一種平面二次包絡環面滾刀的測量方法
2023-05-02 22:13:16
一種平面二次包絡環面滾刀的測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種平面二次包絡環面滾刀的測量方法，屬於精密測試技術與儀器、機械傳動技術和金屬切削刀具領域。該方法基於齒輪空間嚙合原理和對應蝸杆的齒面方程，並根據滾刀各項誤差的定義，建立滾刀各項誤差的數學模型，並對其進行坐標變換，將其分解成測量機三個軸的運動，利用數值求解方法，獲取三個坐標的數值解。計算機依據坐標值進行採樣路徑規劃，將坐標值輸入數控系統來控制測量機三軸的運動，數據採集系統同步採集三軸光柵值和測頭數據，對採集的數據進行數據處理，從而實現對平面二次包絡環面滾刀的切削刃螺旋線誤差、刃口齒形誤差及容屑槽周節誤差的高精度測量。
【專利說明】一種平面二次包絡環面滾刀的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種平面二次包絡環面滾刀的測量方法，屬於精密測試技術與儀器、機械傳動技術和金屬切削刀具領域。
【背景技術】
[0002]平面二次包絡環面蝸杆副是在機械工業朝著高速、重載、高效方向發展的背景下產生的，是機械傳動中的基礎件。這種蝸杆副具有多齒嚙合、瞬時雙線接觸、曲率半徑大、接觸線與相對滑動速度夾角大等特點，使其承載能力大、傳動效率高、易自動潤滑、使用壽命長。
[0003]隨著科學技術的發展，對環面蝸杆傳動系統的精度提出了越來越高的要求，而利用展成法加工蝸輪的平面二次包絡環面滾刀，由於其形狀複雜，又缺乏檢測手段，其質量控制一直是平面二次包絡環面蝸杆副生產中的技術難題，這也影響了平面二次包絡環面蝸杆這一優點突出的蝸杆傳動性能展現和實際應用的擴大。
[0004]迄今對平面二次包絡環面滾刀的研究主要集中在數位化建模方面:如直錐面二次包絡環面蝸杆蝸輪滾刀的螺旋面方程、刃口方程、螺旋升角及側刃后角計算公式等。
[0005]平面二次包絡環面滾刀的精密測量成為了這一領域的研究空白。為提昇平面二次包絡環面蝸杆傳動的質量，加快環面蝸杆傳動的推廣應用，急需解決二次包絡環面滾刀的測量問題。
【發明內容】
[0006]為了實現平面二次包絡環面滾刀的測量，本發明提供了一種專用滾刀測量機，可以對平面二次包絡環面滾刀的切削刃螺旋線誤差、刃口齒形誤差及容屑槽周節誤差進行高精度測量。
[0007]本發明解決技術問題所採用的方案參照國家標準(GB/T6084-2001)齒輪滾刀通用技術條件。平面二次包絡環面滾刀測量所採用的方法包括如下步驟:
[0008]1、建立滾刀各項誤差的數學模型
[0009]i)根據空間嚙合原理建立平面二次包絡環面滾刀對應蝸杆的齒面數學模型，如公式(I)所示:
[0010]
【權利要求】
1.一種平面二次包絡環面滾刀的測量方法，其特徵在於:根據空間嚙合原理，建立平面二次包絡環面滾刀對應蝸杆的齒面數學模型，以滾刀切削刃螺旋線誤差、刃口齒形誤差和容屑槽周節誤差的定義為約束，得到誤差項的數學模型；將所述的三項誤差的數學模型進行坐標變換，將坐標系方向轉化為繞滾刀迴轉軸的轉動、沿滾刀軸向的移動和沿滾刀徑向的移動這三個方向，利用迭代法求出經坐標變換後的數值解，並將數值解編輯成數組待用；利用平面二次包絡環面滾刀測量機確定滾刀的喉平面位置；以滾刀切削刃螺旋線誤差、刃口齒形誤差和容屑槽周節誤差的數學模型為基礎，對數據採集系統獲得的測量數據進行誤差補償，利用刃口識別技術，使用密集採樣法求解平面二次包絡環面滾刀的切削刃螺旋線誤差、刃口齒形誤差和容屑槽周節誤差，並繪製誤差曲線，最終完成平面二次包絡環面滾刀的測量。
2.根據權利要求1所述平面二次包絡環面滾刀的測量方法，其特徵在於:測量方法採用一種臥式或立式滾刀測量機實現；被測滾刀可轉動地支持在兩頂尖之間，滾刀由步進電機通過機械傳動減速機構驅動，測頭採用錐底平面形二維測頭，可測得X方向和Z方向誤差值；測量角度的圓光柵與被測滾刀同步轉動，長光柵與測頭通過聯結件形成一體測量長度，長光柵設置在被測滾刀軸向與徑向的延伸線上，並可沿該延伸線移動，光柵與測頭分別支承在靜壓氣浮導軌上，由另一個步進電機通過機械傳動減速機構帶動，作步進式移動；兩個步進電機由計算機操縱協調轉動，計算機依據坐標值進行採樣路徑規劃，將坐標值輸入數控系統來控制測量機各軸的運動，數據採集系統同步採集各軸光柵值和測頭數據，對採集的數據進行數據處理，從而實現對平面二次包絡環面滾刀的切削刃螺旋線誤差、刃口齒形誤差及容屑槽周節誤差的高精度測量。
3.根據權利要求1所述平面二次包絡環面滾刀的測量方法，其特徵在於:建立平面二次包絡環面滾刀對應蝸杆的齒面數學模型，以滾刀切削刃螺旋線誤差、刃口齒形誤差和容屑槽周節誤差的定義為約束， 得到誤差項的數學模型: 根據空間嚙合原理建立平面二次包絡環面滾刀對應蝸杆的齒面數學模型，如公式(I)所示:
X1 - -X2 cos φ1 cos φ2 + y2 cos φι sin φ2 - z2 sin φι + a cos φχ
= sin (p、cos φ? - v, sin q' sin φ? - z，cos φ、- a sin φχ
Z1 - -X2 sin φ2 — y2 cos
Xn-U
<v，= -rh + / sin β
= i cosβ
cos R
"(sin β cos φ、H--—) + (rh sin (6), - ￡/) sin β
_ h-y — t =-y-1sin%⑴ 其中S1 (O1-X1, Y1, Z1)和S2(C)2-X2, y2, z2)分別是與平面二次包絡環面蝸杆和蝸輪固連的運動坐標系，只是蝸杆自起始位置繞迴轉軸轉過的角，％是蝸輪自起始位置繞迴轉軸轉過的角，建立一個軸線與蝸輪軸線重合的圓錐，並且母平面與該圓錐相切，u是母平面上點到母平面與圓錐切線的距離，t是母平面上該點處與u垂直的軸上的坐標值，i12是蝸杆與蝸輪的傳動比，a是蝸杆與蝸輪的中心距，rb是蝸輪的主基圓半徑，β是蝸輪的母平面傾斜角，在二包滾刀測量機上新建一運動坐標系S (0-Χ, Y, Ζ)，使S (0-Χ, Y, Ζ)與S1 (O1-X1, Y1, Z1)重合，因此上述公式在工具機的測量坐標系中可表示為f (X，Y, Z)=0 ； 切削刃螺旋線誤差的數學模型如公式(2)所示:
4.根據權利要求1所述平面二次包絡環面滾刀的測量方法，其特徵在於，刃口識別技術及密集採樣點法確定平面二次包絡環面滾刀的切削刃螺旋線誤差，步驟如下: i)刃口識別過程中，測頭採用倒錐形測頭，其錐底平面與迴轉軸Z軸平行。當測頭接觸滾刀齒面後，測頭座仍然按既定速度沿Z軸運動，同時滾刀按既定轉速迴轉；ii)將採樣起始點對應各光柵初值設為0，得到任一採樣點的螺旋線誤差，即此點沿Z軸的光柵讀數與測頭讀數的和，減去理論運動距離； iii)當測頭完成掃描後，計算機依次求出各採樣點的螺旋線誤差，各採樣點的螺旋線誤差最大值對應的點就是要識別的刃口對應點，對應值即為此切削刃口點的螺旋線誤差。
5.根據權利要求1所述平面二次包絡環面滾刀的測量方法，其特徵在於，平面二次包絡環面滾刀切削刃口齒形誤差測量，步驟如下: i)以權利要求3為基礎，根據所述刃口識別技術，測頭沿螺旋線軌跡得到待測齒齒根附近某刃口點處的光柵讀數及測頭數據； ii)各軸停止運動，滾刀徑向Y軸反方向偏置10-20μ m，同時滾刀反轉至原來角度值，Z軸方向按照權利要求2中切削刃口齒形理論公式下降相應的ΛΖ高度，測頭再次接觸齒面； iii)重複步驟ii)，從而同步獲取待測齒一系列刃口點處的光柵讀數及測頭數據，對數據採集系統獲得的測量數據進行誤差補償，求解切削刃口齒形誤差，並繪製誤差曲線，最終完成刃口齒形誤差測量。
6.根據權利要求1所述平面二次包絡環面滾刀的測量方法，其特徵在於，測量誤差修正:在測量過程中，螺旋線上各點處的法向量沿著滾刀徑向Y方向的投影ΛΥ是變化的，而滾刀測量機測頭在測量過程中沿著Y方向是不動的，Y方向投影的變化導致迴轉軸向Z方向引入測量誤差ΛΖ。利用各點處的導程角Y計算Z方向引入的誤差量，AZ=AYtanY,實現對測量誤差的修正。
7.根據權利要求1所述平面二次包絡環面滾刀的測量方法，其特徵在於，平面二次包絡環面滾刀的測量方法在立式滾 刀測量機和臥式滾刀測量機中均適用。
【文檔編號】G01B21/20GK103791869SQ201410054895
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月18日 優先權日:2014年2月18日
【發明者】石照耀, 閆璐, 於渤 申請人:北京工業大學