一种轴承齿轮复合磨削中心的制作方法

本发明属于精密磨削加工领域，更具体而言，涉及一种轴承齿轮复合磨削中心。

背景技术：

1、随着工业机器人向高精度、高刚性、轻量化方向发展，机器人关节减速器（如rv减速器、谐波减速器、行星减速器）中的关键零件呈现出显著的集成化趋势——轴承滚道与齿轮齿面往往集成为同一构件，或要求两者具有极高的同轴度与相对位置精度。例如，谐波减速器的刚轮集成了内齿圈与轴承安装基准面，rv减速器的针齿壳集成了内针齿槽与主轴承定位孔/端面，行星减速器的内齿圈集成了内齿与内孔轴承滚道。

2、与此同时，人形机器人产业的快速发展对齿轮提出了小型化、轻量化、高精度的全新要求：齿轮模数极小化（最小模数可达0.05mm），柔轮壁厚极薄化（仅0.2-0.8mm），齿形误差需控制在3-5微米以内。微型齿轮的二次装夹找正极为困难，薄壁结构在多次装夹中极易变形或损伤。

3、然而，传统加工模式下，上述零件的加工存在以下突出问题：

4、第一，功能单一，设备投入大。齿轮的齿型磨削（包括直齿和斜齿）依赖齿轮磨床，内孔、外圆、端面等基准面的磨削依赖万能磨床或内圆磨床，轴承沟道的磨削依赖轴承专用磨床。完成一个集成化构件的全部加工，通常需要多台不同功能的设备，导致生产线缺乏紧凑性，增加了设备投入成本和占地面积。

5、第二，多次装夹导致基准离散，精度难以保证。工件在多台设备之间流转时，需多次装夹和反复对刀，不仅造成基准安装的累计误差增大，也增加了基准面损伤的概率。特别是对于内齿轮与轴承一体化的复合构件，内齿分度圆与轴承回转中心的同心度要求极为严格——在谐波减速器中，这一同心度偏差会直接导致刚轮与柔轮的啮合干涉，决定减速器的寿命和承载能力；在rv减速器中，针齿槽位置度与轴承孔同心度的偏差会导致转矩波动；在行星减速器中，齿圈与轴承滚道的偏心会导致行星轮啮合不均，产生噪声及背隙增大。传统分序加工模式无法从根本上消除这一误差。

6、第三，难以适应齿轮小型化趋势。对于模数极小、壁厚极薄的微型齿轮，二次装夹找正本身即是巨大的精度损失源，且多次装夹极易导致薄壁件变形或基准面损伤。

7、第四，现有立式复合磨床存在结构性的技术缺陷。目前市场上已有的齿轮复合磨床大多采用立式布局，其z轴进给由砂轮主轴沿立柱上下运动实现。这种立式结构存在以下固有缺陷：

8、运动部件惯量大：砂轮主轴、驱动电机及滑板的总质量可达数百公斤，大惯量导致加减速响应滞后，难以实现高精度的进给控制，且上下高速运动时振动明显，限制了磨削精度的进一步提升。

9、z轴运动受重力影响：上行与下行时受力不对称，导致正反向进给精度不一致；且随着砂轮主轴在不同高度位置悬伸，立柱刚性发生变化，难以在全行程范围内保持一致的精度。

10、双主轴配置需两套z轴：当机床需要配置两个砂轮主轴时，立式结构通常需要两套独立的z轴驱动系统或复杂的换主轴机构，两套z轴之间的制造、装配及热变形差异会引入双轴同步误差，直接影响加工精度。

11、维修困难，对用户要求高：砂轮主轴、z轴滑板及导轨滑块等核心部件均位于立柱高位（通常2-4米），维修、更换或精度调整时必须使用天车或大型吊车，不仅要求用户具备重型吊装设备和持证操作人员，还因吊装作业安全要求严格、工序繁琐，导致设备维修周期长、停机损失大。

12、制造成本和安装成本高：高大的立柱和悬臂结构导致铸件复杂、用材多、装配难度大；重心高、悬臂负载大，对地基的承载力和稳定性要求极为严格，通常需深挖地基加厚重混凝土基础，设备制造成本和用户安装成本居高不下。

13、例如，专利号为cn104889863a公开了一种大型高精度齿轮复合磨削中心，其采用立式布局，通过外齿磨削功能模块和内齿磨削功能模块实现齿轮的一次装夹加工，可完成齿面、内孔和端面的磨削。然而，该方案仍存在以下不足：（1）采用立式布局，z轴运动部件为砂轮主轴及滑板，总质量可达数百公斤，运动惯量大，加减速响应滞后，且z轴上行与下行时受力不对称，正反向进给精度不一致；（2）仅针对齿轮本身的齿型、内孔和端面加工，未涉及轴承套圈沟道的成型磨削，无法满足机器人减速器中“齿轮+轴承”一体化复合构件的加工需求；（3）未设置可切换直齿与斜齿加工的摆角装置，加工柔性受限，无法适应直齿与斜齿的灵活切换；（4）其双主轴配置需两套独立的z轴驱动系统或复杂的换主轴机构，两套z轴之间的制造、装配及热变形差异会引入双轴同步误差。

14、第五，劳动强度大、效率低下。操作人员需掌握多台设备的操作技能，在多台设备间重复装夹、对刀，严重制约了生产效率。

15、目前，市场上尚无一种能够打破轴承与齿轮行业壁垒，在同一台设备上、以同一装夹基准完成轴承滚道精密成型磨削、齿轮齿面展成磨削、内外圆基准磨削，并适应直齿/斜齿柔性切换及偏心结构加工的复合磨削中心。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种轴承齿轮复合磨削中心，旨在通过优化机床结构，实现工件一次装夹完成轴承沟道磨削、齿轮齿型磨削及基准面磨削的多工序复合加工，并通过摆角机构实现直齿和斜齿的柔性切换，从而减少设备投入、消除基准转换误差、提升加工效率和精度。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种轴承齿轮复合磨削中心，包括床身，所述床身上设置有z向传动机构和x向传动机构，所述z向传动机构上设置有工件主轴，所述工件主轴用于装夹并驱动工件旋转，其特征在于，所述磨削中心采用卧式布局，所述工件主轴通过所述z向传动机构沿z轴方向移动，所述x向传动机构上固定设置有x轴滑板，所述x轴滑板上设置有第一主轴和第二主轴，所述第一主轴和所述第二主轴沿z轴方向固定设置于所述x轴滑板上，通过所述工件主轴的z向移动实现与所述第一主轴或所述第二主轴的位置切换；

4、所述第一主轴被配置为加工主轴，至少用于对工件的安装基准面进行磨削加工，或通过安装成型砂轮对轴承套圈的沟道进行成型磨削加工；

5、所述x轴滑板上且位于所述第一主轴的一侧设置有沿y轴方向升降的升降机构，所述升降机构上设置有第二主轴，所述第二主轴被配置为齿型加工主轴，用于对齿轮工件的齿型进行磨削加工；

6、所述升降机构上还设置有摆角装置，所述第二主轴通过所述摆角装置可摆动调节，以使所述第二主轴可切换至与直齿加工相对应的角度或与斜齿加工相对应的角度；

7、所述第一主轴与所述第二主轴被配置为：在所述工件主轴的一次装夹下，所述第一主轴先对工件的安装基准面进行磨削加工，随后所述第二主轴以该安装基准面为定位基准对齿轮工件的齿型进行磨削加工。

8、作为一种并列的技术方案，一种轴承齿轮复合磨削中心，包括床身，所述床身上设置有z向传动机构和x向传动机构，所述z向传动机构上设置有工件主轴，所述工件主轴用于装夹并驱动工件旋转，所述磨削中心采用卧式布局，所述工件主轴通过所述z向传动机构沿z轴方向移动，所述x向传动机构上固定设置有x轴滑板，所述x轴滑板上设置有第一主轴和第二主轴，通过所述工件主轴的z向移动实现与所述第一主轴或所述第二主轴的位置切换；所述第一主轴被配置为加工主轴，至少用于对工件的安装基准面进行磨削加工，或通过安装成型砂轮对轴承套圈的沟道进行成型磨削加工；所述x轴滑板上还设置有升降机构和摆角装置，所述第二主轴通过所述升降机构可沿y轴方向升降，且所述第二主轴通过所述摆角装置可摆动调节角度，以切换磨削直齿或斜齿；所述第一主轴与所述第二主轴被配置为：在所述工件主轴的一次装夹下，所述第一主轴先对工件的安装基准面进行磨削加工，随后所述第二主轴以该安装基准面为定位基准对齿轮工件的齿型进行磨削加工。

9、进一步地，所述第二主轴通过所述摆角装置摆动至第一角度时，所述第二主轴用于磨削直齿齿轮；所述第二主轴通过所述摆角装置摆动至第二角度时，所述第二主轴用于磨削斜齿齿轮。

10、进一步地，所述摆角装置包括摆动驱动机构和锁紧机构，所述摆动驱动机构用于驱动所述第二主轴摆动至预定角度，所述锁紧机构用于在摆动到位后将所述第二主轴锁紧固定。

11、进一步地，所述摆角装置还包括摆角主体、摆角轴和摆角转动板，所述摆角主体固定安装在所述升降机构上，所述摆角主体通过所述摆角轴与所述摆角转动板转动连接，所述第二主轴固定设置在所述摆角转动板上，所述摆动驱动机构为摆动驱动电机，用于驱动所述摆角转动板绕所述摆角轴摆动至预定角度。

12、进一步地，所述床身上固定设置有自动刀库，所述自动刀库设置在所述x向传动机构的一侧，用于为所述第一主轴自动更换刀具或砂轮。

13、进一步地，所述z向传动机构上固定设置有第一砂轮修整器，所述第一砂轮修整器设置在所述工件主轴的一侧，用于修整所述第二主轴上的齿型磨削砂轮。

14、进一步地，所述升降机构包括升降台和升降驱动装置，所述升降台通过所述升降驱动装置与所述x向传动机构相连接，所述升降驱动装置用于驱动所述升降台沿y轴方向升降。

15、进一步地，所述工件主轴上固定设置有第二砂轮修整器，所述第二砂轮修整器设置在所述工件主轴远离所述第一砂轮修整器的一侧，用于修整所述第一主轴上的砂轮。

16、进一步地，所述z向传动机构包括z轴滑板和z轴驱动装置，所述z轴驱动装置与所述z轴滑板相连接，以驱动所述z轴滑板沿z轴方向来回移动，所述工件主轴固定设置在所述z轴滑板上；所述x向传动机构包括x轴滑板和x轴驱动装置，所述x轴驱动装置与所述x轴滑板相连接，以驱动所述x轴滑板沿x轴方向来回移动，所述第一主轴和所述第二主轴均设置在所述x轴滑板上。

17、进一步地，所述z轴滑板与所述x轴滑板上均开设有若干固定孔，用于调节各主轴的安装位置。

18、进一步地，所述第一砂轮修整器和/或所述第二砂轮修整器被配置为采用成型修整模式或数控插补修整模式对砂轮进行修整，两种修整模式可根据加工需求切换使用。

19、进一步地，所述数控插补修整模式通过所述第一砂轮修整器和/或所述第二砂轮修整器沿至少两个坐标轴的联动运动，按照数控程序轨迹对砂轮轮廓进行修整。

20、进一步地，所述第二主轴上安装有外齿磨削砂轮，用于磨削外齿轮的齿型。

21、进一步地，所述第二主轴上安装有内齿磨削砂轮，所述第二主轴在所述x向传动机构和所述z向传动机构的联动驱动下移动至齿轮工件的内孔中，用于磨削内齿轮的齿型。

22、进一步地，所述第一主轴上安装有成型磨削砂轮，所述第一主轴被配置为通过成型磨削方式对工件的圆柱内圆、圆柱外圆进行磨削加工，和/或对轴承工件的轴承沟道进行成型磨削加工。

23、进一步地，所述轴承沟道包括深沟球轴承沟道、角接触球轴承沟道或圆柱滚子轴承滚道。

24、进一步地，所述第一主轴通过更换不同类型或轮廓的成型砂轮，可在同一机床上择一地执行齿轮内孔磨削、齿轮外圆磨削、轴承内圈沟道磨削和轴承外圈沟道磨削。

25、进一步地，所述第一主轴通过x向传动机构、z向传动机构与工件主轴的数控联动，对工件上的偏心孔和/或偏心外圆进行随动跟踪磨削。

26、进一步地，所述工件为摆线减速器的摆线轮，所述第一主轴对所述摆线轮上的一个或多个偏心孔进行磨削，所述第二主轴对所述摆线轮的外摆线齿廓进行磨削。

27、进一步地，所述第一主轴通过更换不同规格的砂轮或调整数控联动参数，适应不同偏心距的摆线轮加工。

28、进一步地，所述磨削中心用于加工内齿轮与轴承一体化的复合构件，所述复合构件至少集成有内齿轮齿面与轴承安装基准面；所述第一主轴加工所述轴承安装基准面，所述第二主轴加工所述内齿轮齿面，两者在所述工件主轴的一次装夹下完成，以保证所述内齿轮齿面的分度圆与所述轴承安装基准面的回转中心之间的同心度。

29、进一步地，所述复合构件为谐波减速器的刚轮、rv减速器的针齿壳或行星减速器的内齿圈。

30、进一步地，所述磨削中心用于加工模数不大于1mm的微型齿轮，所述第一主轴加工所述微型齿轮的安装基准面，所述第二主轴加工所述微型齿轮的齿型，两者在一次装夹下完成。

31、进一步地，所述微型齿轮为人形机器人关节减速器中的薄壁齿轮构件，所述薄壁齿轮构件的壁厚不大于1mm。

32、进一步地，所述z向传动机构的z轴运动方向与重力方向垂直，所述z向传动机构的运动部件为所述工件主轴及所装夹的工件，以减小z轴运动惯量并消除重力对进给精度的影响。

33、一种轴承齿轮复合磨削方法，采用如上所述的轴承齿轮复合磨削中心，其特征在于，包括以下步骤：

34、s1：将工件装夹于所述工件主轴上；

35、s2：通过所述第一主轴对工件的安装基准面进行磨削加工，建立后续齿型加工的定位基准；

36、s3：通过所述升降机构将所述第二主轴沿y轴方向升降至工作位置；

37、s4：通过所述摆角装置将所述第二主轴摆动至与直齿加工相对应的第一角度或与斜齿加工相对应的第二角度；

38、s5：通过所述第二主轴以步骤s2所加工的安装基准面为定位基准，对工件的齿型进行磨削加工。

39、本发明上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

40、通过将第一主轴和第二主轴集成于同一x向传动机构上，配合z向传动机构，使机床能够在不改变工件装夹的情况下，依次完成轴承沟道成型磨削、基准面磨削（内孔、外圆、端面）以及齿轮齿型磨削等多道工序。特别是当先加工安装基准再以该基准为基准加工齿型或轴承沟道时，可有效保证各特征之间的同心度和位置精度。这种“基准同源”的加工方式，是从加工原理层面解决微型化齿轮精度难题的根本途径。

41、柔性切换直齿与斜齿加工：通过在升降机构上设置摆角装置，第二主轴可灵活摆动至不同角度，无需更换设备或增加额外分度机构即可实现直齿和斜齿的磨削切换，大幅拓展了机床的加工范围和柔性，适应多品种、小批量的齿轮生产需求。

42、自动化程度高：通过设置自动刀库，第一主轴可根据加工需要自动更换不同类型的刀具或砂轮，从而实现内孔磨削、外圆磨削、端面磨削、轴承沟道成型磨削等多种工序的灵活切换，进一步拓展了机床的复合加工能力。

43、磨削精度保持性好：通过设置第一砂轮修整器和第二砂轮修整器，分别对齿型磨削砂轮和其他砂轮进行独立修整，且修整器兼容成型修整和数控插补修整两种模式，可根据不同的齿轮品种和批量灵活选择最合适的修整方式，保证砂轮始终处于最佳工作状态，确保磨削质量和加工稳定性。

44、结构紧凑，节省空间：将轴承加工、齿轮加工及基准加工集成于一台设备，显著减少了设备占地面积和生产线长度，降低了企业的厂房和运营成本。

45、特别适应机器人行业齿轮与轴承一体化的趋势：对于谐波减速器刚轮、rv减速器针齿壳、行星减速器内齿圈等内齿轮与轴承一体化的复合构件，本发明通过一次装夹、基准统一的工艺逻辑，从物理上保证了内齿分度圆与轴承回转中心的同轴度，为国产高精度机器人减速器打破国外垄断提供了核心工艺装备支撑。

46、特别适应人形机器人齿轮小型化的趋势：对于模数极小、壁厚极薄的微型齿轮，本发明避免了二次装夹带来的找正困难和变形风险，是面向人形机器人产业的精密制造基础设施。

47、采用卧式布局，具有显著的技术与经济双重优势：在技术层面，工件主轴沿z轴移动，运动部件仅为工件主轴及所装夹的工件，惯量小、动态响应快；z轴运动方向与重力方向垂直，正反向进给精度一致，不受重力干扰；双主轴（第一主轴和第二主轴）固定于同一x向滑板上，共享同一z向传动机构，无需两套z轴同步，从根本上消除了双轴同步误差。在经济层面，卧式床身结构规整、铸件简单、用料少；导轨及驱动系统无需承载大悬臂负载，可选用较小规格，电机扭矩需求小；整机重心低、几何精度调整简便，安装调试周期短；地基要求低，可在标准厂房地面安装，无需深挖基础。

48、维护简便、用户友好性好：所有核心部件（第一主轴、第二主轴、x向传动机构、升降机构等）均布置于床身地面附近高度，操作人员无需登高作业即可进行日常检查、润滑、精度调整和部件更换。当需要拆卸主轴、丝杆或导轨滑块等部件时，普通叉车即可完成辅助吊运，完全无需依赖天车或大型吊装设备。这一特点显著降低了设备维修的技术门槛，缩短了维修停机时间，使本发明的复合磨削中心具有极高的用户友好性和市场可及性，尤其适用于不具备重型吊装条件的广大中小型制造企业。