机器人插齿刀设计 插齿机插刀行程机构分析

插齿刀设计原理与类型

插齿刀是一种用于齿轮加工的重要切削工具，其设计原理基于齿轮啮合理论。从插齿过程的原理上分析，插齿刀相当于一对轴线相互平行的圆柱齿轮相啮合，实质上就是一个磨有前后角并具有切削刃的齿轮。加工原理按范成法(展成原理)进行，插齿刀和工件相当于一对无间隙啮合的齿轮副，无论在工作行程或空行程时，两者均按一定的滚动比旋转，保证两者在其节圆上的圆周速度相等。

插齿刀按结构可分为以下几种主要类型：

盘形插齿刀：形似盘状的扁平形插齿刀，适用于加工直齿外齿轮和大直径的内齿轮

碗形插齿刀：刀体尺寸比盘形小，呈碗状的插齿刀

筒形插齿刀：主要用于加工内齿轮和模数较小的外齿轮

锥柄插齿刀：适用于小模数齿轮加工，可直接安装在机床主轴上

机器人插齿刀设计要点

机器人用插齿刀设计需要考虑自动化加工的特殊要求，主要包括以下几个方面：

1. 刀具材料选择：现代插齿刀多采用硬质合金材料，具有高硬度、高耐磨性和良好的热硬性，适合机器人连续加工的需求。

2. 刀具几何参数：

模数和压力角应与被加工齿轮相同

前角通常设计为5°-6.5°，后角为4°-6°

齿顶高系数一般为1.25

3. 专用插齿刀设计：

剃前/磨前插齿刀：齿顶设计凸角，齿根加倒角，为后续精加工留余量

复合插齿刀：一半粗切刀齿，一半精切刀齿，提高加工效率

无退刀槽专用插齿刀：通过特殊让刀机构设计，实现无退刀槽加工

4. 精度等级选择：插齿刀的精度分为AA、A和B级，分别用于加工6、7、8级精度的齿轮，机器人加工通常要求AA或A级精度。

5. 刀具寿命优化：通过控制切削参数(速度24-36m/min)、使用冷却液、减少进给量(0.005-0.6mm/r)等措施延长刀具寿命。

插齿机插刀行程机构分析

插齿机插刀行程机构是实现刀具往复运动的核心部件，其性能直接影响加工精度和效率。典型的插齿机插刀往复运动机构由以下组件构成：

1. 动力传递系统：

原动机(电机)通过皮带传动和齿轮变速传递动力

采用交流变频电机驱动，实现无极调速(通常60-600str/min)

数控系统根据切削循环自动调整主轴速度

2. 曲柄连杆机构：

由曲柄、连杆、摇杆、齿扇、齿条和机架组成

曲柄作往复摆动，通过齿扇-齿条机构转换为插刀杆的直线往复运动

行程长度通常为30-100mm，可通过调整曲柄半径改变

3. 让刀机构：

普通插齿机让刀量约0.3mm，无退刀槽加工需>1.5mm

由凸轮控制刀具退刀轨迹，设计关键在凸轮曲线

无退刀槽加工时，刀具退刀过程仍参与切削

4. 数控轴系统：

SP轴(主轴)：控制刀具上下往复运动

X轴：控制立柱径向进给(快进、慢进、共进、慢退、快退)

C轴和Y轴：实现工作台旋转和切向运动，与刀具保持联动

机构运动分析与优化

插齿机插刀行程机构的运动特性分析是设计优化的基础：

1. 运动学分析：

采用瞬心法进行速度分析

用矢量多边形法进行加速度分析

按15°间隔分析曲柄一转24个位置的运动状态

2. 动态静力分析：

考虑各构件的惯性力和惯性力矩

计算整机总效率和总传动比

基于分析结果进行电动机选型

3. 让刀机构优化：

简化为摆动滚子从动件凸轮机构

利用反转法设计凸轮轮廓曲线

建立刀具退刀切削段与凸轮转角的数学关系

4. 精度保持措施：

定期维护导轨和丝杠，减少磨损

优化系统参数设置(进给速度、主轴转速等)

加强机床稳定性，减少振动

先进技术与应用案例

1. 无退刀槽插齿技术：

通过改进让刀机构，使退刀过程刀具仍参与切削

关键在凸轮曲线设计，需满足让刀量>1.5mm

已成功应用于连齿花键轴加工

2. 数控插齿机技术：

如YK5612D型3轴3联动数控插齿机

实现无极调速和自动参数调整

加工效率可达2000次切削行程/分钟

3. 机器人集成应用：

结合六轴机器人实现自动化上下料

采用视觉系统进行刀具磨损监控

集成去毛刺单元完成全自动化加工

4. 典型设备参数：

Y54插齿机：最大模数6mm，行程数达359str/min

5132E数控插齿机：最大模数8mm，行程速度125-1250str/min

- Y58-3型：最大模数12mm，工件齿宽190mm