滾珠螺母內(nèi)螺旋滾道的非接觸式自動對刀技術(shù)研究*

張傳劍，王禹林，韓 軍，馮虎田

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

滾珠螺母內(nèi)螺旋滾道的非接觸式自動對刀技術(shù)研究*

張傳劍，王禹林，韓 軍，馮虎田

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

與外螺紋的接觸式對刀不同，由于螺母結(jié)構(gòu)尺寸小且內(nèi)部空間非常有限，使得內(nèi)螺紋非接觸式自動對刀的方法研究和裝置設(shè)計難度較大。文章針對滾珠螺母內(nèi)螺旋滾道非接觸式自動對刀技術(shù)的原理進行了研究，并設(shè)計出了一種自動對刀模塊。其中，自動對刀方法可根據(jù)開關(guān)個數(shù)和電平變化類型分為兩種形式:單開關(guān)式(分為高低高、低高低兩種情況)和雙開關(guān)式(分為先低后高、先高后低兩種情況)，它們都是通過電平變化和位移測量的配合實現(xiàn)高效高精的砂輪對刀定位，在效率上雙開關(guān)式要優(yōu)于單開關(guān)式。文中所提出的非接觸式自動對刀方案對滾珠螺母的實際磨削加工有借鑒意義。

滾珠螺母;內(nèi)螺旋滾道;非接觸式對刀

0 引言

內(nèi)螺紋是滾珠螺母的重要結(jié)構(gòu)特征和機械要素，它對實現(xiàn)產(chǎn)品的功能(動力轉(zhuǎn)換功能、定位功能、速度功能、同步功能等)產(chǎn)生關(guān)鍵性作用［1］，因此，生產(chǎn)螺母時必須保證內(nèi)螺紋的精度。在螺母內(nèi)螺旋滾道的加工過程中，一般需要經(jīng)過砂輪的多次磨削才能達到加工要求，此時要注意讓每次磨削時的砂輪進刀點一致，否則會因為砂輪軌跡(起點、速度)的不同而造成螺紋亂扣［2］，損壞到已切好的螺紋溝槽，從而影響到螺母的內(nèi)螺紋精度，甚至導(dǎo)致工件失效報廢，所以在螺母磨削加工過程中必須對內(nèi)螺旋滾道進行準確高效的自動對刀。

目前，我國的生產(chǎn)廠家在滾珠螺母的磨削加工過程中，主要采用人工操作的接觸式方法對螺母內(nèi)螺旋滾道對刀［3-4］，存在著較多弊端:勞動強度大、對刀精度和效率不高、易受主觀因素影響以及工件的接觸傷害等;另一方面，數(shù)控機床中的自動對刀系統(tǒng)主要是針對外螺紋而設(shè)計的，且多基于接觸式的原理，例如周斌［5］等人:數(shù)控外螺紋磨床自動對刀裝置。由于對象的結(jié)構(gòu)特點明顯不同(滾珠螺母周向分布有反向器孔、螺母結(jié)構(gòu)尺寸小，內(nèi)部空間非常有限)，使得內(nèi)螺紋自動對刀的難度較外螺紋更為困難，傳統(tǒng)的接觸式自動對刀方法和模塊無法直接應(yīng)用于內(nèi)螺紋的自動對刀中。王禹林［6］等人:滾珠螺母螺旋內(nèi)滾道綜合誤差自動檢測裝置、胡大超［7］等人設(shè)計的內(nèi)螺紋測量方法及其裝置設(shè)計以及李恒［8］等人提出的非接觸式光纖內(nèi)螺紋測試裝置都是針對內(nèi)螺紋測量而進行的技術(shù)研究，但測量技術(shù)在原理和方法上與對刀有明顯差別，無法直接應(yīng)用。可見，以內(nèi)螺旋滾道為對象的非接觸式自動對刀在國內(nèi)研究較少，技術(shù)水平有限，有必要研究開發(fā)出螺母內(nèi)螺旋滾道非接觸式自動對刀的新方法，以促進滾珠螺母加工技術(shù)的發(fā)展。

1 自動對刀模塊的設(shè)計

本文設(shè)計了一種螺母內(nèi)螺紋的非接觸式自動對刀模塊，主要包括接近開關(guān)、支撐組件、平移定位組件以及控制與處理組件這幾大部分，如圖1所示，砂輪和氣缸支架固定在底座上，氣缸則固定在氣缸支架上，接近開關(guān)通過測桿固定在氣缸上，而測桿可隨氣缸活塞的運動實現(xiàn)伸縮動作;卡盤通過頭架與軸向(X方向)平移定位機構(gòu)固定，螺母則裝夾在卡盤上，可隨橫向(Y方向)平移定位機構(gòu)和軸向平移定位機構(gòu)實現(xiàn)水平面內(nèi)的位置調(diào)整;橫向平移定位機構(gòu)、軸向平移定位機構(gòu)、氣缸以及接近開關(guān)分別連接至數(shù)控系統(tǒng)。

圖1 螺母內(nèi)螺紋的非接觸式自動對刀模塊

2 非接觸式自動對刀的原理研究

2.1 接近開關(guān)的測量方向與分布形式

在螺母的磨削加工過程中，砂輪高速自轉(zhuǎn)，螺母每自轉(zhuǎn)一圈，同時勻速地軸向進給一個螺距，砂輪中心與螺母的中心軸線等高，如圖2所示的為砂輪磨削加工的示意圖，內(nèi)螺紋滾道與砂輪切削面相切。為避免“亂扣”，砂輪在每次磨削時都必須是從內(nèi)滾道螺旋線的起點切入，即要求對砂輪和內(nèi)螺紋相切處的內(nèi)螺旋滾道中心實現(xiàn)對刀定位，從而合理調(diào)整螺母位置令其內(nèi)滾道與砂輪切削面相切，使砂輪邊緣能夠處在正確的內(nèi)滾道螺旋線上。為方便對刀操作和數(shù)據(jù)處理，接近開關(guān)采用如圖3所示的測量方向:-Y方向，且測桿軸線與螺母中心軸線平行等高(正視圖(a)中，方向表現(xiàn)為由紙面里向外;右視圖(b)中，方向表現(xiàn)為水平向左)。

圖2 砂輪磨削加工滾珠螺母內(nèi)螺紋的示意圖

圖3 接近開關(guān)的測量方向

滾珠螺母內(nèi)螺旋滾道的非接觸式自動對刀方法根據(jù)接近開關(guān)的個數(shù)分為兩種:單開關(guān)式和雙開關(guān)式，其中，“雙開關(guān)式”中的兩個接近開關(guān)在測桿上的分布形式如圖4所示，兩個接近開關(guān)在平行于測桿軸線的方向上同軸排列，開關(guān)測頭相對放置，-X方向一側(cè)的為“前接近開關(guān)”，+X方向一側(cè)的為“后接近開關(guān)”。

圖4 “雙開關(guān)形式”下兩個接近開關(guān)的分布方式

接近開關(guān)采用的是PNP型開關(guān)產(chǎn)品。為了能夠令接近開關(guān)實現(xiàn)電平變化，要求開關(guān)與滾珠螺母內(nèi)螺紋小徑的徑向距離在接近開關(guān)的有效量程范圍內(nèi)、與內(nèi)螺紋大徑的徑向距離超出開關(guān)的有效量程。所以，在螺母軸向進給一個螺距距離的過程中，接近開關(guān)會有兩次電平的變化(即高電平轉(zhuǎn)低電平和低電平轉(zhuǎn)高電平)，該兩個電平變化點的位置與內(nèi)螺旋滾道中心有著固定的幾何關(guān)系(圖5a，c是單開關(guān)式情況，圖5b，d是雙開關(guān)式情況)，如圖5a，b所示，一種情況是兩電平變化點關(guān)于內(nèi)螺旋滾道中心所在的徑向平面對稱;另一種情況是兩電平變化點關(guān)于一個徑向平面對稱，而該徑向平面與內(nèi)螺旋滾道中心相距半個螺距，如圖5c，d所示。針對上述不同情況，可分別得到對應(yīng)的內(nèi)螺旋滾道中心位置。

圖5 電平變化點與內(nèi)螺紋滾道中心點的幾何位置關(guān)系

2.2 自動對刀的原理和步驟

滾珠螺母內(nèi)螺旋滾道的非接觸式自動對刀方法，具體地包括如下步驟:

(1)進行對刀前的準備工作:對數(shù)控系統(tǒng)進行初始化設(shè)置，把待測螺母裝夾到卡盤上，氣缸動作以伸出測桿，接近開關(guān)暫不工作，再橫向(+Y方向)平移螺母，使XY平面-Y方向上的內(nèi)螺紋滾道截線在橫向(Y方向)上符合接近開關(guān)的量程要求 (開關(guān)與內(nèi)螺紋小徑的徑向距離在接近開關(guān)的有效量程范圍內(nèi)，與內(nèi)螺紋大徑的徑向距離超出開關(guān)的有效量程)。

(2)螺母隨軸向平移定位機構(gòu)沿軸向(+X方向)進給:當內(nèi)螺旋滾道進入接近開關(guān)的測量范圍后，接通接近開關(guān)的電源，開關(guān)開始工作，隨著軸向平移定位機構(gòu)的繼續(xù)進給，接近開關(guān)將出現(xiàn)電平變化，此時數(shù)控系統(tǒng)記錄下當時的螺母軸向位移，如圖6所示為單開關(guān)形式的對刀方法:

1)高低高情況，S1為接近開關(guān)高電平轉(zhuǎn)低電平的瞬時螺母所對應(yīng)的位移，S2為低電平轉(zhuǎn)高電平的瞬時螺母所對應(yīng)的位移，此時XY平面-Y方向上的內(nèi)螺紋滾道截線中對應(yīng)的內(nèi)螺旋滾道中心軸向位移為:

2)低高低情況，S1為開關(guān)低電平轉(zhuǎn)高電平的瞬時螺母所對應(yīng)的位移，S2為高電平轉(zhuǎn)低電平的瞬時螺母所對應(yīng)的位移，此時對應(yīng)的內(nèi)螺紋滾道中心軸向位移為:其中t為滾珠螺母內(nèi)螺紋的螺距。對刀過程中，位移值都是在開關(guān)量變化瞬時，通過數(shù)控系統(tǒng)同步獲得的。在獲得兩個電平變化信息后，停止軸向自動進給，斷開接近開關(guān)的電源，氣缸動作以收回測桿。

圖6 單開關(guān)形式的對刀方法

圖7 雙開關(guān)形式的對刀方法

對于雙開關(guān)形式的對刀方法，如圖7所示，也分兩種情況:(a)先低后高，S1為前開關(guān)在低電平轉(zhuǎn)高電平的瞬時螺母所對應(yīng)的位移，S2為后開關(guān)在高電平轉(zhuǎn)低電平的瞬時螺母所對應(yīng)的位移，此時對應(yīng)的內(nèi)螺紋滾道中心軸向位移為:

其中t為滾珠螺母內(nèi)螺紋的螺距，L為兩個接近開關(guān)測頭中心的間距，且1.7t〈=L〈=1.8t(L值的確定是為了保證前后開關(guān)能遇到不同的電平變化類型，這樣就可以利用到電平變化點與滾道中心的幾何關(guān)系，否則相同類型的電平變化點無法確定中心位移值，如圖8所示，(a)為L值過大的情況下，前后接近開關(guān)分別在相應(yīng)位置出現(xiàn)相同類型的電平變化，(b)為L值過小的情況)，另外需要說明的是，左邊開關(guān)為前開關(guān)，右邊開關(guān)為后開關(guān);(b)先高后低，S1為前開關(guān)在高電平轉(zhuǎn)低電平的瞬時螺母所對應(yīng)的位移，S2為后開關(guān)在低電平轉(zhuǎn)高電平的瞬時螺母所對應(yīng)的位移，此時對應(yīng)的內(nèi)螺紋滾道中心軸向位移為:

圖8 L值過大或過小的對刀效果

圖9 自動對刀流程圖

雙開關(guān)式對刀方法要求先記錄前開關(guān)電平變化時的位移，再記錄后開關(guān)電平變化時的位移，如果后開關(guān)優(yōu)先于前開關(guān)遇到電平變化，不予考慮，即必須以前開關(guān)的電平變化為起點。相對于單開關(guān)式對刀方法，雙開關(guān)式在效率上更勝一籌，這是由于在前開關(guān)經(jīng)歷一次電平變化后，后開關(guān)會在前開關(guān)再次電平變化之前遇到電平的變化，所以對刀過程的時間更短，效率更高。

數(shù)控系統(tǒng)處理電平與位移信息，判斷兩次電平變化的類型以區(qū)別出具體屬于哪一種情形，依據(jù)計算方法得到XY平面-Y方向上的內(nèi)螺紋滾道截線中對應(yīng)的內(nèi)螺旋滾道中心軸向位移S，再進行合理的數(shù)據(jù)修正S+S±nt(其中，S為對刀過程中的接近開關(guān)測頭與砂輪中心徑向平面間的軸向距離，n為整數(shù)，t為滾珠螺母內(nèi)螺紋的螺距)，得到的數(shù)據(jù)值需要符合實際加工要求。根據(jù)最終的砂輪對刀定位值，螺母隨平移定位機構(gòu)自動平移至正確的砂輪磨削起點位置。

上述過程中，接近開關(guān)的電源控制、軸向平移定位機構(gòu)與橫向平移定位機構(gòu)的進給以及數(shù)據(jù)的分析與處理都是通過該模塊的數(shù)控系統(tǒng)完成的。

如圖9所示為整個自動對刀過程的流程圖。

3 結(jié)束語

本文主要就滾珠螺母內(nèi)螺旋滾道非接觸式自動對刀技術(shù)的原理進行了研究，針對不同的接近開關(guān)個數(shù)提出了兩種對刀形式:單開關(guān)形式和雙開關(guān)形式，同時根據(jù)不同的電平變化類型又分別劃分了兩種情況。依據(jù)原理研究的對刀方法，本文還設(shè)計出相關(guān)的對刀模塊及其對刀工作步驟，該自動對刀方法和模塊是能夠?qū)崿F(xiàn)高效高精的砂輪對刀定位，可以應(yīng)用到實際的滾珠螺母內(nèi)螺紋磨削加工過程中。

［1］黃祖堯.滾珠絲杠螺紋制造技術(shù)向高效、低耗、綠色方向發(fā)展(上)［J］. 金屬加工，2010(20):14-17.

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The Study of Automatic Non-contact Positioning Technology for Grinding Wheels to the Internal Thread of Ball Nuts

ZHANG Chuan-jian，WANG Yu-lin，HAN Jun，F(xiàn)ENG Hu-tian
(Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

Compared to the contact-mode positioning of grinding wheels to the external thread，it’s harder to study the method and design the device of automatic non-contact positioning to the internal thread，because screw nuts’structure size is small and the inner space is limited.Contraposed the automatic noncontact positioning technology to the internal thread of ball nuts，the paper does research on its principle and designs a related positioning module.According to the number of approach switches and the type of level fluctuation，the positioning method is divided into two forms:Single(high-low-high，low-highlow)and Double(low-high，high-low)，both of them depend on the cooperation of level fluctuation and displacement measurement to position for grinding wheels efficiently and high precisely，Double’s efficiency is higher than Single’s.The non-contact positioning solution in this paper has useful reference to the practical grind of ball nuts.

ball nuts;internal thread;non-contact positioning for grinding wheels

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)11-0083-04

2012-04-24

國家科技重大專項(2011ZX04003-021)

張傳劍(1987—)，男，江蘇高郵人，南京理工大學碩士研究生，主要研究方向為機電控制，(E-mail)sevenvista@163.com;通訊作者:王禹林(1981—)，男，南京人，南京理工大學機械工程學院教師，研究方向為螺紋加工，精密測控技術(shù)，(E-mail)wyl_sjtu@126.com。

(編輯 李秀敏)