CN107971582A - 一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法 - Google Patents

一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法，将中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径作为工艺参数一起输入到数控系统中加工蜗杆；加工完毕后在测量仪器上实现理论坐标系和测量坐标系的匹配，再进行测头半径补偿后，按照理论路径进行离线测量，得到蜗杆分度螺旋线上各点误差和对称轴截面喉部齿形上各点的误差；判断蜗杆分度螺旋线误差以及对称轴截面喉部齿形误差是否满足设计要求，若不满足要求则求解修正量，修正工艺参数后重新加工并检测；若仍不满足要求，则根据新的检测结果重新求解修正量，修正工艺参数并加工，直至精度符合要求。本发明只需检测蜗杆分度螺旋线和对称轴截面喉部齿形误差误差即可，检测数据少，效率高。

Description

一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法
[技术领域]
本发明涉及平面包络环面蜗杆的检测和制造，具体来说就是一种环面蜗杆齿面误差检测和误差修正技术。
[背景技术]
环面蜗杆传动是一种重要的传动形式，广泛应用于动力传动领域。入口双线接触、瞬时接触线与相对运动速度方向夹角大、包围齿数多等特性决定了其具有承载能力强、传动效率高等优点，同时也对加工精度提出了更高的要求。
受几何误差、力变形误差、热变形误差、砂轮磨损等因素的影响，磨削加工后的平面包络环面蜗杆齿面会存在误差。对于加工设备本身存在的几何误差可以通过采用激光干涉仪、球杆仪等进行测量，然后通过软件进行补偿。但是对于力变形误差、热变形误差、砂轮磨损等因素造成的误差则不易逐一测量并补偿。
专利CN104148745A提出了一种环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，虽然在一定程度上提高了加工精度，但在线监测严重依赖机床的原始精度，原始精度的好坏将直接严重影响蜗杆在线测量的精度。若机床几何精度不满足要求，或受力受热后产生变形则会导致测量结果失真，以致产生误判。而且该方法需要测量从齿顶圆到齿根圆一系列的环面螺旋线误差值才能进行误差分析，这样将导致测量的数据量大。
[发明内容]
本发明针对上述问题，提出一种提高环面蜗杆齿面加工精度的方法，检测数据少，误差修正方便。
为实现上述目的，设计一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径作为工艺参数一起输入到数控系统中加工蜗杆；
步骤二，加工完毕后在测量仪器上实现理论坐标系和测量坐标系的匹配，再进行测头半径补偿后，按照理论路径进行离线测量，得到蜗杆分度螺旋线上各点误差l1和对称轴截面喉部齿形上各点的误差l2；
步骤三，判断蜗杆分度螺旋线误差以及对称轴截面喉部齿形误差是否满足设计要求，若不满足要求则求解修正量，修正工艺参数后重新加工并检测；若仍不满足要求，则根据新的检测结果重新求解修正量，修正工艺参数并加工，直至精度符合要求。
所述求解修正量的过程分为六步：
第一步：根据啮合原理，建立平面包络环面蜗杆的理论齿面方程：
其中a1为蜗杆加工中心距、i01为传动比、β为母平面倾角、rb为主基圆半径、为母平面转角、u,v均为母平面参数、(X0,Y0,Z0)为在母平面坐标系中点的坐标，(X1,Y1,Z1)为蜗杆坐标系中点的坐标；
第二步，构建蜗杆分度螺旋线上的点应满足的方程式：
其中r1为蜗杆分度圆弧半径、θ为蜗杆轴截面内分度螺旋线上的点与主基圆圆心的连线和蜗杆中心与主基圆圆心连线的夹角；将方程(1)与方程(2)联立即求得蜗杆分度螺旋线上点的坐标；
第三步，构建对称轴截面喉部齿形上的点应满足的方程式：
其中R取值范围为：Rb为蜗杆齿顶圆弧半径，Ra为蜗杆齿根圆弧半径，α为压力角，τ为齿距角；将方程(1)与方程(3)联立即求得蜗杆对称轴截面喉部齿形上点的坐标；
第四步：假设工艺参数中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径分别存在误差Δa1、Δβ、ΔZ1和Δrb，则加工后得到的含制造误差的蜗杆齿面方程式为：
将方程(4)与(2)联立得到误差状态下分度螺旋线的坐标点，当含有误差的蜗杆按照理论路径进行测量时就会得到分度圆螺旋线上各点误差l3；
将方程(4)与(3)联立得到误差状态下对称轴截面喉部齿形上的坐标点，当含有误差的蜗杆按照理论路径进行测量时就会得到对称轴截面喉部齿形上各点误差l4；
第五步：令Δrb＝0，构造函数
其中n1为测量采集得到的分度螺旋线上数据点个数，l1i为其中第i个点的误差，l3i为对应点在存在假设误差Δa1、Δβ和ΔZ1时的理论误差值，采用优化算法，求解方程ΔE1(Δa1,Δβ,ΔZ1)→0得到解Δa1、Δβ和ΔZ1；
第六步：构造函数其中n2为测量采集得到的对称轴截面喉部齿形上数据点个数，l2j为其中第j个点的误差，l4j为对应点在误差Δa1、Δβ和ΔZ1已知时的齿面误差，采用优化算法，求解方程得到Δrb；
将Δa1、Δβ、ΔZ1和Δrb作为工艺参数修正量输入加工系统，重新加工齿面。
中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径共四个工艺参数并不一定需要全部修正，根据需要可以只修正其中的部分参数即可使精度复合要求。
根据分析结果只需修改工艺参数即可。
检测与加工的安装方式和基准相统一；检测和加工均采用双顶尖顶的安装方式，以蜗杆同一端精磨后的轴承档位作为轴向基准。
与现有技术相比，本发明的优点在于：只需检测蜗杆分度螺旋线和对称轴截面喉部齿形误差即可，检测数据少，效率高；无需求解误差产生的根源，只需修改相应的工艺参数即可，调整方便。该方法同样可用于提高其它类型环面蜗杆的加工精度。
[附图说明]
图1为分度螺旋线误差曲线
图2为对称轴截面喉部齿形误差曲线
图3为本发明的流程图
[具体实施方式]
下面结合附图及具体实施案例对本发明作进一步说明，这种制造技术对本领域技术人来说是十分清楚的。
如图1-3所示，一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径作为工艺参数一起输入到数控系统中加工蜗杆；
步骤二，加工完毕后在测量仪器上实现理论坐标系和测量坐标系的匹配，再进行测头半径补偿后，按照理论路径进行离线测量，得到蜗杆分度螺旋线上各点误差l1和对称轴截面喉部齿形上各点的误差l2；
步骤三，判断蜗杆分度螺旋线误差以及对称轴截面喉部齿形误差是否满足设计要求，若不满足要求则求解修正量，修正工艺参数后重新加工并检测；若仍不满足要求，则根据新的检测结果重新求解修正量，修正工艺参数并加工，直至精度符合要求。
所述求解修正量的过程分为六步：
第一步：根据啮合原理，建立平面包络环面蜗杆的理论齿面方程：
其中a1为蜗杆加工中心距、i01为传动比、β为母平面倾角、rb为主基圆半径、为母平面转角、u,v均为母平面参数、(X0,Y0,Z0)为在母平面坐标系中点的坐标，(X1,Y1,Z1)为蜗杆坐标系中点的坐标；
第二步，构建蜗杆分度螺旋线上的点应满足的方程式：
其中r1为蜗杆分度圆弧半径、θ为蜗杆轴截面内分度螺旋线上的点与主基圆圆心的连线和蜗杆中心与主基圆圆心连线的夹角；将方程(1)与方程(2)联立即求得蜗杆分度螺旋线上点的坐标；
第三步，构建对称轴截面喉部齿形上的点应满足的方程式：
其中R取值范围为：Rb为蜗杆齿顶圆弧半径，Ra为蜗杆齿根圆弧半径，α为压力角，τ为齿距角；将方程(1)与方程(3)联立即求得蜗杆对称轴截面喉部齿形上点的坐标；
第四步：假设工艺参数中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径分别存在误差Δa1、Δβ、ΔZ1和Δrb，则加工后得到的含制造误差的蜗杆齿面方程式为：
将方程(4)与(2)联立得到误差状态下分度螺旋线的坐标点，当含有误差的蜗杆按照理论路径进行测量时就会得到分度圆螺旋线上各点误差l3；
将方程(4)与(3)联立得到误差状态下对称轴截面喉部齿形上的坐标点，当含有误差的蜗杆按照理论路径进行测量时就会得到对称轴截面喉部齿形上各点误差l4；
第五步：令Δrb＝0，构造函数
其中n1为测量采集得到的分度螺旋线上数据点个数，l1i为其中第i个点的误差，l3i为对应点在存在假设误差Δa1、Δβ和ΔZ1时的理论误差值，采用优化算法，求解方程ΔE1(Δa1,Δβ,ΔZ1)→0得到解Δa1、Δβ和ΔZ1；
第六步：构造函数其中n2为测量采集得到的对称轴截面喉部齿形上数据点个数，l2j为其中第j个点的误差，l4j为对应点在误差Δa1、Δβ和ΔZ1已知时的齿面误差，采用优化算法，求解方程得到Δrb；
将Δa1、Δβ、ΔZ1和Δrb作为工艺参数修正量输入加工系统，重新加工齿面。
中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径共四个工艺参数并不一定需要全部修正，根据需要可以只修正其中的部分参数即可使精度复合要求。
根据分析结果只需修改工艺参数即可。
检测与加工的安装方式和基准相统一；检测和加工均采用双顶尖顶的安装方式，以蜗杆同一端精磨后的轴承档位作为轴向基准。
实施例
以中心距125、蜗杆头数1、传动比33、蜗杆分度圆直径53、主基圆半径40、母平面倾角为9度、蜗杆轴向相对位置为77的右旋平面包络环面蜗杆为例。测得其分度螺旋线误差和对称轴截面喉部齿形误差分别如图1和图2中粗实线所示，分度螺旋线螺旋线误差为93.3um，大于28um的设计要求。对称轴截面喉部齿形误差为9.9um，小于14um的设计要求。选择修正中心距的方式来减小制造误差。经过优化分析得出中心距误差Δa1＝0.2。将上述修正量输入到数控系统中修正工艺参数后重新加工并检测，测得其蜗杆分度螺旋线误差和对称轴截面喉部齿形误差分别如图1和图2中细实线所示。其蜗杆分度螺旋线螺旋线误差由93.3um降到19.3um，小于28um，对称轴截面喉部齿形误差由9.9um降到6.7um，小于14um，符合精度设计要求。

Claims (6)

1.一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径作为工艺参数一起输入到数控系统中加工蜗杆；
步骤二，加工完毕后在测量仪器上实现理论坐标系和测量坐标系的匹配，再进行测头半径补偿后，按照理论路径进行离线测量，得到蜗杆分度螺旋线上各点误差l1和对称轴截面喉部齿形上各点的误差l2；
步骤三，判断蜗杆分度螺旋线误差以及对称轴截面喉部齿形误差是否满足设计要求，若不满足要求则求解修正量，修正工艺参数后重新加工并检测；若仍不满足要求，则根据新的检测结果重新求解修正量，修正工艺参数并加工，直至精度符合要求。
2.如权利要求1所述的一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法，其特征在于，所述求解修正量的过程分为六步：
第一步：根据啮合原理，建立平面包络环面蜗杆的理论齿面方程：
其中a1为蜗杆加工中心距、i01为传动比、β为母平面倾角、rb为主基圆半径、为母平面转角、u,v均为母平面参数、(X0,Y0,Z0)为在母平面坐标系中点的坐标，(X1,Y1,Z1)为蜗杆坐标系中点的坐标；
第二步，构建蜗杆分度螺旋线上的点应满足的方程式：
其中r1为蜗杆分度圆弧半径、θ为蜗杆轴截面内分度螺旋线上的点与主基圆圆心的连线和蜗杆中心与主基圆圆心连线的夹角；将方程(1)与方程(2)联立即求得蜗杆分度螺旋线上点的坐标；
第三步，构建对称轴截面喉部齿形上的点应满足的方程式：
其中R取值范围为：Rb为蜗杆齿顶圆弧半径，Ra为蜗杆齿根圆弧半径，α为压力角，τ为齿距角；将方程(1)与方程(3)联立即求得蜗杆对称轴截面喉部齿形上点的坐标；
第四步：假设工艺参数中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径分别存在误差Δa1、Δβ、ΔZ1和Δrb，则加工后得到的含制造误差的蜗杆齿面方程式为：
将方程(4)与(2)联立得到误差状态下分度螺旋线的坐标点，当含有误差的蜗杆按照理论路径进行测量时就会得到分度圆螺旋线上各点误差l3；
将方程(4)与(3)联立得到误差状态下对称轴截面喉部齿形上的坐标点，当含有误差的蜗杆按照理论路径进行测量时就会得到对称轴截面喉部齿形上各点误差l4；
第五步：令Δrb＝0，构造函数
其中n1为测量采集得到的分度螺旋线上数据点个数，l1i为其中第i个点的误差，l3i为对应点在存在假设误差Δa1、Δβ和ΔZ1时的理论误差值，采用优化算法，求解方程ΔE1(Δa1,Δβ,ΔZ1)→0得到解Δa1、Δβ和ΔZ1；
第六步：构造函数其中n2为测量采集得到的对称轴截面喉部齿形上数据点个数，l2j为其中第j个点的误差，l4j为对应点在误差Δa1、Δβ和ΔZ1已知时的齿面误差，采用优化算法，求解方程得到Δrb。
3.如权利要求1所述的一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法，其特征在于，将Δa1、Δβ、ΔZ1和Δrb作为工艺参数修正量输入加工系统，重新加工齿面。
4.如权利要求1所述的一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法，其特征在于中心距、母平面倾角、蜗杆轴向相对位置和主基圆半径共四个工艺参数并不一定需要全部修正，根据需要可以只修正其中的部分参数即可使精度复合要求。
5.如权利要求1所述的一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法，其特征在于，根据分析结果只需修改工艺参数即可。
6.如权利要求1所述的一种提高平面包络环面蜗杆齿面精度的方法，其特征在于，检测与加工的安装方式和基准相统一；检测和加工均采用双顶尖顶的安装方式，以蜗杆同一端精磨后的轴承档位作为轴向基准。
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