CN115635148B - 一种螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，包括：S01，切削刀盘预安装；S02，设置压刀初始位置：调节机床各轴，实现圆柱测针与首片刀的刀尖对正，沿刀条轴向下压配合压刀装置调节直至三维测头压量符合要求，记录此时位置为压刀初始位置；S03，压刀及轴向检测：启动压刀程序，将刀条压至预设高度处，轴向误差合格后锁紧刀条，启动轴向检测程序，复核刀条轴向误差；S04，径向检测；S05，刀条调整：选定部分或所有径向超差刀条，进行调刀补偿，直至装刀精度合格。本发明仅需设定一次压刀初始位置，后续装刀和检测都可自动计算、执行、评估，并且压刀过程不断修正，可以提高效率和精度，降低对于人工操作的依赖。

Description

一种螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法

技术领域

本发明属于螺旋锥齿轮加工技术领域，具体涉及一种螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法。

背景技术

螺旋锥齿轮切削尖齿刀具刃磨并涂层后，需在装刀机上进行安装校正，以确保切削刀具的装刀精度合格，包括轴向及径向精度。

装刀精度直接影响整盘刀条的使用寿命和切齿质量。装刀精度越高，切齿表面质量及精度越好、刀具加工寿命越高。

现有装刀机基本采用刀条之间相互对比的相对测量校正方法，手动设定内、外刀的压刀及检刀位置进行校正。其中径向检测通常有两种方式：一、手动设定检测刀条主切削刃后刀面单点位置，但是实际参与切削的部位是刀刃，待装刀条的后刀面可能存在较大误差，特别是在不同机床上加工出来的刀条其后刀面差异较大，以后刀面来评价径向误差的方法并不准确；二、手动设定刀条主切削刃口的直线检测轨迹，极易受测针波动影响，导致检测重复性偏大。这两种方式操作较为繁琐，都无法得出刀盘坐标系下的刀条的实际切齿半径及刀组之间角度差。

现有技术之一公开的铣刀盘的校正装置、方法(CN106855399A)，其中公开的校正方法包括：

a.将预装有多根刀条的铣刀盘安装于主轴；

b.将各所述刀条轴向位置按预设理论高度进行调整，同时第一探头检测并记录各所述刀条调整后的实际刀高；

c.设置第二探头的轴向检测位置并维持不变，调整所述第二探头的径向位置，使其与刀条后刀面中心位置接触，记录所述第二探头检测值并将其作为被检刀条切削刃的径向尺寸；通过旋转所述主轴，使所有刀条依次位于检测位置，完成对所有刀条的检测；

或，

设置第二探头的轴向检测位置并维持不变，使所述第二探头与位于检测位置的刀条后刀面靠近切削刃位置接触；接触后旋转所述主轴，同时调整所述第二探头的径向位置，使得所述第二探头沿刀条的后刀面向其切削刃滑动，所述第二探头滑过所述切削刃后与被检刀条前刀面接触，此过程中所述第二探头的最大检测值记录为被检刀条切削刃的径向尺寸；通过旋转所述主轴，使所有刀条依次位于检测位置，完成对所有刀条的检测；

d.选取所有刀条中的一根作为基准刀条，基准刀条切削刃的径向尺寸作为基准值；比较其他刀条径向尺寸相对所述基准值是否处于预设公差范围内，是，该刀条安装合格，否，校正该刀条。

上述现有技术中，是通过手动设置径向检测时的位置，包括Z(轴向高度)和Y(径向位置)，然后C/Y联动完成探头从后刀面向刃口滑动并在前刀面结束，最终取此过程的探头最大检测值为径向尺寸。

此方案缺点一：初始检测位置是通过人为手动设定，包括内刀和外刀，操作耗时，检测结果容易受人为干扰。

缺点二：检测轨迹的计算推导并没有说明，检测后的评价也只是简单的取第二探头过程中最大检测值为径向尺寸，特别其中外刀在检测过程中刃口所对应的初始检测值是没有最大值的，需要转换到刀盘坐标系中进行处理，方可得到刃口的径向尺寸。简单的评判还容易受探头波动影响，导致检测重复性不好。

缺点三：压刀调整的轨迹计算推导并没有说明，只是简单的述说要将刀条轴向位置按预设理论高度进行调整，且调整的具体流程也未列举。

缺点四：无调刀补偿功能，在刀盘本体精度较差的情况下，只能通过人为测量的方式进行调整，无法通过自动调刀来快速保证径向公差，依赖操作工的装刀经验，操作耗时。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，能够提高精度，降低对于人工操作的依赖。

根据本发明实施例的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，包括：

S01，切削刀盘预安装：在安装在机床上的所述切削刀盘上插入刀条，并统一拔高至高于理论装刀高；

S02，设置压刀初始位置：调节机床各轴，实现圆柱测针与首片刀的刀尖对正，沿刀条轴向下压配合压刀装置调节直至三维测头压量符合要求，记录此时位置为压刀初始位置；

S03，压刀及轴向检测：启动压刀程序，将刀条压至预设高度处，轴向误差合格后锁紧刀条，启动轴向检测程序，复核刀条轴向误差；

S04，径向检测：启动刀条径向检测程序，固定轴向，控制球形测针在刀条节点高度处从切削刃后刀面朝刃口移动，同时增加径向的球形测针压量，并绕刃口旋转，直至球形测针与刃口脱开，采集数据进行转换处理，得到径向评估数据和实际后角；

S05，刀条调整：在完成全部刀条的轴向及径向检测评估后，选定部分或所有径向超差刀条，进行调刀补偿，直至装刀精度合格。

根据本发明实施例的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，至少具有以下有益效果：

本螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法仅需设定一次压刀初始位置，后续装刀和检测都可自动计算、执行、评估，并且压刀过程不断修正，可以提高效率和精度，降低对于人工操作的依赖。

根据本发明的一些实施方式，在步骤S01中，在所述切削刀盘的内、外刀孔插入对应刀条，拧紧所述切削刀盘侧面的螺钉至设定状态，最后统一将刀条拔高至高于理论装刀高。

根据本发明的一些实施方式，定义所述切削刀盘的转轴为C轴，刀条的轴向为平行于C轴的Z轴、径向为X轴；在步骤S02中，手动移动Z/X/C轴，将圆柱测针置于首片外刀或者内刀的上方，保证刀尖处于圆柱测针的中心位置附近，控制Z轴下压，使得三维测头的EZ压量满足设定要求，然后拧紧压刀装置调节螺钉，使得压刀杆与刀尖后背接触，直至三维测头EZ压量减小至设定要求，记录此时位置为压刀初始位置，其中EZ压量为三维测头当前Z方向压量值。

根据本发明的一些实施方式，在步骤S03中，启动压刀程序，系统根据设定的压刀初始位置全自动计算生成内、外刀压刀轨迹，通过Z/C/X三轴联动保证刀尖与圆柱测针的接触位置是基本固定的，将刀条压至预设高度处，将所有刀条的轴向误差均控制合格后，依次以要求的预紧力锁紧刀条的上下螺钉；启动轴向检测程序，再次对全部刀条进行轴向检测，按照计算轨迹运行到圆柱测针与刀尖接触时，自动读取三维测头EZ压量，以实际Z坐标加上EZ压量即为轴向高度，以复核螺钉在锁紧过程中刀条实际高度有无超出设定位移。

根据本发明的一些实施方式，压刀流程包括：

首先Z/C/X轴联动到压刀安全位置，快速压刀至HW-E0+1处，比较当前EZ压量与设定压刀初始位置E0压量，提前避免异常压刀；

然后记录此时EZ压量值为E1，快速回退释放压刀杆压力，接着慢速压刀至HW-E1+0.5处，比较当前EZ压量和E1压量值，以确认移动过程中刀尖和圆柱测针的相对位置关系是否保持一致；

再慢速压刀至HW-E1处，记录此时轴向高度为Z1，接着回退至HW-E1+0.2处，记录此时轴向高度为Z2，通过比较Z2和Z1的差值来判断压刀杆是否存在过量变形；

最后慢速压刀至HW-E1-(Z2-Z1)处，此时的刀条轴向高度Z+EZ即为该刀最终的轴向高度；

其中，E0为设定压刀初始位置时三维测头的Z方向压量值，HW为理论装刀高。

根据本发明的一些实施方式，压刀轨迹及偏置补偿值的推导包括：

建立刀盘坐标系，刀尖位置记为{Xc(t)，Yc(t)，Zc(t)，θc(t)}，其中θc(t)＝0；

任意刀条高度Z＝TemZ下，刀尖位置为：

其中ΔA为刀盘倾角，hand为刀盘旋向，并且左旋为1，右旋为-1；

将上述坐标位置转换到机床坐标系中，得到新坐标{Xm(TemZ)，Ym(TemZ)，Zm(TemZ)，θm(TemZ)}，由于机床不存在Y轴，理论上X轴过C轴中心，所以Ym(TemZ)＝0，得出关系：

记压刀初始位置为{X(ini)，0，Z(ini)，θ(ini)}，根据此时刀条高度Z(ini)，可计算出对应的X/C轴理论值Xm(Z(ini))和θm(Z(ini))，则相应压刀初始位置下的X/C轴偏置补偿值为：

其中pi为圆周率；

则任意刀条在任意刀条高度下，压刀位置计算应满足：

其中i为刀条编号(1，2，3……Z₀*2)，Z₀为刀组数。

根据本发明的一些实施方式，在步骤S04中，启动刀条径向检测程序，系统根据设定的压刀初始位置全自动计算生成内、外刀径向检测轨迹，径向检测时固定Z轴，通过C、X轴联动使得球形测针在刀条节点高度处从切削刃后刀面朝刃口移动，同时增加X方向的球形测针压量，并绕刃口旋转，直至球形测针与刃口脱开，通过数控系统采集运动中的轴位置和球形测针压量数据，最终将机床坐标系转换至刀盘坐标系，通过数据处理找到数据中实际切齿半径的极值，即为该刀径向数据评估，同时在数据处理过程中还可提取该刀的实际后角，以提示刀条可能存在的异常。

根据本发明的一些实施方式，径向检测推导包括：

在径向测量过程中，球形测针的球心在Z向高度保持不变，那么在同一Z轴高度下进行建模，定义Om为机床坐标系，Oc为刀盘坐标系，其中θ为所求未知C轴角度值，γA为主刃切削刃后角，ΔYL为球形测针在Y方向的偏置；刃口点为刀条节点，记其在刀盘坐标系中的坐标值为{Xc，Yc，Zc}，记后刀面从刃口的检测长度为L0；

记后刀面法矢为：

则球形测针在固定Z高度平面内的投影到后刀面接触点的距离为：

径向检测时v轴坐标为：

其中r为球形测针半径；

记tem1为球形测针球心点与理论刃口点在机床坐标系中Y方向的差值；

记tem2为检测接触点与球形测针球心点在机床坐标系中Y方向的差值；

记tem3为检测接触点与理论刃口点在机床坐标系中Y方向的差值；

记刀条类型为type，刀条类型为外刀时type＝1，刀条类型为内刀时type＝-1；

存在以下关系：

hand为刀盘旋向，并且左旋为1，右旋为-1；

根据tem1、tem2、tem3的几何关系，可求出检测起始位置对应的C轴角度，记为θ₁；

检测起始位置时球心X坐标记为X₁；

X₁＝Δr×cos(θ₁-rA×type)×type+tem3×tan(θ₁-rA×type)+Xc×cosθ₁+Yc×sinθ₁×hand；

当tem3＝0时，接触点为刃口点，此时处于检测临界状态，可求出对应C轴角度值，记为θ₂，记对应球心X坐标为X₂；

X₂＝Δr×cos(θ₂-rA×type)×type+Xc×cosθ₂+Yc×sinθ₂×hand；

记球形测针与刀条刃口脱离时的C轴角度为θ₃，此时应满足关系式：

Δr+ΔYL×hand＝-Xc×sinθ₃+Yc×cosθ₃×hand；

通过上式可求出θ₃；

为了在径向检测过程中球形测针保持有压量，令ΔX为C轴在θ₂时球形测针的EX压量值，构造检测函数式：

X(θ)＝K₁×θ+K₂；

其中θ∈(θ₁，θ₃)；

根据前面所求的X和θ值可求出：

对上面的推导进行汇总，可得出径向检测时，机床运动轨迹为：

其中θ∈(θ₁，θ₂)。

根据本发明的一些实施方式，径向分析推导包括：

径向测量过程中，对机床各轴和三维测头压量数据进行采样记录，记机床X/Z/C各轴位置数组为X、Z、θ，三维测头各压量数组为EX、EY、EZ，虽然无Y轴，但存在Y向偏置ΔYL；

建立关于X/Y/Z/C的数组Mm(i)＝{X+EX，ΔYL+EY，Z+EZ，θ+Φ(i)}，此时X轴数据在刃口处并不存在极值；

其中Φ(i)＝-(i-1)×180÷Z₀-θ_offset，i为刀条编号；

将数组Mm(i)中各数据绕Z轴转动θ+Φ(i)角度，得到刀盘坐标系下新数组Mc(i)：

机床坐标系下采集的原始数据X在刃口处并不存在极值，逆转至刀盘坐标系后，刃口附近处存在极值；

提取Mc(i)数组中的X数据，记为Mci(i)，记每片刀的X最大值为Mci(i)_max，记刀盘坐标系下刀条刃口的X坐标数据为ROB₀(i)，由于Mci(i)为三维测头中心的坐标，故：

ROB₀(i)＝Mci(i)_max-Δr×type；

将Mm(i)中各数据再绕Z轴转动

角度，按照上述方法再进行数据处理，记此情况下刀盘坐标系下外刀刃口的X坐标数据为ROB₁(i)，其中

取1～10度；

另外，通过对

取不同的值，逆转至刀盘坐标系下后X数据曲线斜率也不一样，通过迭代计算，当刀盘坐标系下后X数据曲线斜率为0时，对应的

值即为刀条实际后角，当检测实际后角与理论后角偏差超出设定值时，提示刀条后角存在异常。

根据本发明的一些实施方式，通过逆转不同角度至刀盘坐标系下的刃口X坐标ROB₀(i)和ROB₁(i)可求出刀条刃口实际切齿半径，即为径向数据，具体的，

等高齿刀盘实际切齿半径计算包括：

记分析过程数组有RTemp1(i)、RTemp2(i)、RTemp3(i)、RTemp4(i)，Z₀为刀组数，Mn为齿轮中点法向模数；

RTemp4(i)＝RTemp1(i)+RTemp3(i)，

记刀条实际切齿半径为ROBAct(i)，以首片刀为基准，则

ROBAct(i)＝RTemp2(i)-Eb×(RTemp4(i)-RTemp4(1))；

其中RTemp4(i)-RTemp4(1)即为等高齿刀盘的刀组之间角度差；

收缩齿刀盘实际切齿半径计算包括：

记分析过程数组有RTemp1(i)、RTemp2(i)，则

记刀条实际切齿半径为ROBAct(i)，则ROBAct(i)＝RTemp2(i)。

根据本发明的一些实施方式，在步骤S05中，所述调刀补偿包括手动和自动两种方式：

手动方式下，通过调整所述刀条侧面的螺钉的推力大小来减小径向误差，如果无法依靠螺钉调整合格，松开螺钉后手动调整轴向高度来减小径向误差；

自动方式下，根据评估结果自动计算刀条的轴向高度补偿量进行重新压刀，以减小径向误差，刀条轴向和径向之间存在比例关系，记轴向补偿量为ΔZ，记径向调整量为ΔX，外刀轴向变化对径向的影响因子为Fa，内刀轴向变化对径向的影响因子为Fi，影响因子均通过装刀参数自动计算得出，轴向调整补偿量计算为：

外刀ΔZ＝ΔX/Fa，内刀ΔZ＝-ΔX/Fi。

其中径向调整量的确定可针对不同场景选用三种策略：

策略1：径向调整量设定为径向误差与最近公差线的距离，此策略下，可保证径向合格的情况下，轴向高度变化尽可能小；

策略2：径向调整量设定为径向误差与基准线的距离，此策略下会将径向误差控制得更小；

策略3：径向调整量设定为径向误差与平均线的距离，此策略下适合仅需调整少量刀条。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本方法所应用的一种具体机床的结构示意图；

图2为压刀轴向检测的一种示意图；

图3为内刀径向检测的一种示意图；

图4为外刀径向检测的一种示意图；

图5-1、图5-2为左旋外刀径向检测的推导示意图；

图6-1、图6-2为左旋内刀径向检测的推导示意图；

图7-1、图7-2为右旋外刀径向检测的推导示意图；

图8-1、图8-2为右旋内刀径向检测的推导示意图；

图9为一组机床坐标系采集原始X数据对应的折线图；

图10为一组逆转至刀盘坐标系下X数据对应的折线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明一种实施例的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，包括：

S01，切削刀盘预安装：在安装在机床上的切削刀盘上插入刀条，并统一拔高至高于理论装刀高；

S02，设置压刀初始位置：调节机床各轴，实现圆柱测针与首片刀的刀尖对正，沿刀条轴向下压配合压刀装置调节直至三维测头压量符合要求，记录此时位置为压刀初始位置；

S03，压刀及轴向检测：启动压刀程序，将刀条压至预设高度处，轴向误差合格后锁紧刀条，启动轴向检测程序，复核刀条轴向误差；

S04，径向检测：启动刀条径向检测程序，固定轴向，控制球形测针在刀条节点高度处从切削刃后刀面朝刃口移动，同时增加径向的球形测针压量，并绕刃口旋转，直至球形测针与刃口脱开，采集数据进行转换处理，得到径向评估数据和实际后角；

S05，刀条调整：在完成全部刀条的轴向及径向检测评估后，选定部分或所有径向超差刀条，进行调刀补偿，直至装刀精度合格。

为了便于理解，本发明基于申请号为CN202110925557.6的立式装刀机的结构进行展开描述。参照图1至图4，在该机床结构中，切削刀盘的转轴为C轴，刀条的轴向为平行于C轴的Z轴、径向为X轴。本发明的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，包括以下步骤：

S01，切削刀盘预安装：将切削刀盘安装到工件主轴上，在切削刀盘的内、外刀孔插入对应刀条，以合适的力度拧紧刀盘侧面的螺钉，使刀条在孔内能够用手轻易推动，但又不会自由掉落，最后统一将刀条拔高至理论装刀高上方。

S02，设置压刀初始位置：手动移动Z/X/C轴，将圆柱测针(即CN 202110925557.6中的径向测针)置于首片外刀或者内刀的上方，保证刀尖处于圆柱测针的中心位置附近，控制Z轴下压，使得三维测头的EZ压量满足设定要求，然后拧紧压刀装置调节螺钉(即CN202110925557.6中的调节件)，使得压刀杆与刀尖后背接触，直至三维测头EZ压量减小至设定要求，记录此时位置为压刀初始位置，其中EZ压量为三维测头当前Z方向压量值。

S03，压刀及轴向检测：启动压刀程序，系统根据设定的压刀初始位置全自动计算生成内、外刀压刀轨迹，通过Z/C/X三轴联动保证刀尖与圆柱测针的接触位置是基本固定的，将刀条压至预设高度处，将所有刀条的轴向误差均控制合格后，依次以要求的预紧力锁紧刀条的上下螺钉；启动轴向检测程序，再次对全部刀条进行轴向检测，按照计算轨迹运行到圆柱测针与刀尖接触时，自动读取三维测头EZ压量，以实际Z坐标加上EZ压量即为轴向高度，以复核螺钉在锁紧过程中刀条实际高度有无过大位移，在实际应用中可以设定一个值。

S04，径向检测：启动刀条径向检测程序，系统根据设定的压刀初始位置全自动计算生成内、外刀径向检测轨迹，径向检测时固定Z轴，通过C、X轴联动使得球形测针(即CN202110925557.6中的高度测针)在刀条节点高度处从切削刃后刀面朝刃口移动，同时增加X方向的球形测针压量，并绕刃口旋转，直至球形测针与刃口脱开，通过数控系统采集运动中的轴位置和球形测针压量数据，最终将机床坐标系转换至刀盘坐标系，通过数据处理找到数据中实际切齿半径的极值，即为该刀径向数据评估，同时在数据处理过程中还可提取该刀的实际后角，以提示刀条可能存在的异常。

S05，刀条调整：在完成所有刀条的轴向及径向检测评估后，选定部分或所有径向超差刀条，进行手动或自动两种方式进行调刀补偿，直至装刀精度合格。手动方式下，通过调整上下螺钉的推力大小或轴向高度来减小径向误差；自动方式下，根据评估结果自动计算刀条的轴向高度补偿量进行重新压刀，以减小径向误差。其中自动调刀方式在切削刀盘的精度较差时，其操作简便效率更高、调整准确更有效。

以下对压刀及轴向检测进行进一步阐述。

压刀流程包括：

首先Z/C/X轴联动到压刀安全位置，快速压刀至HW-E0+1处以保证压刀效率，比较当前EZ压量与设定压刀初始位置E0压量，可以提前避免异常压刀；

然后记录此时EZ压量值为E1，快速回退释放压刀杆压力，接着慢速压刀至HW-E1+0.5处，比较当前EZ压量和E1压量值，以确认移动过程中刀尖和圆柱测针的相对位置关系是否保持一致；

再慢速压刀至HW-E1处，记录此时轴向高度为Z1，接着回退至HW-E1+0.2处，记录此时轴向高度为Z2，通过比较Z2和Z1的差值来判断压刀杆是否存在过量变形；

最后慢速压刀至HW-E1-(Z2-Z1)处，此时的刀条轴向高度Z+EZ即为该刀最终的轴向高度；

其中，E0为设定压刀初始位置时三维测头的Z方向压量值，HW为理论装刀高，快速和慢速仅是相对而言，本领域技术人员可以根据经验灵活设定速度，此处的快速压刀、快速回退只是为了提高效率的相对设置。此压刀方式过程中，不断对刀条实际轴向高度进行判断和修正，实现更为精准的压刀。

参照图5-1至图8-2，压刀轨迹及偏置补偿值的推导包括：

建立刀盘坐标系，刀尖位置记为{Xc(t)，Yc(t)，Zc(t)，θc(t)}，其中θc(t)＝0；

任意刀条高度Z＝TemZ下，刀尖位置为：

其中ΔA为刀盘倾角，hand为刀盘旋向，并且左旋为1，右旋为-1；

将上述坐标位置转换到机床坐标系中，得到新坐标{Xm(TemZ)，Ym(TemZ)，Zm(TemZ)，θm(TemZ)}，由于机床不存在Y轴，理论上X轴过C轴中心，所以Ym(TemZ)＝0，得出关系：

记压刀初始位置为{X(ini)，0，Z(ini)，θ(ini)}，根据此时刀条高度Z(ini)，可计算出对应的X/C轴理论值Xm(Z(ini))和θm(Z(ini))，则相应压刀初始位置下的X/C轴偏置补偿值为：

其中pi为圆周率；

则任意刀条在任意刀条高度下，压刀位置计算应满足：

其中i为刀条编号(1，2，3……Z₀*2)，Z₀为刀组数。

以下对刀条径向检测及分析进行进一步阐述。

径向检测推导包括：

在径向测量过程中，球形测针的球心在Z向高度保持不变，那么在同一Z轴高度下进行建模，定义Om为机床坐标系，Oc为刀盘坐标系，其中θ为所求未知C轴角度值，γA为主刃切削刃后角，ΔYL为球形测针在Y方向的偏置；刃口点为刀条节点，记其在刀盘坐标系中的坐标值为{Xc，Yc，Zc}，记后刀面从刃口的检测长度为L0；

记后刀面法矢为：

则球形测针在固定Z高度平面内的投影到后刀面接触点的距离为：

径向检测时Z轴坐标为：

其中r为球形测针半径；

记tem1为球形测针球心点与理论刃口点在机床坐标系中Y方向的差值；

记tem2为检测接触点与球形测针球心点在机床坐标系中Y方向的差值；

记tem3为检测接触点与理论刃口点在机床坐标系中Y方向的差值；

记刀条类型为type，刀条类型为外刀时type＝1，刀条类型为内刀时type＝-1；

存在以下关系：

hand为刀盘旋向，并且左旋为1，右旋为-1；

根据tem1、tem2、tem3的几何关系，可求出检测起始位置对应的C轴角度，记为θ₁；

检测起始位置时球心X坐标记为X₁；

X₁＝Δr×cos(θ₁-rA×type)×type+tem3×tan(θ₁-rA×type)+Xc×cosθ₁+Yc×sinθ₁×hand；

当tem3＝0时，接触点为刃口点，此时处于检测临界状态，可求出对应C轴角度值，记为θ₂，记对应球心X坐标为X₂；

X₂＝Δr×cos(θ₂-rA×type)×type+Xc×cosθ₂+Yc×sinθ₂×hand；

记球形测针与刀条刃口脱离时的C轴角度为θ₃，此时应满足关系式：

Δr+ΔYL×hand＝-Xc×sinθ₃+Yc×cosθ₃×hand；

通过上式可求出θ₃；

为了在径向检测过程中球形测针保持有压量，令ΔX为C轴在θ₂时球形测针的EX压量值，构造检测函数式：

X(θ)＝K₁×θ+K₂；

其中θ∈(θ₁，θ₃)；

根据前面所求的X和θ值可求出：

对上面的推导进行汇总，可得出径向检测时，机床运动轨迹为：

其中θ∈(θ₁，θ₂)。

径向分析推导包括：

径向测量过程中，对机床各轴和三维测头压量数据进行采样记录，记机床X/Z/C各轴位置数组为X、Z、θ，三维测头各压量数组为EX、EY、EZ，虽然无Y轴，但存在Y向偏置ΔYL；

建立关于X/Y/Z/C的数组Mm(i)＝{X+EX，ΔYL+EY，Z+EZ，θ+Φ(i)}，此时X轴数据在刃口处并不存在极值；

其中Φ(i)＝-(i-1)×180÷Z₀-θ_offset，i为刀条编号；

将数组Mm(i)中各数据绕Z轴转动θ+Φ(i)角度，得到刀盘坐标系下新数组Mc(i)：

参照图9、图10，机床坐标系下采集的原始数据X在刃口处并不存在极值，逆转至刀盘坐标系后，刃口附近处存在极值；

提取Mc(i)数组中的X数据，记为Mci(i)，记每片刀的x最大值为Mci(i)_max，记刀盘坐标系下刀条刃口的x坐标数据为ROB₀(i)，由于Mci(i)为三维测头中心的坐标，故：

ROB₀(i)＝Mci(i)_max-Δr×type；

将Mm(i)中各数据再绕Z轴转动

角度，按照上述方法再进行数据处理，记此情况下刀盘坐标系下外刀刃口的X坐标数据为ROB₁(i)，其中

取1～10度；

另外，通过对

取不同的值，逆转至刀盘坐标系下后X数据曲线斜率也不一样，通过迭代计算，当刀盘坐标系下后X数据曲线斜率为0时，对应的

值即为刀条实际后角，当检测实际后角与理论后角偏差超出设定值时，提示刀条后角存在异常，在实际应用中可以设定一个值。

通过逆转不同角度至刀盘坐标系下的刃口X坐标ROB₀(i)和ROB₁(i)可求出刀条刃口实际切齿半径，即为径向数据，具体的，

等高齿刀盘实际切齿半径计算包括：

记分析过程数组有RTemp1(i)、RTemp2(i)、RTemp3(i)、RTemp4(i)，Z₀为刀组数，Mn为齿轮中点法向模数；

RTemp4(i)＝RTemp1(i)+RTemp3(i)，

记刀条实际切齿半径为ROBAct(i)，以首片刀为基准，则

ROBAct(i)＝RTemp2(i)-Eb×(RTemp4(i)-RTemp4(1))；

其中RTemp4(i)-RTemp4(1)即为等高齿刀盘的刀组之间角度差；

收缩齿刀盘实际切齿半径计算包括：

记分析过程数组有RTemp1(i)、RTemp2(i)，则

记刀条实际切齿半径为ROBAct(i)，则ROBAct(i)＝RTemp2(i)。

本方法对数据评价及调刀补偿具体包括：

(1)评价策略

在完成刀条轴向或径向数据检测后，所有内刀统一对比评价，所有外刀统一对比评价，评价策略可选三种策略：

策略1，极值中位评价：取刀条数据中最大值和最小值的中位数据为基准值，所有数据与基准值进行比较，得出评价结果；

策略2，平均值评价：取刀条数据的平均值为基准值，所有数据与基准值进行比较，得出评价结果；

策略3，多数合格评价：对刀条数据进行筛选，选取刀条数据处于预设公差范围内的刀条数量最多时为基准值，所有数据与基准值进行比较，得出评价结果。

(2)调刀补偿

在完成所有刀条的轴向及径向检测评估后，选定部分或所有径向超差刀条，进行手动或自动两种方式进行调刀补偿，直至装刀精度合格，其中自动调刀方式在刀盘本体精度较差时，其操作简便效率更高、调整准确更有效。

装刀径向误差对刀具切削影响较大，所以一般装刀时径向误差控制较为严格，在刀盘或刀条精度误差较大情况下，可适当牺牲轴向误差来保证径向误差。

手动方式下，通过调整所述刀条侧面的螺钉的推力大小来减小径向误差，如果无法依靠螺钉调整合格，松开螺钉后手动调整轴向高度来减小径向误差；

自动方式下，根据评估结果自动计算刀条的轴向高度补偿量进行重新压刀，以减小径向误差，刀条轴向和径向之间存在比例关系，记轴向补偿量为ΔZ，记径向调整量为ΔX，外刀轴向变化对径向的影响因子为Fa，内刀轴向变化对径向的影响因子为Fi，影响因子均通过装刀参数自动计算得出，轴向调整补偿量计算为：

外刀ΔZ＝ΔX/Fa，内刀ΔZ＝-ΔX/Fi。

其中径向调整量的确定可针对不同场景选用三种策略：

策略l：径向调整量设定为径向误差与最近公差线的距离，此策略下，可保证径向合格的情况下，轴向高度变化尽可能小；

策略2：径向调整量设定为径向误差与基准线的距离，此策略下会将径向误差控制得更小；

策略3：径向调整量设定为径向误差与平均线的距离，此策略下适合仅需调整少量刀条。

综上所述，本方法通过建立刀盘坐标系和机床坐标系并进行相互转换，只需手动标定一次压刀初始位置，后续压刀和检测都可全自动计算、执行及评估，操作简单方便、效率高、学习成本低，测量结果也更为稳定。

压刀过程中，不断对刀条实际轴向高度进行判断和修正，实现更为精准的压刀，同时对过程中的三维测头EZ压量进行判断和压刀装置实时扭矩检测保护，避免压刀异常及压刀杆的损坏，安全性更高。

径向检测后，将采集数据从机床坐标系逆转至刀盘坐标系进行处理，解决了外刀径向测量无极值问题，得出在刀盘中刀条的实际切齿半径，实际上齿轮加工与刀条切齿半径关系密切，以此评价方式更为精准可靠。

在径向检测的同时，还附加对刀条实际后角进行判断，以提示刀条后角异常的情况，及时避免压刀错误。

针对无法通过上下锁紧螺钉来控制径向误差情况，还可以通过自动调刀补偿功能，应用不同的补偿策略，实现自动调整刀条轴向高度，来保证径向误差，操作简便快速，避免了不同人工差异。

需要说明的是，本方法中轴系的定义可以是其他名称。并且也可用于此类其他立式装刀机结构上，只要能实现三维测头应用，三维测头相对切削刀具可竖直、水平移动即可。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，其特征在于，包括：

S01，切削刀盘预安装：在安装在机床上的所述切削刀盘上插入刀条，并统一拔高至高于理论装刀高；

S02，设置压刀初始位置：调节机床各轴，实现圆柱测针与首片刀的刀尖对正，沿刀条轴向下压配合压刀装置调节直至三维测头压量符合要求，记录此时位置为压刀初始位置；

S03，压刀及轴向检测：启动压刀程序，将刀条压至预设高度处，轴向误差合格后锁紧刀条，启动轴向检测程序，复核刀条轴向误差；

S04，径向检测：启动刀条径向检测程序，固定轴向，控制球形测针在刀条节点高度处从切削刃后刀面朝刃口移动，同时增加径向的球形测针压量，并绕刃口旋转，直至球形测针与刃口脱开，采集数据进行转换处理，得到径向评估数据和实际后角；

S05，刀条调整：在完成全部刀条的轴向及径向检测评估后，选定部分或所有径向超差刀条，进行调刀补偿，直至装刀精度合格；

在步骤S01中，在所述切削刀盘的内、外刀孔插入对应刀条，拧紧所述切削刀盘侧面的螺钉至设定状态，最后统一将刀条拔高至高于理论装刀高；

定义所述切削刀盘的转轴为C轴，刀条的轴向为平行于C轴的Z轴、径向为X轴；在步骤S02中，手动移动Z/X/C轴，将圆柱测针置于首片外刀或者内刀的上方，保证刀尖处于圆柱测针的中心位置附近，控制Z轴下压，使得三维测头的EZ压量满足设定要求，然后拧紧压刀装置调节螺钉，使得压刀杆与刀尖后背接触，直至三维测头EZ压量减小至设定要求，记录此时位置为压刀初始位置，其中EZ压量为三维测头当前Z方向压量值；

在步骤S03中，启动压刀程序，系统根据设定的压刀初始位置全自动计算生成内、外刀压刀轨迹，通过Z/C/X三轴联动保证刀尖与圆柱测针的接触位置是基本固定的，将刀条压至预设高度处，将所有刀条的轴向误差均控制合格后，依次以要求的预紧力锁紧刀条的上下螺钉；启动轴向检测程序，再次对全部刀条进行轴向检测，按照计算轨迹运行到圆柱测针与刀尖接触时，自动读取三维测头EZ压量，以实际Z坐标加上EZ压量即为轴向高度，以复核螺钉在锁紧过程中刀条实际高度有无超出设定位移；

压刀流程包括：

首先Z/C/X轴联动到压刀安全位置，快速压刀至HW-E0+1处，比较当前EZ压量与设定压刀初始位置E0压量，提前避免异常压刀；

然后记录此时EZ压量值为E1，快速回退释放压刀杆压力，接着慢速压刀至HW-E1+0.5处，比较当前EZ压量和E1压量值，以确认移动过程中刀尖和圆柱测针的相对位置关系是否保持一致；

再慢速压刀至HW-E1处，记录此时轴向高度为Z1，接着回退至HW-E1+0.2处，记录此时轴向高度为Z2，通过比较Z2和Z1的差值来判断压刀杆是否存在过量变形；

最后慢速压刀至HW-E1-(Z2-Z1)处，此时的刀条轴向高度Z+EZ即为该刀最终的轴向高度；

其中，E0为设定压刀初始位置时三维测头的Z方向压量值，HW为理论装刀高。

2.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，其特征在于，压刀轨迹及偏置补偿值的推导包括：

建立刀盘坐标系，刀尖位置记为{Xc(t)，Yc(t)，Zc(t)，θc(t)}，其中θc(t)＝0；

任意刀条高度Z＝TemZ下，刀尖位置为：

其中ΔA为刀盘倾角，hand为刀盘旋向，并且左旋为1，右旋为-1；

将上述坐标位置转换到机床坐标系中，得到新坐标{Xm(TemZ)，Ym(TemZ)，Zm(TemZ)，θm(TemZ)}，由于机床不存在Y轴，理论上X轴过C轴中心，所以Ym(TemZ)＝0，得出关系：

记压刀初始位置为{X(ini)，0，Z(ini)，θ(ini)}，根据此时刀条高度Z(ini)，可计算出对应的X/C轴理论值Xm(Z(ini))和θm(Z(ini))，则相应压刀初始位置下的X/C轴偏置补偿值为：

其中pi为圆周率；

则任意刀条在任意刀条高度下，压刀位置计算应满足：

其中i为刀条编号，Z₀为刀组数。

3.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，其特征在于，在步骤S04中，启动刀条径向检测程序，系统根据设定的压刀初始位置全自动计算生成内、外刀径向检测轨迹，径向检测时固定Z轴，通过C、X轴联动使得球形测针在刀条节点高度处从切削刃后刀面朝刃口移动，同时增加X方向的球形测针压量，并绕刃口旋转，直至球形测针与刃口脱开，通过数控系统采集运动中的轴位置和球形测针压量数据，最终将机床坐标系转换至刀盘坐标系，通过数据处理找到数据中实际切齿半径的极值，即为该刀径向数据评估，同时在数据处理过程中还可提取该刀的实际后角，以提示刀条可能存在的异常。

4.根据权利要求3所述的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，其特征在于，径向检测推导包括：

在径向测量过程中，球形测针的球心在Z向高度保持不变，那么在同一Z轴高度下进行建模，定义Om为机床坐标系，Oc为刀盘坐标系，其中θ为所求未知C轴角度值，γA为主刃切削刃后角，ΔYL为球形测针在Y方向的偏置；刃口点为刀条节点，记其在刀盘坐标系中的坐标值为{Xc，Yc，Zc}，记后刀面从刃口的检测长度为L0；

记后刀面法矢为：

则球形测针在固定Z高度平面内的投影到后刀面接触点的距离为：

径向检测时Z轴坐标为：

其中r为球形测针半径；

记tem1为球形测针球心点与理论刃口点在机床坐标系中Y方向的差值；

记tem2为检测接触点与球形测针球心点在机床坐标系中Y方向的差值；

记tem3为检测接触点与理论刃口点在机床坐标系中Y方向的差值；

记刀条类型为type，刀条类型为外刀时type＝1，刀条类型为内刀时type＝-1；

存在以下关系：

hand为刀盘旋向，并且左旋为1，右旋为-1；

根据tem1、tem2、tem3的几何关系，可求出检测起始位置对应的C轴角度，记为θ₁；

检测起始位置时球心X坐标记为X₁；

X₁＝Δr×cos(θ₁-rA×type)×type+tem3×tan(θ₁-rA×type)+Xc×cosθ₁+Yc×sinθ₁×hand；

当tem3＝0时，接触点为刃口点，此时处于检测临界状态，可求出对应C轴角度值，记为θ₂，记对应球心X坐标为X₂；

X₂＝Δr×cos(θ₂-rA×type)×type+Xc×cosθ₂+Yc×sinθ₂×hand；

记球形测针与刀条刃口脱离时的C轴角度为θ₃，此时应满足关系式：

Δr+ΔYL×hand＝-Xc×sinθ₃+Yc×cosθ₃×hand；

通过上式可求出θ₃；

为了在径向检测过程中球形测针保持有压量，令ΔX为C轴在θ₂时球形测针的EX压量值，构造检测函数式：

X(θ)＝K₁×θ+K₂；

其中θ∈(θ₁，θ₃)；

根据前面所求的X和θ值可求出：

对上面的推导进行汇总，可得出径向检测时，机床运动轨迹为：

其中θ∈(θ₁，θ₂)。

5.根据权利要求4所述的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，其特征在于，径向分析推导包括：

径向测量过程中，对机床各轴和三维测头压量数据进行采样记录，记机床X/Z/C各轴位置数组为X、Z、θ，三维测头各压量数组为EX、EY、EZ，虽然无Y轴，但存在Y向偏置ΔYL；

建立关于X/Y/Z/C的数组Mm(i)＝{X+EX，ΔYL+EY，Z+EZ，θ+Φ(i)}，此时X轴数据在刃口处并不存在极值；

其中Φ(i)＝-(i-1)×180÷Z₀-θ_offset，i为刀条编号；

将数组Mm(i)中各数据绕Z轴转动θ+Φ(i)角度，得到刀盘坐标系下新数组Mc(i)：

机床坐标系下采集的原始数据X在刃口处并不存在极值，逆转至刀盘坐标系后，刃口附近处存在极值；

提取Mc(i)数组中的X数据，记为Mci(i)，记每片刀的X最大值为Mci(i)^max，记刀盘坐标系下刀条刃口的X坐标数据为ROB₀(i)，由于Mci(i)为三维测头中心的坐标，故：

ROB₀(i)＝Mci(i)_max-Δr×type；

将Mm(i)中各数据再绕Z轴转动

角度，按照上述方法再进行数据处理，记此情况下刀盘坐标系下外刀刃口的X坐标数据为ROB₁(i)，其中

取1～10度；

另外，通过对

取不同的值，逆转至刀盘坐标系下后X数据曲线斜率也不一样，通过迭代计算，当刀盘坐标系下后X数据曲线斜率为0时，对应的

值即为刀条实际后角，当检测实际后角与理论后角偏差超出设定值时，提示刀条后角存在异常。

6.根据权利要求5所述的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，其特征在于，通过逆转不同角度至刀盘坐标系下的刃口X坐标ROB₀(i)和ROB₁(i)可求出刀条刃口实际切齿半径，即为径向数据，具体的，

等高齿刀盘实际切齿半径计算包括：

记分析过程数组有RTemp1(i)、RTemp2(i)、RTemp3(i)、RTemp4(i)，Z₀为刀组数，Mn为齿轮中点法向模数；

RTemp4(i)＝RTemp1(i)+RTemp3(i)，

记刀条实际切齿半径为ROBAct(i)，以首片刀为基准，则

ROBAct(i)＝RTemp2(i)-Eb×(RTemp4(i)-RTemp4(1))；

其中RTemp4(i)-RTemp4(1)即为等高齿刀盘的刀组之间角度差；

收缩齿刀盘实际切齿半径计算包括：

记分析过程数组有RTemp1(i)、RTemp2(i)，则

记刀条实际切齿半径为ROBAct(i)，则ROBAct(i)＝RTemp2(i)。

7.根据权利要求6所述的螺旋锥齿轮切削尖齿刀具的校正方法，其特征在于，在步骤S05中，所述调刀补偿包括手动和自动两种方式：

手动方式下，通过调整所述刀条侧面的螺钉的推力大小来减小径向误差，如果无法依靠螺钉调整合格，松开螺钉后手动调整轴向高度来减小径向误差；

自动方式下，根据评估结果自动计算刀条的轴向高度补偿量进行重新压刀，以减小径向误差，刀条轴向和径向之间存在比例关系，记轴向补偿量为ΔZ，记径向调整量为ΔX，外刀轴向变化对径向的影响因子为Fa，内刀轴向变化对径向的影响因子为Fi，影响因子均通过装刀参数自动计算得出，轴向调整补偿量计算为：

外刀ΔZ＝ΔX/Fa，内刀ΔZ＝-ΔX/Fi。

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