（机械电子工程专业论文）零传动数控卧式滚齿机零编程方法及误差补偿技术研究.pdf

中文摘要 摘要 齿轮是机械行业量大面广的基础件，在生产和制造领域占有极其重要的地位。 滚齿是齿轮加工的重要手段。相对于传统手工编程以及c a d c a m 自动编程，滚 齿加工的零编程方法具有优质、高效、稳定的特点；制约滚齿加工精度提高的主 要因素在于误差的普遍存在，因此，对滚齿误差及其补偿技术的研究具有重要意 义。本论文以零传动数控卧式滚齿机为对象，一方面研究其零编程方法，一方面 研究其误差及补偿技术。 滚齿加工的零编程数学模型，是滚齿零编程方法实现的前提和关键。本文首 先针对零传动数控卧式滚齿机，建立了圆柱齿( 单、双联) 、圆锥齿以及鼓形齿的零 编程数学模型，为滚齿零编程方法的实现奠定基础。在误差机理研究上，本文运 用标准齐次坐标变换方法，结合滚刀和工件之间联结链的封闭性，建立了零传动 数控卧式滚齿机几何和热误差的误差运动综合数学模型。然后，在滚齿误差以及 零传动数控卧式滚齿机主要误差源分析的基础上，进行了工件轴和滚刀轴的热变 形试验并对试验结果进行了分析。在此基础之上，将一般数控机床热误差补偿方 法引入滚齿机热误差补偿领域，提出了误差补偿与零编程的集成。 在上述研究基础上，基于西门子8 4 0 d 数控系统的开放性，采用、v c 开 发软件和o e m 开发平台，在系统功能模块设计和程序结构设计的基础上，完成了 零传动数控卧式滚齿机的零编程及误差补偿系统开发。系统具备自动生成n c 代 码、实时显示机床信息、文档管理、参数校核、简易误差补偿等功能；界面简洁、 直观，操作简单、方便。 关键字：滚齿，零编程，误差，误差补偿，二次开发 英文摘要 a b s t r a c t g e a ri saw i d e l yu s e de l e m e n ti l lm a m l f a c t u r i n gi i l d l i s t r y 锄dp l a y sav c q i m p o n 暑m tr o l ei 1 1m a n u f a c t u 】妇g h o b b i i 培i sa i li m p o r t 锄tm e a i l sf o rg e a rm a n u f a c 嘶n g c o m p a r e d 晰廿lm em 甜l o d so f 衄d i t i 伽【a lm 绷lp r o 蓼锄m i n g 缸dc a d c a m a u t o m a t i cp r o 留煳i n g ，z e - p r o 伊煳i n gt e c h n o l o g yf 0 r g e a rh o b b i n gh a st l l e c h 盯a c t e r i s t i c so fl l i 曲q 砌咄h i 曲e f f i c i e n c y 锄dl l i 曲s 劬i l 咄n ep r e v a l e i l c eo f e r r o r sh 勰c o n 蚰阻i i l e dt l l ei m p r 0 v e m 铋to fm a c h i l l i i 培a c c 啪c y t h e r c f o r e ，廿l es n j d yo f e 仃0 r s 锄dt 1 1 e i rc o m p e n s a t i o ni so fg r e a ts i 印i f i c a l l c e h l 也i sp a p 、et a k e 为6 1 0 c n ch 耐z o n t a lg e 盯h o b b 吨m a c h i l l et o o l 勰m eo b j e c t o nm e0 n eh a i l d ，i t s 硫e 1 1 i g e n t p r o g 咖n m i i l gt e c l l i l o l o g yi s 咖d i e d ；o nm eo t l l e rh 锄也i t se n 0 rs i 饥l t i o ni sa i l a l y z e d a n di t se r r o rc o m p e n s a t i o nt e d m 0 1 0 9 yi ss t u d i e d h 1o r d e rt 0 纵i h i e v ez e p r 0 母黝i i 培r ) rg e a rh o b b i n g ，l ee s t a b l i s l l i i l e n to f l e m a m e m a t i c a lm o d e lf 0 rz e r 0 - p r 0 伊黜i 1 1 9i sm ep 瞅n i s ea n dt l l ek 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x i s a n d 也ew o f k p i e c ea x i sa r ec a 玎i e do m a n dn l er e s u l t so ft 1 1 et cs t sa r ea n a l y z e d 0 1 1 1 廿l i s b a s i s ，n l en l e m a le 册rc o m p e n s a t i o nm e t l l o df o rg e l l e r a la 呵cm a c h 协et o o li s i i l 仃0 d u c e dt 0t l l ef i e l do fg e a rh o b b i i l gm a c h i i l et 0 0 1 a n d 吐l 锄a le r r o rc o m p e n s a t i o n s c h e m ei s s i m p l i f i e dt 0a c h i e v em ei 1 1 t e 伊嘶o no fz e r o - p r 0 鲫m i n g 锄de r r o r c o m p e n s a t i o n o nt 1 1 eb a s i so fa _ b o v e - m c n t i o n e ds t u d y ，b a s e do nn l e0 p e na r c l l i t e c t u r eo f s 啪r 8 4 0 d ，v c + + a i l do e md e v e l o p m e n tp l a t f 0 肌b e 吨u s e d ，撕m e d e s i 盟o fs y s t e i nf h n c t i o nm o d u l e sa l l dp r o 萨l ms t r u 【咖r e ，z e r 0 - p r o 笋a i i u n i r 培锄de n 0 r c o m p e i l s a t i o ns y s t e mf o ry 酗6 1 0g e a r1 1 0 b b i n gm a c h i l l et o o li sd e v e l o p e d 1 1 1 es y s t e m h 弱m e 血n c t i o n so fg e n e 枷n gn cc o d ea u t o m a t i c a l l y ，d i s p l a y i n gr e a l t i m em a c h i n e i 1 1 f 0 】瓶a t i o n ，m a l l a g i l l gd o c 啪e 鸲c h e c k i l l go u t 廿l ei n p 似e dp 髓n e t i 璐，觚ds i m p l e m 重庆大学硕士学位论文 锄0 rc o n l p e n s a t i o n 如n c t i o n 1 1 1 es y s t e mh 硒s i n l p l e 锄di m u i t i v e c e s ，锄dc 觚b e 0 p e r a _ t e de 嬲i l y 锄dc o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：g e a rh o b b i n g ，z e r 0 一p r o g r a m m i n g ，e r r o r ，e 舯rc o m p e n s a t i o l l ， r e d e v e l o p m e n t 学位论文独创性声明 弓坦 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：劳寸1 钿 签字日期： 导师签名：签字日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 、? 奢 作者签名：盔生丑鱼 导师签名： 丛二竺：翌兰； 出呻年月哆日 | j 备注。审核通过的涉密论文不得签署口授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 1 绪论 1绪论 1 1 课题背景和研究意义 1 1 1 课题背景 本课题来源于国家自然科学基金资助项目“基于零传动原理的高速、高精度 齿轮加工机床关键技术研究 ( 批准号：5 0 5 7 5 2 3 2 ) ，本文研究内容是上述项目的 组成部分。 齿轮是工业生产中量大面广的基础件，广泛应用于航空、兵器、机床、汽车、 工程机械等领域，在生产和制造领域占有极其重要的地位。齿轮加工机床种类繁 多，加工方法也各不相同，而滚齿加工则是齿轮加工方法中应用最广泛的一种， 一些国家滚齿机的拥有量约占所有齿轮机床总量的4 5 5 0 【1 1 。 普什宁江机床有限公司与重庆大学机械工程学院通过1 年时间的紧密合作， 成功研制出“零传动全数控高效卧式滚齿机6 1 0 ( 见图1 ：2 ) 。其最大的亮点是 滚刀主轴回转运动和工件主轴回转运动均去掉一般数控滚齿机中的高精度齿轮副 或蜗轮副，采用内置主轴电机( 电主轴，用于滚刀主轴) 、内置力矩电机d r 电机， 用于工件主轴) 分别驱动( 见图1 1 ) 。这样就消除了由于传动装置而产生的误差，其 传动精度主要决定于反馈装置的精度。同时还解决了机械传动链中由于磨损造成 的机床精度不稳定等问题，因此机床具有很高的精度保持性。直接驱动技术的应 用，提高了机床的动、静刚度和扭转刚度，提高了传动精度，机床结构更简单可 靠，除了可以进行精密滚齿外，机床还能进行硬齿面加工和干式切削。 图1 1 零传动滚齿机床传动链示意图 f 毽1 1t r a 地m i s s i o nc h a i ns k e t c ho fd i r 瞅础v eg e 盯h o b b h l gm a c h i i 他 重庆大学硕士学位论文 圈12 ( 3 6 1 0 滚齿机三维圈 晦12 m n i o i l a lm p o f g c a r h o b b m g m a c e 协o l ( 3 6 1 0 1 12 研究意义 数控机床是近代发展起来的具有广阔发展前景的新型自动化机床，是高度机 电一体化的产品。智能化和高精度是数控加工追求的两大目标”。 零编程技术研究意义 在传统的加工流程中，数控加工的程序编写都采用手工编程方式。手工编程方 法主要的不足之处是：1 1 对编程人员的职业技术要求比较高；2 1 编程时容易出错， 特别是计算和键盘输入程序环节更容易出错，从而影响齿轮的加工质量：3 ) 效率 比较低，生产周期长。基于a p t 语言的自动编程的方法虽然在手工编程的基础上 有所提高，但必须在零件图样的基础上人工先编制出零件加工源程序，直观性差， 编程过程比较复杂：c a d c a m 自动编程，不仅需要昂贵的c a d c a m 软件，还 需人机交互地建立制造模型，选择加工方法，指定各种特征几何参数，填写刀具 参数表等，才能生成刀位轨迹和n c 代码，对操作人员的专业技能要求高，交互复 杂，成本高。 本论文研究的零编程技术，其核心是通过人机界面输入特定参数，调用工艺 知识库和运算库，自动生成数控( n c ) 程序。零编程技术在齿轮加工中的研究应用 有以下显著意义： 1 1 编程过程简单、便捷，显著降低编程人员工作量和专业技能要求，提高加 工效率。 2 1 无需使用昂贵的c a 科c a m 软件，且不需要进行专人技术培训，从而降低 生产成本。 3 、编程人员水平不同不会造成程序质量差异，保证了齿轮加工质量的稳定性、 一致性。 4 ) 降低机床的使用难度提高国产数控机床市场竞争力。 l 绪论 误差补偿技术研究意义 现代机械制造技术正朝着高效率、高质量、高精度、高集成和高智能方向发 展。精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向， 并成为提高国际竞争能力的关键技术。 提高机床精度有两种基本方法：误差防止法和误差补偿法。误差防止法是试 图通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源。例如通过提高机床部件的设计 和制造精度减小系统内的误差源影响，并采用严格的温度控制、隔振措施、气流 扰动及环境状态的控制以消除或减小系统外的误差源影响。误差防止法采用的是 “硬技术 ，它虽能减少原始误差，但靠提高机床制造和安装精度来满足高速发展 的需要有着很大的局限性，即使可能，经济上的代价往往是很昂贵的。误差补偿 法是人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，以达到减少加工 误差，提高零件的加工精度的目的。误差补偿技术采用的是“软技术 ，它用很小 的代价便可获得“硬技术 难以达到的精度水平，因而以其强大的技术生命力迅 速被各国学者、专家所认识，并使之得以迅速发展和推广【3 】。时至今日，许多精密 机床、精密仪器及某些精密制造设备采用了误差补偿技术。误差补偿技术已成为 现代精密工程的重要技术支柱之一【4 】。 资料显示数控机床补偿技术的研究不少，齿轮加工的常值性误差补偿研究相 对较多，传统的对滚齿加工的误差补偿主要是针对工件的安装偏心、工件台的运 动等引起的周期性误差【5 】【6 】川。而齿轮加工中热致误差、力致误差等变值误差、非 周期性误差的补偿研究很少。齿轮加工的特点，使得齿轮加工较之一般机械加工 更为复杂。齿轮的误差分析起来比较麻烦，滚齿加工机床进行动态误差补偿的难 度更大，有关这方面的误差补偿研究较少。因此，对滚齿误差及补偿研究既具有 一定的挑战，又有很好的理论和实际意义。 1 2 自动编程与误差补偿研究现状 1 2 1 齿轮加工自动编程研究现状 ， 数控自动编程技术起源于美国。为了解决数控加工中程序的编制问题，1 9 5 3 年，麻省理工学院( d 伺服机构实验室在美国空军的资助下开始研究数控自动编 程，并在m 【t 旋风i 型电子计算机上实现了自动编程。该研究成果于1 9 5 5 年公布， 称为a p t 系统( 血l t o m a t i c a l l yp r o 蓼觚吼e dt 0 0 1 ss y s t e m ) ，其原理如图1 3 所示咧。 之后进一步发展a p t 系统，先后形成了a p t ，a p t - m ，a p t - a p t - a c ( a d v 托c e dc 【t o u r i l l g ) 和a p t - s s ( s c u l p t u | e ds u r f a c e ) 。与此同时，世界上许多先 进的工业国家也都开展了自动编程技术的研究工作。各主要工业都开发自己的数 控编程语言，这些语言大多借助于a p t 的思想体系，与a p t 语言在语法格式上基 3 重庆大学硕士学位论文 本类似但各具特点。其中，美国除了开发a p t 系统之外，还开发了脚t ， a u t o s t o p 等小型系统。英国开发的2 c ，2 c l ，2 p c ，德国开发的e 心t ，法国 开发的m a p t ，日本开发的f a p t m 址t 都在一定范围内在生产中得到应用。 图1 3 创阿自动编程原理图 f i g 1 3 陆c i p l eo f 创叮舢哟m a t i cp r o 鲈吼m i i l g 我国从6 0 年代中期开始数控自动编程方面的研究，7 0 年代以a p t 为蓝本研 制出2 坐标功能的数控加工自动编程系统s k c 系统、z c x 、，c k y 等。后来研制出 具有复杂曲面编程功能的c a d 2 5 1 数控加工绘图语言等系统，功能从2 维扩大到3 、 4 、5 坐标。近几年又推出了h z a p t 、e a p t 等微机数控语言编程系统。 由于计算机技术发展十分迅速，计算机图形处理能力有了很大的增强，因而， 一种可以直接将零件的几何图形信息自动转化为数控加工程序的图形交互自动编 程方法随之产生，其实质是c 觥舢江集成系统数控编程，典型的有c 棚a ， m a s t e 疋a m ，p r o e n g i n e e r ，还有e u c l i d ，s u 啦蝴，c i n l a 仃0 n 等。我国北京航天 大学的c 脱、华中理工大学的开目c j 蝴、清华大学g e m s 和西北工业大学的 m j p c a d c a m 等是国内发展较好的几款c a d c j 蝴软件系统。 1 2 2 误差补偿研究现状 在国外，从事机床误差补偿技术比较有影响的有美国的密西根大学、辛辛那 提大学、国家标准和技术所，日本的东京大学、日立精机、大阪工业机床，德国 的阿亨大学、柏林工业大学等【9 1 1 1 。其中，尤以密西根大学最具代表性。密西根大 学倪军教授领导的科研小组在误差补偿方面取得了令人瞩目的成果，1 9 9 6 年与美 国s m s 公司共同研制和开发了集热误差、几何误差和切削力误差为一体的误差补 偿系统，并成功地实施于该公司生产的双主轴数控车床上，1 9 9 7 年成功地将热误 差补偿技术实施于美国通用( q 旧公司下属一家离合器制造厂的1 0 0 多台车削加工 中心上，使加工精度提高一倍以上。他们还为美国波音飞机制造公司的一些加工 设备实施了误差补偿技术，使加工波音飞机机翼的巨大龙门加工中心的加工精度 提高了1 0 倍。近几年，他们又运用小脑模型连接控制器( c m a c ) 神经网络建立了 4 1 绪论 机床熟误差模型。 国内大学和研究所，如上海交通大学、天津大学、浙江大学、北京机床研究 所、华中科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学、台湾的国立台 湾大学和台中精机公司等在误差补偿方面取得了不少成果n 2 d 4 1 。其中，上海交通 大学的杨建国教授等在热误差鲁棒建模技术、热误差补偿模型在线建模和在线修 正等内容上取得了成果，并将正交实验设计理论应用于机床热误差和温度的高效 检测，大幅度减少了试验次数和检测时间。天津大学机械工程学院的刘又午教授、 章青教授，北京工业大学的范晋伟教授，河北工业大学的刘丽冰教授等基于多体 系统理论，推导了多坐标数控机床，包含几何误差和热误差的全误差模型。浙江 大学对机床误差补偿特别是热变形研究得比较早和深入，获得了很多成果，特别 是提出了热敏感点理论，为在机床上温度测点的选取和热误差建模提供了依据。 近年来，浙江大学又进行了人工智能在机床加工误差补偿中的应用研究。 总体来说，对数控机床误差补偿技术研究进展缓慢，还处于探索阶段。机床 发展到当今的超精密发展水平，主要依赖于机床系统的不断精化和改进，如对机 床主轴、导轨、伺服驱动装置等设计、结构和材料等方面的改进【1 5 】。荷兰著名精 密工程专家s c h e l l e k e l l s 认为“机床误差补偿并不普遍，据我所知只是有限的应用 【4 】。在国外，虽然机床误差补偿技术有着一定的水平，但在工业中的应用还远未达 到商业化程度。这说明误差补偿技术还有很大的余地可研究和开发。在国内，误 差补偿技术绝大部分还停留在实验室范围内。针对滚齿误差补偿的研究则更是少 之又少。 1 3 开放式数控系统及其二次开发 现今生产中使用的绝大多数c n c 系统，所采用的都是专用的封闭式体系结构。 这种专用的封闭式结构的数控系统，虽然结构简单、技术成熟、产品批量大、生 产成本低，但随着技术的进步，市场竞争的加剧，越来越暴露出其固有的缺陷f 1 6 】【1 7 1 。 开放式数控系统的主要研究目的，就是要解决变化频繁的需求与封闭的控制系统 结构之间的矛盾，建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统结构。 m e e 对开放体式控制系统的定义是：开放体式控制系统能在不同厂商的各种 不同平台上运行，能支持与其他系统的相互操作，并且具有用户界面的一贯形式。 开放性体现在系统的硬件平台、软件平台及软硬件连接元素之间的标准、协议的 开放性【1 8 】。 开放式数控系统具有四个基本特征：可互操作性、可移植性、档次皆宜性和 可互换性。有三种不同层次的开放模式【1 9 】： 开放人机控制接口 5 重庆大学硕士学位论文 人机控制接口o v i a l l m a c h i i l ei n t e 血c e ，枷) 是指有关操作人员操纵设各的界 面和编程界面的部分。这种方式允许开发商或用户构造或集成自己的模块到人机 控制接口( m m c ) 中。这一方式为用户提供了灵活制定特殊要求操作界面和操作步 骤的途径，一般适用于基于p c 作为图形化人机控制界面的系统中。 开放系统核心接口 这种方式除了提供上述方式的开放性外，还允许用户添加自己特殊的模块到 控制的核心模块中。通过开放系统的核心接口，用户可以按照一定的规范将自己 特有的控制软件模块加入到系统预先留出的内核接口上，使用户有可能将不同卖 方的模块集成上去。 开放体系结构 开放体系结构o s a ( o p s y s t e m 心c h i t e c t u r e ) 的解决方案是一种更彻底的 开放方案。它试图提供从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位 开放。人们可以在开放体系结构的标准及一系列规范的指导下，按需配置获得功 能不同、性能各异、价格可控制、不依赖于单一卖方的系统。 开放人机控制接口 开效系统横心接口 开放体暮结麓 l m c目日! 自目目! 曼自 霹 层ll 爿工工i 叫tt t 卜 莹制 口垦匀上 兢屡 图1 4 数控系统的开放途径 f i g 1 4n 鹏ea p p h e so f 觚o p c n cs y s t 锄 目前数控领域使用的控制系统一般多为通用型，如车床、铣床和加工中心等。 但对一些特殊的机床如专用磨床、专用位置控制设备、齿轮加工机床等都要有自 己的专用界面以及一些特定的甚至是附加的功能模块，这样才便于对设备进行操 作和管理，以更好地发挥数控系统的优势，提高生产效率。这些数控系统的专用 二次开发软件是由系统制造商、改造商开发的，设备制造商或者用户可以根据需 要通过购买其二次开发软件，对数控系统进行部分再开发。数控系统的二次开发 就是使通用化、商品化的数控系统用户化、本土化；以满足特定用户的需要。 当然，针对不同的数控系统，有其不同的二次开发方式。但是，数控系统提 供商基本上决定了机床制造商和用户对其进行二次开发的方式，二次开发的层次 6 l 绪论 和方式完全取决于数控系统的开放层次。 1 4 本论文研究内容 本论文以零传动数控卧式滚齿机为对象，一方面研究其零编程技术，一方面研 究其误差及补偿技术。论文共分为五章，各章的论文结构安排如下： 第一章为绪论部分，介绍了课题的背景和研究意义，并研究了自动编程与误差 补偿的国内外现状； 第二章为零编程建模部分，针对圆柱齿轮( 单、双联) 、圆锥齿轮和鼓形齿轮， 完成了零编程建模； 第三章主要研究零传动数控卧式滚齿机的误差及其补偿技术，完成了误差运动 建模，误差分析，热变形试验及分析以及补偿方案的提出四个方面的工作； 第四章基于西门子8 4 0 d 数控系统的开放性，采用v b 、v c * 开发软件以及 o e m 开发平台完成了零编程及误差补偿系统的开发； 第五章对本文内容进行总结，并提出需要进一步研究及完善的问题。 1 5 本章小结 本章为本文的绪论，是全文的铺垫部分。首先，介绍了课题的背景和研究意 义；接着，研究了自动编程与误差补偿的国内外研究现状；最后，介绍了本文的 章节结构安排。 7 2 零传动数控卧式滚齿机零编程建模 2 零传动数控卧式滚齿机零编程建模 2 1 滚齿加工工艺 齿轮齿形的加工方法，有无切屑加工和切削加工两大类。无切屑加工方法有： 热轧、冷挤、模锻、精密铸造和粉末冶金等。切削加工方法可分为成形法和展成 法两种，滚齿属展成法加工，于1 8 9 7 年即被应用，是国内外应用最广的一种高效 齿廓加工方法【2 们。滚齿加工是根据范成法原理来加工齿轮轮齿的，是由一对轴线 交错的斜齿轮啮合传动原理演变而来【2 1 1 。用齿轮滚刀加工齿轮的过程，相当于一 对斜齿轮啮合滚动的过程，将其中一个齿轮的齿数减少到几个或一个，使其螺旋 角增大( 即螺旋升角很小) ，此时齿轮已演变成蜗杆。沿蜗杆轴线方向开槽并铲背后， 则成为齿轮滚刀。当齿轮滚刀在按所给定的切削速度回转运动，并与被切齿轮作 一定速比的啮合运动过程中，在齿坯上就滚切出齿轮的渐开线齿形。 图2 1 滚齿原理 f i g 2 1p r i l l c i p l eo f g e 盯h o b b i n g 为了实现齿轮的加工，在滚齿过程中主要有以下四种运动：滚刀的切削运动 n t 、工件的分度运动n i 、滚刀轴向进给运动v f 和工件的圆周进给运动n “针对斜 齿轮) 。 滚齿加工按照滚刀的运动轨迹可以划分为不同的滚切方式：轴向滚切、径向 滚切、轴向径向混合滚切；涉及到轴向滚切时，又划分为逆滚和顺滚两类，而且 根据零件的技术要求又可分为多种循环走刀方式。滚齿加工方式的选择主要依据 加工齿轮的类型、尺寸和技术要求等。滚齿加工方式如图2 2 所示【2 0 】。 轴向法加工切削优点是调整、操作方便，缺点是当采用大直径滚刀时滚切的 空行程加大，降低了生产率，建议使用较小直径的滚刀时采用此种方法。径向一轴 向法加工切削减少了大直径滚刀轴向切削时的空行程，可以提高生产率，但在切 削过程中( 特别是切削斜齿轮时) 零件要承受较大的径向力，这对于细长类零件的加 工精度不利。径向法加工一般用于较大直径齿轮及涡轮的加工，主要是用于涡轮 9 重庆大学硕士学位论文 的加工【2 1 】【2 2 1 。 逆铣在开始切削后直接形成齿形。切削厚度在切削开始时是从零逐渐增加的， 刀尖吃刀多，压力很大。刀尖既有摩擦又有滑动，磨损较大。切削过程平稳，表 明粗糙度小。顺铣与逆铣相反，开始切削时有较大切削力。刀齿上会形成刀瘤， 表面质量和切削平稳性不如逆铣。高速切削和切削高硬度齿轮时滚刀磨损比逆铣 小【2 l 】【2 2 】。 韵鸯 曲呷蓁 强囊 期| | 蓁 翱| | | 勘器凰垂 勘冀搦垂 喇穗 娶 梃 图2 2 滚齿的不同加工方式 f i g 2 2d i 伍；陀n tp r o c 铭sm 础o d so f g e 盯h 0 1 ) b i l l g 量 耋 看 耋 誊 羽 蒸 l 耄( 2 2 滚齿零编程系统实现原理 现有的齿轮加工数控机床，一般都采用手工编程方法，编程计算量大，出错率 高，且编程效率低。在现有少数自动编程方法中，大部分是通过对绘图软件进行 1 0 2 零传动数控卧式滚齿机零编程建模 二次开发实现的，这种方法只能在计算机上实现，而且生成的n c 程序还要再通过 联网传输给数控机床。齿轮加工零编程技术的目的就是期望借助开发的零编程系 统，将操作者通过机床操作界面输入的齿轮加工基本参数经过编译处理，自动生 成齿轮加工机床数控系统能够识别的数控加工程序，以简化手工编程的繁杂操作。 齿轮加工零编程方法的工作原理如图2 3 所示【2 3 】。 输入参数目标结果 齿轮参数 参数处理 刀具参数 走刀划分烈拦删上 加工顺序 程序 加工参数 循环方式 切削条件 辅助功能 运算库 工艺库 n c 代码表 图2 3 滚齿零编程方法原理 f i g 2 3p 血c i p l eo fz 哪- l ，r o g r a 脚渤gm e l h o d sf o rg c a rh o b b 啦 国际标准化组织( i s o ) 对数控机床的数控程序的编码字符和程序段格式、准备 功能和辅助功能等制定了若干标准和规范【2 4 】【2 5 1 。程序编制中的基本指令有以下几 类：g 指令( 准备功能指令) 、m 指令( 辅助功能指令) 、f 指令( 进给速度指令) 、s 指令( 主轴速度功能指令) 和t 指令( 刀具功能指令) 。一个完整的零件加工程序，它 主要由程序名和若干程序段组成。程序名是该加工程序的标识，程序段是一个完 整的加工工步单元。西门子8 4 0 d 采用的是地址符可变程序段格式【2 6 1 ( 或者称字地 址程序段格式) ，以这种格式表示的程序段，每个字之前都标有地址码用以识别地 址。因此对不需要的字或与上一程序段相同的字都可以省略。一个程序段内的名 字也可以不按顺序( 但为了编程方便，常按一定的顺序) 排列。采用这种格式虽然增 加了识别的复杂性，但编程直接灵活，可读性强，便于检查。 如本章2 1 小节所述，由范成加工原理决定的滚齿加工，其主要的四种运动( 滚 刀的切削运动m i n ) ，工件的分度运动n i ( r m i n ) ，滚刀轴向进给运动 v k m m m 蛐，工件的圆周进给运动n ( r ，m i l l ) ) 满足特定的运动关系。在滚齿过程中， 除了须保持各主要运动间的特定关系，对齿轮加工具有决定意义的因素主要为图 2 4 中五个关键点坐标( g ，z o ) 、l ，z 1 ) 、( x 2 ，z 2 ) 、c 磁，z 3 ) 和( ) ( 4 ，z 4 ) ) 以及滚刀转角丫。 根据输入的必要参数，通过计算确定出滚刀转角丫、5 个坐标位置及滚刀进给速度， 根据数控系统的数控编程格式，生成滚齿加工的n c 程序，实现滚齿的零编程。 重庆大学硕士学位论文 图2 4 滚齿加工示意图 f i g 2 4s c h e n l a t i cd i a g r a mo fg e a rh 0 i b b i n g 2 3 滚齿零编程建模基础 2 3 1 零传动数控卧式滚齿机坐标系设置 数控机床的加工中，刀具的轨迹是由坐标系来定义的。数控机床的坐标系规定 成右手直角笛卡尔坐标系。每台数控机床都有自己的坐标系统，它是固定不变的。 机床原点又称为机械原点，是机床坐标系的原点，其位置是由机床设计和制造单 位确定。 ，i、i 图2 5 0 6 1 0 滚齿机坐标系设置 f i g 2 5c 0 0 触s y s t 衄s 硎n go f g e 缸h o b b i i 喀础比址砖- 0 6 1 0 暑 y 一 一 l 二| 一 -：垂 2 零传动数控卧式滚齿机零编程建模 零传动数控卧式滚齿机踊6 1 0 的机床原点取在x 、y 、z 坐标正方向极限位 置上。工件坐标系是编程人员在编程和加工时使用的坐标系。在加工时，工件随 夹具安装在机床上，这时测量工件原点与机床原点间的距离，称为工件原点偏置。 该偏置值预存入数控系统中( g 9 2 ，g 5 4 g 5 9 ) ，加工时工件原点偏置便能自动加到 工件坐标系上，使数控系统可按机床坐标系确定加工时的绝对坐标值。0 6 1 0 数 控滚齿机的机床坐标系o x y z 、工件坐标系o g x g y g z g 及各轴行程如图2 5 所示刚。 2 3 2 建模参数的确定 滚齿零编程实现的前提在于齿轮参数的有限性和可确定性，零编程实现的原理 在于根据输入的各参数自动生成滚齿的数控加工程序。因此，为了实现滚齿的零 编程，其前提是确定滚齿零编程的输入参数。根据这些输入参数，实现滚齿的零 编程建模，以及数控加工程序的自动生成。根据各种齿轮的特点，现将其建模所 需参数列出于下表。 表2 1 滚齿零编程建模参数表 1 a b l e 2 11 a b l eo f n l ep 钺吼e t e r sf i ) rz e r 0 p r o g r a m m i l l gi n o d e l i l l g 细g e 趾h o b b 吨 外径、齿数、法大端直径、小端直端面圆直径、鼓形 向模数、齿宽、径、齿数、法向模量、轴向切深圆半 压力角、螺旋方数、齿宽、锥度角、径、齿数、法向模数、 齿形参数 向、螺旋角、齿压力角、螺旋方向、齿宽、压力角、螺旋 顶高系数、顶隙螺旋角、齿顶高系方向、螺旋角、齿项 系数、变位系数数、顶隙系数高系数、顶隙系数 工件装夹参数左齿面距工件轴端面距离，双联齿轮齿间距 外径、头数、法向模数、压力角、螺旋方向、螺旋升角、刀 刀具参数 具长度、刀具上端距滚刀轴端面距离 进给量( 第一次进给量、第二次进给量) 、滚刀转速( 第一次滚 加工参数 刀转速、第二次滚刀转速) 、快进速度、切削方式、切入方式、 径向进给速度、切削液开关 2 3 3 零传动卧式滚齿机滚刀轴轴向进给距离的确定 0 6 1 0 滚齿机坐标系的设置如图2 5 所示。加工过程中，为了使滚刀有效滚 切齿坯，滚刀须进行y 方向的进给。 1 3 重庆大学硕士学位论文 如图2 6 所示，滚刀y 向处于零位时，滚刀轴端面距主轴中心线的距离表示 为l ，l 的大小在机床设计时确定，为7 0 1 1 1 l i l ，滚刀上沿距滚刀轴端面距离表示为 l 0 ，滚刀长度表示为l 1 ，l 0 和l l 的大小随滚刀和芯棒的不同而变化。根据刀具参 数的不同，滚刀y 向进给距离的计算公式如下： 魄= 三一厶一钐 ( 2 1 ) 图2 6 0 6 1 0 滚刀轴向进给示意图 f i g 2 6s 凼锄a l i cd i a 野mo f h o b s 觚i a lf e e do f 0 6 1 0 2 4 圆柱齿轮滚齿零编程建模 2 4 1 滚刀椭圆截面方程与滚刀安装角的确定 滚刀椭圆截面方程 滚齿时，由于存在滚刀安装角叩，滚刀在垂直平面的截面形状是一个椭圆形， 如图2 7 所示。 图2 7 滚刀在垂直截面内的截面形状 f i g 2 7 r t i c a ic r o s s 击a - ao f 也eh o b 1 4 2 零传动数控卧式滚齿机零编程建模 在滚刀坐标系x d o d z d ( 见图2 8 ) 中，滚刀椭圆截面方程如下： b 2 + ( 赤 2 = - 转换在机床坐标系x o z 中，方程为： ( 镑) 2 + ( 赫 2 = ll 吃o 2 l ( 以o 2 ) c o s 叼 其中滚刀齿顶圆直径厶计算公式： 吒o = 巩+ 2 ( 吃+ c ) 鸠1 滚刀安装角确定 滚刀安装角叩按下式确定： h i = 箬：；若：；要害 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 滚左旋齿轮时，即卢 0 ，滚刀转角逆时针旋转，町为负值。具体情形如表2 2 所示【2 0 】。 表2 2 滚刀转角的确定 t a b l e2 2d e f i l l i t i o no f 吐屺i n s t a l l 积o na n g l eo f h o b 滚刀转向 右旋灌刀滚直齿轮左旋滚刀菠直齿轮 直 、i厂i 、 _ ， 齿 、f 矗。缸f 。 轮 一f 了卜 。f 。j ：二i f 。 li 右旋滚刀滚右旋齿轮 左旋滚刀滚右旋齿轮 丫pp 丫 一， 献弋去职1 i燃 w 防t粼 ，膨秣 i i l ，。 齿 i 左旋蒗刀滚左旋齿轮右麓滚刀壤左旋齿轮 t ，pp t 、扣 轮 规，确喃r；磁献 f 茕彤【，= ，i 、l 、 j 糕、 i i i 在加工中，滚切直齿轮一般使用右旋滚刀，滚切斜齿轮时滚刀旋向与工件旋向 相同，从而减小滚刀安装角，作用于齿轮切削力的分力作用方向与齿轮的旋转方 重庆大学硕士学位论文 向相反，使驱动工作台的蜗杆副的齿面以及其他驱动接触面贴紧，消除间隙，加 工齿轮精度较高。若滚刀旋向与工件旋向相反，切削力的分力克服了摩擦力时， 抵消一部分间隙，有产生高频振动的危险。 2 4 2 圆柱齿滚刀坐标计算 数控滚齿机是按展成法加工齿轮的机床。齿轮加工前，必须进行刀具与工件的 对准，即对刀。对刀是为了使工件和刀刃之间保持正确的相对位置，从而加工出 合乎要求的齿轮。如果对刀不准确，可能出现撞刀现象，或者会因为切入端有较 大的超程距离而增大“切入”时间损失和空程时间损失。对于标准圆柱齿轮；对 刀时既要使刀具与工件恰好接触，又要使刀具外径与吃刀深度线相切。而为了保 证滚齿时，完整地切出滚齿切出端面的齿形，须保证一定的切出距离。为了实现 圆柱齿滚齿的零编程加工，对上述滚齿关键刀具坐标，须通过计算确定。 图2 8 圆柱齿滚齿加工轴向进给示意图 f i g 2 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f 戤i a lf e e do f c y l i l l d e rg e 盯sh o b b m g 图2 8 为圆柱齿轮滚齿加工轴向进给示意图，x o z 、x g o g z g 和x d o d z d 分别为 机床坐标系，工件坐标系和滚刀坐标系。o d 在机床坐标系中的坐标为o d ，z o d ) ， o g 在机床坐标系中的坐标为( x 0 9 ，z 0 0 。 中心距方程的建立 若采用工件齿顶圆半径、刀具齿顶圆半径和切削深度计算滚齿中心距，实际 加工证明其精度一般。为提高滚齿精度，采用下述公式进行推导中心距方程。 滚刀分度圆直径玩为： 磊= 尝 ( 2 6 ) ) z 刀y 工件分度圆直径西为： 4 = 哿 ( 2 7 ) 1 6 2 零传动数控卧式滚齿机零编程建模 当卢= 0 时，即加工直齿。当卢0 时，即加工斜齿。 齿轮啮合时中心距口计算公式： 口：业+ 肠慨( 2 8 ) 2 联合上式推导出中心距方程： z o 慨z l 地 口：些生盟+ 励慨( 2 9 )口= - 二：一十五刀n 盈，z 1z yl 2 切入( 撞刀) 、切出距离的确定 滚齿的切入行程是指滚刀刚切入齿轮时，滚刀中心( 刀架回转中心) 到齿轮端面 的距离，也即是滚齿加工时的撞刀距离。在滚齿轴向进给的过程中，其起点位置 十分重要，既要保证不发生撞刀现象，又要使滚刀轴向进给的空行程最少，即其 位置的确定要综合考虑安全性和效率两个方面的因素。在手工编程时，轴向进给 起始点通过对刀确定；而在零编程建模过程中，撞刀点是确定滚齿加工程序的一 大关键点，通过计算确定撞刀点的位置对滚齿零编程至关重要。下面就通过计算 来确定撞刀点的具体位置。 图2 9 滚刀和工件的坐标关系 f 追2 9c o o r d j n a t e so f h 6 b 锄d 吐把m c h i i 圮 如图2 9 ，分别以工件右齿面中心和刀具中心为原点建立工件坐标系o g x g y g z g 和滚刀坐标系o d ) ( d y d z d ，od 在o g x g y 昏z g 中的坐标为( l ，o ，z o ) 。根据坐标转换原理， 可得： x d 髟 z d l 10 0 c o s 叩 0 s i i l 叩 o0 0 l - s i l l 叩 0 c o s 7 7 - z o 01 x g z g 1 即) c ：懿l ，y 孑= y g c o s 7 7 一z g