（机械工程专业论文）数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统的测量精度分析.pdf

工 的 包 共 有 允 容 学 并 作 l i i iiil il tl ll l ll li iiii y 1915 5 3 2 摘要 在线测量技术不仅可以对零件加工实现过程控制，而且可使零件 的加工、检验工序在一次装夹中完成，极大的提高生产效率，节约生 产成本，在现代制造中的应用越来越广泛，特别是在数控加工行业。 数控机床在线测量系统的应用环境复杂，误差影响因素较多，分析影 响在线测量系统精度的因素，研究提高系统测量精度的方法，具有较 高的理论和实际应用价值。本文针对上述问题展开深入系统的研究， 主要内容如下： 根据数控机床在线测量系统的测量原理，针对数控螺旋锥齿轮磨 齿机在线测量系统，建立系统坐标系，分析系统各部分的具体组成及 各部件的精度。 检测数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统的原始精度，分析影响 其测量精度的因素，运用多体系统运动学对在线测量系统进行描述， 结合齐次坐标变换矩阵，建立在线测量系统的运动学误差模型；分析 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统包括位姿误差和运动误差的3 7 项误差，研究数控螺旋锥齿轮磨齿机几何误差同运动学误差模型中参 数的对应关系，建立在线测量系统的空间测量误差模型，并仿真分析 了各项几何误差对测量的影响。 分析常用误差检定方法，阐述激光干涉仪测量各类误差的原理， 分析影响激光干涉仪测量精度的因素，并提出消除其影响的方法。利 用激光于涉仪具体检测了数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统直线 轴和旋转轴的几何误差，分析测量系统的几何精度。 针对现有误差补偿方法的不足，以数控螺旋锥齿轮磨齿机采用的 西门子8 4 0 d 数控系统为平台，结合建立的在线测量系统空间测量误 差模型，提出一种新的多维误差补偿法；利用多维误差补偿法对系统 几何误差进行补偿，通过实际检测证实系统的几何精度有较大提高。 检测在线测量系统补偿后的精度，实验对比在线测量系统补偿 前、补偿后和齿轮测量中心的实测数据，证实在线测量系统的检测结 果是有效的，多维误差补偿法对系统几何误差补偿能有效提高测量系 统的精度。 关键词：在线测量系统，螺旋锥齿轮数控机床，多体系统，几何误差， 误差补偿 a bs t r a c t o n l i n em e a s u r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n t ot o m o d e mm a n u f a c t u r i n ge s p e c i a l l yt h en u m e r i c a lc o n t r o li n d u s t r yw h i c h c a nc o n t r o lt h ep r o c e s so fp a g sm a n u f a c t o r y , e n a b l et h ep a r t sp r o c e s s i n g a n dm e a s u r i n gc o m p l e t e da tt h es a m et i m e ，a c c e l e r a t et h ep r o d u c t e f f i c i e n c ya s w e l la se c o n o m i z et h ep r o d u c t i o nc o s t t h ea n a l y s i so f e l e m e n t sw h i c hi n f l u e n c et h ea c c u r a c yo ft h eo n l i n em e a s u r e m e n t s y s t e mh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e m e t h o do fm e a s u r e m e n td u et oi t sc o m p l i c a t e da p p l i e de n v i r o n m e n t t h i s t h e s i sh a sc a r r i e do u ta ni n d e p t hs t u d ya tt h e s ep r o b l e m sa n di t sm a i n c o n t e n t sa sf o l l o w s ： t h i sp a p e rs t u d i e st h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo ft h eo n l i n em e a s u r i n g s y s t e mo ft h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ea n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e c o o r d i n a t es y s t e m ，a n a l y s e st h es p e c i f i cc o m p o s i t i o no ft h ev a r i o u sp a r t s o ft h eo n - l i n em e a s u r i n gs y s t e ma n di n d i c a t e st h ea c c u r a c yo fv a r i o u s c o m p o n e n t sb a s e do nt h es t u d yo ft h eo n - l i n em e a s u r i n gs y s t e mo f c n c g r i n d i n gm a c h i n e t o o lo f s p i r a lb e v e lg e a r t h ea n a l y s i so ft h ee l e m e n t sw h i c ha f f e c t st h ea c c u r a c yo ft h e o n l i n e m e a s u r i n gs y s t e m a n dt h e g e o m e t r i c a l e r r o ra r eo fg r e a t i m p o r t a n c et ot h ea c c u r a c yo f t h em e a s u r i n gs y s t e m t h r o u g ht h eu s eo fm u l t i b o d yk i n e m a t i c ss y s t e mt od e s c r i b et h e o n - l i n em e a s u r i n gs y s t e m ，c o m b i n e dw i t hh o m o g e n e o u sc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o nm a t r i x ，t h ek i n e m a t i c se r r o rm o d e lh a sb e e nc o n s t r u c t e d t h ea n a l y s i so ft h ec n cg r i n d i n gm a c h i n et o o lo fs p i r a lb e v e lg e a r i n c l u d i n gp o s ee r r o r , k i n e m a t i ce r r o ra n do t h e r37g e o m e t r i c a le r r o r s ， c o m b i n e dw i t ht h es t u d yo fo n e - t o o n ec o r r e s p o n d e n c er e l a t i o n s h i po ft h e p a r a m e t e r so ft h em o d e l so ft h e s e e r r o rh e l p st oe s t a b l i s ht h es p a t i a l m e a s u r i n g e r r o rm o d e l b yw a y so fc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fc o m m o ne r r o r - t e s t i n gm e a s u r i n g ， t h ea m p l i f i c a t i o no ft h ep r i n c i p l eo fl a s e ri n t e r f e r o m e t e ra n dt h ea n a l y s i s o fe l e m e n t sw h i c ha f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h el a s e ri n t e r f e r o m e t e r , m e t h o d s w h i c hc a ne l i m i n a t et h e s ee f f e c t sa r ep r o v i d e d t h eo n l i n em e a s u r i n g s y s t e mo fc n cg r i n d i n gm a c h i n et o o l o fs p i r a lb e v e lg e a rh a sb e e n d e t e c t e di n c l u d i n gt h eg e o m e t r i c a le r r o ro fa x i sa n ds p i na x i s d u et ot h ed e f i c i e n c yo ft h ep r e s e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d ，an e w a n dm o r ec o m p r e h e n s i v em u l t i d i m e n s i o n a le r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o d h a sb e e np u tf o r w a r db a s e do nt h es i e m e n s8 4 0 dn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m t h em u l t i d i m e n s i o n a le r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o dh a sb e e n p r o v e d t oh a v ec o n s i d e r a b l e s i g n i f i c a n c e t ot h e i m p r o v e m e n t o f g e o m e t r i cp r e c i s i o no f t h es y s t e m t h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h ed e t e c t i n gr e s u l to fo n l i n e m e a s u r i n gs y s t e mi sv a l i da c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s to ft h eg e o m e t r i c a l e r r o rb e f o r ec o m p e n s a t i o n ，a f t e rc o m p e n s a t i o n ，t h eg e a rm e a s u r i n gc e n t e r a n dt h ed a t ao fg e a rp r e c i s i o np a r a m e t e rm e a s u r e m e n t t h ep r e c i s i o no f m e a s u r i n gs y s t e m c a nb e i m p r o v e db y t h e g e o m e t r i c a l e r r o r c o m p e n s a t i o no f t h em u l t i d i m e n s i o n a le r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：o n l i n em e a s u r i n gs y s t e m ，n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e t o o lo fs p i r a lb e v e lg e a r ，m u l t i b o d ys y s t e m ，g e o m e t r i c a l e r r o r , e r r o rc o m p e n s a t i o n 一 llllllll【ll。illlllllll。1。llllllilllililllllllllllllllilllilllillllilliillillllllilllllllllilllillllllllllllllllllliilililiillilll 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 课题来源l 1 3 国内外研究动态2 1 3 1 在线测量技术的发展及研究现状2 1 3 2 数控机床误差检定和补偿技术的研究现状3 1 4 课题的主要研究内容5 第二章数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量原理及系统组成6 2 1 数控螺旋锥齿轮磨齿机结构6 2 2 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统的坐标定义7 2 3 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统组成8 2 3 1 在线测量系统硬件构成8 2 3 2 在线测量系统软件构成1 1 2 4 本章小结1 1 第三章螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统误差分析与建模1 2 3 1 螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统原始精度检测1 2 3 2 在线测量系统误差来源分析1 4 3 3 螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统多体系统运动学误差建模1 5 3 3 1 多体系统的基本描述1 5 3 3 2 多体系统坐标系、点和矢量的描述1 6 3 3 3 多体系统典型体的坐标变换矩阵1 7 3 3 4 螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统运动学模型的一般形式2 l 3 4 螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统空间测量误差建模2 3 3 4 1 在线测量系统拓扑结构、低序体阵列和自由度表2 3 3 4 2 螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统几何误差2 4 3 4 3 在线测量系统空间测量误差模型2 6 3 5 螺旋锥齿轮磨齿机各项几何误差对在线测量的影响2 9 3 6 本章小结j 3 7 i v 第四章螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统几何误差检定3 8 4 1 螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统误差检定方法分析3 8 4 1 1 误差检测方法3 8 4 1 2 误差辨识方法3 9 4 2 雷尼绍x l 8 0 激光测量系统组成4 3 4 3 影响激光干涉仪测量精度的因素分析4 5 4 4 螺旋锥齿轮磨齿机几何误差检定及分析5 1 4 5 本章小结6 1 第五章螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统误差补偿6 2 5 1 数控机床误差补偿方法概述6 2 5 2 螺旋锥齿轮磨齿机几何误差的多维误差补偿法6 3 5 3 多维误差补偿法补偿后误差检测与分析6 8 5 4 本章小结7 3 第六章螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统的精度验证实验7 4 6 1 实验设备7 4 6 2 实验方案7 5 6 3 实验结果分析7 8 6 4 本章小结8 2 第七章总结与展望8 3 7 1 全文总结8 3 7 2 后续研究展望8 4 参考文献8 5 附录l 9 0 致谢9 6 攻读硕士学位期间主要的研究成果9 7 v 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 从2 0 世纪6 0 年代后期开始，在线测量便引起了人们的关注。一方面是由于 科技进步和社会的发展对生产质量和效率有了更高的要求，从而产生了对产品在 线测量的需求；另一方面是由于传感器技术、测量技术、数控技术和自动控制技 术等的进步，为在线测量的实现提供了物质条件。1 9 7 4 年在英国召开的第一次 在线测量国际会议，引起了世界各国的普遍关注，也推动了在线测量技术的发展 和应用。目前，在线测量技术已成为现代计量测试的一个重要发展领域，它对科 技、生产和社会发展都产生着显著影响。 在线测量技术在数控加工领域有着广泛的应用，并取得了显著成效。数控机 床的高精度，开放的数控系统，为在线测量提供了非常好的载体，促进了在线测 量技术与数控加工技术相互融合。 螺旋锥齿轮是用于机械传动的基础零件，具有传动平稳、噪声低、承载能 力强的特点，在工程机械、汽车、船舶、机床和航空等领域有着广泛应用，对国 民经济和国防工业有着重要影响。国内许多学者都在开展这方面的研究，以中南 大学齿轮研究所曾韬教授为首的研发团队一直从事着螺旋锥齿轮及其成套技术 的研发工作，开展产学研一体化的研究，先后成功研制出数控螺旋锥齿轮铣齿机、 磨齿机和研齿机系列产品。已研制出的h 3 5 0 、h 6 5 0 、1 - 2 0 0 0 等系列螺旋锥齿轮 数控机床最大加工直径可达2 米，并在机床上装备了在线测量系统，这不仅实现 了加工过程控制，而且也节省了齿轮检测费用。 数控机床在线测量系统与三坐标测量机相比，测量环境复杂，误差影响因 素多，难以直接获得满意的测量精度。本文将对影响数控机床在线测量系统精度 的因素进行研究，并通过误差补偿的方法提高测量系统的测量精度。因此，本课 题的研究具有一定的理论与应用价值。 1 2 课题来源 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 课题：数字化制造基础研究( 项目 编号：2 0 0 5 c b 7 2 4 1 0 0 ) 。 硕士学位论文第一章绪论 1 3 国内外研究动态 1 3 1 在线测量技术的发展及研究现状 1 9 7 7 年汉诺威欧洲机床展览会上，展出了由英国雷尼绍公司研制的世界上第 一套“循环中测量系统 - - r e n i s h a w 系统，随后在线测量技术迅速发展昭1 。 1 9 9 7 年北京国际机床工具展览会上，展出了以雷尼绍为代表的多种类型的自动 测量系统，包括各种高精度测头、在线测量模块及软件和高精度测量机等。英国， 雷尼绍公司拥有先进的数控机床在机测量技术，多种高精度的检测头和三坐标测 量仪，装有r e n i s h a w 测头的机床配合r e n i s h a wo m v ( o nm a c h i n ev e r t i f i v a t i o n ) 软 件检测包组成了在机测量系统。美国e x t e r n a l a r r a ys o f t w a r e 公司的 r a t i o n a l d m i sn c 测量系统是在r a t i o n a l d m i s 自动三坐标测量系统的基础上发 展起来的，它将强大的三坐标测量软件功能全部移植到c n c ( 计算机数字控制) 加工机床中，使c n c 加工机床在保证原有的功能情况下，增加了三坐标测量机 的全部测量功能。目前，航天部3 0 3 研究所、北京机床研究所、哈尔滨先锋机电 有限公司等单位也相继研制出机床在线测头，其测量和数据处理都在数控程序中 完成，可以在线对工件的基本形体几何参数进行测量。 国内外学者在数控机床在线检测技术口1 领域开展了多方面的研究工作和探 索，并取得了不少成果。雷尼绍针对测头的特点及其在数控机床上的应用开展了 研究，使铣削检测中心、车削检测中心等加工生产线，在没有离线检测的情况下 将工件误差降到6 p m 。美国的h a n d s e h u h h l 等人利用c m m ( 坐标测量机) 实现了螺 旋锥齿轮的加工过程中检测。韩国p h a k 砸3 研制了模具制造中的集成检测系统，它 在c a d ( 计算机辅助设计) 环境中选定需要检测的工件特征项，可进行孔、槽和圆 柱等一些基础特征的检测。在国内，南京晨光集团有限公司研究了在线检测系统 的工作原理、组成、特点，并确定检测系统自带程序库在生产、测量中的应用范 围，给出了测头校准的标准应用程序和具体使用方法。 在线测量系统与数控机床的误差建模和分析，是在线测量技术发展和提高的 关键技术，国内外相关研究人员也进行了许多研究。1 9 6 1 年，韩国l e e 旧运用三 角关系建立三轴数控机床的几何误差模型。1 9 7 3 年，英国s c a n 研究各几何误差 对机床综合的影响，并对多轴机床的空间误差进行了分析。1 9 7 7 年，美国 s c h u l t s c h i k 采用矢量表达方法对镗床空间误差的各个分量进行了分析；同年，德 国h o c k e n 研究了多维误差的矩阵模型，并将该模型应用于m o o r e n o 5c m m 坐 标测量机，极大提高了坐标测量机的测量精度。1 9 8 6 年，美国f e r r e i r a 和中国 l i u 基于同体运动的微角度误差假设，提出三轴机床几何误差模型的解析二次型； 同年，德国d o n m e z 等研究出了包括静态误差几何误差和动态误差热误差的机床 2 硕士学位论文 第一章绪论 广义误差模型；我国h a n 和z h o u 等利用傅里叶变换建立了回转工作台的定位 误差模型。1 9 9 1 年，韩国k i m 盯3 等利用刚体运动学建立了三轴机床空间误差的预 测模型。1 9 9 2 年，英国s o o n s 哺1 等基于刚体假说对机床进行建模，并建立了多轴 数控机床包括回转轴在内的误差模型；同年我国c h e n m 等进一步建立了可适用 于非刚体的误差模型，运用齐次坐标变换方法建立包含几何误差与热误差的机床 误差模型，该模型分析了机床的3 2 项误差。 近2 0 年来，多体系统理论在数控机床误差建模领域得到了广泛应用和深入 发展，且建立出的误差模型与实际情形相近。多体系统理论能较好的对机械系统 进行描述，且全面考虑影响系统的因素和它们之间的相互耦合作用。运用多体系 统运动学进行误差建模具有规范化、通用性好，易于快速自动建模等优点。1 9 9 8 年，上海交通大学的杨建国n 们等利用齐次坐标变换方法，采用多体系统理论对五 轴数控机床的综合误差进行建模研究，推导出车削加工中心包含几何误差和热误 差的综合误差模型。2 0 0 0 年，韩国r a h m a n n l l 运用齐次坐标变换矩阵，建立了多 轴数控机床的静态误差和动态误差的模型，该模型分析了机床的回转轴误差、直 线轴误差、热变形和弹性变形误差。2 0 0 6 年，华中科技大学的李小力u 2 1 运用多。 刚体运动学理论，分析了多轴数控机床的刀具相对于工具的位置和姿态误差，并 分析它们与原始误差间的对应关系，建立相关误差模型，提出了针对该误差的补 偿方法。 1 3 2 数控机床误差检定和补偿技术的研究现状 误差检定直接关系到数控机床误差模型分析所依据数据的准确性，从而影响 到数控机床误差补偿的有效性。误差检测的方法可分为直接检测法和间接检测 法，直接检测的结果可直接用于补偿；间接检测即综合误差测量法，它需建立误 差辨识模型，才能得到各单项误差。 直接检测法常用的仪器及装置有：激光干涉仪、直线光栅、标准量块、步距 规、读数显微镜、球列等。激光干仪涉具有非常高的精度，如英国雷尼绍公司的 x l 8 0 激光测量系统在8 0 m 的测量范围内具有百万分之一的线性精度，且能对旋 转轴的旋转角度误差进行测量。国内外学者也对直接测量法进行了很多研究。 1 9 9 0 年，f a n g n 3 3 研究出了能同时直接测量运动轴5 个自由度误差的多轴数控机 床误差标定系统，该方法采用三套四象限仪，极大的缩短了测量时间。1 9 9 3 年， c h e n n 4 1 开发出一种多用途激光干涉仪在线测量系统，并成功应用于数控机床的 测量。 间接检测法是通过测得数控机床工作空间点的位置及其运动轨迹的误差数 据，并通过误差辨识模型获得相关误差。某些综合误差测量及参数辨识方法已被 3 硕士学位论文 第一章绪论 推荐为机床精度评定方法，如分步对角线法和球杆仪测量法。1 9 8 2 年，英国 b r y a n n 剐发明球杆仪测量法n 6 1 ( d b b d o u b l eb a l lb a r ) ，使用该方法可在机床三个 互相垂直的平面内测得综合误差数据，通过辨识获得所需误差数据。1 9 9 4 年， 英国z i e g e r t u 研发出了激光球柄仪用于车床误差测量。1 9 9 9 年，姜明锡提出四 连杆机构法，可检测圆轨迹运动的变化。我国天津大学刘又午对球杆仪结构进行 了改进，并取得了国家专利。激光干涉仪也广泛应用于综合误差测量，围绕激光 干涉仪的应用开发出了如：9 线法n 小驯、1 2 线法、1 4 线法叫1 、1 5 线法2 幻、2 2 线法3 和分步体对角线法乜帕汹1 等位移法。位移法是通过测量机床工作空间直线方 向上的空间位置误差，运用适当的误差辨识模型来获得单项误差，它直接将误差 测量与误差分离结合在一起。 随着工业界对产品加工精度的提高，使得对数控机床的精度要求也越来越 高。伴随着制造技术水平的不断提高，误差补偿技术啪1 ( e r r o rc o m p e n s a t i o n t e c h n i q u e ) 迅速发展起来，成为工业界中非常具有活力的一门新兴的科学技术。 误差补偿的基本原理是通过误差建模及误差检测的方法得到数控机床误差的具 体数值或规律，并确定误差补偿方法、编写误差补偿程序，使之抵消或大大减弱 数控机床原始误差。误差补偿使原始误差项和人为制造补偿误差项两者间相互抵 消或削弱，减少加工误差，从而达到提高工件加工精度的目的。早期的误差补偿 一般为硬件误差补偿啪1 ，如根据检测出的传动链误差曲线，制造出滚齿机的凸轮 校正机构；5 0 年代，出现了根据测出的螺距误差曲线制造校正尺来实现车床的 螺距误差校正等。硬件补偿法为机械式的固定误差补偿，根据机床的具体误差数 据，在误差发生变化后，为保证精度需再次制造出新的误差较正装置。因此硬件 补偿的柔性差，且实现成本较高。软件误差补偿法克服了硬件误差补偿法的许多 缺点，将误差补偿技术推到一个新的发展阶段。软件误差补偿法的特点是在对数 控机床本身不作任何硬件更改的前提下，利用自动控制和数字控制技术进行机床 误差补偿工作，提高机床的加工精度。 数控机床软件误差补偿啪3 中最快速、有效的方法是数控系统误差补偿法。近 2 0 年，随着数控机床误差测量技术的发展，数控系统软件误差补偿法取得了快 速发展。目前，大部分数控机床的数控系统都具有强大的误差补偿功能，同时利 用数控系统实现软件补偿也成为了机床误差补偿的常用方法，并被数控机床制造 厂家广泛应用。数控系统软件误差补偿属于静态误差补偿法啪1 ，需对数控机床进 行离线检测，获得数控机床工作空间的几何位置误差，根据所测误差对数控机床 工作空间设定误差补偿值，机床加工时根据加工点的位置坐标，调出相应的误差 补偿值对加工过程进行修正。该方法操作方便、成本低、柔性好，当机床误差因 机床经过较长工作时间而发生变化时，可再次对机床误差进行实际测量，并对原 4 硕士学位论文 第一章绪论 有的误差补偿数据再进行修正。国内外的许多专家和学者对数控机床静态误差补 偿法开展了系统的研究，并取得了显著成果。1 9 9 3 年，c h e n 建立了数控机床3 2 项误差模型，并对卧式加工中心进行误差补偿试验，使加工中心几何精度提高 1 0 倍。1 9 9 8 年，韩国l e e 啪1 对三坐标b r i d g ep o r t 铣床2 1 项误差进行检测，运用 误差合成法建立误差模型，补偿后检验，机床精度有明显提高。研究结果表明， 利用软件误差补偿法能够提高数控机床的精度，并可在较长时间内保证机床的精 度。 1 4 课题的主要研究内容 本文针对数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统，以h 3 5 0 g 型数控螺旋锥齿 轮磨齿机在线测量系统为具体研究对象，分析影响在线测量系统精度的因素，提 出提高测量系统精度的方法，主要的研究内容有： 1 、研究数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量的原理，建立在线测量系统的坐标 系统，分析在线测量系统的系统组成及各部件的精度。 2 、检定数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统的原始精度，分析影响在线测矗二 量系统精度的因素，建立在线测量系统空间测量误差模型；将在线测量系统几何 误差分为位姿误差和运动误差，更全面、完善的考虑在线测量系统的3 7 项几何 误差，并仿真分析3 7 项误差分别对在线测量精度的影响。 3 、针对激光干涉仪各项参数测量的原理，分析影响激光干涉仪测量精度的 因素，并提出消除误差影响的方法。运用激光干涉仪测量在线测量系统的几何误“ 差，包括旋转轴a 、b 轴的误差项。基于数控螺旋锥齿轮磨齿机采用的西门子 8 4 0 d 数控系统结合在线测量系统误差模型，提出一种多维误差补偿方法，可实 现系统多项几何误差的补偿，并通过实验验证补偿效果。 4 、检测数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统补偿后的精度，实验对比在线 测量系统补偿前、补偿后和齿轮测量中心的实测数据，分析工件安装偏心对齿轮 精度测量的影响，证实在线测量系统的检测结果是有效的，多维误差补偿法对系 统几何误差补偿能有效提高测量系统的精度。 5 硕士学位论文第二章数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量原理及系统组成 第二章数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量原理及系统组成 随着机械制造业的发展，数控机床的精度有了很大的提高。高精度的数控机 床、开放式的数控系统为在线测量提供实现平台，同时在线测量系统又实现了数 控：j n - r 的过程控制，避免离线测量带来的各种误差和效率降低。本文以长沙哈量 凯帅精密机械有限公司研发的h 3 5 0 g 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统为具 体研究对象，本章将对在线测量原理妇及测量系统b 2 1 的组成进行分析。 2 1 数控螺旋锥齿轮磨齿机结构 目前，我国制造的螺旋锥齿轮数控加工机床基本上都沿用格利森公司生产的 数控机床的结构和原理。长沙哈量凯帅公司对螺旋锥齿轮数控机床的结构上进行 了改进和创新，提出一种新型的机床结构，h 3 5 0 g 数控螺旋锥齿轮磨齿机如图 2 1 。新机床结构采用连杆滑块驱动b 轴回转台带动工件箱转动，代替了原结构 的扇形摩擦轮驱动工件箱回转。此结构解决了国产螺旋锥齿轮数控机床加工中存 在的许多问题，尤其是加工过程中扇形摩擦轮驱动时容易打滑和坐标原点漂移的 问题，使螺旋锥齿轮的加工质量有了显著提高。 b +一 图2 - 1h 3 50 g 数控螺旋锥齿轮磨齿机 6 硕士学位论文第二章数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量原理及系统组成 图中x 为水平轴、y 为垂直轴、z 为床位轴，a 为工件主轴，b 为回转台主 轴，c 为刀具箱主轴，d 为砂轮修整轴，w 为瓦古利轴。h 3 5 0 g 数控螺旋锥齿 轮磨齿机为8 轴5 联动机床，通过5 轴的联动按g l e a s o n 加工原理可加工出各种 螺旋锥齿轮。x 轴行程为2 6 5 - - , 6 0 5 m m ，y 轴行程为18 0 2 3 0 m m ，z 轴行程为 2 7 钆6 7 0 m m ，b 轴行程为5 0 9 0 0 ，a 和c 轴可实现任意周回转。x 轴和z 轴垂 直位于床身的同一水平面，y 轴位于立柱上垂直于x 和z 轴构成的平面，工件 箱位于回转台上可绕b 轴转动，回转台可沿x 方向移动，刀具箱位于立柱上可 随立柱作z 方向运动，同时刀具箱又可沿立柱作y 方向运动。 2 2 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统的坐标定义 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统相当于一台c n c 坐标测量机，其测量 原理采用坐标式几何解析测量法。它将被测工件当作一个空间几何实体，在所 建立的测量坐标系中，将几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标 位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数 学计算求出其尺寸和形位误差。这不仅可以测出工件的单项误差，也可以测出工 件的整体误差。 坐标系统的建立是进行在线测量的基础，数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系 统的坐标系统根据机床自身坐标系统建立。设机床在线测量系统坐标系为 = o 册；砀，蜘，铂 ，定义当工件主轴a 与刀具主轴c 处在同一水平面时，回 转台b 轴轴线与c 轴轴线的交点作为机床的零点，即坐标系的原点o 坍，它 是测量系统空间内一固定点。坐标系的、和z r n 分别与机床的x 、y 、z 轴 平行且方向相同，x 轴以靠近操作者为正，z 轴以靠件工件箱为正，y 轴以向上 为正。在在线测量系统中，还有联动轴a 轴和b 轴，a 轴可以实现周转以顺时 钟方向为正，当a 轴与c 轴垂直时，b 轴的旋转角度为0 度，此位置记为b 轴 零点，当a 轴与c 轴平行时，b 轴的旋转角为9 0 度，b 轴行程为9 0 度以顺时 钟方向为正。 测量系统坐标示值的意义为，x 表示回转台b 轴轴线到坐标原点x 方向的 距离，y 表示刀具箱主轴轴线到坐标原点y 方向的距离，z 表示刀具箱主轴端面 到坐标原点z 方向的距离，a 为工件轴沿其轴线转过的角度，b 为回转台沿其轴 线转过的角度。 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统进行测量时，测头安装于刀具箱上，具 有y 和z 方向的自由度，被测工件位于工件箱上可沿x 向移动和沿a 、b 轴转 动。根据测头的安装位置、机床各坐标值和机床结构尺寸，就可以算出测头球心 的坐标，再通过对测头半径的补偿就可获得所测点的坐标。 7 硕士学位论文第二章数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量原理及系统组成 c m m 测量齿轮齿面时，由正交坐标系的x 、y 、z 轴控制测头运动进行检 测，但由于齿面各离散点的曲率和法矢变化较大，采用单一水平测头测量时可能 会产生干涉。在线测量系统则可以通过5 轴配合运动，根据工件的加工原理，调 整工件和测头间的相对位置和姿态，获得最优的测头逼近路径从而完成螺旋锥齿 轮全齿面的无干涉测量。 2 3 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统组成 数控机床在线测量系统是一个将机械装置、电子系统及软件等结合起来的综 合系统，它是在数控机床的基础上加上高精度的测头，在开放式数控系统上进 行的二次开发，编制出在线测量应用软件并结合数控程序实现测量。按组成，系 统可分成硬件和软件两部分，下面将分别说明。 2 3 1 在线测量系统硬件构成 硬件主要包括机床机械主体、标尺系统、测头系统，数控系统硬件部分，它 是在线测量系统的基础，基础上决定着在线测量系统的精度，高精度的硬件是在 线精确测量的保障。 一、机床机械主体 机床机械主体主要包括床身、立柱、滑台、导轨、丝杠等。床身、立柱和滑 台作为其它部件的支撑和安装体，其采用铸件材料，主要安装表面都经铲刮加工， 有着较高的平面精度。 滚动导轨传动装置可使摩擦系数减少到滑动导轨的百分之十内，且由于动静 摩擦系数相近，可使驱动扭矩减少百分之三十，有着较高的定位精度和重复定位 精度。 h 3 5 0 g 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统直线轴都采用日本t h k 公司生 产的精密级球保持器型l m 滚动导轨如图2 2 所示。l m 导轨优点如下：l 、具有 较高的平面行走精度，采用径向方向负荷能力较强的钢球接触结构，因此承受径 向负荷作用时径向方向上的变形量较少，可以获得稳定的位移行走精度；2 、具 有自动调心能力，即使施加预压也能吸收安装基面误差，从而得到高精度、平滑 稳定的直线运动；3 、爬行运动小，l m 滚动导轨是理想的滚动导向装置，因此 动摩擦与静摩擦之间的差很小。机床导轨精度参数如下：行走精度的水平公差和 垂直公差都在11 t m 以内，行走平行度为7 5 9 m 。 h 3 5 0 g 数控螺旋锥齿轮磨齿机采用高精度的滚珠丝杠作为进给传动系统， 滚珠丝杆和螺母之间采用小过盈配合，区别于一般螺纹传动的间隙配合，有着较 高定位和传动精度。丝杠采用与导轨相配合的t h k 公司的精密级b n f n 滚珠丝 8 硕士学位论文第二章数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量原理及系统组成 杠如图2 3 。b n f n 滚珠丝杠优点如下：1 、驱动扭矩仅为滑动丝杠的三分之一， 滚珠丝杠中的钢球在丝杠轴与螺母间滚动，因此能获得高传动效率。2 、高精度、 能实现微量进给，由于钢球做滚动运动，起动扭矩小，不会产生类似滑动运动中 易出现的粘滞滑动现象，所以能进行正确的微量进给，3 、没有无效行程，丝杠 承受予压而获得高刚性，轴向间隙能降为零以下。机床丝杠精度参数如下：全程 上的最大导程精度为1 8 p m 。 图2 - 2l m 滚动导轨 黪扛纳 t 。 图2 - 3b n f n 滚殊丝杠 二、标尺系统 标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的，为测量系统提供数据，是测量系统 的关键，所以标尺系统的精度尤其重要。目前测量系统上使用的标尺系统种类很 多，按其性质可以分为光学式标尺系统( 如激光干涉仪、光栅、光学读数刻线尺 和光学编码器) ，电气式标尺系统( 如磁栅和感应同步器) ，机械式标尺系统( 如精 密齿条及齿轮、精密丝杠加微分鼓轮和滚动直尺) 。 h 3 5 0 g 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统直线轴和回转轴的标尺分别为 直线光栅尺和圆光栅。直线光栅尺采用海德汉公司的l f l 8 3 直线光栅尺如图2 - 4 所示，它采用定位精度高的单场扫描原理，有着较好的温度特性，且能承受较高 9 硕士学位论文 第二章数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量原理及系统组成 的振动频率；测量步距为0 1 l a m ，经过细分分辨率可达o 0 0 5 1 a m ，在全程测量范 围内精度达+ 2 9 m 。圆光栅采用雷尼绍公司的r e s m 2 0 u s a l 5 0 圆光栅如图2 5 所 示，它的分辨率为o 0 2 a r c s e c ( 弧秒) ，精度n a ：3 3a l c s e c 。 效 先 1 5 直 门 硕士学位论文 第二章数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量原理及系统组成 子8 4 0 d 系统硬件平台，包括用作人机交互和与下位机通信的计算机、西门子电 源模块、西门子主控制器、西门子6 1 0 d 运动驱动控制模块和西门子s 7 3 0 0 型 p l c 系统。 2 3 2 在线测量系统软件构成 软件主要包括数控系统、伺服驱动及p l c 系统和测量应用软件，它们控制 着各种运动和数据处理的具体实现，将各种结果直观的表达出来。 一、数控系统 数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统采用西门子8 4 0 d 数控系统，数控系统 主要由中央处理器、输出和输入接口组成，处理器又由控制器、存储器、运算器 和总线组成。数控机床各种控制功能、插补运算和数控加工都通过系统来实现。 计算机与其他设备间可通过标准接口联接，当功能或控制对象改变时，只需改变 程序和接口。数控系统具有较强的开放性，可在其基础上进行二次开发，实现机 床的在线测量功能，数控系统也是测量系统的控制平台。 二、伺服驱动及p l c 系统 伺服系统是数控机床的关键部分之一，用以实现数控机床各轴的转速、进给、 位置等的伺服控制。伺服系统的性能是决定系统控制精度、机床加工精度、工件 加工质量、生产效率和在线测量精度的主要因素。p l c 系统控制着系统一些开关 量的输入输出，并实现各种系统参数的设置与调整。 三、测量应用软件 一在线测量软件5 1 是在面向对象的可视化编程工具v b 环境内开发的，结合数 控系统的二次开发功能嵌入数控系统。可在人机交互界面中输入工件及设置参 数，将采集到的数据进行处理，并以图形或数值形式输出。 2 4 本章小结 本章研究了数控螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统的测量原理，建立了在线测 量系统的坐标系，深入阐述了在线测量系统的硬件和软件组成及各关键部件的精 度，为测量系统的精度分析提供了基础。 硕士学位论文第三章螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统误差分析与建模 第三章螺旋锥齿轮磨齿机在线测量系统误差分析与建模 数控机床在线测量系统是一个机电结合的复杂系统，它的测量精度受