CN112620823B - 一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法 - Google Patents

一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，通过机床进行齿轮加工的测试，以首件加工前机床刀架箱内润滑油温度为温度基准值，以齿轮的设计齿厚值作为齿厚基准值，安排机床进行齿轮加工，每件齿轮加工前测量刀架箱内润滑油温度，并测量各温度下对应加工的齿轮齿厚，计算齿厚差值，将齿厚差值转换成刀具径向进给补偿值，以刀具径向进给补偿值为纵坐标，温度差值为横坐标建立坐标系，根据得到的数据进行拟合，得到刀具加工的刀具补偿函数，植入机床的控制系统中进行应用；本发明能够根据实时采集的数据实时动态补偿尺寸，随动性好，不受季节、地区差异的影响，减少人工成本的投入，在同型号的机床上能够推广使用。

Description

一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法
技术领域
本发明涉及齿轮加工技术领域，具体涉及一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法。
背景技术
机床在切削加工过程中，各运动部件移动时和刀具切削时刀具与工件挤压，都会产生热量，以及冷却液流动对床身温度的传导，环境温度的影响，会导致机床发生相应的热变形，反映到加工零件上就是齿厚尺寸会连续变化，目前为控制齿厚尺寸偏差，需要生产人员在生产过程中周期性检查零件尺寸，并及时调整尺寸，以保证齿厚尺寸控制在设计公差内，这种方式需要生产人员持续投入大量的精力关注工件齿厚尺寸，严重影响工人的生产效率和个人生产产出，并且容易出现超差报废工件。
发明内容
技术目的：针对现有齿轮加工齿厚尺寸偏差控制效果差，投入成本高等不足，本发明公开了一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，包括步骤：
S01、采用带有数控功能的机床，在机床的控制系统上接入用于对刀架传动箱内的润滑油温度进行实时监测温度检测装置，安排机床进行首件齿轮加工，对首件齿轮的齿厚进行测量，以首件齿轮加工前刀架传动箱内的润滑油温度T1作为温度基准值，以齿轮的齿厚设计值M1作为齿厚基准值；
S02、安排机床继续进行齿轮加工，记录每件齿轮加工前刀架传动箱内的润滑油温度T，并测量加工完成的齿轮齿厚M，将M与M1、T与T1分别做差，得到△M和△T，其中△M=M-M1，△T=T-T1，△M表示齿厚差值，△T表示温度差值；
S03、将△M换算成刀具径向进给补偿值△R，以△T为横坐标、△R为纵坐标建立补偿坐标系，将得到的若干组△T及对应的△R的值绘制在补偿坐标系中，根据所得的数据在补偿坐标系中形成的曲线进行拟合，得到△R和△T之间的函数关系，即为刀具补偿函数；
S04、将步骤S03中得到的刀具补偿函数植入机床的控制系统中，机床依据每件齿轮加工前刀架传动箱内的润滑油温度，设定该件齿轮加工时的补偿值，控制刀具在加工时进行补偿。
优选地，在步骤S02中，采用测量齿轮的跨棒距值L或者公法线长度W间接进行齿轮齿厚M的测量。
优选地，在齿轮周向每隔120°进行一次跨棒距值或者公法线长度的测量，以三次测量得到数值的平均值作为该件齿轮的跨棒距值或者公法线长度。
优选地，所述步骤S03中，将测得的齿轮的跨棒距值L或者公法线长度W与跨棒距设计值L1（取中差）、公法线长度设计值W1（取中差）做差，将差值换算成刀具径向进给补偿值△R；以△R为纵坐标，△T为横坐标建立坐标系；依据所得数据形成的曲线进行分段，曲线变化趋势相近的曲线作为1段，共分为N段，N表示曲线分段的数量，N段曲线之间横坐标的分界点分别为△T1、△T2、△T3……△Tn-1，温度差值的最大值为△Tn，其中△T1表示沿温度差值坐标方向第一段曲线与第二段曲线之间的分界温度差值，△T2表示沿温度差值坐标方向第二段曲线与第三段曲线之间的分界温度差值，依次类推，△Tn-1表示沿温度差值坐标方向第N-1段曲线与第N段曲线之间的分界温度差值；
N段曲线中每段曲线对应的函数分别为：△R1=f1(△T)，（0≤△T≤△T1）；△R2= f2(△T)，（△T1＜△T≤△T2）；……，△Rn= fn(△T)，（△Tn-1＜△T≤△Tn）；其中△R1表示温度差值△T取值在0~△T1范围内时，刀具径向进给补偿值△R的集合，f1(△T)表示 0~△T1范围内，△R与△T拟合的函数关系；△R2表示温度差值△T取值在△T1~△T2范围内时，刀具径向进给补偿值△R的集合，f2(△T)表示△T1~△T2范围内，△R与△T拟合的函数关系，以此类推，△Rn表示温度差值△T取值△Tn-1~△Tn范围时，刀具径向进给补偿值△R的集合，fn(△T)表示△Tn-1＜△T≤△Tn范围内，△R与△T拟合的函数关系，最后得到不同温度差值下的刀具径向进给补偿值对应的刀具补偿函数。
优选地，在步骤S03中，将刀具补偿函数输入到机床控制系统中，进行生产测试，控制机床再次进行一轮齿轮加工，检测记录工件齿厚尺寸，并计算机床的工序能力指数Cp值，验证刀具补偿函数的补偿效果，依据测试结果，调整刀具补偿函数中的参数，控制刀具补偿量，直至加工的齿轮的跨棒距值L或者公法线长度W处于设计公差范围内，机床的工序能力指数Cp值大于1.33。
优选地，在步骤S04中，控制系统依据齿轮加工前刀具内润滑油温度的差值，判断该温度差值处于刀具补偿函数的温度差值区间内，调取相应的温度差值区间的刀具补偿函数，控制刀具进行加工补偿。
优选地，将所述步骤S04中的刀具补偿函数直接植入同规格型号的机床中，批量应用。
有益效果：本发明所提供的一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，具有如下有益效果：
1、本发明所提供的一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，在机床实际应用中，机床的过程能力指数Cp值大于1.33，相较于使用前，Cp值提升50%左右。
2、本发明依据采集的实时数据进行拟合生成刀具补偿函数，随动性好，不受季节、地区差异的影响，提高了零件齿厚尺寸偏差的稳定性，提高了零件尺寸的合格率，应用范围广。
3、本发明在一台机床上采集数据得到刀具补偿函数后，可以直接在同型号的机床上使用，无需每台机床单独试验，普适性好。
4、本发明通过测量刀架传动箱内的温度，控制刀具在加工时进行形变补偿，减少了生产人员测量零件的频次，提高了工人的工作效率，减少人力成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明机床设备示意图；
图2为本发明偶数齿的齿轮跨棒距测量示意图；
图3为本发明奇数齿的齿轮跨棒距测量示意图；
图4为本发明公法线长度测量示意图；
图5为本发明实施例1的累计补偿值随温差变化曲线图；
其中，1-工作台、2-尾座、3-夹具、4-剃齿刀具、5-刀架、6-油温传感器、7-待加工齿轮。
具体实施方式
下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示为本发明所使用的一种机床，包括工作台1、尾座2和刀架5，工作台1上设置有两个尾座2，两个尾座2相对安装，每个尾座2上设置有一个夹具3，夹具3与尾座2转动连接，待加工齿轮7通过两个夹具3进行固定，刀架5位于尾座2的上方，刀架5上设置有用于加工齿轮的剃齿刀具4，剃齿刀具4的位置与待加工齿轮7的位置相对应，在刀架5的传动箱的壳体上设有用于检测润滑油温度的油温传感器6，机床还配有用于控制剃齿刀具4运行轨迹的控制系统。
通过机床进行齿轮加工的一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，包括步骤：
S01、采用带有数控功能的机床，在机床的控制系统上接入用于对刀架传动箱内的润滑油温度进行实时监测温度检测装置，安排机床进行首件齿轮加工，对首件齿轮的齿厚进行测量，以首件齿轮加工前刀架传动箱内的润滑油温度T1作为温度基准值，以齿轮的齿厚设计值M1作为齿厚基准值；
S02、安排机床继续进行齿轮加工，记录每件齿轮加工前刀架传动箱内的润滑油温度T，并测量加工完成的齿轮齿厚M，将M与M1、T与T1分别做差，得到△M和△T，其中△M=M-M1，△T=T-T1，△M表示齿厚差值，△T表示温度差值；
S03、将△M换算成刀具径向进给补偿值△R，以△T为横坐标、△R为纵坐标建立补偿坐标系，将得到的若干组△T及对应的△R的值绘制在补偿坐标系中，根据所得的数据在补偿坐标系中形成的曲线进行拟合，得到△R和△T之间的函数关系，记为刀具补偿函数；
S04、将步骤S03得到的刀具补偿函数植入机床的控制系统中，机床依据每件齿轮加工前刀架传动箱内的润滑油温度，设定该件齿轮加工时的补偿值，控制刀具在加工时进行补偿。
在步骤S01中，齿轮的齿厚测量步骤繁琐，为简化测量步骤，提升测量效率，采用齿轮的跨棒距L或者公法线长度W间接进行齿轮的齿厚值M的测量，通过控制齿轮的跨棒距值L的偏差或者公法线长度W的偏差进行齿厚控制。
当采用测量跨棒距的方式进行测量时，如图2、图3所示，当齿轮的齿数为偶数齿时，将节圆棒放入齿轮上两个相对的齿槽里，节圆棒与齿面节圆处相切，两个节圆棒外缘之间的直线距离为偶数齿的齿轮的跨棒距L；当齿轮的齿数为奇数齿时，在与某一齿槽相对的轮齿相邻的任一齿槽放置节圆棒，以两个齿槽节圆棒外缘之间的直线距离为偶数齿的齿轮的跨棒距L。
如图4所示，当采用公法线长度代替齿厚测量时，通过公法线千分尺测量两个异侧齿面相切的两平行平面间的距离即为公法线长度W。
在齿轮周向每隔120°进行一次跨棒距值或者公法线长度的测量，以三次测量得到数值的平均值作为该件齿轮的跨棒距值或者公法线长度，测量的数据越多，得到的结果越精确。
在步骤S03中，将测得的齿轮的跨棒距值L或者公法线长度W与跨棒距设计值L1（取中差）或公法线长度设计值W1（取中差）做差，将差值换算成刀具径向进给补偿值△R，取中差是指公差范围内的最大值和最小值之和的平均值，L1等于齿轮跨棒距设计范围内的最大值和最小值之和除以2，W1等于齿轮公法线长度设计范围内的最大值和最小值之和除以2，将测量数值与对应中差值的差值换算成齿轮的径向尺寸差值，再将齿轮的径向尺寸差值取相反数，即可得到刀具径向进给补偿值△R；以△R为纵坐标，△T为横坐标建立坐标系；依据所得数据形成的曲线进行分段，曲线变化趋势相近的曲线作为1段，共分为N段，N表示曲线分段的数量，N段曲线之间横坐标的分界点分别为△T1、△T2、△T3……△Tn-1，温度差值的最大值为△Tn，其中△T1表示沿温度差值坐标方向第一段曲线与第二段曲线之间的分界温度差值，△T2表示沿温度差值坐标方向第二段曲线与第三段曲线之间的分界温度差值，依次类推，△Tn-1表示沿温度差值坐标方向第N-1段曲线与第N段曲线之间的分界温度差值；
N段曲线中每段曲线对应的函数分别为：△R1=f1(△T)，（0≤△T≤△T1）；△R2= f2(△T)，（△T1＜△T≤△T2）；……，△Rn= fn(△T)，（△Tn-1＜△T≤△Tn）；其中△R1表示温度差值△T取值在0~△T1范围内时，刀具径向进给补偿值△R的集合，f1(△T)表示 0~△T1范围内，△R与△T拟合的函数关系；△R2表示温度差值△T取值在△T1~△T2范围内时，刀具径向进给补偿值△R的集合，f2(△T)表示△T1~△T2范围内，△R与△T拟合的函数关系，以此类推，△Rn表示温度差值△T取值△Tn-1~△Tn范围时，刀具径向进给补偿值△R的集合，fn(△T)表示△Tn-1＜△T≤△Tn范围内，△R与△T拟合的函数关系，最后得到不同温度差值下的刀具径向进给补偿值对应的刀具补偿函数。
将步骤S03中的刀具补偿函数输入到机床控制系统中，进行生产测试，控制机床再次进行一轮齿轮加工，检测记录工件齿厚尺寸，在不同补偿区间随机抽取按照生产序列统计的数值分别计算机床的工序能力指数Cp值（工序能力指数Cp值用于评定机床完成规定数量(30～50件为宜,最少不得少于30件)被加工零件的连续加工后,按加工顺序检验并记录被加工部位的有关精度），验证刀具补偿函数的补偿效果，依据测试结果，调整刀具补偿函数中的参数，控制刀具补偿量，直至加工的齿轮的跨棒距值L或者公法线长度W处于设计公差范围内，过程能力指数大于1.33。
在步骤S04中，控制系统依据齿轮加工前刀架内润滑油温度的差值，判断该温度差值处于刀具补偿函数的温度差值区间内，调取相应的温度差值区间的刀具补偿函数，控制刀具进行加工补偿；可以直接将得到的刀具补偿函数植入同规格型号的机床中，批量应用。
在使用刀具补偿函数进行齿轮齿厚偏差自动补偿时，将刀具补偿函数输入到机同型号的机床控制系统中，控制系统读取齿轮加工前油箱的温度，计算与初始温度的差值，代入到刀具补偿函数中计算出刀具径向进给补偿值；控制刀具按照得到的补偿值沿齿轮的径向移动相应的距离，进行齿轮加工补偿；当补偿值为负，刀具向齿轮中心移动相应的距离，补偿值为正，刀具向远离齿轮中心方向移动相应的距离。
如图5所示，为本实施例对YAN4232CNC型数控剃齿机进行齿厚补偿分析得到的刀具径向进给补偿值△R与温度差值△T之间的关系曲线，从图5可以看出刀具补偿函数整体分为三段，第一段与第二段的分界温度差值记为△T1，第二段与第三段的分界温度差值记为△T2，最高温度差值为△T3，在图5中以温度差值在0~4℃范围内为第一段，△T1为4℃，温度差值在4~8℃范围内为第二段，△T2为8℃，温度差值>8℃范围内为第三段，分别对三段的数据进行拟合处理，可分别得出三段对应的刀具径向进给补偿值△R与温度变化△T的关系:△R1=f1(△T)（0≤△T≤△T1）、 △R2= f2(△T) （△T1＜△T≤△T2）、△R3= f3(△T)（△T2＜△T）。
其中，△R1表示温度差值△T取值在0~△T1范围内时，刀具径向进给补偿值△R的集合，f1(△T)表示 0~Tn1范围内，△R与△T拟合的函数关系；△R2表示温度差值△T取值在△T1~△T2范围内时，刀具径向进给补偿值△R的集合，f2(△T)表示△T1~△T2范围内，△R与△T拟合的函数关系；△R3表示温度差值△T取值在△T＞△T2范围内时，刀具径向进给补偿值△R，f3(△T)表示△T大于△T2范围内，△R与△T拟合的函数关系；补偿函数的具体分段数量的区间参照测量的结果进行选取，不局限于图5的分段方式。
在得到补偿函数以后，将补偿函数植入到机床的控制系统中，进行检验并依据检验结果调整补偿函数的系数，直至满足加工的公差要求。

Claims (7)

1.一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，其特征在于：包括步骤：
S01、采用带有数控功能的机床，在机床的控制系统上接入用于对刀架传动箱内的润滑油温度进行实时监测温度检测装置，安排机床进行首件齿轮加工，对首件齿轮的齿厚进行测量，以首件齿轮加工前刀架传动箱内的润滑油温度T1作为温度基准值，以齿轮的齿厚设计值M1作为齿厚基准值；
S02、安排机床继续进行齿轮加工，记录每件齿轮加工前刀架传动箱内的润滑油温度T，并测量加工完成的齿轮齿厚M，将M与M1、T与T1分别做差，得到△M和△T，其中△M＝M-M1，△T＝T-T1，△M表示齿厚差值，△T表示温度差值；
S03、将△M换算成刀具径向进给补偿值△R，以△T为横坐标、△R为纵坐标建立补偿坐标系，将得到的若干组△T及对应的△R的值绘制在补偿坐标系中，根据所得的数据在补偿坐标系中形成的曲线进行拟合，得到△R和△T之间的函数关系，即为刀具补偿函数；
S04、将步骤S03得到的刀具补偿函数植入机床的控制系统中，机床依据每件齿轮加工前刀架传动箱内的润滑油温度，设定该件齿轮加工时的补偿值，控制刀具在加工时进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，其特征在于：在步骤S02中，采用测量齿轮的跨棒距值L或者公法线长度W间接进行齿轮齿厚M的测量。
3.根据权利要求2所述的一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，其特征在于：在齿轮周向每隔120°进行一次跨棒距值或者公法线长度的测量，以三次测量得到数值的平均值作为该件齿轮的跨棒距值或者公法线长度。
4.根据权利要求3所述的一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，其特征在于：所述步骤S03中，将测得的齿轮的跨棒距值L或者公法线长度W与跨棒距设计值L1(取中差)、公法线长度设计值W1(取中差)做差，将得到的差值换算成刀具径向进给补偿值△R；以△R为纵坐标，△T为横坐标建立坐标系；依据所得数据形成的曲线进行分段，曲线变化趋势相近的曲线作为1段，共分为N段，N表示曲线分段的数量，N段曲线之间横坐标的分界点分别为△T1、△T2、△T3……△Tn-1，温度差值的最大值为△Tn，其中△T1表示沿温度差值坐标方向第一段曲线与第二段曲线之间的分界温度差值，△T2表示沿温度差值坐标方向第二段曲线与第三段曲线之间的分界温度差值，依次类推，△Tn-1表示沿温度差值坐标方向第N-1段曲线与第N段曲线之间的分界温度差值；
N段曲线中每段曲线对应的函数分别为：△R1＝f1(△T)，(0≤△T≤△T1)；△R2＝f2(△T)，(△T1＜△T≤△T2)；……，△Rn＝fn(△T)，(△Tn-1＜△T≤△Tn)；其中△R1表示温度差值△T取值在0～△T1范围内时，刀具径向进给补偿值△R的集合，f1(△T)表示0～△T1范围内，△R与△T拟合的函数关系；△R2表示温度差值△T取值在△T1～△T2范围内时，刀具径向进给补偿值△R的集合，f2(△T)表示△T1～△T2范围内，△R与△T拟合的函数关系，以此类推，△Rn表示温度差值△T取值△Tn-1～△Tn范围时，刀具径向进给补偿值△R的集合，fn(△T)表示△Tn-1＜△T≤△Tn范围内，△R与△T拟合的函数关系，最后得到不同温度差值下的刀具径向进给补偿值对应的刀具补偿函数。
5.根据权利要求4所述的一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，其特征在于：在步骤S03中，将刀具补偿函数输入到机床控制系统中，进行生产测试，控制机床再次进行一轮齿轮加工，检测记录工件齿厚尺寸，并计算机床的工序能力指数Cp值，验证刀具补偿函数的补偿效果，依据测试结果，调整刀具补偿函数中的参数，控制刀具补偿量，直至加工的齿轮的跨棒距值L或者公法线长度W处于设计公差范围内，机床的工序能力指数Cp值大于1.33。
6.根据权利要求4所述的一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，其特征在于：在步骤S04中，控制系统依据齿轮加工前刀架传动箱内润滑油温度的差值，判断该温度差值处于刀具补偿函数的温度差值区间内，调取相应的温度差值区间的刀具补偿函数，控制刀具进行加工补偿。
7.根据权利要求1所述的一种数控剃齿机的齿轮齿厚尺寸偏差自动补偿加工方法，其特征在于：将所述步骤S04中的刀具补偿函数直接植入同规格型号的机床中，批量应用。
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