大齿轮成形磨削加工在线测量系统研究

李恒鑫 ,张洛平 ,贺红霞 ,郭常超

(1.河南科技大学机电工程学院,河南洛阳 471003;2.郑州航空工业管理学院机电工程系,河南郑州 450015;3.温州大学城市学院,浙江温州 325035)

0 前言

大型齿轮广泛应用于船舶、矿山、水利以及航天等部门[1-2]。随着科技的发展以及生产水平的不断提高,对其精度的要求也越来越高,成形磨齿就是获得高精度最可靠的方法之一[1]。此外,强化并提高齿轮制造全过程的测量与监控技术也是保证齿轮质量的另一个关键[3]。因此,改进成形磨削中的测量技术是提高大型齿轮精度的一个重要环节。

目前齿轮常用的测量方法有台式测量、上置式测量和旁置式测量。台式测量要求齿轮必须在专门仪器之上进行测量,鉴于大齿轮直径大、模数大的特点,该方法增加了再次装卡的难度,并引入了二次安装的误差。上置式测量中仪器基准一般建立在被测齿轮上,而被测齿轮误差不可知,造成测量精度比较低[4]。这两种方法都不适于大型齿轮磨削加工中的检测。在线测量技术为大型齿轮的测量提供了一种有效手段,国内外有些机构也有相应研究,但研究成果均在不同程度上有一些局限性和不足,如原理近似、测量精度低等,总的来说,国内外对在直径超过 2.5 m的大型齿轮精度测量的问题上技术还不够成熟[1]。本文提出一种旁置式在线测量方法,采用Renishaw触发式测头为传感器,PC+运动控制卡为上位控制,并采用光栅进行参数反馈,构成了加工制造的闭环系统。通过在生产过程中加入检测与控制环节[5-6],融合测量技术于加工制造过程中,将检测设备与加工设备结合起来,用加工过程的监测与反馈取代了成品质量的检测与评定,不仅保证了齿轮精度,而且扩大了机床功能,特别是提高了大齿轮制造加工的生产效率。

1 系统测量原理与测量过程

1.1 测量原理

渐开线圆柱齿轮齿面的几何精度由齿形误差和齿向误差控制[7]。齿形误差控制端截面上的渐开线误差,齿向误差控制轴截面上螺旋线误差,两者都是该在线测量系统的主要测量对象,本文以齿形测量为例进行分析。齿形误差的测量方法常用的有展成法和坐标法。坐标法测量即在被测齿轮的齿面上选取一系列测点,采集其坐标数据并根据所建立的工件坐标系与测量坐标系的数学模型对这些数据进行处理,经过与理论坐标进行比较而计算出齿形偏差。由于其相对于展成法可能会进一步提高测量精度,本文采用坐标法测量。图1为齿形测量原理示意图。

图1 齿形测量原理示意图

系统采用Renishaw三维触发式测头,测头安装在砂轮架上,可以实现沿机床的X1、Y1和Z1轴运动。被加工齿轮安装在工作台上,可以进行绕 Z轴进行回转运动。取如图1坐标,以齿轮回转中心为坐标原点,其与某一齿形渐开线起点确定X轴,则渐开线上任意一点K(x,y)的坐标值为:

其中,β为OK轴与X轴的夹角;αk为齿轮的压力角。

1.2 测量过程分析

加工齿轮首先通过砂轮磨削,之后砂轮退出,测量时被测齿轮固定不动,测头在垂直回转轴线的平面内对齿形作 X-Y直角坐标测量,获取坐标数据。齿形误差的测量位置应在齿宽中部,齿向误差的测量位置应在齿高中部[8]。两者都是取沿齿轮整圆周均匀分布的 6处位置同侧齿面进行测量。首次测量获得的参数信息传回上位控制器,通过与设定的标准参数进行对比,得出齿轮加工误差以及单个齿距偏差△fp的最大值与最小值,由此推断齿轮轮齿对于回转中心的不均匀性,并以△fp的最大值处作为初始工序的起点。上位控制器通过坐标变换将测点的坐标值变换到齿轮坐标系中,并根据最小二乘原理对数据进行拟合,与标准曲线对比得出加工误差。根据误差数据上位机发送下一步加工的脉冲和方向信号。

磨削过程中测量与加工交叉进行,测量为下一步加工提供理论依据,加工的水平要靠下一步测量来评定,对齿轮连续测量,根据数据分析结果合理安排工序,确定加工余量,优化磨削过程,最终测量达到预期要求则加工过程结束。

对被测齿轮的参数计算都是基于齿轮坐标系,而测量得到的数据都是基于测头坐标系,因此,必须要经过坐标变换才能进行计算。以齿形测量为例,忽略 Z轴移动得到两坐标系经过平移变换以及旋转变得到变化矩阵为:

理论坐标值(x,y)与测量坐标值之间(x1,y1)的关系为:

其中 θ为齿轮的旋转角度。

2 系统组成与分析

2.1 硬件系统构成及主要功能

图2 硬件总体构架

系统主要由上位控制器、驱动器、执行机构、测量装置以及反馈装置组成,总体结构图如图2所示。上位控制器主要部分是运动控制卡,负责向驱动器发送脉冲/方向信号,以作为执行电机的控制信号。驱动器通过功率变换按照运动控制卡的指令驱动电机转动。电机带动测头控制轴按预定参数运动,测头在一定的距离范围内以一定的速度和一定大小的力与齿面进行接触,瞬时接触点的位置在机床坐标系中的坐标值立即被记忆[9],并通过红外线传输存储至上位控制器中。上位控制器对测量获得的实际坐标值进行相应的分析运算,获得当前工况信息,生成指导下一步加工的指令。同时利用光栅进行信息反馈,控制机床动作完成后续加工。光栅的采用使系统实现了闭环控制,满足了精确定位要求,并对系统误差进行补偿,进一步提高了控制系统的精度。

2.2 软件总体设计及工作流程

图3 软件总体构架

软件系统主要功能包括:被测齿轮基本参数设置[10];控制测头准确采集齿轮参数;分析处理数据并保存;显示齿轮偏差曲线;分析误差与不确定度;打印功能。按其功能划分为若干模块,如图3所示。

测量前设置齿轮基本参数,由齿轮参数计算程序计算出所需参数,如齿轮基圆半径、渐开线起始测量长度等。前端测量电路接收串口通讯程序发出的初始化命令清零。测量开始后,选择测量类型将该类型测量所需的光电编码器信号切换到测量电路中。然后,前端测量电路接收到串口通讯程序发送的数据采集命令进行数据测量操作,并将数据传送到数据处理程序。数据处理程序通过对采集到的参数信息进行坐标转换,曲线拟合等分析得到相应的误差曲线,同时误差数据被存储于数据库。最后,由误差评定程序判断测量长度是否达到,若达到要求测量长度且评定完成,则软件自动绘制齿轮误差测量报告,以备存储或打印。软件总体流程图如图4所示。

3 试验与分析

为了验证系统模块的有效性,进行了初步试验。限于实验条件,初步试验选用了一个小直径的渐开线圆柱直齿轮为测量对象,其基本参数信息见表1。

初步测量是为了验证软件的有效性,因此首先对一个齿面的齿形进行多次测量,测得数据由导出模块导出并进行数据处理,首先由公式(3)将其转化为齿轮坐标系下的坐标值,再与由公式(1)所得的渐开线方程的理论坐标值对比,测得数据见表2。

将测得的实际坐标值应用最小二乘法拟合出实际渐开线,并对优化函数采用遗传算法求解。选取种群规模为100,交叉概率为0.7,变异概率为0.05,进化代数为1 000代。经过计算,测量结果为 ffa= 25.0。与国家标准 GB10095.1—2001中规定的280＜d≤560,10＜m≤16,精度等级为 7级的直齿圆柱齿轮同侧齿面齿形公差要求为小于 26.0相符合。验证了测量方法的正确性。

表1 齿轮基本参数表

表2 齿形测点测量数据 μm

4 结束语

图4 软件总体流程图

针对大型齿轮加工中测量不便,误差较多的问题,提出基于Renishaw测头的大型齿轮成形磨削加工在线测量系统方案。相对于其他在线测量方法,本系统结构简单,使用方便,最主要的是能够实现加工过程和测量过程的交叉进行,一道工序完成后不必卸下齿轮即可对其进行在线测量[11],减少了大型齿轮加工时定位偏差对齿形、齿距和齿向测量的影响。通过多次加工验证分析得知:该系统的应用使得大齿轮磨削加工中的金属切削时间,由生产时间的55%提高到80%,同时,辅助时间由生产时间的35%降低到15%,实际辅助时间缩短了近90%,大大提高了生产效率,可见,该系统与同类的测量系统相比为大型齿轮加工测量提供了一种有效的测量手段。

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