大型數(shù)控成形磨齒機幾何誤差理論及補償方法研究.pdf

1、大型數(shù)控成形磨齒機是加工大規(guī)格、高精度齒輪的高效、精密加工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于風電、水電、船舶、工程機械等重型裝備領(lǐng)域的齒輪生產(chǎn)加工。其尺寸龐大、零部件種類和數(shù)量眾多、內(nèi)外部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、附屬配套設(shè)備多。在加工大規(guī)格齒輪工件時，由于需要長時間連續(xù)運行，磨齒機導(dǎo)軌、滑塊、絲杠、蝸輪蝸桿等部件因運動摩擦而逐漸產(chǎn)生大量的熱，再加上驅(qū)動電機發(fā)熱、砂輪與工件的磨削熱等多種熱源的影響，機床溫度會逐漸升高、出現(xiàn)不均勻的溫度場并發(fā)生相應(yīng)的熱變形；由于磨齒機零部

2、件尺寸和重量大，會出現(xiàn)較大的制造誤差，另外還有運動磨損等。在這些幾何誤差因素的共同作用下，砂輪與工件之間做包絡(luò)運動形成的實際共軛齒面會偏離理論包絡(luò)軌跡，導(dǎo)致實際齒面與理論齒面之間加工誤差的產(chǎn)生，從而嚴重制約大型數(shù)控成形磨齒機加工精度的提高。再加上大規(guī)格齒輪工件的生產(chǎn)成本和精度要求高、加工風險大，故對機床的加工精度和精度穩(wěn)定性要求更為苛刻。因此，開展大型數(shù)控成形磨齒機幾何誤差與齒面加工誤差研究，建立其制造幾何誤差、熱致幾何誤差的誤差模型以

3、及磨齒機綜合幾何誤差與齒面加工誤差關(guān)系模型，提出誤差補償新方法，對減小大規(guī)格齒輪工件的加工誤差，大幅提升機床加工性能具有十分重大的意義。
　　為此，本文針對大型九軸五聯(lián)動數(shù)控成形磨齒機SKMC-3000/20這類機床的結(jié)構(gòu)形式和加工特點，從以下幾個方面，對其制造幾何誤差、熱致幾何誤差作用下的齒面加工誤差產(chǎn)生機理以及誤差補償技術(shù)進行分析和研究：
　?、俳⒋笮蛿?shù)控成形磨齒機制造幾何誤差模型，是開發(fā)誤差補償模塊、減小齒面加工誤差

4、的前提。在分析大型數(shù)控成形磨齒機SKMC-3000/20主要運動軸運動方式的基礎(chǔ)上，依據(jù)空間運動學原理，研究了其33項制造幾何誤差分量并建立了機床主要運動坐標系的傳動鏈。結(jié)合機床的拓撲結(jié)構(gòu)，運用空間齊次坐標變換的方法獲得砂輪坐標系相對于工件坐標系的位置誤差與轉(zhuǎn)角誤差，建立了磨齒機的制造幾何誤差模型。然后建立機床的雅可比矩陣并對各運動軸進行誤差解耦，最終獲得了各運動軸的制造幾何誤差補償模型，提出了該磨齒機的幾何誤差模型和誤差建模方法，可為

5、其制造幾何誤差檢測及補償提供前提條件。
　?、跒樘矫鞔笮蛿?shù)控成形磨齒機綜合幾何誤差導(dǎo)致的砂輪—工件相對位置誤差對齒面加工誤差的影響，本文結(jié)合成形磨齒加工、齒輪嚙合的基本原理和空間齊次坐標變換方法，建立了以離散坐標點表示的、砂輪加工面與齒輪端面理論廓形的空間共軛接觸線；進而運用空間曲面包絡(luò)理論，推導(dǎo)出砂輪—工件的接觸線包絡(luò)曲面以及包含兩者位置誤差的齒面誤差模型。經(jīng)過評價齒面的齒形精度和齒向精度，建立了砂輪—工件的位置誤差與齒面加工誤

6、差兩者的誤差關(guān)系模型，從而揭示了兩者的關(guān)聯(lián)規(guī)律，為齒面加工誤差的預(yù)測和誤差修正提供了理論依據(jù)。
　　③運用計算機數(shù)值分析的方法，分析了該大型數(shù)控成形磨齒機的整個穩(wěn)態(tài)熱特性及熱變形情況。針對大型數(shù)控成形磨齒機外觀不規(guī)則、熱源眾多，難以單純從幾何數(shù)學角度計算其熱變形量的現(xiàn)狀，依據(jù)傳熱學和機械熱變形理論，分析了機床主要熱源的分布和主要零部件的發(fā)熱量，初步探明了機床的熱傳遞機理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合機床零部件裝配關(guān)系及其材料特性，對磨齒機進行

7、了數(shù)值仿真分析，得到了其在熱平衡狀態(tài)時的整機溫度場分布及熱變形。為建立大型數(shù)控成形磨齒機溫度—位移實驗平臺、開發(fā)熱致幾何誤差實時補償模塊提供了參考價值。
　?、苡赡X機綜合幾何誤差與齒面誤差的關(guān)聯(lián)規(guī)律可知，砂輪—工件沿機床X、Y方向的相對位置誤差是影響齒面加工精度的關(guān)鍵因素。因此，在機床數(shù)值仿真分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了機床溫度—熱位移實驗平臺并由模糊聚類回歸算法優(yōu)從溫度檢測結(jié)果中選出關(guān)鍵的溫度變量，并由多元線性回歸與最小二乘法理論

8、建立了機床熱致幾何誤差模型。結(jié)合砂輪—工件位置誤差與齒面加工誤差的關(guān)系模型，建立了該大型數(shù)控成形磨齒機熱致幾何誤差補償模型，從而揭示了磨齒機整機熱變形、齒面加工誤差與機床溫度之間的關(guān)系。
　　⑤在對該大型數(shù)控成形磨齒機進行誤差分析、建立誤差補償模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)SINUMERIK840D sl數(shù)控系統(tǒng)的功能特點，運用其HMI Programming Package二次開發(fā)平臺，開發(fā)出了可嵌入式制造幾何誤差、熱致幾何誤差實時補償軟件

9、模塊，并在該成形磨齒機上進行了補償加工實驗。經(jīng)過齒面在位檢測，結(jié)果顯示誤差補償后的齒面齒形傾斜偏差大幅減小且齒面加工精度得到了顯著提升。表明磨齒機誤差補償模型的精確性好，軟件模塊的補償效果佳，能夠有效提升機床加工精度和加工效率。在研究過程中所采用的理論方法和技術(shù)手段，可以為其它類型機床的誤差補償和精度提升提供有益的參考。
　　本文運用理論分析、有限元技術(shù)與現(xiàn)場實驗相結(jié)合的方法，提出了大型數(shù)控成形磨齒機的制造幾何誤差、熱致幾何誤差建

10、模及誤差補償理論，揭示了機床綜合幾何誤差與齒面加工誤差的變化關(guān)系。運用開發(fā)出的嵌入式誤差實時補償軟件模塊，在該磨齒機上進行了相應(yīng)的誤差補償加工實驗。在位檢測結(jié)果顯示，誤差補償后的齒面加工精度有了大幅度提升且齒面誤差減小趨勢與理論模型相符，表明在研究過程中所采用的理論和原理、數(shù)學算法、分析思路，所建立的幾何誤差模型和開發(fā)的補償模塊等，對大型數(shù)控成形磨齒機的精度提升、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、齒面精度預(yù)測及誤差在線補償?shù)染哂兄匾闹笇?dǎo)意義和良好的實用價值。