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大齒輪磨削加工在線檢測系統對中方法分析
2012-11-16  來源:  作者:河南科技大學機電學院河南科技大學機電學院

      1 引言

 

      大型齒輪通常指直徑大、模數大的齒輪[1],它廣泛應用于交通、冶金、采礦、機車等設備以及航天、火箭、導彈發射等部門,其重要性不言而喻。目前世界上大型齒輪制造技術在不斷提高,品種和規格在逐漸擴大。而齒輪的精度不僅取決于齒輪的設計加工,也取決于齒輪誤差的測量分析。目前,對于小于2.5m 的齒輪的測量技術已經非常成熟,以齒輪測量機為主導的各種測量儀器幾乎完成了該直徑范圍內齒輪所有誤差項目的精密測量,而國內對直徑超過2.5m 的大型齒輪的精度測量技術還不夠成熟。因此,大型齒輪的關鍵環節。另外,為了保證大型齒輪的精度,通常采用磨削加工作為齒輪的精加工,和其他齒輪精加工方法相比較而言,磨齒對齒輪預加工時產生的誤差糾正能力較強[2],而且能夠加工淬硬的齒輪,其加工精度也較其他方法高得多?;谶@種情況提出了檢測與磨削加工同步進行的方法。

 

      2 在線檢測系統總體方案

 

      齒輪測量技術的發展已近百年[3],在線檢測技術的應用成為近年來機械加工過程中一大趨勢,因其可以在不影響其他操作的情況下,完成所需參數的測量和控制,實時對工作過程的某些參數進行監測,并且將測量結果進行分析處理后與理論參數進行比較,由此作為工藝決策的依據,該技術可以極有效地保證被加工零件的質量,確保機床設備處于正常運行狀態。

 

      在線檢測系統的組成包括機械結構、硬件平臺的搭建以及軟件系統的開發。采用旁置式測量方式[4],在數控磨齒機上設計一個測量裝置,采用直線導軌和滾珠絲杠傳動,通過硬件電路控制該裝置按照測量要求的軌跡進行運動,同時齒輪能夠繞其中心軸進行驅動,可以控制各傳動軸聯動完成測量過程。測量裝置和被測量齒輪的位移信息可以由位置檢測元件進行記錄和反饋,反饋信息傳送至上位機,并由上位機進行處理分析,對齒輪誤差進行求解和評價,測量結果可以由打印機輸出測量報告。系統的總體結構示意圖,如圖1 所示。測量原理示意圖,如圖2 所示。

 

 

 

 

      3 校正測量過程

 

      成形法磨齒的精度,主要取決于成形砂輪的修整精度和機床的分齒精度[5]。由于存在分度誤差及刀具的安裝誤差,要提高加工精度必須解決分度誤差以及道具安裝誤差。這種方法特別適合于大型齒輪的測量。因此,為保證測量精度以及加工精度,在此之前,必須進行齒輪對中,即保證砂輪進給必須在齒槽的中心線上。對被測齒輪的參數計算都是基于齒輪坐標系,而測量得到的數據都是基于測頭坐標系,因此,必須要經過坐標變換才能進行計算。忽略z 軸移動得到兩坐標系經過平移變換以及旋轉變得到變化矩陣為:

 

 

 

      理論坐標值(x,y)與測量坐標值之間(x1,y1)的關系為:

 

      進行校正測量時在齒寬中部附近垂直于齒輪回轉軸線的平面上進行,測頭的運動軌跡平行于齒輪的回轉軸,位置在被測齒輪的分度圓附近[6]。在測量過程中上得到兩點A(x1,y1,z1),B(x2, y2,z2),其中,A 點所在圓半徑R1,B 點所在圓半徑R2,且有Z1=Z2,坐標A、B 分別位于半徑為R1、R2 的圓上:

 

 

 

      代入A、B 點坐標值,可得到R1 和R2 的確定值,經比較:

 

      若是R1>R2,可將分度盤逆時針微動α1;若是R1<R2,可將分度盤順時針微動α2。

 

      微動角度ε 的計算如下。

 

      如圖3 所示,測頭隨沿工作臺平移,理論移動軌跡為AC 部分,實際上因為工作臺分度以及齒輪在安裝過程中存在誤差,測頭開始位置一般不會準確位于齒槽間隙中間線,所以開始測量時,需要在實際測量之前需要對齒輪進行對中調試,調試過程如下:假設齒輪初始位置,如圖3 所示。在這個位置時,測頭運動軌跡為AB,現在根據測頭測量數據對齒輪進行調整,根據A、B 兩點的坐標可得到∠OAB 和∠OBA,計算如下:

 

 

      式中: S-AB長度;R1、R2-點A、B 所在圓的半徑;α、β-角∠OAB和∠OBA 的值。

 

 

      若齒輪位于正確位置,那么α 和β 應該相等,實際上,由于安裝調試存在誤差,有以下兩種情況:

 

      當α 小于β 時,齒輪逆時針旋轉角度為α,其大小為:

 

ε1 =(β-α)/2

 

      同理當α 大于β 時,齒輪順時針旋轉α,其大小為:

 

ε2 =(α-β)/2

   

      所以,當兩角度值不相等時,齒輪應旋轉值大小為:

 

ε=(β-α) /2

 

      比較α 和β 值大小可確定齒輪旋轉方向。在實際測量過程中,要在分度圓上下至少取兩個坐標點;并調整參數z,在不同z值下得出多個坐標點,綜合計算以更加精準確定旋轉角度。

 

      4 校正軟件程序設計

 

      在完成基本的測量功能和硬件的基礎上,軟件程序設計采用模塊化結構[7],主要功能包括被測齒輪的基本參數設置,計算分析參數,采集角度數據并計算,評定齒輪位置是否對中等模塊。系統初始化完成后,提示輸入所需齒輪參數,程序根據參數計算測頭運動位移坐標,采集坐標點進行角度計算,最終完成校正砂輪位置,返回開始進行測量。程序流程,如圖4 所示。

 

 

      5 結論

 

      主要介紹了大型齒輪在線檢測系統,并針對大型齒輪加工中測量不便,誤差較多的問題,具體闡述了測量原理和以及校正計算方法。在線檢測是齒輪制造業一個重要的發展趨勢,系統設計結構簡單,操作方便,實現了將加工過程和測量過程的交叉進行,齒輪加工的一道工序完成后,齒輪不必拆卸即可對其進行在線測量,將加工和測量兩個過程結合一起,構建齒輪制造的閉環控制系統,減少了大型齒輪加工時安裝定位誤差,從而提高了齒輪加工效率和精度,對于大型齒輪尤其是大型精密齒輪的加工來說是一種高效的測量手段。

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