一种基于大数据处理的数控旋分刮齿机

本发明涉及数控加工，具体涉及一种基于大数据处理的数控旋分刮齿机。

背景技术：

1、齿轮加工技术主要分为展成法（如滚齿、插齿）与成形法（如铣齿、拉齿）两大类别，这些传统工艺经过长期发展已形成成熟体系，广泛应用于通用机械制造领域。然而，随着航空、航天、新能源汽车及精密减速器等高端装备的快速发展，传统齿轮加工方法在特定场景下的技术短板日益凸显，具体表现在：空间限制与结构约束、加工效率与成本瓶颈和复杂齿形适应性不足。在此背景下，刮齿技术应运而生。该技术通过刀具与工件的连续展成-切削复合运动，突破空间干涉限制，实现无退刀槽内齿、大螺旋角斜齿（β≤45°）及复杂修形齿轮的一次性精密加工。相较于传统工艺，刮齿技术可达成以下突破性改进：空间适应性、效率提升、精度突破和成本优化。这一技术革新正推动齿轮加工从“分序制造”向“集约化精密制造”跨越，为高精度传动系统的轻量化、高效化提供核心工艺支撑。

2、公开号为cn103551672a的中国专利，公开了一种圆柱齿轮剐齿刀具，可以加工各种内齿直齿、外齿直齿、斜齿圆柱齿轮。但是齿轮有多种类型，依据轮齿的位置，可分为内齿轮（轮齿在内圆上）和外齿轮（轮齿在外圆上），现有的一台刮齿机仅能加工内齿轮或外齿轮中的一种，加工两种齿轮时，需要配置两台不同型号的刮齿机，两台刮齿机的型号不同，其维护要求可能不同，不便于维护。

3、公开号为cn107931740a的中国专利，公开了一种数控旋分刮齿机，通过数控化与多轴协同显著提升了加工精度和适用范围，尤其适合复杂内齿加工场景。但高复杂度与成本可能限制其在中低端市场的应用，更适合高精度要求的汽车、航空航天等领域。

4、在公开号为cn110899859a的中国专利，其公开了一种数控旋分刮齿机，通过多轴联动和数控系统控制，实现了齿轮加工的同步旋转分度与切削，显著提升了加工效率和精度。适用于航空、汽车（如变速器齿轮）、风电等行业的高精度齿轮批量生产，推动齿轮加工向智能化、高效化发展。

5、尽管上述技术方案解决了对应的技术问题，但是上述技术方案还存在如下缺陷：现有刮齿机难以实现多类型齿轮加工且设备养护成本较高，从而影响工作效率，并且还会因为养护成本高出现影响刮齿机加工精度。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种基于大数据处理的数控旋分刮齿机，用于提高齿轮加工精度和工作效率，并能够实现多种类型齿轮的大规模生产。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于大数据处理的数控旋分刮齿机，包括：

3、工件夹持系统，用于夹持工件并且清理待加工面和已加工面上的切屑和毛刺；

4、工件加工系统，用于加工工件并实时采集加工过程中切削力和切削温度；

5、自动换刀系统，用于切换刀具；

6、自动上下料系统，用于毛坯件自动上料和已加工件自动下料；

7、自动排屑系统，用于清理加工过程产生的切屑；

8、控制系统，用于基于大数据调控加工参数。

9、进一步，工件夹持系统包括空心主轴、夹具-x轴高精度滚珠丝杠滑台和夹具-y轴高精度滚珠丝杠滑台，空心主轴设置于夹具-x轴高精度滚珠丝杠滑台上，夹具-x轴高精度滚珠丝杠滑台内部设置有夹具-x轴光栅尺，夹具-x轴高精度滚珠丝杠滑台设置于夹具-y轴高精度滚珠丝杠滑台上，夹具-y轴高精度滚珠丝杠滑台内部设置夹具-y轴光栅尺；

10、空心主轴一端设置有夹具-电机并与夹具-电机的输出端连接，空心主轴另一端设置有工件夹具；

11、空心主轴内部设置有二氧化碳可伸缩导管，二氧化碳可伸缩导管一端连通设置有二氧化碳存储罐，二氧化碳可伸缩导管一端另一端连通设置有二氧化碳可调节方向喷嘴。

12、进一步，自动换刀系统包括圆形刀库和换刀-可旋转圆台，圆形刀库用于设置备用刀具，圆形刀库一端设置有换刀-机械臂，换刀-机械臂的输出端设置有换刀-机械爪手，换刀-机械臂设置于换刀-可旋转圆台上。

13、进一步，工件加工系统包括超高速振动电主轴和刀具-z轴高精度滚珠丝杠滑台，超高速振动电主轴的输出端连接有智能刀柄，智能刀柄内部设置温度传感器、力传感器和振动传感器，智能刀柄远离超高速振动电主轴一端连接有加工刀具，刀具-z轴高精度滚珠丝杠滑台上设置有可旋转凸台，超高速振动电主轴设置于可旋转凸台上，刀具-z轴高精度滚珠丝杠滑台内部设置刀具-z轴光栅尺。

14、进一步，自动排屑系统包括高压风机漩涡气泵，高压风机漩涡气泵连通有切屑收集箱。

15、进一步，自动上下料系统包括物料传送带和自动上下料六轴机械臂，物料传送带用于输送毛坯件和已加工件，自动上下料六轴机械臂的输出端设置有自动上下料机械抓手，自动上下料机械抓手用于抓取毛坯件进行上料和抓取已加工件进行下料。

16、进一步，控制系统用于包括获取加工过程中工件的增量角速度：

17、

18、式中，为工件的增量角速度，表示由于轴向进给引起的额外旋转速度；为刮齿刀的轴向进给速度，即刀具沿工件轴线方向的移动速度；工件的节圆螺旋角，描述齿轮齿的倾斜程度；工件的法向模数，表示齿轮齿的基本尺寸参数；工件的齿数；

19、刀具提供增量运动时，基于工件的增量角速度控制工件夹持系统调控工件角速度：

20、

21、工件提供增量运动时，基于工件的增量角速度控制工件加工系统调控刀具角速度：

22、

23、式中，为工件角速度、为刀具角速度为加工刀具齿数。

24、进一步，控制系统用于计算刀具和工件的螺旋角、导程、齿数比：

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30、

31、其中，为工件的节距圆螺旋角，为工件节距圆半径，为工件导程，为工件分度圆螺旋角，为工件分度圆半径，为产形轮节距圆螺旋角，为产形轮节距圆半径，为产形轮导程，为产形轮分度圆螺旋角，为产形轮分0度圆半径，为工件齿数，为产形轮齿数，为工件齿根圆半径，为刮齿刀齿顶圆半径，为工件与刀具的中心距；

32、控制自动换刀系统切换对应的刀具，控制工件夹持系统和工件加工系统调节刀具和工件的螺旋角和导程。

33、进一步，控制系统用于基于刮齿面参数方程计算理论齿面：

34、

35、式中，为极径，为初始夹角，为边缘参数，为导程，为转角；

36、生成齿轮的理想齿廓作为实际加工的目标参考，通过最小二乘法拟合理论齿面，量化实际加工误差；还用于结合刀具运动模型模拟刀具与工件的相对运动轨迹，验证当前加工参数的加工可行性。

37、进一步，控制系统用于计算刀具的主刀刃参数：

38、

39、式中，为主刀刃上某一点在坐标系的矢量，为角度参数，为刀具半径，刀具刀齿的轴向宽度增量，为随变化的主刀刃轴向轮廓基准半径，为变化的主刀刃轴向基准偏移量；

40、基于主刀刃参数主刀刃在切削过程中的实际位置，判断切削过程中主刀刃是否会与工件非切削区域发生碰撞。

41、上述方案的技术原理及有益效果如下：

42、1、本发明，工件夹持系统通过空心主轴、二氧化碳代替切削液等技术对加工表面进行处理，显著提升了机床的动态性能、冷却效率和自动化水平，根据气态二氧化碳的独特物理化学特性，co2通过极效冷却、惰性保护、高压排屑三大核心机制，解决了高精度、难加工材料的关键工艺痛点，同时契合绿色制造趋势。

43、工件加工系统通过超高速振动电主轴和智能刀柄的技术对切削力、切削温度等加工参数进行调控，超高速振动电主轴其通过高频微振动+超高转速的协同效应，实现了“低温、低力、高精度”加工，彻底突破了难切削材料、微纳制造的工艺瓶颈。

44、智能刀柄其通过内部温度传感器、力传感器、振动传感器实时监控传输加工参数，在控制系统的加工参数数据库分析处理下实时调节加工参数，提高加工精度，减少刀具磨损，增加刀具寿命。

45、自动换刀系统通过plc控制的机械抓手进行自动换刀，减少了人工换刀的复杂费时的步骤，提高工作效率，保证生产任务。

46、2、本发明，针对切屑在高压二氧化碳气体下出现扬尘的问题，本发明采用了自动排屑系统，其通过高压风机漩涡气泵产生压力差将扬尘的切屑收集到切屑收集箱中，防止扬尘的切屑对加工表面进行二次损失，提高工件加工精度，防止细小切削损失基于大数据下数控旋分刮齿机其他结构，提高机床工作年限，减少加工成本。

47、3、本发明，采用全自动化生产线，可自动完成，上料、装夹、加工、下料、换刀等工序，通过环节无缝衔接显著提高生产效率。控制系统通过智能刀柄上的温度传感器、力传感器、振动传感器传输的数据生成加工参数数据库，其通过加工时数据反馈，分析刀具、夹具磨损情况和切削温度实时调节二氧化碳的流量。

48、4、本发明，设有机械手，能够利用机械手实现自动上下料，无需人工运送，自动化程度高，提高了工作效率，降低了工作人员的劳动强度。

49、5、本发明，引入工件的增量角速度、理论刮齿面参数方程和主刀刃参数方程，引入工件的增量角速度公式，减少工件和刀具碰撞、加工出的齿轮齿廓不准确和表面质量下降的问题，实时调整工件旋转速度，使其与刀具的运动匹配，从而保证加工精度和工件表面质量。引入理论刮齿面参数方程，描述理论齿面几何形状，该方程通过极坐标和螺旋运动参数，精确表达了刮齿加工中理论齿面（渐开螺旋面）的几何形态、用于生成齿轮的理想齿廓（如渐开线或螺旋齿面），作为实际加工的目标参考。建立加工基准，通过最小二乘法拟合理论齿面，可量化实际加工误差（如齿形偏差、导程偏差）、为后续误差分析（如干涉检查、精度优化）提供数学模型，运动学仿真基础。结合刀具运动模型，可模拟刮齿刀与工件的相对运动轨迹，验证加工可行性。提高工件加工精度和表面质量，引入主刀刃参数方程，定义刀具切削刃几何形状，精确描述刮齿刀主刀刃的空间曲线，包括前刀面、后刀面与产形轮齿面的交线、确保刀刃与齿轮齿面共轭。干涉分析与优化，通过该方程可计算刀刃在切削过程中的实际位置，判断是否与工件发生碰撞。