CN110125492A - 一种用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法，包括步骤S1、S2、S3；S1、获得滚齿刀具与工件相对位置的安装误差，通过测量滚齿刀具和工件位置获得刀具与工件安装后的相对位置，将测量的相对位置减去滚齿刀具与工件设定的相对位置，获得机床的安装误差；S2、通过计算获得滚齿刀具在切削力和离心力作用下的误差；S3、对加工路径进行补偿，通过步骤S1和S2获得的误差对设定的加工路径进行补偿，获得补偿后的加工路径。本发明通过对加工误差进行补偿实现了齿轮的精确加工，提高了工件的精度。

Description

一种用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法

技术领域

本发明涉及机加工领域，特别是涉及一种用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法。

背景技术

目前，滚齿(face hobbing)作为加工齿轮的一种有效的方法，如图2所示，在刀盘上安装内齿刀和外齿刀，在加工一个齿的刀具与工件的相对运动过程中，内齿刀加工齿的内侧齿形，外齿刀加工齿的外侧齿形，形成齿的连续加工，已经广泛应用于各类锥齿轮加工。与传统加工工艺相比，超声振动辅助加工在加工过程中具有切削力更小，刀具磨损更低，工件表面质量更好，更高的切除效率等优势。采用超声振动辅助滚齿加工后，可以依据在粗、精加工的要求改变切削参数，进一步提高加工效率，表面质量及齿形精度。但现有加工方法由于滚齿加工过程中相对运动较为复杂及其造成的加工误差难以控制，且现有的误差补偿方法难以准确补偿复杂条件下的综合加工误差，不能满足精密加工的要求，不适合采用超声振动辅助滚齿加工。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种加工精度高的用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法，包括步骤S1、S2、S3；

S1、获得滚齿刀具与工件相对位置的安装误差，通过测量滚齿刀具和工件位置获得滚齿刀具与工件安装后的相对位置，将测量的相对位置减去滚齿刀具与工件设定的相对位置，获得机床的安装误差；

S2、通过计算获得滚齿刀具在切削力和离心力作用下的误差；

S3、对加工路径进行补偿，通过步骤S1和S2获得的误差对设定的加工路径进行补偿，获得补偿后的加工路径。

进一步，所述步骤S1中刀具与工件安装后的相对位置是通过传感器测量获得，工件中心、内齿刀中心及外齿刀中心各安装有一个传感器，测得的位置参数为Δx_w-t，Δy_w-t，Δz_w-t，θ_xz，θ_xy，θ_yz，刀具与工件的设定的相对位置参数为Δx′_w-t，Δy′_w-t，Δz′_w-t，θ′_xz，θ′_xy，θ′_yz；由此获得机床的安装误差ξ_x、ξ_y、ξ_z、ζ_xz、ζ_xy、ζ_yz；

ξ_x＝Δx′_w-t-Δx_w-t；

ξ_y＝Δy′_w-t-Δy_w-t；

ξ_z＝Δz′_w-t-Δz_w-t；

ζ_xz＝θ′_xz-θ_xz；

ζ_xy＝θ′_xy-θ_xy；

ζ_yz＝θ′_yz-θ_yz；

其中Δx_w-t，Δy_w-t，Δz_w-t，θ_xz，θ_xy，θ_yz分别为刀具与工件安装后的x方向的相对位置、y方向的相对位置、z方向的相对位置、xz平面上的相对角度、xy平面上的相对角度、yz平面上的相对角度；Δx′_w-t，Δy′_w-t，Δz′_w-t，θ′_xz，θ′_xy，θ′_yz为刀具与工件设定的x方向的相对位置、y方向的相对位置、z方向的相对位置、xz平面上的相对角度、 xy平面上的相对角度、yz平面上的相对角度；

ξ_x、ξ_y、ξ_z、ζ_xz、ζ_xy、ζ_yz分别为x方向位移误差、y方向位移误差、 z方向位移误差、机床刀具主轴与工件主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差、刀具主轴与工件主轴在x-y平面内偏转运动的角度误差、刀具主轴与工件主轴在y-z平面内偏转运动的角度误差。

进一步，切削力和离心力的作用下的误差计算过程如下：首先获得刀盘实际中心的偏转角度θ，再通过计算获得刀盘实际中心的偏移距离Δl，最后通过公式Δx_t＝Δlsinθ、Δy_t＝Δlcosθ，ξ^t _xy＝获得刀盘由于切削力和离心力作用下的位移误差和角度误差；其中Δx_t、Δy_t、ξ^t _xy分别为切削力和离心力作用下的刀具主轴轴向位移误差、刀具主轴径向位移误差、刀具主轴轴向和径向平面内的角度误差；其中M＝(F_y-F_r)l-F_xr，F_x、F_y、F_r分别为齿刀轴向切削力、径向切削力和离心力，l、r、I、d分别为刀具主轴长度、刀盘半径、刀具主轴截面对中心轴的惯性矩、刀具主轴的直径。

进一步，刀具与工件加工路径设定为

s(x_w，y_w，z_w，θ^w _x-y，θ^w _x-z，θ^w _y-z，x_t，y_t，z_t，θ^t _x-y，θ^t _x-z，θ^t _y-z) ；

补偿后的刀具与工件的加工路径为

s′(x′_w，y′_w，z′_w，θ^w′ _x-y，θ^w′ _x-z，θ^w′ _y-z，x′_t，y′_t，z′_t，θ^t′ _x-y，θ^t′ _x-z，θ^t′ _y-z)；

补偿后的刀具与工件加工路径参数与设定的加工路径参数关系如下：

x′_w＝ξ_x+x_w；

y′_w＝ξ_y+y_w；

z′_w＝ξ_z+z_w；

θ^w′ _x-y＝θ^w _x-y+ζ_xy；

θ^w′ _x-z＝θ^w _x-z+ζ_xz；

θ^w′ _y-z＝θ^w _y-z+ζ_yz；

x′_t＝Δx_t+x_t；

y′_t＝Δy_t+y_t；

z^t′ _y-z＝z^t _y-z；

θ^t′ _x-y＝ξ^t _xy+θ^t _x-y；

θ^t′ _x-z＝θ^t _x-z；

θ^t′ _y-z＝θ^t _y-z。

本发明的有益效果是：对机床的安装误差和滚齿刀具(刀盘)由于弯曲应力带来的变形误差均进行考虑计算，获得加工所需要补偿的误差，并将误差补偿到加工参数和加工路径上，以消除误差带来的加工精度影响，实现了齿轮的精确加工，提高了工件的精度，并可用于超声振动辅助加工条件下进行精密高效滚齿加工。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为通用坐标系中齿刀与工件相对位移及角度误差模型示意图；

图2为滚齿加工示意图；

图3为主轴切削力和离心力影响后位移及角度误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明的一种用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法，包括步骤S1、S2、S3。

S1：获得刀具与工件相对位置的安装误差，通过测量刀具和工件位置获得刀具与工件安装后的相对位置，将测量的相对位置减去刀具与工件设定的相对位置，获得机床的安装误差；具体的，安装滚齿刀后，刀具与工件的实际相对位置P_t-P_w与理想相对位置P_t′-P_w′如图1所示。刀具与工件的理想相对位置可通过解密滚齿机床的程序代码获得，刀具与工件的实际相对位置可以通过测量安装后刀具与工件的相对位置获得，可由非接触式的一对传感器检测，一个传感器布置在工件中心上，另2个传感器布置在内齿刀中心及外齿刀中心，内齿刀中心及外齿刀中心测量的位置数据取中心值以此代表刀具的位置，通过刀具位置数据与工件位置数据可以得到相对位置数据。

首先对滚齿机床的安装误差的进行定义，设x方向位移误差为ξ_x， y方向位移误差为ξ_y，z方向位移误差为ξ_z，机床刀具主轴与工件主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差为ζ_xz，刀具主轴与工件主轴在x-y 平面内偏转运动的角度误差为ζ_xy，刀具主轴与工件主轴在y-z平面内偏转运动的角度误差为ζ_yz。x、y、z方向互相垂直。

在机床误差的识别中，理想刀具与工件相对位置P_t′-P_w′的x，y， z方向位置及角度为Δx′_w-t，Δy′_w-t，Δz′_w-t，θ′_xz，θ′_xy，θ′_yz。实际刀具与工件相对位置P_t-P_w的x，y，z方向位置及角度为Δx_w-t，Δy_w-t，Δz_w-t，θ_xz，θ_xy，θ_yz。则安装前后刀具与工件的相对位置及角度误差分别为：

ξ_x＝Δx′_w-t-Δx_w-t；

ξ_y＝Δy′_w-t-Δy_w-t；

ξ_z＝Δz′_w-t-Δz_w-t；

ζ_xz＝θ′_xz-θ_xz；

ζ_xy＝θ′_xy-θ_xy；

ζ_yz＝θ′_yz-θ_yz。

S2、通过计算获得刀具在切削力和离心力作用下以及扭矩作用下的误差。具体的，其中x_t-y_t-z_t是以刀具为中心建立的坐标系，其中x_t为工件(车轴)的轴向，y_t向是工件中通过旋转刀盘的径向，z_t为与x_t及 y_t向垂直的方向，即刀盘旋转的线速度方向。

刀盘及主轴在以角速度ω旋转受到切削力矩及离心力矩影响，刀盘中心的偏转角度θ，刀盘的离心质量m，刀盘受到的在x_t-y_t面内的弯曲力矩M，主轴的弯曲刚度k，与主轴相比，刀盘的直径远大于主轴直径，其刚度非常大，在切削力距及离心力矩对其造成的弯曲角度非常小，可以忽略不计。且由于滚齿的内刀齿和外齿刀处于不同圆弧面上，故还要考虑离心力。

M＝(F_y-F_r)l-F_xr

其中l、r分别为主轴长度和刀盘半径，离心力F_r＝mω²r。

F_y和F_x分别为y_t方向和x_t方向的切削力；依据切削参数通过切削力公式计算获得，切削力公式如下：

F_y＝K_y·a·f；

F_x＝K_x·a·f；

K_x、K_y、a、f分别为x_t方向的切削力系数、y_t方向的切削力系数、切削深度和每齿进给量(进给速度)。a、f为设定的数值，可通过切削力实验获得切削力数值，并以此获得K_x、K_y。

k＝EI

E为主轴材料的弹性模量，I为主轴横截面对中心轴的惯性距，由于主轴为圆状，d为主轴的直径，故

则依据在弯距的作用下，主轴铰支撑处的断面转角计算公式，可得主轴截面在刀盘实际中心的偏转角度θ：l为铰支撑处与刀盘中心的距离(即刀具主轴的长度)。

在切削力作用下，偏离理想位置的距离为sinθl，由于θ很小， sinθ≈θ，在切削力矩作用下，偏离理想位置的距离为θl。在弯曲力矩的作用下，依据铰支撑下的转角公式，其造成主轴在铰支撑下的偏转角度为同样由于数值很小，故在弯曲力矩作用下偏离理想位置距离为

所以主轴在切削力、离心力及其力矩的作用下，刀盘实际中心与刀盘理想中心的距离Δl为：

偏转角度及偏心距离造成了加工过程中的位置及角度误差，且随着刀具的运动路径需要补充其造成的位置及角度误差。

如图3所示，在切削力和离心力用下，主轴中心在x-y平面内偏离理想位置在x_t、y_t方向的距离以及在x_t-y_t平面的偏转角度为：

Δx_t＝Δlsinθ；

Δy_t＝Δlcosθ；

ξ^t _xy＝θ。

S3、对加工路径进行补偿，通过步骤S1和S2获得的误差对设定的加工路径进行补偿，获得补偿后的加工路径。在机床的加工路径规划中，其原刀具与工件加工路径设定为

s(x_w，y_w，z_w，θ^w _x-y，θ^w _x-z，θ^w _y-z，x_t，y_t，z_t，θ^t _x-y，θ^t _x-z，θ^t _y-z) ；

则补偿后的刀具与工件的加工路径为：

s′(x′_w，y′_w，z′_w，θ^w′ _x-y，θ^w′ _x-z，θ^w′ _y-z，x′_t，y′_t，z′_t，θ^t′ _x-y，θ^t′ _x-z，θ^t′ _y-z)；

其中：

x′_w＝ξ_x+x_w

y′_w＝ξ_y+y_w

z′_w＝ξ_z+z_w；

θ^w′ _x-y＝θ^w _x-y+ζ_xy；

θ^w′ _x-z＝θ^w _x-z+ζ_xz；

θ^w′ _y-z＝θ^w _y-z+ζ_yz；

x′_t＝Δx_t+x_t；

y′_t＝Δy_t+y_t；

z^t′ _y-z＝z^t _y-z；

θ^t′ _x-y＝ξ^t _xy+θ^t _x-y；

θ^t′ _x-z＝θ^t _x-z；

θ^t′ _y-z＝θ^t _y-z。

本来需要补偿刀盘分别在x-y平面，x-z平面，y-z平面的旋转角度误差，但是由于在加工中没有造成x-z平面，y-z平面内的旋转角度误差，因此x-z平面，y-z平面内旋转角度不需要补偿，故仅需补偿ξ^t _xy。

工件位移和角度加工路径参数为：

(x′_w，y′_w，z′_w，θ^w′ _x-y，θ^w′ _x-z，θ^w′ _y-z)。

刀具位移和角度加工路径参数为：

(x′_t，y′_t，z′_t，θ^t′ _x-y，θ^t′ _x-z，θ^t′ _y-z)。

依据这个补偿过后的位置数据进行加工，提高工件的加工精度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获得滚齿刀具与工件相对位置的安装误差：通过测量滚齿刀具和工件位置获得滚齿刀具与工件安装后的相对位置，将测量的相对位置减去滚齿刀具与工件设定的相对位置，获得机床的安装误差；

S2、通过计算获得滚齿刀具在切削力和离心力作用下的误差；

S3、对加工路径进行补偿：通过步骤S1和S2获得的误差对设定的加工路径进行补偿，获得补偿后的加工路径。

2.根据权利要求1所述的用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法，其特征在于：所述步骤S1中刀具与工件安装后的相对位置是通过传感器测量获得，工件中心、内齿刀中心及外齿刀中心各安装有一个传感器，测得的位置参数为Δx_w-t，Δy_w-t，Δz_w-t，θ_xz，θ_xy，θ_yz，刀具与工件的设定的相对位置参数为Δx′_w-t，Δy′_w-t，Δz′_w-t，θ′_xz，θ′_xy，θ′_yz；由此获得机床的安装误差ξ_x、ξ_y、ξ_z、ζ_xz、ζ_xy、ζ_yz；

ξ_x＝Δx′_w-t-Δx_w-t；

ξ_y＝Δy′_w-t-Δy_w-t；

ζ_z＝Δz′_w-t-Δz_w-t；

ζ_xz＝θ′_xz-θ_xz；

ζ_xy＝θ′_xy-θ_xy；

ζ_yz＝θ′_yz-θ_yz；

其中Δx_w-t，Δy_w-t，Δz_w-t，θ_xz，θ_xy，θ_yz分别为刀具与工件安装后的x方向的相对位置、y方向的相对位置、z方向的相对位置、xz平面上的相对角度、xy平面上的相对角度、yz平面上的相对角度；Δx′_w-t，Δy′_w-t，Δz′_w-t，θ′_xz，θ′_xy，θ′_yz为刀具与工件设定的x方向的相对位置、y方向的相对位置、z方向的相对位置、xz平面上的相对角度、xy平面上的相对角度、yz平面上的相对角度；

ζ_x、ξ_y、ξ_z、ζ_xz、ζ_xy、ζ_yz分别为x方向位移误差、y方向位移误差、z方向位移误差、机床刀具主轴与工件主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差、刀具主轴与工件主轴在x-y平面内偏转运动的角度误差、刀具主轴与工件主轴在y-z平面内偏转运动的角度误差。

3.根据权利要求2所述的用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法，其特征在于，切削力和离心力作用下的误差计算过程如下：首先获得刀盘实际中心的偏转角度θ，再通过计算获得刀盘实际中心的偏移距离Δl，最后通过公式Δx_t＝Δlsinθ、Δy_t＝Δlcosθ，ξ^t _xy＝θ获得刀盘由于切削力和离心力作用下的位移误差和角度误差；

其中Δx_t、Δy_t、ξ^t _xy分别为切削力和离心力作用下的刀盘中心轴向位移误差、刀盘中心径向位移误差、刀盘中心轴向和径向平面内的角度误差；

其中M＝(F_y-F_r)l-F_xr，

F_x、F_y、F_r分别为齿刀轴向切削力、径向切削力和离心力，l、r、I、d分别为刀具主轴长度、刀盘半径、刀具主轴截面对中心轴的惯性矩、刀具主轴的直径。

4.根据权利要求3所述的用于高效加工面齿轮的滚齿加工路径补偿方法，其特征在于，刀具与工件加工路径设定为

s(x_w，y_w，z_w，θ^w _x-y，θ^w _x-z，θ^w _y-z，x_t，y_t，z_t，θ^t _x-y，θ^t _x-z，θ^t _y-z)；

补偿后的刀具与工件的加工路径为

s′(x′_w，y′_w，z′_w，θ^w′ _x-y，θ^w′ _x-z，θ^w′ _y-z，x′_t，y′_t，z′_t，θ^t′ _x-y，θ^t′ _x-z，θ^t′ _y-z)；

补偿后的刀具与工件加工路径参数与设定的加工路径参数关系如下：

x′_w＝ξ_x+x_w；

y′_w＝ξ_y+y_w；

z′_w＝ξ_z+z_w；

θ^w′ _x-y＝θ^w _x-y+ζ_xy；

θ^w′ _x-z＝θ^w _x-z+ζ_xz；

θ^w′ _y-z＝θ^w _y-z+ζ_yz；

x′_t＝Δx_t+x_t；

y′_t＝Δy_t+y_t；

z^t′ _y-z＝z^t _y-z；

θ^t′ _x-y＝ξ^t _xy+θ^t _x-y；

θ^t′ _x-z＝θ^t _x-z；

θ^t′ _y-z＝θ^t _y-z。