CN105583474B - 一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法，利用滚齿加工方式，对表面粗糙度和精度不理想的齿轮进行修复，使其达到加工要求。利用多次对刀得到的参考点位置，求出理想的各轴零点位置，而后采用同步补偿算法对待修复齿轮进行重新滚切，提高了各轴的随动性，加工过程更加平稳，有效地改善了加工精度和表明粗糙度，达到齿轮修复的目的。本发明解决了滚齿加工中由于工件拆卸后无法重新定位的问题，采用同步补偿算法对待修复齿轮进行重新滚切，在对齿轮精度要求不是特别严苛的场合，相比于剃齿、磨齿等传统的齿轮修复方法，本发明所述的滚齿修复，在满足加工精度的同时，极大地提高了加工效率，大幅降低了修复成本。

Description

一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法

技术领域

本发明涉及到数控滚齿控制领域，具体地说是一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法。对待修复齿轮进行精确的零点定位，再采用同步补偿算法不断修正各联动轴的命令位置，对工件进行重新滚切，达到齿轮修复目的的控制方法。

背景技术

随着工业生产水平的不断提高，对于像齿轮这样的标准零部件的精度也提出了更高的要求，齿轮修复的重要性日益凸显。目前，应用于齿轮修复的主要方法是剃齿和磨齿，而在齿轮加工中扮演重要角色的滚齿并未应用到此领域，主要是因为被拆卸下来的齿轮重新安装后，难以重新定位进行二次滚切，即使手动定位成功，也很难有效地提高原有的加工精度，达不到齿轮修复的目的。

而作为传统齿轮修复方法的剃齿和磨齿，虽然能够满足加工精度上的要求，但也有其各自的缺点。磨齿，无疑是所有的齿轮加工方法中精度最高的一种，但其加工成本高，效率低下，对于对精度要求不是特别高的场合，应用磨齿进行修复可以说是一种浪费。相比于磨齿，剃齿虽然提高了生产效率，但成本依然不低，且对剃前齿轮的要求也比较高，应用时受到了一定的限制。

由此可见，齿轮修复领域仍然有较大的提升空间，新的齿轮修复方法呼之欲出。

发明内容

针对目前齿轮修复的发展现状和现有方法所存在的弊端，本发明提出了一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法，将滚齿应用到齿轮修复上，解决了滚齿难以重新定位进行二次滚切，难以提高原有加工精度的问题，不仅可以达到修复的要求，而且提高了生产效率，大幅降低了成本。

本发明适用于对表面粗糙度和精度不理想的齿轮进行修复，但对于齿形变形严重或过切的齿轮并不适用。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法，包括以下步骤：

准备阶段：在选择并安装刀具后，利用多次对刀得到的参考点位置，求出理想的各轴零点位置，再根据滚刀和工件的实际尺寸及加工工艺要求设置加工参数；

规划阶段：根据准备阶段设定的加工参数对刀具沿工件径向的运动进行轨迹规划，并由滚齿加工中各轴的运动关系得到其他参与联动轴的命令位置，再与各自的实际反馈位置进行比较，修正各轴的命令位置；

输出阶段：在得到修正后的各轴命令位置后，将其转换为电机每周期需发出的脉冲数。

所述选择并安装刀具包括以下步骤：

选择与待加工齿轮模数相同的刀具；

根据刀具与齿轮的旋向及螺旋角，确定刀具安装的角度。

所述参考点是使滚刀刀刃与待修复齿轮的任一齿槽相互啮合后的滚刀轴和工件轴的坐标点位置。

所述理想的各轴零点位置是由参考点求出的滚刀轴和工件轴的最终零点位置及由系统回零得到的其他各轴的零点位置，其中滚刀轴和工件轴的最终零点位置分别为：

hob_zero＝hob_pos

式中hob_zero表示滚刀轴的最终零点位置，gear_zero表示工件轴的最终零点位置，hob_pos表示滚刀轴的参考点位置，gear_pos表示工件轴的参考点位置，pos1表示工件轴的第一辅助参考点位置，pos2表示工件轴的第二辅助参考点位置，，n₁表示参考点与第一辅助参考点间的跨齿数，n₂表示参考点与第二辅助参考点间的跨齿数。

所述辅助参考点是参考点确定之后，保持滚刀轴位置不变，改变工件轴的旋转角度重新对刀，使待修复齿轮的其他齿槽与滚刀的同一刀刃相互啮合，此时的工件轴坐标位置。

所述各轴的命令位置通过以下方式修正：

offset＝last_offset×scale1+(fb_pos-norm_pos)×scale2

其中，offset表示同步修正值，last_offset表示上一周期同步修正值，fb_pos表示反馈位置，norm_pos表示理论位置，scale1和scale2表示同步修正比例系数；

更新命令位置cmd_pos＝cmd_pos-offset。

所述同步修正比例系数在不同机床的值不同，通过实验观察反馈位置的变化规律得到。

本发明具有以下优点：

1.修复精度较高，表面粗糙度得到明显改善。本发明利用多次对刀，可得到较为精确的各轴零点位置，再采用同步补偿算法对规划的轨迹点进行修正，保证了较高的修复精度和理想的表面粗糙度。

2.修复过程智能、灵活。通过加工参数的设定，可对修复加工的切削速度、切削量及修复次数等工艺过程进行设定，适应不同的精度要求，合理调节生产效率。

3.适用范围广，对待修复齿轮的要求较低。相比于剃齿的修复方法，本发明提出的滚齿修复对待修复齿轮的精度和表面粗糙度的要求较低，扩大了适用范围，但对于齿形严重变形和过切的齿轮并不适用。

4.匹配性好，有效适应不同机械条件的机床。本发明中的同步补偿算法有两个同步修正比例系数，不同的机床一般比例系数也不相同，可通过实验观察反馈位置的变化规律，得到合适的比例系数，达到最理想的修复效果。

附图说明

图1为本发明方法总体流程图；

图2为本发明规划阶段流程图；

图3为本发明同步补偿算法处理过程示意图；

图4为无补偿加工过程中工件轴位置偏差分布图；

图5为采用同步补偿的加工过程中工件轴位置偏差分布图；

图6为同步修正比例系数配置不当的加工过程中工件轴位置偏差分布图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做进一步的详细说明。

图1从总体上概括了本发明的控制过程。

齿轮修复控制过程大致可分为三个阶段：准备阶段、规划阶段、输出阶段。下面分别对这三个阶段做具体说明，详细阐述整个齿轮修复控制过程。

①准备阶段

该阶段主要完成轨迹规划前的准备工作。

在待修复齿轮确定之后，所选用刀具的模数也就随之确定。选择模数与待修复齿轮模数相同的滚刀，并根据刀具和齿轮的旋向及螺旋角调整刀具的安装角度。

在刀具安装角度确定之后，系统各轴回零，确定各轴的零点位置。与齿轮加工不同的是，齿轮修复需要对滚刀轴和工件轴进行重新定位，使其能够在原有齿形基础上进行修复滚切。

手动调节各轴位置，使滚刀的任一刀刃与齿轮的任一齿槽相啮合，通知系统完成手动对刀，系统将记录下当前的滚刀轴和工件轴的旋转角度，此时的位置就是滚刀轴参考点位置(hob_pos)和工件轴参考点位置(gear_pos)。在参考点确定之后，滚刀轴的最终零点位置随之确定：

hob_zero＝hob_pos；

为提高零点定位精度，工件轴的最终零点位置还需要借助辅助参考点进行修正。保持滚刀轴位置不变，改变工件轴的旋转角度重新对刀，使待修复齿轮的其他齿槽与滚刀的同一刀刃相互啮合，此时的工件轴坐标位置就是第一参考点位置(pos1)，同时记录下第一辅助参考点与参考点之间的跨齿数(n1)。依照同样的方法，得到第二辅助参考点的位置(pos2)和第二辅助参考点与参考点之间的跨齿数(n2)。由工件轴参考点和两个辅助参考点，确定工件轴的最终零点位置：

如果工件轴的零点偏差过大，说明待修复齿轮的齿形变形严重，未能达到修复要求，无法对该齿轮进行修复。零点偏差的最大值可根据齿轮的尺寸及加工精度的要求进行设定。

这里所述的零点偏差(delta)，是指通过工件轴参考点和两个辅助参考点所确定工件轴的最终零点位置与工件轴参考点位置的差的绝对值，即

delta＝|gear_zero-gear_pos|；

各轴零点位置确定之后，根据滚刀和工件的实际尺寸及加工工艺要求设置加工参数，完成轨迹规划前的准备工作。本发明的修复过程更加智能、灵活，可通过加工参数的设定，对修复加工的切削速度、切削量及修复次数等工艺过程进行设定，适应不同的精度要求，合理调节生产效率。

②规划阶段

该阶段主要是通过准备阶段配置的加工参数和滚齿加工中各联动轴的运动关系，周期计算各轴的命令位置，而后利用同步补偿算法，对计算出的各轴命令位置进行修正，完成各轴的运动轨迹规划。

图2描述了规划阶段的控制流程。

通过配置的加工参数，可得到滚刀沿工件轴向的目标位置、最大速度和最大加速度，再利用直线加减速的插补方法可得到该周期滚刀沿工件轴向的命令位置。然后依照滚齿加工中各联动轴的运动关系，可求出其他各联动轴的命令位置。

本发明在得到各轴的命令位置后，运动轨迹规划并未完成。为提高修复精度、有效改善各轴的随动性、获得理想的表明粗糙度，本发明采用了同步补偿算法，对各轴命令位置进行修正，得到理想的命令位置值。

这里所述的随动性，是指轴反馈位置与命令位置的跟随程度，其中命令位置与反馈位置的差值称为随动误差，随动误差的大小及变化规律的平稳程度决定了随动性的好坏。

这里所述的同步补偿算法，是以滚刀轴为基准，根据滚刀轴的反馈位置及滚齿加工中各轴间的运动关系计算出其他参与联动轴的理论位置，并与各自的实际反馈位置进行比较，修正各轴的命令位置。

图3描述了同步补偿算法的处理过程。

以滚刀轴为基准，通过滚刀轴的反馈位置及滚齿加工各联动轴的运动关系，求出其他各轴的理论位置(norm_pos)，用各轴的实际反馈位置(fb_pos)与理论位置做差，得到的差值为本周期的位置偏差(delta)。为了提高加工过程的平稳性，本发明并未直接将位置偏差作为本周期的同步修正值(offset)，而是将位置偏差与同步修正比例系数2(scale2)的乘积作为同步修正值的一部分，另一部分由上一周期的同步修正值(last_offset)与同步修正比例系数1(scale1)组成。即：

offset＝last_offset×scale1+(fb_pos-norm_pos)×scale2；

这里所述的同步修正比例系数，是指通过系数的设定，调节上一周期同步修正值和本周期的位置偏差对本周期同步修正值的影响，系数的取值范围是0～100％，不同的机床一般比例系数也不相同，可通过实验观察反馈位置的变化规律，得到合适的同步修正比例系数。

在得到本周期的同步修正值后，即可实现对本周期规划的命令位置(cmd_pos)的修正：

cmd_pos＝cmd_pos-offset；

下面通过实验，观察同步补偿的效果和不同的同步修正比例系数所带来的影响。

通过程序实现对每周期各轴的位置偏差值(delta)的打印，然后生成图表，对比同步补偿前后的变化。以工件轴为例，采集加工过程中任意100个周期的位置偏差值，对比有无同步补偿的效果。

图4描述了无补偿时加工过程中任意100个周期的工件轴位置偏差分布。从图中可以看出，无补偿时，工件轴的实际位置和理论位置始终存在着4.62°左右的偏差，位置偏差的波动值在0.05°左右。对于一般的齿轮加工来说，虽然位置偏差值较大，但由于波动值不大，依然可以进行正常滚齿，保证加工精度。但对于齿轮修复来说，如此大的位置偏差，会使修复过程难以按照原有齿槽进行滚齿，严重破坏了原有的齿形，无法达到修复的目的。

图5描述了采用同步补偿算法时加工过程中任意100个周期的工件轴位置偏差分布。从图中可以看出，采用同步补偿算法后，工件轴的位置偏差0.26°左右，与无补偿时的值相比，有了极大的改观。不仅如此，位置偏差的波动值也有所减小，在0.02°左右。由此可以看出，采用同步补偿算法后，有效地提高了修复精度，且加工过程的平稳性也得到了增强。

为使同步补偿算法发挥最大作用，配置合理的同步修正比例系数也十分重要，一组不理想的比例系数同样会对加工精度产生很大的影响。

图6描述了同步修正比例系数配置不当对工件轴的位置偏差影响。从图中可以看出，该组位置偏差值，与无补偿的图4相比，位置偏差虽然也有大幅的提高，但与图5的效果相差较大。由此可见，合理配置同步修正比例系数对修复效果也会产生很大的影响。

对于不同的机械条件和伺服，最佳的同步修正比例系数一般也不同，可利用上述实验方法，对比不同比例系数的效果，找到最佳的系数，达到最好的修复效果。

③输出阶段

在得到修正后的各轴命令位置后，将其转换为电机每周期需发出的脉冲数，完成对整个齿轮修复过程的运动控制。

Claims (6)

1.一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

准备阶段：在选择并安装滚刀后，利用多次对刀得到的参考点位置，求出理想的各轴零点位置，再根据滚刀和工件的实际尺寸及加工工艺要求设置加工参数；

规划阶段：根据准备阶段设定的加工参数对滚刀沿工件径向的运动进行轨迹规划，并由滚齿加工中各轴的运动关系得到其他参与联动的轴的命令位置，再与各自的实际反馈位置进行比较，修正各轴的命令位置；

输出阶段：在得到修正后的各轴命令位置后，将其转换为电机每周期需发出的脉冲数；

所述各轴的命令位置通过以下方式修正：

offset＝last_offset×scale1+(fb_pos-norm_pos)×scale2

其中，offset表示同步修正值，last_offset表示上一周期同步修正值，fb_pos表示反馈位置，norm_pos表示理论位置，scale1和scale2表示同步修正比例系数，cmd_pos'为修正前各轴的命令位置；

更新各轴的命令位置cmd_pos＝cmd_pos'-offset。

2.根据权利要求1所述的一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法，其特征在于，所述选择并安装滚刀包括以下步骤：

选择与待加工齿轮模数相同的滚刀；

根据滚刀与齿轮的旋向及螺旋角，确定滚刀安装的角度。

3.根据权利要求1所述的一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法，其特征在于，所述参考点是使滚刀刀刃与待修复齿轮的任一齿槽相互啮合后的滚刀轴和工件轴的坐标点位置。

4.根据权利要求1所述的一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法，其特征在于，所述理想的各轴零点位置是由参考点求出的滚刀轴和工件轴的最终零点位置及由系统回零得到的其他各轴的零点位置，其中滚刀轴和工件轴的最终零点位置分别为：

hob_zero＝hob_pos

<mrow> <mi>g</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>z</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mo>=</mo> <mi>g</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mrow> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>g</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mrow> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <mi>g</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> </mrow>

式中hob_zero表示滚刀轴的最终零点位置，gear_zero表示工件轴的最终零点位置，hob_pos表示滚刀轴的参考点位置，gear_pos表示工件轴的参考点位置，pos1表示工件轴的第一辅助参考点位置，pos2表示工件轴的第二辅助参考点位置，n₁表示参考点与第一辅助参考点间的跨齿数，n₂表示参考点与第二辅助参考点间的跨齿数。

5.根据权利要求4所述的一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法，其特征在于，所述辅助参考点是参考点确定之后，保持滚刀轴位置不变，改变工件轴的旋转角度重新对刀，使待修复齿轮的其他齿槽与滚刀的同一刀刃相互啮合，此时的工件轴坐标位置。

6.根据权利要求1所述的一种用于齿轮修复的数控滚齿加工控制方法，其特征在于，所述同步修正比例系数在不同机床的值不同，通过实验观察反馈位置的变化规律得到。