓滾壓頭(3)、齒根滾壓頭、內(nèi)置頂尖(9)、內(nèi)花鍵卡套(5)、連接機構(gòu)、測量系統(tǒng)(7)、數(shù)控系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)；其中所述數(shù)控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)分別與測量系統(tǒng)相連，連接機構(gòu)設(shè)于機床主體(I)的托板箱(2)的工作臺上； 當(dāng)對扭力軸的外圓滾壓時外圓滾壓頭(3)通過連接機構(gòu)固定于工作臺上，內(nèi)置頂尖(9 )固定于機床主體(I)上的氣動卡盤(4)內(nèi)且與機床主軸(10 )相連，內(nèi)花鍵卡套(5 )通過氣動卡盤(4)的卡爪卡緊于氣動卡盤(4)上；扭力軸(6)的一端卡緊于內(nèi)花鍵卡套(5)內(nèi)并與內(nèi)置頂尖(9)頂緊，扭力軸(6)另一端與機床主體(I)上的尾座頂尖(8)頂緊；數(shù)控系統(tǒng)控制機床主體上的伺服電機旋轉(zhuǎn)，來驅(qū)動工作臺沿主軸方向移動、以及驅(qū)動扭力軸旋轉(zhuǎn)；夕卜圓滾壓頭(3)在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，對扭力軸的外圓進行滾壓； 當(dāng)對扭力軸的齒根滾壓時齒根滾壓頭通過連接機構(gòu)固定于工作臺上；扭力軸一端穿過氣動卡盤(4 )與機床主體(I)內(nèi)部的機床主軸(10 )相連，扭力軸另一端與尾座頂尖(8 )頂緊；在進行齒根對位時，所述測量系統(tǒng)測量出扭力軸的齒根位置，并將其傳輸給數(shù)控系統(tǒng)；所述數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)齒根位置，控制伺服電機帶動扭力軸旋轉(zhuǎn)，使得齒根滾壓頭上的滾輪與齒根相對；在進行滾壓時，氣動卡盤(4)的卡爪卡緊扭力軸，齒根滾壓頭在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，對扭力軸的齒根進行滾壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床，其特征在于，所述測量系統(tǒng)包括激光位移傳感器、光電編碼以及數(shù)據(jù)處理模塊；其中激光位移傳感器安裝于機床托板上，光電編碼器位于機床主軸箱內(nèi)且通過同步帶輪與主軸尾部相連，數(shù)據(jù)處理模塊分別與激光位移傳感器以及光電編碼相連； 激光位移傳感器用于檢測扭力軸的半徑R，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊； 光電編碼器用于檢測主軸的旋轉(zhuǎn)角度e，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊； 數(shù)據(jù)處理裝置對接收到的旋轉(zhuǎn)角度0和扭力軸的半徑R進行計算，獲取扭力軸的齒根位置，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床，其特征在于，所述計算扭力軸齒根位置的具體方法為選取扭力軸齒形截面對應(yīng)的一組(e，R)，將所選取的(9，R)中R的次最大和次最小分別記為Rmax和Rmin，將所選取的(9，R)中按9由小到大，依次將0對應(yīng)的R與Rmax和Rmin比較，將第一個落在Rmin±0. 3mm范圍的點記為S，從S開始，找到第一個落在Rmin±0. 3mm范圍的點并記為A，找到第一個超出Rmin±0. 3mm范圍的點記為B;則齒根位置的坐標(biāo)即為(0。，R。)，其中0 c = (Qa+Qb)/2,其中0aSA點所對應(yīng)的角度，e B為B點所對應(yīng)的角度，R。為e。所對應(yīng)的距離；計算出扭力軸齒根位置的坐標(biāo)(0 C Re)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床，其特征在于，所述液壓系統(tǒng)包括PID控制單元、液壓泵站、電液流量伺服閥以及壓力傳感器；其中液壓泵站輸出管路與電液流量伺服閥進油口相連，壓力傳感器位于電液流量伺服閥出油管路，且電液流量伺服閥出油管路與機床上滾壓頭的液壓缸相連，PID控制單元分別與壓力傳感器和電液流量伺服閥的控制端相連； PID控制單元根據(jù)壓力傳感器采集的壓力值，采用PID算法實現(xiàn)對電液流量伺服閥控制端的控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床，其特征在于，所述PID算法為根據(jù)當(dāng)前第K個采樣時刻壓力傳感器采集的壓力值V (K)，控制電液流量伺服閥出油口的油壓output (K);其中e (K) =C-V (K); 其中，C為根據(jù)電液流量伺服閥出油口所需的油壓設(shè)定的控制值，e (K)為第K個采樣時刻伺服端輸入的誤差值； 則輸出增量A output為A Output=KpX (e (K)-e (K-1))+Ki Xe (K)+Kd(e (K-2) Xe (K-1)+e(K-2));其中，e (K-1)為第(K-1)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，e (K_2)為第(K_2)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，output (K-1)為第(K-1)個采樣時刻控制單元輸出量；Kp=100為伺服端積分系數(shù)，Ki=50為伺服端比例系數(shù)，Kd=700為伺服端微分系數(shù)，則輸出量output (K)為output (K) =output (K_l) +A output。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于扭力軸滾壓加工的數(shù)控滾壓機床，該機床可以對扭力軸進行外圓滾壓和齒根滾壓，提高了滾壓加工的效率。其包括機床主體、外圓滾壓頭、齒根滾壓頭、內(nèi)置頂尖、內(nèi)花鍵卡套、連接機構(gòu)、測量系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)；本發(fā)明對扭力軸外圓進行滾壓時，由于需要扭力軸旋轉(zhuǎn)，因此利用卡套卡緊扭力軸，扭力軸隨卡套與氣動卡盤一起轉(zhuǎn)動，來實現(xiàn)對外圓的滾壓；本發(fā)明對扭力軸齒根進行滾壓時，由于需要扭力軸固定，因此利用氣動卡盤卡緊扭力軸，來實現(xiàn)對齒根的滾壓；因此本發(fā)明機床可實現(xiàn)對對扭力軸進行外圓滾壓和齒根滾壓，提高了滾壓的效率，減少占地面積，降低成本。
文檔編號B23P9/02GK103056589SQ201310027569
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者王西彬, 李忠新, 鄧三鵬, 焦黎, 梁志強, 郝娟, 孫宏昌, 裴家杰, 李運華 申請人:北京理工大學(xué)