CN110045685B - 检验齿轮机床工作精度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种检验齿轮机床工作精度的方法，利用机床调试阶段的传动链检验数据，在AutoCAD环境下，通过编程控制，将刀具和工件模拟真实的加工状况连续展成，对比展成的齿廓和理论正确的齿廓，得出齿轮的精度等级，客观地反映了机床的工作精度。本发明可应用于利用展成法加工的齿轮机床上，作为机床工作精度的检验方法，克服原实际精切试验法检验时的周期长、浪费大、不够环保、难以满足大批量生产的问题，还可作为齿轮机床加工小模数齿轮以及各种非标齿轮时的工作精度检验方法，具有需实际的加工试切，无切削油产生，不会产生烟雾，环保，不存在刀具的损耗，检验快捷，低成本的特点。

Description

检验齿轮机床工作精度的方法
技术领域
本发明属于齿轮机床精度测量和加工精度检测技术领域，涉及一种检验齿轮机床工作精度的方法。
背景技术
齿轮机床完成装配，当机床几何精度合格、机床动作调试正确后，下一步就是机床工作精度的检验。目前，通常采用的是“实际精切试验法”，即：在机床上按规定的试切工件、试切刀具和试切参数实际加工，然后在齿轮测量中心或其它专用仪器上检验加工工件(齿轮)的精度。当齿轮精度不合格时，要根据结果进行分析，对机床进行调整，然后再次试切，直到齿轮精度合格为止。这种方法安全、可靠，但也存在很多弊端：一是周期长。加工本身需要时间，而且大部分情况是需要根据试切结果多次调整；二是浪费大。不仅存在刀具的损耗，更主要的是需要大量一次性的试切工件；三是不够环保。试切加工使用切削油，不可避免地要产生一些烟雾；四是难以满足大批量生产。每台机床都要进行实际的精度试切加工，周期长，严重影响产出进度；五是难以全面应对。对于一些特殊齿轮，如模数小于0.2mm的小齿轮，孔径小于10mm的内齿轮等，因无法在检测仪器上进行精度的测量，这种“实际精切试验法”将无法实施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种检验齿轮机床工作精度的方法，可满足大批量生产和小模数齿轮以及各种非标齿轮加工机床的工作精度检验，无需实际的加工试切，无切削油产生，不会产生烟雾，环保，不存在刀具的损耗，检验快捷低成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种检验齿轮机床工作精度的方法，它包括如下步骤：
S1，传动链精度检测，获取传动链传动数据；
S2，拟合传动链误差曲线；
S3，设计刀具和工件图形；
S4，设定模拟展成步距角；
S5，获取当前展成点的实际位置；
S6，模拟展成；
S7，循环展成；
S8，对比检验。
所述S1中，分别检测刀具传动链和工件传动链的精度；精度检测时，固定起始位并标记为0；记录全程数据，以均360°为一周期；刀具传动误差曲线记为：Δα＝f1(α)，其中f1为刀具曲线函数，α为刀具曲线变量；工件传动误差曲线记为：Δβ＝f2(β)，其中，f2为工件曲线函数，β为工件曲线变量。
所述S2中，根据记录的传动链传动数据，分别拟合一条最接近实际状况的误差曲线。
所述S3中，在AutoCAD环境下，分别设计刀具和工件图形；将刀具和工件图形位置置于起始位。
所述S4中，依据加工圆周进给量、刀具冲程数，计算每两次展成之间工件转过的角度，即模拟展成步距角δα。
所述S5中，工件转一周展成完成，依传动比和刀具应转过角度，计算刀具传动误差曲线取值范围，其计算公式为
Figure GDA0002944842450000021
其中，工件转一周α＝360°，传动比
Figure GDA0002944842450000022
应转过角度β；展成点取值，βt′＝βt+f2(βt)，其中，工件当前展成点理论值为αt，刀具展成点理论值βt，
Figure GDA0002944842450000023
刀具实际展成位αt′＝αt+f1(αt)，工件实际展成位βt′。
所述S6中，当获取当前展成位的实际值αt′和βt′后，在AuotCAD环境下，通过设计的程序，将第3步中的工件和刀具分别转至αt′和βt′置，利用图形布尔运算操作，获得此刻的展成形状。
所述S7中，直到工件转角αt≥360°，展成结束；将αt增加一个步距角δα，重复第5、第6步。
所述S8中，将展成后的工件齿形与理论齿形对比，得到模拟齿轮的精度等级，若不合格，需要调整提高传动链精度，然后再次模拟，直到模拟工件精度合格为止。
一种检验齿轮机床工作精度的方法，利用机床调试阶段的传动链检验数据，在AutoCAD环境下，通过编程控制，将刀具和工件模拟真实的加工状况连续展成，对比展成的齿廓和理论正确的齿廓，得出齿轮的精度等级，客观地反映了机床的工作精度。本发明可应用于利用展成法加工的齿轮机床上，作为机床工作精度的检验方法，克服原实际精切试验法检验时的周期长、浪费大、不够环保、难以满足大批量生产的需要等问题，还可作为齿轮机床加工小模数齿轮以及各种非标齿轮时的工作精度检验方法，具有需实际的加工试切，无切削油产生，不会产生烟雾，环保，不存在刀具的损耗，检验快捷，低成本的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明刀具传动链误差曲线图。
图2为本发明工件传动链误差曲线图。
图3为本发明刀具和工件联动曲线图。
图4为本发明展成开始加工位置图。
图5为本发明展成中间加工位置图。
图6为本发明流程图。
图7为本发明1#机刀具传动误差曲线图。
图8为本发明1#机工件传动误差曲线图。
图9为本发明2#机刀具传动误差曲线图。
图10为本发明2#机工件传动误差曲线图。
图中：工件1，刀具2。
具体实施方式
如图1～图10中，一种检验齿轮机床工作精度的方法，它包括如下步骤：
S1，传动链精度检测，获取传动链传动数据；
S2，拟合传动链误差曲线；
S3，设计刀具和工件图形；
S4，设定模拟展成步距角；
S5，获取当前展成点的实际位置；
S6，模拟展成；
S7，循环展成；
S8，对比检验。
对于用展成法加工的齿轮机床，刀具精度的影响是一固定因素，比较容易分析和判断，当机床完成装配调试后，机床几何精度和刚性基本定形，齿轮机床工作精度主要取决于两回转轴传动精度的高低。以传动链最具代表性的插齿机为例，插齿机分度传动链为刀具分度和工件分度，除去影响不大的高频误差因素，并将初始相位设为0，则刀具传动链和工件分度链误差曲线可以近似表达为：
刀具传动链误差曲线：Δβ＝B sinβ (如图1中曲线图)
工件传动链误差曲线：Δα＝A sinα (如图2中曲线图)
式中Δβ：刀具转动绝对误差；B：刀具转动绝对误差幅值；
Δα：工件转动绝对误差；A：工件转动绝对误差幅值。
当刀具齿数z1和工件齿数z2确定后，加工时两分度链就以传动比
Figure GDA0002944842450000041
为系数开始联动，理想状态下，即不存在传动误差的情况下，刀具和工件联动曲线为一直线，如图3中曲线图。按这种直线联动关系展成加工出的工件，其齿廓是理论正确的齿廓，所有齿轮精度检验项误差都为0。
实际传动误差不可避免，刀具和工件联动曲线是一条不规则的曲线，如图3中曲线图所示，而且随着传动比i的不同，曲线图还会发生变化，情况较为复杂。
按曲线图展成时，图4为开始加工时的状况，刀具2和工件1的实时位置与理论正确位置发生偏移，起始点分别为A和B，图5为展成开始一段时间后的状况，理论上刀具2应转至B，工件1应转至A，对应转角分别为βt和αt，且：
Figure GDA0002944842450000042
由于传动误差的存在，B实际位置在B′，A实际位置在A′，对应的转角分别为βt′和αt′，刀具2和工件1均偏离了理论正确位置，在此位置展成，齿廓会发生偏差，连续展成一周后，齿轮加工完成。
在展成过程中，因每次位置都存在偏差，齿轮精度误差由此产生，但偏差到底有多大，无法或很难通过理论计算得出，需要在AutoCAD环境下，通过编程控制，将刀具和工件模拟真实的加工状况连续展成，对比展成的齿廓和理论正确的齿廓，可以很容易地得出齿轮的精度等级，因为所有传动数据真实地来自机床，加工参数也与实际加工完全相同，从而客观地反映了机床的工作精度。
优选的方案中，所述S1中，分别检测刀具传动链和工件传动链的精度；精度检测时，固定起始位并标记为0；记录全程数据，以均360°为一周期；刀具传动误差曲线记为：Δα＝f1(α)，其中f1为刀具曲线函数，α为刀具曲线变量；工件传动误差曲线记为：Δβ＝f2(β)，其中，f2为工件曲线函数，β为工件曲线变量。
优选的方案中，所述S2中，根据记录的传动链传动数据，分别拟合一条最接近实际状况的误差曲线。
优选的方案中，所述S3中，在AutoCAD环境下，分别设计刀具和工件图形；将刀具和工件图形位置置于起始位。
优选地，刀具齿形要严格按理论齿形绘制，工件图形只绘制外形图即可。
优选的方案中，所述S4中，依据加工圆周进给量、刀具冲程数，计算每两次展成之间工件转过的角度，即模拟展成步距角δα。
优选的方案中，所述S5中，工件转一周展成完成，依传动比和刀具应转过角度，计算刀具传动误差曲线取值范围，其计算公式为
Figure GDA0002944842450000051
其中，工件转一周α＝360°，传动比
Figure GDA0002944842450000052
应转过角度β；展成点取值，βt′＝βt+f2(βt)，其中，工件当前展成点理论值为αt，刀具展成点理论值βt，
Figure GDA0002944842450000053
刀具实际展成位αt′＝αt+f1(αt)，工件实际展成位βt′。
优选地，当i>1时，刀具转角大于360°，超过刀具传动误差曲线取值范围，需要经过变换，使其对应在0-360°之间。
优选的方案中，所述S6中，当获取当前展成位的实际值αt′和βt′后，在AuotCAD环境下，通过设计的程序，将第3步中的工件和刀具分别转至αt′和βt′位置，利用图形布尔运算操作，获得此刻的展成形状。
优选的方案中，所述S7中，直到工件转角αt≥360°，展成结束；将αt增加一个步距角δα，重复第5、第6步。
优选的方案中，所述S8中，将展成后的工件齿形与理论齿形对比，得到模拟齿轮的精度等级，若不合格，需要调整提高传动链精度，然后再次模拟，直到模拟工件精度合格为止。
实施例：
以同批次生产的型号为YKG5112插齿加工为例，说明使用本方法的步骤和效果。
随机抽取其中的两台，编号分别记为1#和2#。使用“实际精切试验法”时，采用的刀具、工件参数如下：
插齿刀：齿数z1＝19，模数mn＝2，压力角α＝20°A级；
工件：齿数z2＝27，齿宽b＝40
实施步骤：
1、传动链精度检测，获取传动链传动数据
分别对1#机和2#机的刀具和工件传动链进行检测，固定起始位并标记为0，记录全程数据，均以360°为一周期；
2、拟合传动链误差曲线
根据记录的传动链传动数据，分别拟合一条最接近实际状况的误差曲线，1#机刀具传动误差曲线如图7，工件传动误差曲线如图8；2#机刀具传动误差曲线如图9，工件传动误差曲线如图10；
3、设计刀具和工件图形
在AutoCAD环境下，分别设计刀具和工件图形。同时，将刀具和工件图形位置置于起始位，如图5；
4、设定模拟展成步距角
依据加工圆周进给量0.20mm/str、刀具冲程数300str/min，计算每两次展成之间工件转过的角度，即模拟展成步距角δα＝0.424413°；
5、获取当前展成点的实际位置
设工件当前展成点为起始的第2点(第一展成在0°位)，即理论值为0.424413°的位置，刀具展成点理论值βt，有
Figure GDA0002944842450000061
对1#机：由第2步可知，工件理论位0.424413°对应的实际展成位0.424829°(误差约为1.5”)；刀具理论位0.603095°对应的实际展成位0.603651°(误差约为2”)；
对2#机：由第2步可知，工件理论位0.424413°对应的实际展成位0.424969°(误差约为2”)；刀具理论位0.603095°对应的实际展成位0.603929°(误差约为3”)；
6、模拟展成
当获取1#机当前展成位的实际值0.424829°和0.603651°，2#机当前展成位的实际值0.424969°和0.603929°后，在AuotCAD环境下，通过设计的程序，自动将第3步中1#机的工件和刀具分别转至0.424829°和0.603651°位置；2#机的工件和刀具分别转至0.424969°和0.603929°位置，然后，利用布尔操作，获得此刻的展成形状；
7、循环展成，直到工件转角≥360°，展成结束，将αt增加一个步距角δα＝0.424413°，即αt＝0.848826°，重复第5、第6步；
8、将展成后的工件齿形与理论齿形对比，结果如下：
1#机：
单个齿距偏差±fpt：左齿面0.007；右齿面0.005
齿距累计总偏差FP：左齿面0.027；右齿面0.024
齿廓总偏差Fa：左齿面0.006；右齿面0.004
2#机：
单个齿距偏差±fpt：左齿面0.014；右齿面0.008
齿距累计总偏差FP：左齿面0.029；右齿面0.026
齿廓总偏差Fa：左齿面0.009；右齿面0.006
发现1#机达到7级精度，2#级超差，在7.5级左右。1#机工作精度合格，2#机工作精度不合格，需要调整，提高传动链精度。
为验证模拟精度与试切精度是否相符，分别在1#和2#机上以相同参数试切工件，检验结果如下：
1#机：
单个齿距偏差±fpt：左齿面0.009；右齿面0.006
齿距累计总偏差FP：左齿面0.028；右齿面0.026
齿廓总偏差Fa：左齿面0.009；右齿面0.006
2#机：
单个齿距偏差±fpt：左齿面0.016；右齿面0.010
齿距累计总偏差FP：左齿面0.030；右齿面0.028
齿廓总偏差Fa：左齿面0.010；右齿面0.008
结果与模拟结果基本相同，1#达到7级精度，2#机仍然超差，接近8级。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种检验齿轮机床工作精度的方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，传动链精度检测，获取传动链传动数据；
S2，拟合传动链误差曲线；拟合机床实际传动误差曲线；
S3，设计刀具和工件图形；在AutoCAD环境下设计刀具和工件图形；
S4，设定模拟展成步距角；
S5，获取当前展成点的实际位置；展成点取值，工件实际展成位βt′＝βt+f2(βt)，其中，工件当前展成点理论值为αt，刀具展成点理论值βt，刀具实际展成位αt′＝αt+f1(αt)，其中f1为刀具曲线函数，f2为工件曲线函数；
S6，模拟展成；
S7，循环展成；
S8，对比检验；将展成后的工件齿形与理论齿形对比，得到模拟齿轮的精度等级。
2.根据权利要求1所述的检验齿轮机床工作精度的方法，其特征是：所述S1中，分别检测刀具传动链和工件传动链的精度；精度检测时，固定起始位并标记为0；记录全程数据，以均360°为一周期；刀具传动误差曲线记为：Δα＝f1(α)，α为刀具曲线变量；工件传动误差曲线记为：Δβ＝f2(β)，其中，β为工件曲线变量。
3.根据权利要求1所述的检验齿轮机床工作精度的方法，其特征是：所述S2中，根据记录的传动链传动数据，分别拟合一条最接近实际状况的误差曲线。
4.根据权利要求1所述的检验齿轮机床工作精度的方法，其特征是：所述S3中，在AutoCAD环境下，分别设计刀具和工件图形；将刀具和工件图形位置置于起始位。
5.根据权利要求1所述的检验齿轮机床工作精度的方法，其特征是：所述S4中，依据加工圆周进给量、刀具冲程数，计算每两次展成之间工件转过的角度，即模拟展成步距角δα。
6.根据权利要求2所述的检验齿轮机床工作精度的方法，其特征是：所述S5中，工件转一周展成完成，依传动比和刀具应转过角度，计算刀具传动误差曲线取值范围，其计算公式为
Figure FDA0002944842440000011
其中，工件转一周α＝360°，传动比
Figure FDA0002944842440000012
应转过角度β。
7.根据权利要求1所述的检验齿轮机床工作精度的方法，其特征是：所述S6中，当获取当前展成位的实际值αt′和βt′后，在AuotCAD环境下，通过设计的程序，将第3步中的工件和刀具分别转至αt′和βt′位置，利用图形布尔运算操作，获得此刻的展成形状。
8.根据权利要求1所述的检验齿轮机床工作精度的方法，其特征是：所述S7中，直到工件转角αt≥360°，展成结束；将αt增加一个步距角δα，重复第5、第6步。
9.根据权利要求1所述的检验齿轮机床工作精度的方法，其特征是：所述S8中，将展成后的工件齿形与理论齿形对比，得到模拟齿轮的精度等级，若不合格，需要调整提高传动链精度，然后再次模拟，直到模拟工件精度合格为止。
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