CN113029060A - 一种齿形定位方法及齿形定位控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于齿形测量领域，公开了一种齿形定位方法及系统。控制测头进行定向探测，通过对其探测数据进行一系列的判断、换算，从而准确计算出齿槽的中心位置。通过本发明的齿形定位方法，可大幅提升齿轮加工精度，无需设计专用定位工装，提高了机加工艺灵活性。对于齿轮工件批量制造，能够大幅降低工装投制费用，缩短齿形定位时间，提高加工效率。

Description

一种齿形定位方法及齿形定位控制系统

技术领域

本发明属于齿形测量领域，具体涉及一种齿形定位方法及齿形定位控制系统。

背景技术

齿轮的加工一般由多道工序共同完成，如滚齿+精铣齿、粗铣齿+精铣齿、滚齿+磨齿等，它们一般是由不同的机床来完成，在完成前一工序的加工后，如何在第二道或第三道工序上进行精密齿形定位，是精加工工序最关键的一步。或者对于多齿轮的中间轴，如何保证各齿轮间的相位准确，这些都需要进行精密齿形定位。

而齿形定位的关键是找到齿槽中心位置及其旋转轴坐标，现有技术在齿轮进行多道工序加工时，缺少行之有效的齿形定位方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种齿形定位方法及齿形定位控制系统，用以解决现有技术中的在多道工序加工时不能快速有效地实现精密齿形定位的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种齿形定位方法，该方法适用于四轴及四轴以上加工中心，所述加工中心包括机床主轴和旋转轴，所述机床主轴上设置有测头，所述旋转轴上安装有齿轮，所述测头位于齿轮径向，包括如下步骤：

步骤1：测头向齿轮靠近，至测头移动至测量位置，测量位置为测头中心在测量圆上且测头轴中心线过齿轮中心轴，测量圆为齿轮周向上任一个以齿轮中心轴上的点为圆心且以齿顶以下L处到圆心的距离为半径的圆，L为正整数；

判断测头在移动过程中是否与齿轮触碰，若未发生触碰，则测头停止移动并执行步骤2；

若发生触碰，则测头停止移动并执行调整指令，所述调整指令包括令测头抬高H和令齿轮旋转θ₁，H为齿全高，θ₁∈(0,θ)，θ为两齿面旋转夹角，然后返回步骤1，测头重新向齿轮靠近；

步骤2：齿轮顺时针旋转，至测头与齿轮的左齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得测头与左齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A1，其中，

Z为齿轮的总齿数；令齿轮逆时针旋转θ/2；

步骤3：测头绕测头轴中心线旋转180°，齿轮逆时针旋转，至测头与齿轮的右齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得齿轮右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A2，其中，

步骤4：根据测头分别与左、右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标获得齿槽中心位置对应的旋转轴坐标θ_A3，其中，θ_A3＝(θ_A1+θ_A2)/2。

进一步的，步骤1中，齿轮模数为2～5且测头直径为1～3mm时，L＝0.5mm；齿轮模数小于1.2时且测头直径＜1mm时，L＜0.5mm；齿轮模数大于5时且测头直径＞3mm时L＞0.5mm。

一种齿形定位控制系统，包括测头定位模块、触碰点定位模块和齿槽中心点定位模块；

所述的测头定位模块用于在测头向齿轮靠近至测头移动至测量位置时，测量位置为测头中心在测量圆上且测头轴中心线过齿轮中心轴，测量圆为齿轮周向上任一个以齿轮中心轴上的点为圆心且以齿顶以下L处到圆心的距离为半径的圆，L为正整数；

判断测头在移动过程中是否与齿轮触碰，若未发生触碰，则测头停止移动并执行触碰点定位模块；

若发生触碰，则测头停止移动并执行调整指令，所述调整指令包括令测头抬高H和令齿轮旋转θ₁，H为齿全高，θ₁∈(0,θ)，θ为两齿面旋转夹角，然后返回测头定位模块令测头重新向齿轮靠近；

所述的触碰点定位模块用于令齿轮顺时针旋转，至测头与齿轮的左齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得测头与左齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A1，其中，

Z为齿轮的总齿数；令齿轮逆时针旋转θ/2；

所述的触碰点定位模块还用于令测头绕测头轴中心线旋转180°，齿轮逆时针旋转，至测头与齿轮的右齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得齿轮右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A2，其中，

所述的齿槽中心点定位模块用于根据测头分别与左、右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标获得齿槽中心位置对应的旋转轴坐标θ_A3，其中，θ_A3＝(θ_A1+θ_A2)/2。

进一步的，齿轮模数为2～5且测头直径为1～3mm时，L＝0.5mm；齿轮模数小于1.2时且测头直径＜1mm时，L＜0.5mm；齿轮模数大于5时且测头直径＞3mm时L＞0.5mm。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

(1)通过本发明所提出的方法，可大幅提升齿轮加工精度，无需设计专用定位工装，提高了机加工艺灵活性。对于齿轮工件批量制造，能够大幅降低工装投制费用，缩短齿形定位时间，提高加工效率。

(2)本发明提出了测量圆的概念，测头在测量圆上进行测量时，就不会与齿槽底部碰撞，降低了测量的难度同时具有测头保护功能。

(3)本发明的测量位置为测头轴中心线过齿轮中心轴这是为了使测头尽量处于齿宽中间区域，避免两侧毛刺对测量精度的影响。测头轴中心线要求必须过齿轮分度圆圆心，以利于测量数据的计算处理，提高定位精度。

(4)本发明的齿形定位方法采用了测头定点测量方法，提升了测量定位精度，消除测头与机床的精度误差。

附图说明

图1为测头定位示意图；

图2为测头齿槽内定位示意图；

图3为测头触碰齿顶示意图；

图4为测头两齿面夹角示意图。

图中标号的含义为：1-测头、2-卡爪、3-顶尖、4-齿轮、5-齿槽、6-齿顶。

具体实施方式

首先对本发明中的技术词语的含义作出一下解释：

测头：常为触发式测头，一般包括红外线测头和无线电测头。红外线测头接近工件表面时，测针偏斜，紧接着触发信号传输到红外线接收器中。该接收器将光信号转换成一个电信号并传递到控制器。控制器侦测到各轴的当前位置之后就会生成基于当前校验数据的测量结果。红外传输式接触测头大多应用在铣床、加工中心和车床上。

齿轮中心轴：本发明中是指齿轮轴回转中心轴。

测量圆：本发明中是指以齿轮中心轴上点为圆心，在齿轮周向，以齿顶以下一定距离到圆心的距离为半径的圆，测头中心必须到达这个圆上时，才开始左右齿面测量。

齿顶圆：以齿轮中心为圆心，以圆心到齿顶的距离为半径的圆。

齿顶：位于齿轮顶部，被齿顶曲面所包含的那一部分齿轮表面。

齿根：位于齿轮的齿槽，被齿根曲面所包含的那一部分齿轮表面。

齿面：是指位于齿顶曲面和齿根曲面之间的齿轮侧表面。

加工中心：加工中心是指备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具,自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等,可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。

在本实施例中公开了一种齿形定位方法，该方法适用于四轴及四轴以上加工中心，所述四轴是指X、Y、Z轴以及旋转轴，所述加工中心包括机床主轴和旋转轴，所述机床主轴上设置有测头，所述旋转轴上安装有齿轮，所述测头位于齿轮径向，包括如下步骤：

步骤1：测头向齿轮靠近，至测头移动至测量位置，测量位置为测头中心在测量圆上且测头轴中心线过齿轮中心轴，测量圆为齿轮周向上任一个以齿轮中心轴上的点为圆心且以齿顶以下L处到圆心的距离为半径的圆，L为正整数；

所述测量圆的最优位置为以的齿轮中心轴上的齿轮几何中心为圆心的圆且以齿顶以下L处到圆心的距离为半径的圆；

判断测头在移动过程中是否与齿轮触碰，若未发生触碰，则测头停止移动并执行步骤2；

若发生触碰，则测头停止移动并执行调整指令，所述调整指令包括令测头抬高H和令齿轮旋转θ₁，H为齿全高，θ₁∈(0,θ)，θ为两齿面旋转夹角，然后返回步骤1，测头重新向齿轮靠近；

步骤2：齿轮顺时针旋转，至测头与齿轮的左齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得测头与左齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A1，其中，

Z为齿轮的总齿数；令齿轮逆时针旋转θ/2；

步骤3：测头绕测头轴中心线旋转180°，齿轮逆时针旋转，至测头与齿轮的右齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得齿轮右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A2，其中，

步骤4：根据测头分别与左、右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标获得齿槽中心位置对应的旋转轴坐标θ_A3，其中，θ_A3＝(θ_A1+θ_A2)/2。

具体的，令齿轮旋转θ₁时，方向不限顺时针或逆时针均可，但对于同一个齿轮调整时，每次旋转的方向相同。

具体的，测头的测量位置处于齿宽的中间区域，该区域为离齿轮边3mm以上的区域，避免上一工序在齿宽两边产生毛刺，影响测量。

具体的，齿轮模数为2～5且测头量球直径为1～3mm时，L＝0.5mm；齿轮模数小于1.2时且测头量球直径＜1mm时，L＜0.5mm；齿轮模数大于5时且测头量球直径＞3mm时L＞0.5mm。

具体的，θ₁需小于两齿面旋转夹角θ，这样可使测头在选转1个齿夹角的情况下进入齿槽，开始测量，如图4所示，这种保护既可避免因装夹误差导致定位不准，同时以测量的方式进入齿槽，出现障碍，程序自动判断从而主动抬起测头，避免了测头与齿轮进行直接碰撞。

具体的，步骤3中为提升测量定位精度，消除测头与机床的精度误差，提出了测头定点测量方法，即在测量A1点时主轴定向，在测量A2点时，采用数控系统上控制主轴旋转的M134指令使主轴旋转180度，即测量A1、A2点，测头用了同一点测量，从而消除了测头的校对误差和机床的主轴跳动误差，测量定位精度大幅提高，可保证在0.003um以内。

具体的，两齿面旋转夹角θ如图4，根据产品图纸设定测量圆大小，将测头调整到测量圆位置，左右转动齿轮，将测头左右分别接触齿面时测头中心与齿轮中心的夹角作为转动角θ。

具体的，本实施例中的齿轮可以是轴类齿轮也可以是片齿。

本实施例还公开一种齿形定位控制系统，包括测头定位模块、触碰点定位模块和齿槽中心点定位模块；

所述的测头定位模块用于在测头向齿轮靠近至测头移动至测量位置时，测量位置为测头中心在测量圆上且测头轴中心线过齿轮中心轴，测量圆为齿轮周向上任一个以齿轮中心轴上的点为圆心且以齿顶以下L处到圆心的距离为半径的圆，L为正整数；

判断测头在移动过程中是否与齿轮触碰，若未发生触碰，则测头停止移动并执行触碰点定位模块；

若发生触碰，则测头停止移动并执行调整指令，所述调整指令包括令测头抬高H和令齿轮旋转θ₁，H为齿全高，θ₁∈(0,θ)，θ为两齿面旋转夹角，然后返回测头定位模块令测头重新向齿轮靠近；

所述的触碰点定位模块用于令齿轮顺时针旋转，至测头与齿轮的左齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得测头与左齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A1，其中，

Z为齿轮的总齿数；令齿轮逆时针旋转θ/2；

所述的触碰点定位模块还用于令测头绕测头轴中心线旋转180°，齿轮逆时针旋转，至测头与齿轮的右齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得齿轮右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A2，其中，

所述的齿槽中心点定位模块用于根据测头分别与左、右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标获得齿槽中心位置对应的旋转轴坐标θ_A3，其中，θ_A3＝(θ_A1+θ_A2)/2。

具体的，测头安装在机床主轴上，齿轮安装在旋转轴上。

实施例1

本实施例以某轴为例，在四轴加工中心进行齿形定位，此轴的齿形特点是两边齿形齿厚小，中间齿厚大，跨棒距相差1.2mm，过渡处仅有1mm，无法用常规方法如插齿、硬滚、剃齿、磨齿等对其进行精加工，因此最终选取的方案是用小滚刀(避免干涉齿厚过渡部位)进行去余量粗加工，然后在加工中心上用成型铣刀进行精加工。在成型铣刀加工前需要进行齿轮精确定位，以便完成精加工。滚齿完粗加工后的齿形参数如表1所示：

表1已知滚齿后齿形参数

名称	数值
		齿数Z	22
模数m	3
		压力角α	30°
齿顶圆直径df	69.4
		齿根园直径db	60.7
变位系数x	-0.14555
		测头球径d	2.5

由于模数为3，取L＝0.5mm，测量圆直径d＝df-2*L＝68.4mm

H＝0.5*(df-db)＝4.35mm，由以上参数绘制1:1标准齿轮图形，可测出θ＝6.5737°，取θ₁＝6°。

测头完成步骤1，在进行步骤2时，设测头与左齿面A1点接触时，系统记录工件的旋转轴坐标θ_A1＝5°，然后工件再逆时针快速旋转0.5*θ＝3.28°，之后执行M134，主轴旋转180°指令，再执行步骤3，记录旋转轴坐标θ_A2＝11.6°，则齿槽中心位置的旋转轴坐标为θ_A3＝0.5*(θ_A1+θ_A2)＝8.3°，测头抬起4.35mm，工件旋转到8.3°，此时工件齿槽就处于正中心如图4所示，此时的旋转轴坐标为8.3°，将此位置的旋转轴坐标赋值给机床加工坐标系，则齿槽中心坐标变为0，可以进行下一工序加工。

针对该轴进行齿形定位的方法包括如下步骤：

步骤a：采用测量方式进入齿槽；

步骤b：判断是否到达测量圆；

步骤c：开始进行测量左右齿面定位测量；

步骤d：计算齿槽中心位。

采用本发明的方法获得齿槽中心位置后，将齿轮旋转至齿槽中心位置位置，此时齿槽正对中心，将齿槽中心坐标值赋值给机床加工坐标系A轴，则齿槽中心坐标变为0，然后执行下游铣齿切削程序。下游程序还包括磨齿、插齿等。

Claims (4)

1.一种齿形定位方法，该方法适用于四轴及四轴以上加工中心，所述加工中心包括机床主轴和旋转轴，所述机床主轴上设置有测头，所述旋转轴上安装有齿轮，所述测头位于齿轮径向，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：测头向齿轮靠近，至测头移动至测量位置，测量位置为测头中心在测量圆上且测头轴中心线过齿轮中心轴，测量圆为齿轮周向上任一个以齿轮中心轴上的点为圆心且以齿顶以下L处到圆心的距离为半径的圆，L为正整数；

判断测头在移动过程中是否与齿轮触碰，若未发生触碰，则测头停止移动并执行步骤2；

若发生触碰，则测头停止移动并执行调整指令，所述调整指令包括令测头抬高H和令齿轮旋转θ₁，H为齿全高，θ₁∈(0,θ)，θ为两齿面旋转夹角，然后返回步骤1，测头重新向齿轮靠近；

步骤2：齿轮顺时针旋转，至测头与齿轮的左齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得测头与左齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A1，其中，

Z为齿轮的总齿数；令齿轮逆时针旋转θ/2；

步骤3：测头绕测头轴中心线旋转180°，齿轮逆时针旋转，至测头与齿轮的右齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得齿轮右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A2，其中，

步骤4：根据测头分别与左、右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标获得齿槽中心位置的旋转轴坐标θ_A3，其中，θ_A3＝(θ_A1+θ_A2)/2。

2.如权利要求1所述的齿形定位方法，其特征在于，步骤1中，齿轮模数为2～5且测头直径为1～3mm时，L＝0.5mm；齿轮模数小于1.2时且测头直径＜1mm时，L＜0.5mm；齿轮模数大于5时且测头直径＞3mm时L＞0.5mm。

3.一种齿形定位控制系统，其特征在于，包括测头定位模块、触碰点定位模块和齿槽中心点定位模块；

所述的测头定位模块用于在测头向齿轮靠近至测头移动至测量位置时，测量位置为测头中心在测量圆上且测头轴中心线过齿轮中心轴，测量圆为齿轮周向上任一个以齿轮中心轴上的点为圆心且以齿顶以下L处到圆心的距离为半径的圆，L为正整数；

判断测头在移动过程中是否与齿轮触碰，若未发生触碰，则测头停止移动并执行触碰点定位模块；

若发生触碰，则测头停止移动并执行调整指令，所述调整指令包括令测头抬高H和令齿轮旋转θ₁，H为齿全高，θ₁∈(0,θ)，θ为两齿面旋转夹角，然后返回测头定位模块令测头重新向齿轮靠近；

所述的触碰点定位模块用于令齿轮顺时针旋转，至测头与齿轮的左齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得测头与左齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A1，其中，

Z为齿轮的总齿数；令齿轮逆时针旋转θ2；

所述的触碰点定位模块还用于令测头绕测头轴中心线旋转180°，齿轮逆时针旋转，至测头与齿轮的右齿面触碰时，齿轮停止旋转，获得齿轮右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标θ_A2，其中，

所述的齿槽中心点定位模块用于根据测头分别与左、右齿面触碰时齿轮的旋转轴坐标获得齿槽中心位置对应的旋转轴坐标θ_A3，其中，θ_A3＝(θ_A1+θ_A2)/2。

4.如权利要求3所述的齿形定位控制系统，其特征在于，测头定位模块中，齿轮模数为2～5且测头直径为1～3mm时，L＝0.5mm；齿轮模数小于1.2时且测头直径＜1mm时，L＜0.5mm；齿轮模数大于5时且测头直径＞3mm时L＞0.5mm。

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