大型數(shù)控成形磨齒機(jī)幾何誤差理論及補(bǔ)償方法研究.pdf

1、大型數(shù)控成形磨齒機(jī)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(fēng)電、水電、船舶、工程機(jī)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(shí)，由于需要長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，磨齒機(jī)導(dǎo)軌、滑塊、絲杠、蝸輪蝸桿等部件因運(yùn)動(dòng)摩擦而逐漸產(chǎn)生大量的熱，再加上驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)熱、砂輪與工件的磨削熱等多種熱源的影響，機(jī)床溫度會(huì)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(jī)零部

2、件尺寸和重量大，會(huì)出現(xiàn)較大的制造誤差，另外還有運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)形成的實(shí)際共軛齒面會(huì)偏離理論包絡(luò)軌跡，導(dǎo)致實(shí)際齒面與理論齒面之間加工誤差的產(chǎn)生，從而嚴(yán)重制約大型數(shù)控成形磨齒機(jī)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(fēng)險(xiǎn)大，故對(duì)機(jī)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(jī)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(jī)綜合幾何誤差與齒面加工誤差關(guān)系模型，提出誤差補(bǔ)償新方法，對(duì)減小大規(guī)格齒輪工件的加工誤差，大幅提升機(jī)床加工性能具有十分重大的意義。
　　為此，本文針對(duì)大型九軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控成形磨齒機(jī)SKMC-3000/20這類機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式和加工特點(diǎn)，從以下幾個(gè)方面，對(duì)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(jī)理以及誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行分析和研究：
　?、俳⒋笮蛿?shù)控成形磨齒機(jī)制造幾何誤差模型，是開發(fā)誤差補(bǔ)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(jī)SKMC-3000/20主要運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，依據(jù)空間運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，研究了其33項(xiàng)制造幾何誤差分量并建立了機(jī)床主要運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的傳動(dòng)鏈。結(jié)合機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用空間齊次坐標(biāo)變換的方法獲得砂輪坐標(biāo)系相對(duì)于工件坐標(biāo)系的位置誤差與轉(zhuǎn)角誤差，建立了磨齒機(jī)的制造幾何誤差模型。然后建立機(jī)床的雅可比矩陣并對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行誤差解耦，最終獲得了各運(yùn)動(dòng)軸的制造幾何誤差補(bǔ)償模型，提出了該磨齒機(jī)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(bǔ)償提供前提條件。
　?、跒樘矫鞔笮蛿?shù)控成形磨齒機(jī)綜合幾何誤差導(dǎo)致的砂輪—工件相對(duì)位置誤差對(duì)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(biāo)變換方法，建立了以離散坐標(biāo)點(diǎn)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(jìn)而運(yùn)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(píng)價(jià)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)。
　?、圻\(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值分析的方法，分析了該大型數(shù)控成形磨齒機(jī)的整個(gè)穩(wěn)態(tài)熱特性及熱變形情況。針對(duì)大型數(shù)控成形磨齒機(jī)外觀不規(guī)則、熱源眾多，難以單純從幾何數(shù)學(xué)角度計(jì)算其熱變形量的現(xiàn)狀，依據(jù)傳熱學(xué)和機(jī)械熱變形理論，分析了機(jī)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(jī)床的熱傳遞機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)床零部件裝配關(guān)系及其材料特性，對(duì)磨齒機(jī)進(jìn)行

7、了數(shù)值仿真分析，得到了其在熱平衡狀態(tài)時(shí)的整機(jī)溫度場分布及熱變形。為建立大型數(shù)控成形磨齒機(jī)溫度—位移實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、開發(fā)熱致幾何誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償模塊提供了參考價(jià)值。
　　④由磨齒機(jī)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(jī)床X、Y方向的相對(duì)位置誤差是影響齒面加工精度的關(guān)鍵因素。因此，在機(jī)床數(shù)值仿真分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了機(jī)床溫度—熱位移實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jī)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(jī)熱致幾何誤差補(bǔ)償模型，從而揭示了磨齒機(jī)整機(jī)熱變形、齒面加工誤差與機(jī)床溫度之間的關(guān)系。
　?、菰趯?duì)該大型數(shù)控成形磨齒機(jī)進(jìn)行誤差分析、建立誤差補(bǔ)償模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)SINUMERIK840D sl數(shù)控系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，運(yùn)用其HMI Programming Package二次開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)出了可嵌入式制造幾何誤差、熱致幾何誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償軟件

9、模塊，并在該成形磨齒機(jī)上進(jìn)行了補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過齒面在位檢測，結(jié)果顯示誤差補(bǔ)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(jī)誤差補(bǔ)償模型的精確性好，軟件模塊的補(bǔ)償效果佳，能夠有效提升機(jī)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(jī)床的誤差補(bǔ)償和精度提升提供有益的參考。
　　本文運(yùn)用理論分析、有限元技術(shù)與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，提出了大型數(shù)控成形磨齒機(jī)的制造幾何誤差、熱致幾何誤差建

10、模及誤差補(bǔ)償理論，揭示了機(jī)床綜合幾何誤差與齒面加工誤差的變化關(guān)系。運(yùn)用開發(fā)出的嵌入式誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償軟件模塊，在該磨齒機(jī)上進(jìn)行了相應(yīng)的誤差補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)。在位檢測結(jié)果顯示，誤差補(bǔ)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(shì)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(xué)算法、分析思路，所建立的幾何誤差模型和開發(fā)的補(bǔ)償模塊等，對(duì)大型數(shù)控成形磨齒機(jī)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(bǔ)償?shù)染哂兄匾闹笇?dǎo)意義和良好的實(shí)用價(jià)值。