锥齿轮测量与修正技术.

基于一维测头的锥齿轮测量与修正技术李天兴河南科技大学2015年6月一.锥齿轮齿面测量与修正的必要性二.锥齿轮精度标准简介三.锥齿轮误差检测设备概述四.锥齿轮齿面展成与测量模型五.锥齿轮齿面及齿距误差测量与评定六.基于齿面误差的机床运动修正与反馈七.锥齿轮测量与修正软件系统及应用八.直齿锥齿轮齿面测量简介报告内容一.锥齿轮测量与修正的必要性重叠系数大、传动平稳、冲击和噪音小、承载能力高、寿命长应用越来越广泛。锥齿轮通过轮齿曲面相互啮合传递主被动齿轮之间的运动和动力，因此轮齿的分度准确度及实际齿面与设计齿面之间的几何形状误差对锥齿轮传动性能有重要影响。一.锥齿轮测量与修正的必要性高速、高可靠性、重载、低噪声、低成本是趋势。齿面精度和啮合质量是保证机械产品的效率、噪声、传动精度和使用寿命等综合性能的关键。齿面几何拓扑结构极为复杂．与之相应的误差理论和测量技术远远落后于圆柱齿轮。1.齿面质量控制的重要性传统的锥齿轮质量控制手段主要是衡量齿面接触区(接触痕迹)和运动平稳性，需要依靠技术人员及工人的丰富经验，质量控制极其繁琐而困难。两种传统修正方式：2.传统的齿面啮合质量控制（齿面、齿距及侧隙等）小轮控制数据：由技术人员根据接触区性质改变某些数据重新计算，给出新的调整卡。比例修正：根据现场齿面接触区的配对情况改变机床的调整参数。小轮控制数据的修正方法对齿面接触区的修正很有效，但需要技术人员重新计算切齿调整数据，在现场使用很不方便。一.锥齿轮测量与修正的必要性往往得不到理想的接触区，或者为了得到理想的接触区，需要多次试切和多次机床调整，费时费力，多次试切中机床调整又要依赖工人的调整经验。因此加工高品质的螺旋锥齿轮较难实现。检验结果只能用于保证接触区的位置，对齿轮副实际廓线偏离理论廓线的修正、误差来源的分析和啮合质量的提高没有指导意义，对齿面二阶和三阶接触特性的修正具有很大的盲目性。主要针对齿面接触精度，齿面几何精度问题被忽略，难以实现高质量锥齿轮的加工。齿面几何精度控制在现在的生产中已有应用，但效果不理想，主要是由于齿面加工与数字化检测及修正等关键环节不能很好的融合。3.传统的齿面质量控制存在的问题一.锥齿轮测量与修正的必要性锥齿轮齿面几何及其精度在很大程度上决定了齿面的接触精度及齿轮副的啮合传动质量。实际加工齿面与理论设计齿面趋于一致以确保实际啮合传动性能最优。齿面质量的数字化控制是关键技术难题。锥齿轮数字化闭环制造技术是重要技术手段。可以有效地控制齿面质量，提高加工效率，缩短开发周期。美国、日本及德国等发达国家，闭环制造已经替代传统制造模式，齿面测量及数字化制造技术已经在生产中广泛应用。锥齿轮数字化闭环制造技术就是基于齿轮测量中心，规划出遍布全齿面的网格，测量真实齿面网格点处的齿面坐标，根据测量结果，识别齿面误差来源并计算切齿修正量，从而使切齿机床调整参数修正后加工出的真实齿面同理论齿面之间的误差最小。4.齿面质量控制的趋势一.锥齿轮测量与修正的必要性5.锥齿轮测量与修正的作用•测量实际齿面与设计或“理论”齿面之间的误差值，判断是否符合设计要求；•分析误差产生的原因、寻求修正误差的措施；•未知机床调整参数的实际齿面的反求与复制（利用齿面误差的数字化修正技术，反求实际齿面参数，复制实际齿面几何）；•配对齿轮副的传动性能预测（包括理论设计齿面的预测、实际测量齿面的预测、修正齿面的预测等）。一.锥齿轮测量与修正的必要性二.锥齿轮精度标准简介1.锥齿轮精度标准：•GB/T11365-1989，适用于齿面中点法向模数mn≥1mm的各类锥齿轮。•GB/T10225-1988，适用于齿面中点法向模数mn＜1mm的各类锥齿轮。•ANSI/AGMA2009-B01(2001.10)，总的来说适用于齿面中点法向模数mn≥0.2mm、齿数≥5、测量直径≥5mm的各类锥齿轮，但对每一误差项目均规定了适用范围。•ISO17485:2006(E)，适用于齿面中点法向模数mn≥1mm和mn＜1mm的各类锥齿轮。•DIN3965-1986，适用于齿面中点法向模数mn≥1mm的各类锥齿轮。AGMA2009-B01与ISO17485:2006(E)反映了齿轮检测新技术，如坐标测量方法，使用准确方便。GB/T规定的测量项目的公差值列为表格，为一范围值。未反映关于齿形误差的CMM测量新技术应用。二.锥齿轮精度标准简介2.GB/T11365-1989共计规定了23个测量项目:•齿轮副轴间距偏差•齿厚偏差•齿圈轴向位移•齿形相对误差•齿轮副侧隙变动量•齿距偏差•齿轮副侧隙•齿圈跳动•接触斑点•K个齿距累积误差•齿轮副齿频周期误差•齿距累积误差•齿轮副周期误差•周期误差•齿轮副一齿轴交角综合误差•一齿轴交角综合误差•齿轮副轴交角综合误差•轴交角综合误差•齿轮副一齿切向综合误差•一齿切向综合误差•齿轮副切向综合误差•切向综合误差''()iiFF''()iiff()iiFF()iiff''()zkzkff()ppFF()pkpkFF()rrFF()ptptff()ccff()ssssisEEET、、''()icicFF''()icicff()icicFF()icicff''()zkczkcff''()zzczzcff()vjvjFF()AMAMff()aaff•齿轮副轴交角偏差()EE二.锥齿轮精度标准简介3.GB/T11365-1989规定了12个精度等级，1级最高，12级最低；限于当时的加工水平，1～3级未规定具体公差数值，公差表只给出4~12级的公差值。4.GB/T11365-1989公差组及检验组:分三个公差组。第Ⅰ公差组：主要影响运动精度；第Ⅱ公差组：主要影响工作平稳性；第Ⅲ公差组：主要影响接触质量。二.锥齿轮精度标准简介二.锥齿轮精度标准简介5.GB/T11365－89规定的误差项目较多，一些项目的定义不准确，如：齿轮副一齿轴交角综合误差（分锥顶点重合），一些项目不便于测量，如：齿形相对误差。公差值较DIN3965和ANSI/AGMA2009-B01大。6.相对地，AGMA2009-B01规定的公差比其他标准规定的公差小。例如：当锥齿轮参数为，其齿距极限偏差公差分别为：Z=39m=11.131B=62=3422'797'、、、、精度等级AGMA2009-B01GB/T11365DIN39656级12.1616167级17.22222三.锥齿轮误差检测设备概述1.锥齿轮检测项目•单项误差测量，如齿形、齿距、齿厚、径向跳动等误差，使用仪器如齿轮测量中心•啮合传动误差测量，如切向综合误差、侧隙变动量、接触斑点等，使用仪器如Gleason600HTT、OerlikonT60等类型的滚动检查机、单啮仪、双啮仪等•整体误差测量2.齿轮测量中心可实现锥齿轮单项误差测量，如齿形、齿距、齿厚、径向跳动等。三.锥齿轮误差检测设备概述三.锥齿轮误差检测设备概述3.锥齿轮滚动检查机可实现锥齿轮啮合传动误差测量，如切向综合误差、接触斑点等。三.锥齿轮误差检测设备概述四.锥齿轮数控加工与测量模型1.传统锥齿轮铣齿机加工原理传统机械铣齿机床是按齿轮啮合原理设计的。能够上下摆动的摇台机构模拟一个假想的齿轮（假想产形轮），圆盘铣刀被偏心安装在摇台上，其切削面形成假想产形轮与齿轮相啮合的一个轮齿的齿面。当被加工齿轮与假想产形轮以一定的滚切比绕各自轴线旋转时，刀盘就会在轮坯上切出一个齿槽。齿轮的切削过程就像一对准双曲面齿轮的啮合过程一样，刀盘切削面与被加工齿轮的齿面是一对完全共轭的齿面。基本机床调整参数（共13项）：刀盘直径、刀盘齿形角、径向刀位、角向刀位、总刀倾角、基本刀转角、轮坯安装角、水平轮位、垂直轮位、床位、滚切比、二阶变性系数、三阶变性系数摇台偏心结构刀转机构刀倾机构工件旋转轴水平轮位垂直轮位圆盘铣刀床位轮坯安装角假想产形轮圆盘铣刀被加工齿轮四.锥齿轮数控加工与测量模型结构复杂传动链长而复杂加工调整复杂加工周期较长四.锥齿轮数控加工与测量模型2.数控展成原理数控铣齿机床取消了摇台、刀倾以及偏心结构，用三个直线运动轴X、Y、Z和三个旋转运动轴A、B、C来实现齿面展成所需的全部运动。加工时，将展成齿面所需的运动转化为各数控轴运动或联动，代替了传统机械铣齿机中复杂的传动链，灵活控制被加工齿轮与铣刀盘在空间中的位置和运动，通过复合空间运动来完成实际展成运动形成加工齿面。注：刀倾法加工时，刀盘轴线的倾角被补偿到B轴。四.锥齿轮数控加工与测量模型伺服电机直接驱动水平X和垂直Y替代摇台及偏心机构机构的精简使机床的静态和动态刚度得到了提高，数字系统对各轴的精确控制使加工出的齿轮的齿形精度和齿面质量均得到了改善，并增加了可优化的空间，使齿面的接触性能及质量更易于控制。四.锥齿轮数控加工与测量模型四.锥齿轮数控加工与测量模型coscoscossinsin()tttttttn(sin)cos(sin)sin(,)cos1ttFtttFttFtFtrsrsrss四.锥齿轮数控加工与测量模型(,,,)()()(,)(,)(,)wFtcwwfwfddmmcccaabbttFtwtwctFtrsrsrsMMMMMMMM(,,)()()()()(,)wcwwfwfddmmcccaabbttwtcwttttnnnLLLLLLLL()0cwmmnv(,;)(,;)wwtcjwwtcjrrnn理论设计齿面数学表达：传统机械铣齿机床的齿面展成模型四.锥齿轮数控加工与测量模型四.锥齿轮数控加工与测量模型完全等效转换原理：()()()()()()CGwtwtCGtwwtwwOOOOLL1211233313*243414*3424*243414()()atan()()atan()()asin()(sincos)sin()cos()sincos()(sincos)cos()sinctccwccmccwwmmcwwcwwmmTaaAaaBaXaaXAaYaaZaaXAa四.锥齿轮数控加工与测量模型变性法加工齿轮时，0tisj23***()2()()()()cos()()cos()()sin()()sin()ctccwacccmmcrcamcrcmambTqARCDBXSqXAXYSqEZXAXX四.锥齿轮数控加工与测量模型3.齿面测量原理在齿轮测量过程中，中心计算机根据被测齿轮齿面的理论数据控制X、Y、Z轴和C轴运动,同时齿轮不断转动使每个被测点法线方向的Y轴分量接近于0。与一般锥齿轮的齿面检测相比，由于螺旋锥齿轮齿面曲率很大，因此需要控制B轴旋转一定角度，保证一维测头始终沿着被测点的法线方向与齿面靠近、接触。在测头沿齿轮齿面运动的过程中，计算机不断采集各坐标轴的实际位置，并存储起来，这些数据记录了被测齿轮实际加工齿面的数据；对测头半径补偿得到实际齿面，应用坐标变换方法及曲面匹配处理后使实际齿面与理论设计齿面处于最佳匹配位置，筛选、分析并计算测量网格处实际齿面与理论设计齿面之间的法向距离，从而得到齿面被测点处的法向偏差。cZcOcYcXwOwXwYwZLYXZCB四.锥齿轮数控加工与测量模型四.锥齿轮数控加工与测量模型机床结构发生了很大变化。加工原理不变：获得一定的运动关系以实现刀盘与齿坯之间的相对位姿。四.锥齿轮数控加工与测量模型齿面接触精度修正齿面几何精度修正四.锥齿轮数控加工与测量模型数字化修正的思路：1、国产数控铣齿机床功能结构完善、多自由度；齿面接触区的修正和控制更灵活2、国产齿轮测量中心测量重复性及精度