CN112439951A - 一种基于几何自适应补偿的齿轮倒圆倒角铣削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于几何自适应补偿的齿轮倒圆倒角铣削加工方法，在粗基准下完成齿轮零件的装夹，结合在机测量检测齿轮零件的实际装夹状态和位置，根据测量数据结果计算齿轮零件的装夹误差，针对螺旋锥齿轮确定齿轮的角向位置，调整加工刀路或者加工坐标系，完成圆角或倒角的铣削加工，本发明具有加工效率高且加工精度高的优点。

Description

一种基于几何自适应补偿的齿轮倒圆倒角铣削加工方法

技术领域

本发明涉及齿轮齿顶和齿廓的倒圆倒角加工领域，尤其涉及一种基于几何自适应补偿的齿轮倒圆倒角铣削加工方法。

背景技术

螺旋锥齿轮作为航空发动机中的关键传动部件，具有传动效率高，传动比稳定，圆弧重叠系数大，承载能力高，工作可靠且结构紧凑，耐磨损、寿命长、噪音小等优点。螺旋锥齿轮齿顶和齿廓的倒圆倒角处理对齿轮的传动性能和使用寿命都非常重要，而螺旋锥齿轮倒圆倒角加工的工艺目的主要包括消除尖角和锐边以防止对齿面的刮伤，降低齿轮传动的噪声和冲击力以提高传动稳定性，减少应力集中以提高齿轮的使用寿命，因此螺旋锥齿轮的倒圆倒角加工是其加工制造过程中非常重要的一道工序。

齿轮的倒圆倒角加工，广泛应用于汽车、航空航天等行业的变速箱齿轮和传动齿轮上，现有的齿轮倒圆倒角加工技术主要面向标准的直齿轮，市场上有技术成熟的专用齿轮倒角机(gear chamfering machine)，该类机床能够在齿轮的轮齿端部进行高速的倒角倒圆加工，齿轮倒角机一般为半自动循环，工作台可进行不等量进给，是生产齿轮变速箱和其他齿轮传动机构不可缺少的加工设备。但在航空航天领域，由于要求齿轮传动的效率更高、稳定性更好，因此常采用圆弧重叠系数大的螺旋锥齿轮进行传动，而针对这类螺旋锥齿轮的倒圆倒角处理，行业内目前主要采用人工手动打磨的方式进行加工，需要技能熟练的钳工手持高速打磨头对齿轮的各条棱边进行倒圆倒角加工。

面向直齿轮倒圆倒角加工的专用倒角机不适用于航空航天领域的螺旋锥齿轮的倒圆倒角加工，而现有的手工打磨技术对操作人员的技能水平要求较高，需要熟练的钳工，且人工打磨的一致性较差，加工质量不稳定，另外，人工手动打磨的效率较低，对于需要大批量生产的齿轮零件人工打磨的工作量大、劳动强度高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种加工效率高且加工精度高的基于几何自适应补偿的齿轮倒圆倒角铣削加工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于几何自适应补偿的齿轮倒圆倒角铣削加工方法，包括以下步骤：

S1、以齿轮安装基准面为加工坐标系的Z向基准，以齿轮安装外圆中心为加工坐标系的原点及Z轴轴向，以齿顶中部为齿轮的角向粗基准，将齿轮装夹定位在五轴数控机床的加工中心；

S2、通过在机测量确定齿轮在机床加工坐标系下的实际位置，确定倒圆倒角加工的工作平面和坐标原点，沿齿轮圆周方向均匀选取多个齿作为测量齿，沿测量齿两侧齿面上均匀选取多个测量点，确定齿轮角向基准；

S3、按预设要求设置测量参数，采集测量结果，根据测头球尖点的坐标值计算得到齿轮齿面测量点的坐标值P_i；

S4、根据齿轮齿面测量点的坐标值P_i和齿轮齿面测量点对应的理论点的坐标值P′_i计算得到齿轮从实际装夹位置到理论装夹位置之间的刚体变换A；

S5、根据理论刀路中的刀位点P_bcp和刀轴矢量_tov，齿轮从实际装夹位置到理论装夹位置之间的刚体变换A计算实际刀路中的刀位点P′_bcp和刀轴矢量′_tov，得到实际装夹位置下的自适应补偿后刀路轨迹；

S6、对自适应补偿后刀路轨迹进行后处理得到NC代码，五轴数控机床执行NC代码调整加工刀路或调整坐标系，对齿轮进行倒圆倒角铣削加工。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述步骤S4中，通过使测量点与理论点之间距离F差异化最小，按照式(I)构建并求解齿轮装夹误差的非线性最小二乘问题，计算得到齿轮从实际装夹位置到理论装夹位置之间的刚体变换A；

所述步骤S5中按照式(II)和式(III)分别计算实际刀路中的刀位点为P′_bcp，刀轴矢量为′_tov，得到实际装夹位置下的自适应补偿后刀路轨迹；

P′_bcp＝A^-1·P_bcp (II)

V′_tov＝A^-1·_tov (III)

所述步骤S3中，根据测头球尖点的坐标值(x_tip,y_tip,z_tip)，半径补偿后计算得到坐标值(x_touch,y_touch,z_touch，该坐标值为齿轮齿面测量点的坐标值P_i。

所述测量参数包括回退距离d_t，安全距离d_s，搜索距离d_a，探测进给F_p，快速进给F_q。

所述步骤S3回退距离d_t是指测量完成之后测头回退到安全高度的距离；安全距离d_s是指测头开始运动测量时从接近点到测量点的距离；搜索距离d_a是指测头运动到测量点位置时，未与工件发生接触但还允许继续搜索探测的距离；探测进给F_p是指测头在测量状态下的移动速度；快速进给F_q是指测头在非测量状态下的移动速度。

所述步骤S1前还包括以下准备工作：

A1、根据齿轮的设计参数创建齿轮零件的实体模型；

A2、采用固定轮廓铣削的加工方法创建加工刀路，选择与齿轮零件加工表面的接触为点接触的刀具作为加工刀具；

A3、按预设精度要求选择机用测头，根据齿轮工件的结构及预设加工基准确定用于装夹齿轮的夹具。

所述齿轮为螺旋锥齿轮。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种基于几何自适应的螺旋锥齿轮倒圆倒角铣削加工方法，将齿轮零件装夹在五轴数控机床的加工中心上，结合在机测量技术，及时获取齿轮的形状和位置信息并能实现加工-检测的二位一体(如图6所示)，无需借助第三方软件进行测量数据的处理，通过几何自适应调整加工刀路，实现齿轮的快速装夹找正，利用五轴数控机床的高效率、高精度的特点完成齿轮(不局限于齿顶，也适用于齿廓)倒圆倒角的铣削加工，既能保证齿轮倒圆倒角加工的质量稳定性又能有效提高加工效率，本发明不局限于具体的加工刀轨编程，兼容更广泛的编程CAM软件。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明基准A、C的位置示意图。

图3是本发明齿轮零件的装夹示意图。

图4是本发明测量点的位置示意图。

图5是本发明测量参数的示意图。

图6是本发明在机测量示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

实施例1：

本实施例的一种基于几何自适应补偿的齿轮倒圆倒角铣削加工方法，基础的方案路线是：在粗基准下完成齿轮零件的装夹，结合在机测量检测齿轮零件的实际装夹状态和位置，根据测量数据结果计算齿轮零件的装夹误差，针对螺旋锥齿轮确定齿轮的角向位置，调整加工刀路或者加工坐标系，完成圆角或倒角的铣削加工，加工流程图如图1所示：

(1)加工前的准备

本发明中螺旋锥齿轮倒圆倒角加工方法是在五轴数控机床下进行的固定轮廓铣削加工，因此在上机床进行加工之前需要进行相关的准备工作，主要包括齿轮数字模型、刀路编程、刀具方案、夹具方案等的准备；

a)齿轮数字模型的准备：在UG或者其他三维CAD软件中，根据齿轮的设计参数创建齿轮零件的实体模型，便于后续的圆角倒角特征创建和加工刀路编程；

b)加工刀路和刀具的准备：螺旋锥齿轮的圆角和倒角特征是开放性较好的自由曲面特征，可采用固定轮廓铣削的加工方法创建倒圆倒角的加工刀路，另外，由于圆角面为自由曲面，刀具与加工表面的接触为点接触，因此考虑选用球头刀作为倒圆倒角加工的刀具，并指定刀具的长度L和直径D及相关工艺参数主轴转速S、进给率F等，一般地，L可选择100mm左右，D选择4mm左右，S选择8000r/min左右，F选择1000mm/min左右；

c)夹具及机用测头的准备：根据齿轮零件的结构外形以及设计图纸标定的加工基准，设计合理的并与齿轮零件相配合的齿轮倒圆倒角加工用夹具，本申请中，装夹螺旋锥齿使用的夹具为机械加工中常用的三爪卡盘，其主要组件为卡盘和三个卡爪，为有效保证装夹的可靠性，需采用高精度的卡盘。另外，由于本发明中的加工方法需要结合在机测量技术，因此需要选定精度足够的机用测头(指的是测量重复性误差0.5um以内，测量3D各向异性±1um的高精度测头)，一般地，可采用雷尼绍的OMP400/600系列；

(2)根据齿轮设计图纸确定装夹的粗基准

a)参照设计图纸确定齿轮的平面基准，齿轮安装基准面(基准C)所在的平面可作为加工坐标系的Z向基准；

b)根据设计图纸，齿轮安装外圆中心(基准A所在的外圆柱面轴线)可作为加工坐标系的原点及Z轴轴向，基准A和基准C的位置如图2所示；

c)由于螺旋锥齿轮的成型加工采用铣齿和磨齿展成加工的方式进行的，因此没有角向基准，可初步选定齿顶中间位置作为齿轮的角向粗基准，只需满足测头在该粗基准下进行测量时，不与工件发生干涉即可，然后通过在机测量确定齿轮的精确的角向基准；

(3)完成齿轮零件在五轴加工中心上的初步定位夹紧

根据前面步骤确定的粗基准以及设计的专用夹具对齿轮工件在五轴数控机床加工中心上进行定位夹紧，装夹效果如图3所示。

(4)通过在机测量确定齿轮零件在五轴数控机床加工坐标系下的实际位置

a)根据齿轮的设计图纸，可以在机床上通过夹具的定位装置较为精确的确定倒圆倒角铣削加工的工作平面、坐标原点，但无法准确确定齿轮的角向基准，因此需要规划针对确定齿轮角向基准的测量路径，为了较为准确的反应齿轮角向的偏差，在齿轮的两侧齿面上均匀的布置5个左右的测量点，且在齿轮的圆周方向上均匀的选取4个左右的齿进行测量，如图4所示，根据测量结果数据计算绕加工坐标系Z轴的旋转角度，即可得到角向基准的位置。

b)设置测量相关的参数，回退距离d_t，安全距离d_s，搜索距离d_a，探测进给F_p，快速进给F_q；其中，回退距离d_t是指测量完成之后测头回退到安全高度的距离；安全距离d_s是指测头开始运动测量时从接近点到工件表面的距离；搜索距离d_a是指测头运动到规划的工件表面位置时，仍然未与工件发生接触，还允许继续搜索探测的距离，如图5所示；探测进给F_p是指测头在测量状态下的移动速度；快速进给F_q是指测头在非测量状态下(即空走状态下)的移动速度。

c)采集测量结果，从数控***中提取测量结果文件，并进行相关的格式处理，数控***中保存的测量结果一般为测头球尖点的坐标值(x_tip,y_tip,z_tip)，在进行下一步计算之前需要进行测头球半径补偿，得到测头接触点，即实测点P_i的坐标值(x_touch,y_touch,z_touch)。测头球半径补偿具体包括以下步骤：将测头球尖点沿着测针轴向平移一个测头的半径值，得到测头球心点，然后将球心点向齿轮模型曲面上投影，即可得到测头接触点。

本申请的在机测量示意图如图6所示，上位机的测量软件与数控***CNC通过以太网进行通信连接；RMI是接口和接收单元的组合装置，与测头配用并与数控***CNC通过以太网通信连接；伺服***用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制，把接收来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动；上位机的测量软件根据伺服***得到的测量路径传送给数控***CNC，生成测量程序，并将测量程序发送给数控机床执行，测量完毕后，上位机测量软件从数控***中获取测量结果数据。

(5)计算粗基准下齿轮的装夹误差

a)经过步骤(4)可以得到齿轮齿面测量点的实测值P_i，令其对应的理论点为P′_i，假设装夹误差对应的刚体变换为A，通过使得实际点与理论点的点点距离差异化最小，构建求解齿轮装夹误差的非线性最小二乘问题

通过求解该非线性最小二乘问题即可得到齿轮从实际装夹位置到所期望的理论装夹位置之间的刚体变换A。

b)选取求解该最小二乘问题的方法，本发明中采用列文伯格-马夸尔特法(Levenberg-Marquardt)求解非线性最小二乘问题，该方法为一种迭代计算的方法，计算前需要先求解目标函数F对优化变量的偏导数和雅克比矩阵，并选取合适的迭代初始值A₀(一般情况下，设初值A0＝I，I为刚体变换单位矩阵)，然后基于数学工具求解得到刚体变换A，该变换即可认为是齿轮装夹误差对应的位置变换。

(6)进行齿轮倒圆倒角加工的位置误差补偿

a)通过步骤(5)可以得到齿轮从当前实际装夹位置到所期望的理论装夹位置之间的误差变换A，假设理论规划的刀路中的刀位点为p_bcp，刀轴矢量为V_tov，则将变换A作用到理论刀路上即可得到实际的补偿后的刀路。

b)假设实际刀路中的刀位点为P′_bcp，刀轴矢量为V′_tov，则可计算得到P′_bcp＝A^-1·P_bcp，同样的有V′_tov＝A^-1·V_tov，得到实际装夹位置下的自适应后刀路轨迹。

(7)加工刀路的后处理与铣削加工

对步骤(6)中计算得到的自适应补偿之后的刀路进行后处理，即可得到NC代码，将NC代码发送到五轴数控机床上进行执行，即可完成螺旋锥齿轮的倒圆倒角铣削加工。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于几何自适应补偿的齿轮倒圆倒角铣削加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、以齿轮安装基准面为加工坐标系的Z向基准，以齿轮安装外圆中心为加工坐标系的原点及Z轴轴向，以齿顶中部为齿轮的角向粗基准，将齿轮装夹定位在五轴数控机床的加工中心；

S2、通过在机测量确定齿轮在机床加工坐标系下的实际位置，确定倒圆倒角加工的工作平面和坐标原点，沿齿轮圆周方向均匀选取多个齿作为测量齿，沿测量齿两侧齿面上均匀选取多个测量点，确定齿轮角向基准；

S3、按预设要求设置测量参数，采集测量结果，根据测头球尖点的坐标值计算得到齿轮齿面测量点的坐标值P_i；

S4、根据齿轮齿面测量点的坐标值P_i和齿轮齿面测量点对应的理论点的坐标值P′_i计算得到齿轮从实际装夹位置到理论装夹位置之间的刚体变换A；

S5、根据理论刀路中的刀位点P_bcp和刀轴矢量V_tov，齿轮从实际装夹位置到理论装夹位置之间的刚体变换A计算实际刀路中的刀位点P′_bcp和刀轴矢量V′_tov，得到实际装夹位置下的自适应补偿后刀路轨迹；

S6、对自适应补偿后刀路轨迹进行后处理得到NC代码，五轴数控机床执行NC代码调整加工刀路或调整坐标系，对齿轮进行倒圆倒角铣削加工。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过使测量点与理论点之间距离F差异化最小，按照式(I)构建并求解齿轮装夹误差的非线性最小二乘问题，计算得到齿轮从实际装夹位置到理论装夹位置之间的刚体变换A；

。

3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述步骤S5中按照式(II)和式(III)分别计算实际刀路中的刀位点为P′_bcp，刀轴矢量为V′_tov，得到实际装夹位置下的自适应补偿后刀路轨迹；

P′_bcp＝A^-1·P_bcp(II)

V′_tov＝A^-1·V_tov(III)。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述步骤S3中，根据测头球尖点的坐标值(x_tip，y_tip，z_tip)，半径补偿后计算得到坐标值(x_touch，y_touch，z_touch)，该坐标值为齿轮齿面测量点的坐标值P_i。

5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述测量参数包括回退距离d_t，安全距离d_s，搜索距离d_a，探测进给F_p，快速进给F_q。

6.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于：所述步骤S3回退距离d_t是指测量完成之后测头回退到安全高度的距离；安全距离d_s是指测头开始运动测量时从接近点到测量点的距离；搜索距离d_a是指测头运动到测量点位置时，未与工件发生接触但还允许继续搜索探测的距离；探测进给F_p是指测头在测量状态下的移动速度；快速进给F_q是指测头在非测量状态下的移动速度。

7.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述步骤S1前还包括以下准备工作：

A1、根据齿轮的设计参数创建齿轮零件的实体模型；

A2、采用固定轮廓铣削的加工方法创建加工刀路，选择与齿轮零件加工表面的接触为点接触的刀具作为加工刀具；

A3、按预设精度要求选择机用测头，根据齿轮工件的结构及预设加工基准确定用于装夹齿轮的夹具。

8.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述齿轮为螺旋锥齿轮。

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