张传剑，王禹林，韩 军，冯虎田

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

滚珠螺母内螺旋滚道的非接触式自动对刀技术研究*

张传剑，王禹林，韩 军，冯虎田

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

与外螺纹的接触式对刀不同，由于螺母结构尺寸小且内部空间非常有限，使得内螺纹非接触式自动对刀的方法研究和装置设计难度较大。文章针对滚珠螺母内螺旋滚道非接触式自动对刀技术的原理进行了研究，并设计出了一种自动对刀模块。其中，自动对刀方法可根据开关个数和电平变化类型分为两种形式:单开关式(分为高低高、低高低两种情况)和双开关式(分为先低后高、先高后低两种情况)，它们都是通过电平变化和位移测量的配合实现高效高精的砂轮对刀定位，在效率上双开关式要优于单开关式。文中所提出的非接触式自动对刀方案对滚珠螺母的实际磨削加工有借鉴意义。

滚珠螺母;内螺旋滚道;非接触式对刀

0 引言

内螺纹是滚珠螺母的重要结构特征和机械要素，它对实现产品的功能(动力转换功能、定位功能、速度功能、同步功能等)产生关键性作用［1］，因此，生产螺母时必须保证内螺纹的精度。在螺母内螺旋滚道的加工过程中，一般需要经过砂轮的多次磨削才能达到加工要求，此时要注意让每次磨削时的砂轮进刀点一致，否则会因为砂轮轨迹(起点、速度)的不同而造成螺纹乱扣［2］，损坏到已切好的螺纹沟槽，从而影响到螺母的内螺纹精度，甚至导致工件失效报废，所以在螺母磨削加工过程中必须对内螺旋滚道进行准确高效的自动对刀。

目前，我国的生产厂家在滚珠螺母的磨削加工过程中，主要采用人工操作的接触式方法对螺母内螺旋滚道对刀［3-4］，存在着较多弊端:劳动强度大、对刀精度和效率不高、易受主观因素影响以及工件的接触伤害等;另一方面，数控机床中的自动对刀系统主要是针对外螺纹而设计的，且多基于接触式的原理，例如周斌［5］等人:数控外螺纹磨床自动对刀装置。由于对象的结构特点明显不同(滚珠螺母周向分布有反向器孔、螺母结构尺寸小，内部空间非常有限)，使得内螺纹自动对刀的难度较外螺纹更为困难，传统的接触式自动对刀方法和模块无法直接应用于内螺纹的自动对刀中。王禹林［6］等人:滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置、胡大超［7］等人设计的内螺纹测量方法及其装置设计以及李恒［8］等人提出的非接触式光纤内螺纹测试装置都是针对内螺纹测量而进行的技术研究，但测量技术在原理和方法上与对刀有明显差别，无法直接应用。可见，以内螺旋滚道为对象的非接触式自动对刀在国内研究较少，技术水平有限，有必要研究开发出螺母内螺旋滚道非接触式自动对刀的新方法，以促进滚珠螺母加工技术的发展。

1 自动对刀模块的设计

本文设计了一种螺母内螺纹的非接触式自动对刀模块，主要包括接近开关、支撑组件、平移定位组件以及控制与处理组件这几大部分，如图1所示，砂轮和气缸支架固定在底座上，气缸则固定在气缸支架上，接近开关通过测杆固定在气缸上，而测杆可随气缸活塞的运动实现伸缩动作;卡盘通过头架与轴向(X方向)平移定位机构固定，螺母则装夹在卡盘上，可随横向(Y方向)平移定位机构和轴向平移定位机构实现水平面内的位置调整;横向平移定位机构、轴向平移定位机构、气缸以及接近开关分别连接至数控系统。

图1 螺母内螺纹的非接触式自动对刀模块

2 非接触式自动对刀的原理研究

2.1 接近开关的测量方向与分布形式

在螺母的磨削加工过程中，砂轮高速自转，螺母每自转一圈，同时匀速地轴向进给一个螺距，砂轮中心与螺母的中心轴线等高，如图2所示的为砂轮磨削加工的示意图，内螺纹滚道与砂轮切削面相切。为避免“乱扣”，砂轮在每次磨削时都必须是从内滚道螺旋线的起点切入，即要求对砂轮和内螺纹相切处的内螺旋滚道中心实现对刀定位，从而合理调整螺母位置令其内滚道与砂轮切削面相切，使砂轮边缘能够处在正确的内滚道螺旋线上。为方便对刀操作和数据处理，接近开关采用如图3所示的测量方向:-Y方向，且测杆轴线与螺母中心轴线平行等高(正视图(a)中，方向表现为由纸面里向外;右视图(b)中，方向表现为水平向左)。

图2 砂轮磨削加工滚珠螺母内螺纹的示意图

图3 接近开关的测量方向

滚珠螺母内螺旋滚道的非接触式自动对刀方法根据接近开关的个数分为两种:单开关式和双开关式，其中，“双开关式”中的两个接近开关在测杆上的分布形式如图4所示，两个接近开关在平行于测杆轴线的方向上同轴排列，开关测头相对放置，-X方向一侧的为“前接近开关”，+X方向一侧的为“后接近开关”。

图4 “双开关形式”下两个接近开关的分布方式

接近开关采用的是PNP型开关产品。为了能够令接近开关实现电平变化，要求开关与滚珠螺母内螺纹小径的径向距离在接近开关的有效量程范围内、与内螺纹大径的径向距离超出开关的有效量程。所以，在螺母轴向进给一个螺距距离的过程中，接近开关会有两次电平的变化(即高电平转低电平和低电平转高电平)，该两个电平变化点的位置与内螺旋滚道中心有着固定的几何关系(图5a，c是单开关式情况，图5b，d是双开关式情况)，如图5a，b所示，一种情况是两电平变化点关于内螺旋滚道中心所在的径向平面对称;另一种情况是两电平变化点关于一个径向平面对称，而该径向平面与内螺旋滚道中心相距半个螺距，如图5c，d所示。针对上述不同情况，可分别得到对应的内螺旋滚道中心位置。

图5 电平变化点与内螺纹滚道中心点的几何位置关系

2.2 自动对刀的原理和步骤

滚珠螺母内螺旋滚道的非接触式自动对刀方法，具体地包括如下步骤:

(1)进行对刀前的准备工作:对数控系统进行初始化设置，把待测螺母装夹到卡盘上，气缸动作以伸出测杆，接近开关暂不工作，再横向(+Y方向)平移螺母，使XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线在横向(Y方向)上符合接近开关的量程要求 (开关与内螺纹小径的径向距离在接近开关的有效量程范围内，与内螺纹大径的径向距离超出开关的有效量程)。

(2)螺母随轴向平移定位机构沿轴向(+X方向)进给:当内螺旋滚道进入接近开关的测量范围后，接通接近开关的电源，开关开始工作，随着轴向平移定位机构的继续进给，接近开关将出现电平变化，此时数控系统记录下当时的螺母轴向位移，如图6所示为单开关形式的对刀方法:

1)高低高情况，S1为接近开关高电平转低电平的瞬时螺母所对应的位移，S2为低电平转高电平的瞬时螺母所对应的位移，此时XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线中对应的内螺旋滚道中心轴向位移为:

2)低高低情况，S1为开关低电平转高电平的瞬时螺母所对应的位移，S2为高电平转低电平的瞬时螺母所对应的位移，此时对应的内螺纹滚道中心轴向位移为:其中t为滚珠螺母内螺纹的螺距。对刀过程中，位移值都是在开关量变化瞬时，通过数控系统同步获得的。在获得两个电平变化信息后，停止轴向自动进给，断开接近开关的电源，气缸动作以收回测杆。

图6 单开关形式的对刀方法

图7 双开关形式的对刀方法

对于双开关形式的对刀方法，如图7所示，也分两种情况:(a)先低后高，S1为前开关在低电平转高电平的瞬时螺母所对应的位移，S2为后开关在高电平转低电平的瞬时螺母所对应的位移，此时对应的内螺纹滚道中心轴向位移为:

其中t为滚珠螺母内螺纹的螺距，L为两个接近开关测头中心的间距，且1.7t〈=L〈=1.8t(L值的确定是为了保证前后开关能遇到不同的电平变化类型，这样就可以利用到电平变化点与滚道中心的几何关系，否则相同类型的电平变化点无法确定中心位移值，如图8所示，(a)为L值过大的情况下，前后接近开关分别在相应位置出现相同类型的电平变化，(b)为L值过小的情况)，另外需要说明的是，左边开关为前开关，右边开关为后开关;(b)先高后低，S1为前开关在高电平转低电平的瞬时螺母所对应的位移，S2为后开关在低电平转高电平的瞬时螺母所对应的位移，此时对应的内螺纹滚道中心轴向位移为:

图8 L值过大或过小的对刀效果

图9 自动对刀流程图

双开关式对刀方法要求先记录前开关电平变化时的位移，再记录后开关电平变化时的位移，如果后开关优先于前开关遇到电平变化，不予考虑，即必须以前开关的电平变化为起点。相对于单开关式对刀方法，双开关式在效率上更胜一筹，这是由于在前开关经历一次电平变化后，后开关会在前开关再次电平变化之前遇到电平的变化，所以对刀过程的时间更短，效率更高。

数控系统处理电平与位移信息，判断两次电平变化的类型以区别出具体属于哪一种情形，依据计算方法得到XY平面-Y方向上的内螺纹滚道截线中对应的内螺旋滚道中心轴向位移S，再进行合理的数据修正S+S±nt(其中，S为对刀过程中的接近开关测头与砂轮中心径向平面间的轴向距离，n为整数，t为滚珠螺母内螺纹的螺距)，得到的数据值需要符合实际加工要求。根据最终的砂轮对刀定位值，螺母随平移定位机构自动平移至正确的砂轮磨削起点位置。

上述过程中，接近开关的电源控制、轴向平移定位机构与横向平移定位机构的进给以及数据的分析与处理都是通过该模块的数控系统完成的。

如图9所示为整个自动对刀过程的流程图。

3 结束语

本文主要就滚珠螺母内螺旋滚道非接触式自动对刀技术的原理进行了研究，针对不同的接近开关个数提出了两种对刀形式:单开关形式和双开关形式，同时根据不同的电平变化类型又分别划分了两种情况。依据原理研究的对刀方法，本文还设计出相关的对刀模块及其对刀工作步骤，该自动对刀方法和模块是能够实现高效高精的砂轮对刀定位，可以应用到实际的滚珠螺母内螺纹磨削加工过程中。

［1］黄祖尧.滚珠丝杠螺纹制造技术向高效、低耗、绿色方向发展(上)［J］. 金属加工，2010(20):14-17.

［2］宋杰，王小曹，周琦.数控机床螺纹加工原理及应用［J］.宁夏机械，2003(1):18-20，23.

［3］匡建新，黄开友.数控机床对刀原则方法及其应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2003(03):46-48.

［4］陈世平，李燕.数控加工中的对刀方法［J］.组合机床与自动化加工技术，2004(12):101-102.

［5］陕西汉江机床有限公司.数控外螺纹磨床自动对刀装置［P］.中国发明专利申请号:201010189393.7，2010-12-01.

［6］南京理工大学.滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置及其方法［P］.中国发明专利申请号:201010595467.7，2011-08-24.

［7］Hu Dachao，Chen jianguo.The measure method of internal screw thread and the measure device design.Fourth International Symposium on Precision Mechanical Measurements［C］.Proceedings of the SPIE，Volume 7130，713007-1(2008).

［8］李恒，安莹，董威.非接触式光纤内螺纹测试装置［J］.中国测试技术，2008(5):24-26，55.

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，FENG 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

国家科技重大专项(2011ZX04003-021)

张传剑(1987—)，男，江苏高邮人，南京理工大学硕士研究生，主要研究方向为机电控制，(E-mail)sevenvista@163.com;通讯作者:王禹林(1981—)，男，南京人，南京理工大学机械工程学院教师，研究方向为螺纹加工，精密测控技术，(E-mail)wyl_sjtu@126.com。

(编辑 李秀敏)