CN105973133B - 一种径向剃齿刀检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向剃齿刀检测方法，属于齿轮类工件的精密测量技术领域。包括以下步骤：1)基于四轴联动设备测量径向剃齿刀，从径向剃齿刀节圆螺旋线延长线的等距螺旋线下端开始扫描测量齿向信息；2)将测得的齿向信息的均值作为齿向数据处理“依次作差乘积法”的基准值；3)确定齿向上各切削小齿的位置，并在周节测量中，测量各轮齿上与首个轮齿测量高度Z向距离最小的切削小齿的周节信息，完成径向剃齿刀检测。本发明采用计算机精确控制测量过程，不仅提高了测量精度，实现了全自动系统性测量与评价，而且操作方便快捷，对操作人员的专业要求低，效率高，测量成本降低。

Description

一种径向剃齿刀检测方法

技术领域

本发明属于齿轮类工件的精密测量技术领域，具体涉及一种径向剃齿刀检测方法。

背景技术

剃齿作为精加工的一种方法已被广泛的应用于齿轮的精加工中，剃齿加工与磨齿加工相比因其具有的生产效率高、生产成本低的优点被广泛应用于齿轮加工行业。剃齿加工精度一般为6～7级，表面粗糙度Ra为0.8～0.4um，用于未淬火齿轮的精加工。剃齿作为齿形加工的最后工序能修正齿圈径向跳动误差、齿距误差、齿形误差和齿向误差；提高齿轮工作时的平稳性精度和接触精度、减少噪音、增加使用寿命，同时可获得较精细表面。

径向剃齿作为当下剃齿加工中最重要的方式，所用刀具在结构上有着特殊之处，径向剃齿刀齿面上分布着容屑槽，且容屑槽沿螺旋线分布，径向剃齿过程中，没有轴向走刀运动，只有径向进退运动，径向剃齿刀与待加工齿轮为线接触，具有效率高、刀具耐用度高、齿形精度高和加工表面粗糙度值低，有强制性的齿向修正能力，且特别适合于加工多联齿轮等优点。径向剃齿刀作为剃齿加工中的重要刀具，刀具自身必须具备较高的精度，因此对径向剃齿刀的检测具有重要的意义。

轴向剃齿刀可作为一种类齿轮工件在四轴联动机床上按照传统方法测量，区别在于齿向的数据处理方法上，以及根据齿向测得数据确定各切削小齿的位置分布并为齿形和周节提供正确的测量位置，该测量技术已形成了成熟的理论基础并在生产检测中被广泛的应用。径向剃齿刀由于其自身结构的特殊，应用传统测量方法无法顺利实现，需针对其数学模型，提出新的测量方法和数据处理方式。

现今针对剃齿刀工件所提出的测量方法包括：利用万工显附件高顶尖，在剃齿刀齿形面的轴线水平面上用反射测量法，解决了大外圆剃齿刀梳槽逐齿错位递增量的测量问题；采用四轴联动设备自动检测剃齿刀错位量和齿距误差，实现了剃齿刀的刃距和错位量的检测。但是，上述常规方法对剃齿刀提出的检测手段只完成了对剃齿刀各切削小齿位置的确定，并没有针对径向剃齿刀的检测提出系统性的完整检测方法和评价体系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种径向剃齿刀检测方法，该方法能够有效提高测量精度，减少数据运算，实现对径向剃齿刀各项参数全自动有效的高精度测量与评价。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种径向剃齿刀检测方法，包括以下步骤：

1)基于四轴联动设备测量径向剃齿刀，从径向剃齿刀节圆螺旋线延长线的等距螺旋线下端开始扫描测量齿向信息；

2)将测得的齿向信息的均值作为齿向数据处理“依次作差乘积法”的基准值；

3)确定齿向上各切削小齿的位置，并在周节测量中，测量各轮齿上与首个轮齿测量高度Z向距离最小的切削小齿的周节信息，完成径向剃齿刀检测。

步骤1)具体操作为：

以某一齿槽下端首个切削小齿为参考，计算齿槽角平分线并作为角度零位，以该角度零位为基准计算被测齿面节圆上螺旋线轨迹，得到一条与该螺旋线等距的螺旋线，测头移至工件下端面以下，测头球心位于等距螺旋线的延长线上，并沿该等距螺旋线轨迹自下而上进行扫描测量。

等距螺旋线保证测量中电感测头的最大压缩量为其满量程的1/3～1/2。

步骤2)具体操作为：

取测头所有测量数值的平均值作为齿向数据处理中的基准值，在各段数据中找出与该基准值最近的一个数据点，并将该数据点作为各段“依次作差乘积法”中按序取点的起点，根据各起点处于该段的上升沿或下降沿选择取点顺序，若数据点处于上升沿，则按正序选取数据点进行处理，若数据点处于下降沿，则按逆序选取数据点进行处理。

所述的“依次作差乘积法”为：

按序取得三个电感测头的压缩量P_w1，P_w2，P_w3，依次作差并相乘得：

E＝(P_w2-P_w1)(P_w3-P_w2)；

若E＞0，

则重复上述判别过程；

若E≤0，

则将所取三点的中间点作为切削小齿段的端点；

其中，P_w1为第一点电感测头压缩量，P_w2为第二点电感测头压缩量，P_w3为第三点电感测头压缩量。

步骤3)中所述测量各轮齿上与首个轮齿测量高度Z向距离最小的切削小齿的周节信息，具体操作为：

周节测量中，由齿向测得数据的处理结果确定首个轮齿的测量高度后，根据错位量L，计算出与前一个切削小齿处于一条切削小齿分布螺旋线上且相距一个错位量L的切削小齿的高度，并由刃距t得该切削小齿上下相邻两个切削小齿，将计算所得的三个高度中与首个轮齿的测量高度距离最小的高度作为该轮齿上的测量高度，即测量各轮齿上与首个轮齿测量高度Z向距离最小的切削小齿的周节信息，根据工件齿向螺旋角及各测量点的与首个轮齿测量高度差即得到同一端截面周节误差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的径向剃齿刀检测方法，首先将径向剃齿刀装夹于四轴联动设备上，将径向剃齿刀某一齿槽角度的平分线作为角度零线，完成角度基准的确定后，先进行径向剃齿刀齿向的测量；其次，齿向测量完成后，对所测得的数据进行处理，将测得的齿向数据的均值作为齿向数据处理“依次作差乘积法”的基准值，从中提取各切削小齿中心截面的位置。最后，由于检测对象是径向剃齿刀，在测量径向剃齿刀周节时，电感测头需与切削小齿齿面有效接触，由周节的定义：分度圆上，同侧相邻齿廓间的分度圆弧长度，可知周节检测需在同一端截面上进行，但由于径向剃齿刀切削小齿按切削小齿螺旋线分布，不在同一个平面上，所以无法按常规方法检测齿节误差。由加工剃齿刀以及误差分布的连续性，本发明方法采用用待测位置附近的误差信息近似代替待测位置误差信息这一原理解决该问题。优势体现：(1)本发明方法通过计算得出齿向测量时电感测头的测量路径，实现径向剃齿刀齿向的完整测量；(2)确定测得数据的基准值，将各数据段分离并得出处理各段数据的起始点，为齿向数据处理过程提供了一种提高测量精度，减少数据运算的方法；(3)齿向完整测量后，采用“依次作差乘积法”确定了各切削小齿的位置，处理结果为径向剃齿刀齿形和周节的测量提供正确的测量位置，从而实现对径向剃齿刀各项参数全自动有效的高精度测量与评价。相对于传统测量方法，本发明采用计算机精确控制测量过程，不仅提高了测量精度，实现了全自动系统性测量与评价，而且操作方便快捷，对操作人员的专业要求低，效率高，测量成本降低。

进一步地，根据径向剃齿刀作为一种类齿轮工件以及齿轮工件各轮齿均布的原则可知，径向剃齿刀各齿在圆周上所占的角度是确定的，若将径向剃齿刀圆周上某一位置定为角度零线即角度基准，则径向剃齿刀上每个齿在圆周上所对应的角度也就唯一确定了，这在径向剃齿刀的测量中有重要意义，因此本发明选择将径向剃齿刀某一齿槽角度的平分线作为角度零线。

进一步地，由于径向剃齿刀下端面存在容屑槽，若采用常规方法，电感测头先靠齿，达到一定压缩量再向上扫描螺旋线，容易出现电感测头不与下端面首个切削小齿齿面接触，而进入容屑槽，最终导致测头压死的现象。而本发明从径向剃齿刀节圆螺旋线延长线的等距螺旋线下端开始扫描测量齿向信息的方法有效避免了这种现象的发生，通过计算得出电感测头的测量轨迹，不会出现测头压死的现象。且在等距的螺旋线轨迹需保证测量中电感测头的最大压缩量为其满量程的1/3～1/2。

附图说明

图1为本发明所述四轴联动机床示意图；

图2为本发明径向剃齿刀节圆柱面展开示意图；

图3为本发明检测径向剃齿刀电感测头与某一齿槽左侧切削小齿接触的示意图；

图4为本发明检测径向剃齿刀齿向理论数据示意图；

图中：1为径向剃齿刀、2为电感测头。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开的径向剃齿刀检测方法，将径向剃齿刀装夹于四轴联动设备上，四轴联动设备包括电感测头以及由一个用于装夹径向剃齿刀的回转轴和三个基于空间直角坐标系XYZ建立的用于控制电感测头运动的直线轴组成的运动系统，所述直线轴中，Y轴与X轴位于同一平面内且相互垂直，Z轴与X轴和Y轴方向垂直。

根据径向剃齿刀作为一种类齿轮工件以及齿轮工件各轮齿均布的原则可知，径向剃齿刀各齿在圆周上所占的角度是确定的，若将径向剃齿刀圆周上某一位置定为角度零线即角度基准，则径向剃齿刀上每个齿在圆周上所对应的角度也就唯一确定了，这在径向剃齿刀的测量中有重要意义，本发明将径向剃齿刀某一齿槽角度的平分线作为角度零线。

完成角度基准的确定后，先进行径向剃齿刀齿向的测量：：以某一齿槽下端首个切削小齿为参考，计算齿槽角平分线并作为角度零位，以该零位为基准计算被测齿面节圆上螺旋线轨迹，可得到一条与该螺旋线等距的螺旋线，测头移至工件下端面以下，测头球心位于等距螺旋线的延长线上，并沿该等距螺旋线轨迹，自下而上沿该螺旋线轨迹扫描测量，直至电感测头与齿面脱离,等距的螺旋线轨迹需保证测量中电感测头的最大压缩量为其满量程的1/3～1/2。由于径向剃齿刀下端面存在容屑槽，若采用常规方法：电感测头先靠齿，达到一定压缩量再向上扫描螺旋线，容易出现电感测头不与下端面首个切削小齿齿面接触，而进入容屑槽，最终导致测头压死的现象。而所述方法避免了这种现象的发生，通过计算得出电感测头的测量轨迹，不会出现测头压死的现象。

齿向测量完成后，对所测得的数据进行处理，从中提取各切削小齿中心截面的位置，本发明为齿向数据处理“依次作差乘积法”提供了基准值，提高了数据处理的速度和准确度，具体方式为：取测头所有测量数值的平均值作为齿向数据处理中的基准值，在各段数据中找出与该基准值最近的一个数据点，并将其作为各段“依次作差乘积”处理方法中按序取点的起点，根据各起点处于该段的上升沿或下降沿选择取点顺序，若数据点处于上升沿，则按正序选取数据点进行处理，若数据点处于下降沿，则按逆序选取数据点进行处理。

为确定齿向上各切削小齿端点的位置，本发明提出一种“依次作差乘积法”的处理方法，按序取得三个电感测头的压缩量P_w1，P_w2，P_w3，依次作差并相乘得：

E＝(P_w2-P_w1)(P_w3-P_w2)；

若E＞0，

则重复上述判别过程；

若E≤0，

则将所取三点的中间点作为切削小齿段的端点；

其中，P_w1为第一点电感测头压缩量，P_w2为第二点电感测头压缩量，P_w3为第三点电感测头压缩量。

由于切削小齿端点处于各切削小齿上升沿或下降沿的终点，对其进行测量所得数据占主导的误差为形状误差，而测量切削小齿端面时，测得数据占主导的误差为粗糙度误差，二者并不在一个数量级上，形状公差＞表面粗糙度，利用此性质，提出了“依次作差乘积”的方法来确定各切削小齿的端点位置。

为降低偶然误差对齿向最终测量结果的影响，本发明对所得数据进行滤波处理，并用各切削小齿段的局部数据段作为评价段，可以有效抑制偶然误差造成测量结果不准确。

由于本发明所涉及的检测对象是径向剃齿刀，在测量径向剃齿刀周节时，电感测头需与切削小齿齿面有效接触，由周节的定义：分度圆上，同侧相邻齿廓间的分度圆弧长度，可知周节检测需在同一端截面上进行，但由于径向剃齿刀切削小齿按切削小齿螺旋线分布，不在同一个平面上，所以无法按常规方法检测周节误差。由加工剃齿刀以及误差分布的连续性，可用待测位置附近的误差信息近似代替待测位置误差信息这一原理解决该问题，方法如下：

由齿向测得数据的处理结果确定首个轮齿的测量高度后，根据错位量L，计算出与前一个切削小齿处于一条切削小齿分布螺旋线上且相距一个错位量L的切削小齿的高度，并由刃距t得该切削小齿上下相邻两个切削小齿的高度，将计算所得的三个高度中与首个轮齿的测量高度距离最小的高度作为该轮齿上的测量高度，即测量各轮齿上与首个轮齿测量高度Z向距离最小的切削小齿的周节信息，根据工件齿向螺旋线及各测量点的与首个轮齿测量高度差即得到同一端截面周节误差。

下面结合附图对本发明的方法做进一步的详细说明：

本发明的径向剃齿刀检测方法，包括以下步骤：

1)参见图1，将径向剃齿刀装夹于齿轮测量设备上，齿轮测量设备包括电感测头以及由一个用于装夹径向剃齿刀的回转轴和三个基于空间直角坐标系XYZ建立的用于控制电感测头运动的直线轴组成的运动系统，所述直线轴中，Y轴与X轴位于同一平面内且相互垂直，Z轴与X轴和Y轴方向垂直；

2)根据径向剃齿刀作为一种类齿轮工件以及齿轮工件各轮齿均布的原则可知，径向剃齿刀各齿在圆周上所占的角度是确定的，若将径向剃齿刀圆周上某一位置定为角度零线即角度基准，则每个齿在圆周上所对应的角度也就唯一确定了，本发明是将径向剃齿刀某一齿槽角的平分线作为角度零线，具体方式为：

参见图2，为本发明径向剃齿刀节圆柱面展开示意图，同一齿槽左右对应切削小齿的中心截面不在同一高度，保证电感测头在径向剃齿刀节圆位置与下端面首节切削小齿一侧有效接触，参见图3，为本发明检测径向剃齿刀电感测头与某一齿槽左侧切削小齿接触的示意图，图中：1为径向剃齿刀、2为电感测头。记录此时转台角度值，将该角度值减去对应径向剃齿刀的齿槽半角的值作为零线角度值：

θ_齿槽半角为齿槽半角；Z为径向剃齿刀齿数；θ₀为零线角度；θ_左为左侧切削小齿对应角度。

3)完成角度基准的确定后，先进行径向剃齿刀齿向的测量：以该零位为基准计算被测齿面节圆上螺旋线轨迹，可得到一条与该螺旋线等距的螺旋线，测头移至工件下端面以下，测头球心位于等距螺旋线的延长线上，并沿该等距螺旋线轨迹，自下而上沿该螺旋线轨迹扫描测量，直至电感测头与齿面脱离,等距的螺旋线轨迹需保证测量中电感测头的最大压缩量为其满量程的1/3～1/2。由于径向剃齿刀下端面存在容屑槽，若采用常规的齿向测量方法：电感测头先靠齿，达到一定压缩量再向上扫描螺旋线，容易导致电感测头不与下端面的切削小齿齿面接触，而进入容屑槽，最终导致测头压死的现象。而所述方法避免了这种现象的发生，通过计算得出电感测头的测量轨迹，不会出现测头压死的现象。

4)齿向测量完成后，对所测得的数据进行处理，从中提取各切削小齿中心截面所处的位置，由于切削小齿端点处于各切削小齿上升沿或下降沿的终点，对其进行测量所得数据占主导的误差为形状误差，而测量切削小齿端面时，测得数据占主导的误差为粗糙度误差，二者并不在一个数量级上，形状公差＞表面粗糙度，利用此性质，本发明提出了“依次作差乘积”的方法来确定各切削小齿的端点位置，并在数据处理中提出一个提高运算速度和准确度的基准值，具体方法如下：

(1)数据处理过程，参见图4,为本发明检测径向剃齿刀所采得的齿向数据示意图：以Z轴值为纵坐标，测头压缩量为横坐标制图，一，二，三分别代表自下而上采得三个切削小齿的数据段，B点为切削小齿的下端点，C点为上端点。径向剃齿刀齿向不连续，为确定各切削小齿位置，需要在所采的数据中采用“依次作差乘积法”确定切削小齿上下端点，并提取两端点之间的数据作为齿向的评价数据段，计算得出各切削小齿中心截面的Z轴位置。

(2)所述依次作差乘积法是指：按序取得三个电感测头的压缩量P_w1，P_w2，P_w3，依次作差并相乘得：

E＝(P_w2-P_w1)(P_w3-P_w2)；

若E>0，

则重复上述判别过程；

若E≤0，

则将所取三点的中间点作为切削小齿段的端点

P_w1：第一点电感测头压缩量，P_w2：第二点电感测头压缩量，P_w3：第三点电感测头压缩量。

(3)参见图4,为本发明检测径向剃齿刀所采得的齿向数据示意图：BL(Base Line)在数据处理中充当基准线，确定按序取点的起点位置(A，D点)；线段AB处于数据段的上升沿，取点顺序A→B，线段DC处于数据段的下降沿，取点顺序D→C。所述基准值是指：取测头所有测量数值的平均值作为齿向数据处理中的基准值，在各段数据中找出与该基准值最近的一个数据点，并将其作为各段“依次作差乘积”处理方法中按序取点的起点，根据各起点处于该段的上升沿或下降沿选择取点顺序，若数据点处于上升沿(随着Z值增大，测头测量值增大)，则按正序选取数据点进行处理，若数据点处于下降沿(随着Z值增大，测头测量值减小)，则按逆序选取数据点进行处理。

(4)参见图4，为本发明检测径向剃齿刀所采得的齿向数据示意图：B点对应切削小齿的下端点，C点对应切削小齿的上端点；S0，S1，S2为对应切削小齿中心端截面的位置。从而提取齿向评价和分析所需的数据段，从而实现该齿面齿向的评定。同时，上述算法也可计算出各切削小齿中心端截面的位置，为后续测量齿形和周节提供正确的测量位置。

5)齿形测量时，根据齿向的测量结果，控制电感测头移动至目标切削小齿中心截面的Z向高度，然后控制电感测头与径向剃齿刀从齿根开始接触，WX轴联动，使电感测头在保持接触的前提下相对于径向剃齿刀的齿廓移动，直至电感测头与径向剃齿刀脱离，并在移动过程中采集电感测头测得的齿廓位置信息。

6)由于本发明所涉及的检测对象是径向剃齿刀，在测量径向剃齿刀周节时，电感测头需与切削小齿齿面有效接触，由周节的定义：在分度圆上，同侧相邻齿廓间的分度圆弧长度可知，周节检测需在同一端截面上进行，但由于径向剃齿刀切削小齿按切削小齿螺旋线分布，不在同一个平面上，所以无法按常规方法检测周节误差。由加工剃齿刀以及误差分布的连续性，可用待测位置附近的误差信息近似代替待测位置误差信息这一原理解决该问题，方法如下：

由齿向测得数据的处理结果确定首个轮齿的测量高度后，根据错位量L，计算出与前一个切削小齿处于一条切削小齿分布螺旋线上且相距一个错位量L的切削小齿的高度，并由刃距t得该切削小齿上下相邻两个切削小齿的高度，将计算所得的三个高度中与首个轮齿的测量高度距离最小的高度作为该轮齿上的测量高度，即测量各轮齿上与首个轮齿测量高度Z向距离最小的切削小齿的周节信息，根据工件齿向螺旋线及各测量点的与首个轮齿测量高度差即得到同一端截面周节误差。

Claims (6)

1.一种径向剃齿刀检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于四轴联动设备测量径向剃齿刀，从径向剃齿刀节圆螺旋线延长线的等距螺旋线下端开始扫描测量齿向信息；

2)将测得的齿向信息的均值作为齿向数据处理“依次作差乘积法”的基准值；

3)确定齿向上各切削小齿的位置，并在周节测量中，测量各轮齿上与首个轮齿测量高度Z向距离最小的切削小齿的周节信息，完成径向剃齿刀检测。

2.根据权利要求1所述的径向剃齿刀检测方法，其特征在于，步骤1)具体操作为：

以某一齿槽下端首个切削小齿为参考，计算齿槽角平分线并作为角度零位，以该角度零位为基准计算被测齿面节圆上螺旋线轨迹，得到一条与该螺旋线等距的螺旋线，测头移至工件下端面以下，测头球心位于等距螺旋线的延长线上，并沿该等距螺旋线轨迹自下而上进行扫描测量。

3.根据权利要求2所述的径向剃齿刀检测方法，其特征在于，等距螺旋线保证测量中电感测头的最大压缩量为其满量程的1/3～1/2。

4.根据权利要求1所述的径向剃齿刀检测方法，其特征在于，步骤2)具体操作为：

取测头所有测量数值的平均值作为齿向数据处理中的基准值，在各段数据中找出与该基准值最近的一个数据点，并将该数据点作为各段“依次作差乘积法”中按序取点的起点，根据各起点处于该段的上升沿或下降沿选择取点顺序，若数据点处于上升沿，则按正序选取数据点进行处理，若数据点处于下降沿，则按逆序选取数据点进行处理。

5.根据权利要求1或4所述的径向剃齿刀检测方法，其特征在于，所述的“依次作差乘积法”为：

按序取得三个电感测头的压缩量P_w1，P_w2，P_w3，依次作差并相乘得：

E＝(P_w2-P_w1)(P_w3-P_w2)；

若E＞0，

则重复上述判别过程；

若E≤0，

则将所取三点的中间点作为切削小齿段的端点；

其中，P_w1为第一点电感测头压缩量，P_w2为第二点电感测头压缩量，P_w3为第三点电感测头压缩量。

6.根据权利要求1所述一种径向剃齿刀检测方法，其特征在于：步骤3)中所述测量各轮齿上与首个轮齿测量高度Z向距离最小的切削小齿的周节信息，具体操作为：

周节测量中，由齿向测得数据的处理结果确定首个轮齿的测量高度后，根据错位量L，计算出与前一个切削小齿处于一条切削小齿分布螺旋线上且相距一个错位量L的切削小齿的高度，并由刃距t得到该切削小齿上下相邻两个切削小齿的高度，将计算所得的三个高度中与首个轮齿的测量高度距离最小的高度作为该轮齿上的测量高度，即测量各轮齿上与首个轮齿测量高度Z向距离最小的切削小齿的周节信息，根据工件齿向螺旋角及各测量点的与首个轮齿测量高度差即得到同一端截面周节误差。