数控滚齿多源误差建模及补偿方法研究

发布时间：2020-04-30 10:46

【摘要】：齿轮是传递运动和动力的关键基础件,广泛应用于高档机床、汽车、风电、航母等领域,齿轮的制造精度制约了传动装置的传动性能和水平,精密齿轮是传动装置满足高承载能力、高效率、长寿命、高可靠性的必要支撑。齿轮制造的精度和效率一直是齿轮研究的驱动力,也是学者及企业关注的重点,近年来随着对齿轮性能要求的不断提高,对制齿机床的精度和效率也提出了新的要求,数控制齿正朝着高效、低成本、高精密方向发展。滚齿作为一种高效、低成本的制齿工艺,在齿轮制造领域占据重要地位,滚齿加工用途广泛,可用于加工直齿、斜齿、链齿轮、花键、涡轮等。近年来,随着刀具材料及电子信息技术的发展,滚齿机床设计制造能力得到了显著提升,数控滚齿机床刚度及加工能力得到了快速发展,高速、高精、硬齿面滚齿加工成为可能。硬齿面滚齿加工使得滚齿加工后的齿轮可以作为最终产品直接应用于传动装置,因此对滚齿加工精度要求也越来越高。由于目前滚齿加工精度不高,通常处于国标7-9级,多用于粗加工或半精密加工,但是滚齿在加工效率和成本上的优势明显,若能提升滚齿加工精度,使滚齿达到5级精度,则可满足多数汽车减速器齿轮精度要求,从而可以利用滚齿工艺部分替代磨齿或者至少提高磨齿前齿轮精度等级,在保证齿轮加工精度的前提下,降低加工成本,提高加工效率。这对于推动齿轮制造业技术进步具有重要的研究意义及工程价值。滚齿加工精度受多源误差综合影响,机床、滚刀及工件是滚齿加工三大组成部分,且机床误差(包括机床几何误差、机床运动误差),刀具误差(包括齿廓误差、齿距误差、螺旋线误差)以及刀具与工件在切削过程中的力致误差是滚齿多源误差的主要误差源~([1])。本文主要针对数控滚齿加工中的机床误差、滚刀几何误差、力致误差进行研究,建立滚刀几何误差与齿轮几何误差的多对多映射模型;在该模型基础上,研究滚齿机床误差与滚刀几何误差耦合作用下致齿轮几何误差模型;建立考虑机床误差与滚刀几何误差的切削力模型,并研究切削力致齿轮几何变形,通过工艺参数优化降低切削力对齿轮几何误差影响;建立机床误差辨识及误差补偿算法,降低机床误差及滚刀几何误差对齿轮几何误差的影响,最终实现滚齿加工精度提升,具体研究内容如下:(1)滚刀几何误差与齿轮几何误差的多对多映射建模。在滚削加工过程中,滚刀作为直接与齿轮接触的零部件,机床误差、滚刀误差、切削力致误差等都是通过刀具传递至齿轮齿面,因此对于滚刀几何误差与齿轮几何误差的多对多映射建模研究是滚齿加工多源误差建模的基础。本文基于齿轮啮合原理,建立滚刀齿廓误差与齿轮齿廓误差的映射模型;基于包络原理,建立滚刀几何误差与齿轮几何误差的多对多映射模型,其中滚刀几何误差考虑滚刀齿廓误差、滚刀螺旋线误差及滚刀齿距误差,齿轮几何误差包括齿轮齿廓误差、齿轮螺旋线误差、齿轮齿距误差;建立齿轮几何误差评价方法,评价滚刀几何误差致齿轮几何误差。为后续耦合机床误差建模奠定理论基础。(2)滚齿机床误差与滚刀几何误差耦合建模。分析并建立机床几何位姿误差、机床运动误差模型并耦合滚刀几何误差致齿轮几何误差的映射模型。考虑滚齿加工实际运动,将滚齿加工分为加工前对刀运动,及加工过程中的展成运动,其中对刀运动是刀具通过移动机床X、Y、Z、A轴到达对刀点,此过程误差只包括机床几何误差及机床运动误差,该部分运动最终影响滚刀轴线与工件轴线空间位置及方向。展成运动为滚刀实际切削齿轮运动,此过程机床Z、C轴几何误差、运动误差及滚刀几何误差耦合作用。将第一部分运动模型代入第二部分模型中的滚刀轴线误差矩阵,建立机床误差与滚刀几何误差耦合作用下的齿轮几何误差模型。(3)切削力致齿轮几何误差建模及优化。建立切削力致齿轮几何误差模型,基于切削原理,及齐次坐标变换,将齿轮切屑面积等价为滚刀切削刃扫掠过的面积,切削力建模过程综合考虑机床误差、刀具误差,建立多源误差影响下的切屑面积计算模型;基于有限元仿真及切削力测量实验,求解单位面积切削力系数;建立工艺系统刚度模型,计算切削力致工艺系统变形;基于有限元及锤击法探究切削力致齿轮整体变形;研究切削力致齿轮齿面回弹机理,计算齿面回弹量,从而确定齿轮最终几何误差;基于改进的粒子群-神经网络算法,通过工艺参数优化模型,降低切削力对齿轮几何误差的影响。(4)数控滚齿机床误差辨识及补偿。提出基于激光干涉仪的6线法误差检测方法,进行机床直线轴运动误差辨识。基于球杆仪圆锥轨迹,建立机床旋转轴运动误差辨识方法。基于齐次坐标变换的逆向运动学方法,考虑机床误差及刀具几何误差项,建立滚齿加工刀位点数据与机床伺服轴运动值之间的逆向解耦模型,在工作空间内,将理想刀位点位置方向数值代入逆向解耦方程,得到机床各伺服轴运动补偿值,预设各轴螺距补偿量,实现机床误差及刀具几何误差补偿,并通过补偿实验,验证理论正确性。本文通过对数控滚齿加工中机床误差、滚刀几何误差、切削力致误差建模研究,揭示了数控滚齿加工多源误差与齿轮几何误差的映射规律模型,提出了针对切削力致误差的工艺参数优化模型,建立了机床误差及刀具几何误差补偿方法,有效降低了滚齿加工误差,为数控滚齿加工精度提升提供理论支撑,对高效、低成本的滚切精密齿轮及数控滚齿机床精度演变机理的研究具有重要的工程意义及实用价值。
【图文】：

滚齿机,号数

1 绪论纪 80 年代，数控技术应用于滚齿机床，滚齿加工得到了由于加入了各运动轴 CNC 控制及部分运动轴的联动控制缩短了机床传动链、减少了辅助时间、简化了机床结构、制造。目前国外数控滚齿机（图 1.1）制造企业主要包括，德国 Liebherr 公司，日本三菱重工、坚藤、清和，意大机床厂家生产的滚齿机床往往具备结构刚度大，加工精度件尺寸范围大、齿面硬度高等优点，部分滚齿机床具备艺参数优化、工件误差在线检测及补偿等功能。

技术路线图,内容

本文主要研究内容及技术路线图
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG612

【参考文献】