CN103817380B - 数控制齿机床同步轴误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控制齿机床同步轴误差补偿方法，在数控制齿机床的电子齿轮箱中增设一根虚拟轴为主动轴，且虚拟轴与同步轴中的跟随轴重合，再将同步轴中各轴的误差补偿量通过相应的同步系数换算为虚拟轴的等效补偿量，并线性叠加得到同步轴总的等效补偿量，最后利用虚拟轴的理论运动实现同步轴的误差补偿。该发明在获取各轴的误差后，不需要对单一数控轴进行补偿，也不需要改变机床的硬件和系统参数，仅需在电子齿轮箱中设置一根虚拟轴进行补偿，就可保证制齿加工啮合运动所需要的精度；该方法柔性好、适应性和扩展性强、补偿精度高，能补偿机床坐标系中任意点处的综合误差。特别是进行机床动态误差补偿时，实时交换数据量小，响应速度快。

Description

数控制齿机床同步轴误差补偿方法

技术领域

本发明属于齿轮的制造领域，涉及高精度齿轮数字化制造领域，尤其是一种通过对制齿机床同步轴的误差补偿提高齿轮的加工精度的方法。

背景技术

机床的几何误差、热误差及切削力误差是影响加工精度的关键因素，这三项误差可占总加工误差的80％左右。提高机床加工精度有两种基本方法：误差预防法和误差补偿法。误差预防法是一种“硬技术”，通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源，靠提高机床制作精度来满足加工精度要求。误差预防法有很大的局限性，即使能够实现，在经济上的代价往往是很高的。误差补偿法是一种“软技术”，通过人为产生出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，是一种既有效又经济的提高机床加工精度的手段。近年来，误差补偿技术以其强大的技术生命力迅速被各国学者、专家所认识，并使之得以迅速发展和推广，已成为现代精密工程的重要技术支柱之一。

制齿工艺大都采用展成原理进行包络加工，如滚齿、插齿、剃齿、蜗杆砂轮磨齿、大平面磨齿、锥面砂轮磨齿等，在齿轮加工过程中制齿刀具始终与被加工齿轮保持高精度啮合关系，这种啮合关系是靠数控机床上的运动部件之间的关系保证的。最初的机械式制齿机床利用齿轮箱和分度机构来保证运动部件间的传动比，随着数控技术的发展，现阶段的数控制齿机床都是通过设定电子齿轮箱来保证运动部件（即运动轴）的同步关系，去掉了复杂、笨重、传动比固定且精度保持性不高的实体齿轮箱。

电子齿轮箱的同步轴可分为主动轴和跟随轴，启用电子齿轮箱后，不能单独对某一同步轴进行主动控制，因而，传统轴误差补偿方法——叠加指令法，无法实现对同步轴的误差补偿。现阶段还未见针对数控制齿机床同步轴误差补偿的方法，一般采用数控系统自带的螺距误差补偿功能，但只能实现同步轴的静态误差补偿；针对机床轴的动态误差，有人提出了一种基于机床外部坐标系偏移功能的误差补偿方法，该方法需要硬件和软件的双重支持，还需修改机床系统参数，实现步骤繁琐。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种提高齿轮加工精度的数控制齿机床同步轴误差补偿方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

数控制齿机床同步轴误差补偿方法，包括如下步骤：

1）通过在数控制齿机床的电子齿轮箱中增设一根虚拟轴为主动轴，且虚拟轴与同步轴中的跟随轴重合；

2）再将同步轴中各轴的误差补偿量通过相应的同步系数换算为虚拟轴的等效补偿量，并线性叠加得到同步轴总的等效补偿量；

3）最后利用虚拟轴的理论运动实现同步轴的误差补偿。

作为本发明的一种优选方案，在步骤2）中，所述虚拟轴与跟随轴的同步系数设为1，原有主动轴与跟随轴间的同步系数依据不同齿轮加工工艺的展成啮合运动关系确定；依据主动轴与跟随轴的同步关系，将原有各主动轴误差的补偿运动量换算为跟随轴的补偿量，再与跟随轴自身的补偿运动量进行线性叠加，最终将跟随轴的运动量换算为虚拟轴的等效补偿运动量。

作为本发明的另一种优选方案，被加工齿轮的成形过程直观表现为进给冲程，冲程轨迹是由各轴坐标点构成的样条曲线（保证轴运动的光顺），在冲程轨迹上选择一系列样条点作为误差补偿点；通过步骤2）的方法计算出各误差补偿点的虚拟轴等效补偿量；在由经过样条点的进给冲程进行齿轮加工时，通过增设的虚拟轴完成对原有同步轴的误差补偿。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、在机床电子齿轮箱中增设一个虚拟轴为主动轴，利用虚拟轴方便的实现原有同步轴（包括主动轴和跟随轴）的误差补偿，达到提高齿轮加工精度的目的。

2、利用虚拟轴补偿数控机床同步轴误差方法，不用改变机床原有硬件设置，也不用改变电子齿轮箱原有同步轴的运动量，仅通过增设虚拟轴来方便的实现误差补偿，具有柔性好、适应性和扩展性强、补偿精度高，能补偿机床坐标系中任意点处的综合误差；特别是进行机床动态误差补偿时，实时交换数据量小，响应速度快；因此该方法的实现简洁明了，机床轴的运动产生的二次误差很小；此外，利用修改HMI界面程序自动生成补偿后的样条点位置，无数据实时交换，补偿滞后现象较小。

附图说明

图1为本发明实现同步轴误差补偿的YW7232数控磨齿机三维模型的示意图；

图2为本发明实现同步轴误差补偿的YW7232数控磨齿机刀具运动轨迹图。

附图中：1—机床床身；2—工作台；3—工件（齿轮）；4—X轴；5—Z轴；6—A轴；7—Y轴；8—刀具（蜗杆砂轮）；9—机床尾座（W轴）；10—金刚滚轮；11—探测头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

数控制齿机床同步轴误差补偿方法，包括虚拟轴的安装及系统参数设置，设定虚拟轴与同步轴运动关系及虚拟轴与同步轴之间的运动量转换关系，误差补偿点的规划及虚拟轴补偿量的计算与补偿实现方法。其具体包括如下步骤：

1）通过在数控制齿机床的电子齿轮箱中增设一根虚拟轴为主动轴，且虚拟轴与同步轴中的跟随轴重合。其中虚拟轴不同于电子齿轮箱中的其他同步轴，没有指向实际的物理运动部件，因而也就没有实际的运动量。齿轮机床电子齿轮箱的同步轴系统中，只有一个跟随轴（一般为齿轮工件轴），将虚拟轴设置为与跟随轴重合，因虚拟轴仅用于理论计算，因此虚拟轴的安装只需要在系统参数中完成对轴的设定，其参数类似于跟随轴的系统参数。

2）再将同步轴中各轴的误差补偿量通过相应的同步系数换算为虚拟轴的等效补偿量，并线性叠加得到同步轴总的等效补偿量。

虚拟轴与跟随轴的同步系数设为1，原有主动轴与跟随轴间的同步系数依据不同齿轮加工工艺的展成啮合运动关系确定；依据主动轴与跟随轴的同步关系，将原有各主动轴误差的补偿运动量换算为跟随轴的补偿量，再与跟随轴自身的补偿运动量进行线性叠加，最终将跟随轴的运动量换算为虚拟轴的等效补偿运动量。这样在不改变电子齿轮箱原有同步系数的前提下，通过虚拟轴与跟随轴之间1:1的同步关系，很方便的将误差补偿量叠加到跟随轴上。

3）最后利用虚拟轴的理论运动实现同步轴的误差补偿，即利用虚拟轴的运动完成对所有同步轴（包括主动轴和跟随轴）的误差补偿。

对齿轮加工过程中的误差补偿点进行规划及完成补偿点虚拟轴补偿量的计算。被加工齿轮的成形过程直观表现为进给冲程，而目前数控制齿机床进给冲程轨迹一般为样条曲线（保证轴运动的光顺），可在进给冲程轨迹上选择一系列样条点作为误差补偿点。通过步骤2）中的方法，计算出各误差补偿点的虚拟轴等效补偿量，这样，在由经过样条点的进给冲程进行齿轮加工时，通过增设的虚拟轴完成对原有同步轴的误差补偿。

通过在某厂生产的YW7232型数控磨齿机上实现机床同步轴误差补偿，对数控制齿机床同步轴误差补偿方法作具体介绍。YW7232型数控磨齿机的三维模型如图1所示，通过电子齿轮箱定义的同步轴包括Y、Z、B（刀具轴）、C（工件轴）轴，其中Y、Z、B轴为主动轴，C轴为跟随轴。虚拟轴SIM1设置为与跟随轴C重合，其轴系统参数设置类似于C轴。将其定义为主动轴，且与跟随轴C的同步系数为1。

根据同步轴之间的换算关系将所有同步轴误差补偿量换算为虚拟轴的运动量，所有运动量在虚拟轴上线性叠加得出虚拟轴等效补偿量，具体步骤为：

1.根据同步关系将Y、Z、B轴的补偿量换算为C轴的等效补偿量，同步关系式如下所示：

$\mathrm{SYNC}\_Y\_C=\frac{-\tan {\mathrm{\β}}_1*360}{\mathrm{\π}*t\_d}*\frac{t\_z}{g\_z}$

式中，SYNC_Y_C表示Y轴与C轴的同步系数，β₁表示砂轮的螺旋角，t_d表示砂轮的分度圆直径，t_z表示砂轮头数，g_z表示齿轮齿数。

$\mathrm{SYNC}\_Z\_C=\frac{-\tan \mathrm{\β}*360}{\mathrm{\π}*g\_d}$

式中，SYNC_Z_C表示Z轴与C轴的同步系数，β表示齿轮的螺旋角，g_d表示齿轮的分度圆直径。

$\mathrm{SYNC}\_B\_C=\frac{t\_z}{g\_z}$

式中，SYNC_B_C表示B轴与C轴的同步系数。

2.将C轴的等效补偿量和C轴自身的补偿值换算为虚拟轴的等效补偿量，换算关系式如下：

SYNC_C_SIM1=1

式中，SYNC_C_SIM1表示C轴与SIM1轴的同步系数。

可得出具体补偿点处最终的虚拟轴等效补偿量。

YW7232数控磨齿机刀具（砂轮）的运动轨迹如附图2所示，影响齿轮加工精度的运动是进给冲程，因此误差补偿点应选择在进给冲程上。刀具进给冲程轨迹为样条曲线，而样条曲线由一系列样条点构成，每个样条点包括Y、Z、X、SIM1轴的坐标值，因而可选择一系列样条点为误差补偿点，对同步轴误差进行补偿。样条曲线可在数控系统界面下自动生成，在获得各原有同步轴误差的基础上，利用上述同步轴运动换算关系，计算出虚拟轴等效补偿量。这样，在保证其他同步轴运动量不变的情况下，方便的实现同步轴的误差补偿。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.数控制齿机床同步轴误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）通过在数控制齿机床的电子齿轮箱中增设一根虚拟轴为主动轴，且虚拟轴与同步轴中的跟随轴重合；

2）再将同步轴中各轴的误差补偿量通过相应的同步系数换算为虚拟轴的等效补偿量，并线性叠加得到同步轴总的等效补偿量；所述虚拟轴与跟随轴的同步系数设为1，原有主动轴与跟随轴间的同步系数依据不同齿轮加工工艺的展成啮合运动关系确定；依据主动轴与跟随轴的同步关系，将原有各主动轴误差的补偿运动量换算为跟随轴的补偿量，再与跟随轴自身的补偿运动量进行线性叠加，最终将跟随轴的运动量换算为虚拟轴的等效补偿运动量；

3）最后利用虚拟轴的理论运动实现同步轴的误差补偿。

2.根据权利要求1所述的数控制齿机床同步轴误差补偿方法，其特征在于：被加工齿轮的成形过程直观表现为进给冲程，冲程轨迹是由各轴坐标点构成的样条曲线，在冲程轨迹上选择一系列样条点作为误差补偿点；通过步骤2）的方法计算出各误差补偿点的虚拟轴等效补偿量；在由经过样条点的进给冲程进行齿轮加工时，通过增设的虚拟轴完成对原有同步轴的误差补偿。