锥齿轮在线测量开题报告.doc

研究生学位论文开题报告及课题研究计划所在学院 学科专业 机械制造及其自动化 研究方向年级 学号 研 究 生 指导教师 入学年月 2010年9月 论文题目全数控锥齿轮磨齿机在线测量方法及软件实现题目来源国家部 委省、市、自治区横向联系自选题目类型基础研究应用基础工程技术其他项目名称经费（万）一、论文选题的意义螺旋锥齿轮由于其重合度高，传动平稳，噪声小，承载能力大等优点被广泛应用于汽车、工程机械、矿山机械、航空等领域动力机械关键部件。随着机械工业的发展与科学技术的进步，众多工业部门对螺旋锥齿轮产品性能的要求越来越高，促使螺旋锥齿轮产品向高精度、高速度、高强度、低噪音方向发展，因此为了满足高精度螺旋锥齿轮产品的生产要求，进一步提高螺旋锥齿轮精加工水平显得极为重要。磨齿作为螺旋锥齿轮的精加工工艺，一般用于已淬火的齿面加工，主要用来消除齿轮淬火后的热处理变形，提高齿轮的精度和接触质量。目前，人们已较成功地解决了螺旋锥齿轮磨削加工方法，开发了多种磨削加工机床并应用于工业实践。在应用机床方面，已由过去的机械式机床发展到当今最高技术水平的全数控机床，如原美国Gleason 公司开发的Phoenix系列机床、德国 Klingelnberg 公司开发的C 系列机床，以及秦川机床工具集团开发的的YK7332A数控成形砂轮磨齿机和湖南中大创远数控设备有限公司开发的弧齿锥齿轮数控磨齿机YK2050等。数控系统正朝着高精度、高速度、多功能、智能化及开放性方向发展,这也为数控机床在线测量提供了可行条件。受数控机床制造精度、工件及砂轮的定位、砂轮的修整误差、加工过程振动等外界干扰影响，螺旋锥齿轮的磨齿加工误差不可避免。国际锥齿轮制造业较为广泛地采用齿轮测量中心检测锥齿轮齿形，计算分析其偏差，并根据计算分析结果修正加工调整参数并进行试切，直到获得满意的齿面几何形状。但是采用齿轮测量中心检测螺旋锥齿轮存在多次安装定位问题，加工基准与检测基准不能完全一致，并且对于大规格螺旋锥齿轮，其安装定位更是需要耗费大量人力物力，导致测量过程烦琐，因此齿轮测量中心的测量结果有时并不能真实反映齿轮的误差情况。若在数控磨齿机上采用在线测量方法，则可以解决装夹问题，可以避免加工基准与测量基准不一致的问题，其检测结果也更能指导对机床定位误差及砂轮修整误差的补偿，从而进一步提高螺旋锥齿轮精加工精度。所谓在线测量是指在锥齿轮的制造生产线上, 直接将测量装置集成于加工机床，对其加工误差进行快速检测，齿轮试切或加工后不用拆卸,立即在机床上进行在机测量,根据测量结果对机床参数及时调整修正，这对于磨齿加工而言，在提高生产效率，降低成本方面，尤其具有重要意义。因此，用在线测量方法进行磨齿加工螺旋锥齿轮是近年来我国齿轮传动领域的重点研究方向。本课题来源于国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项，主要研究YKW2075全数控锥齿轮磨齿机的在线测量方法和一套数控一体化的在线测量、分析与评价的软件系统，目前国内在此方面研究还尚属空白，因此其研究成果对提高螺旋锥齿轮加工精度，提高在线测量技术具有重要意义。二、国内外研究现状2.1 螺旋锥齿轮设计与磨齿研究现状 1913 年格里森（Gleason）公司发明的曲线齿锥齿轮加工机床，宣告了螺旋锥齿轮的诞生。较早开始对螺旋锥齿轮进行研究的是美国格里森公司的科学家E.威尔德哈泊（E.wildhaber）和 M.L.巴斯特尔（M.L.Baxter）等科学家，他们建立了螺旋锥齿轮传动的几何关系36-38 ，并对齿面的几何形状进行了较为准确地分析与研究，Baxter 首次对螺旋锥齿轮安装误差对齿轮工作的影响进行了分析39。在这些理论的基础上，从 1960 年开始，格里森公司的螺旋锥齿轮生产技术逐渐发展成熟，形成了一整套传统的设计和加工技术39-40。我国于 1972 年后，曾把“格里森成套技术的研究”列为重点研究课题，组织了多家科研院所、工厂对格里森技术进行攻关。其中，南开大学吴大任严志达教授、上海工业大学陈志新教授对螺旋锥齿轮齿轮啮合理论进行了系统的研究，推导出了共扼曲面的诱导法曲率公式，为彻底地弄清格里森技术的秘密奠定了理论基础。重庆大学的郑昌启教授、西安交通大学的吴序堂教授、中南大学的曾韬教授在此基础上系统研究了格里森的手算卡和 TCA 程序1-2，揭示了其编制原理并推导了各种计算公式。经过“七五”、“八五”我国基本上摸清了格里森齿轮的理论基础与加工原理，建成了螺旋锥齿轮的工业、技术体系。从使用的切齿的刀具来看，早在20世纪70年代奥利康公司就开发了采用不铲磨的尖齿式条状刀头，即Spirapid刀盘，简称FS型刀盘。格里森公司也在20世纪70 年代冲破传统的铲磨式刀头结构，开发了一种称为RSR的尖齿式刀头的刀盘，而当时RSR刀盘仅用于粗切工序和全工序切齿法。之后格里森公司在端面滚削法，即连续分齿切削法中开发出了“TRI-AC”尖齿式条状刀头，在20世纪90年代又开发出最新型的在端面铣削法和端面滚削法中均可以应用的“PENTAC”条状刀头。从上述简介可看出，无论是奥利康公司还是格里森公司推出的CNC切齿机床均可分别实现延伸外摆线或是圆弧齿螺旋锥齿轮的加工，从使用的刀具来看，这两者也同样向着非铲磨的尖齿、条状刀具上发展，由此可见这两家公司的技术发展趋向逐渐一致。但是，到现在为止其连续切削法的延伸外摆线齿制最大的弱点是无法磨齿。随着对齿轮传动质量要求的提高，现在对一些载货车变速器中的圆柱齿轮、高级轿车已愈来愈多地采用热处理后磨齿的工艺，对汽车车桥中的准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮传动副同样也提出了磨齿要求。过去，格里森公司生产的机械式传动的圆弧齿螺旋锥齿轮磨齿机，由于价格昂贵、结构复杂、生产效率低，在汽车行业大批量螺旋锥齿轮的生产中还一直没有采用磨齿工艺，而只在航空、精密机床和石油机械等一些小批量生产高精度的螺旋锥齿轮行业中应用。近年来，由于CNC 技术的发展，奥利康公司和格里森公司均相继开发出CNC磨齿机用于磨削圆弧齿螺旋锥齿轮。格里森公司开发的“PHOENIX”系列CNC圆弧齿螺旋锥齿轮磨齿机以及相应的磨削技术大大提高了磨齿效率，磨削圆弧齿锥齿轮的单件时间和切齿时间相当。特别是开发了瓦古利方法，可以用来磨削成形法加工螺旋锥齿轮大轮。在大批量生产汽车齿轮的行业中，圆弧齿螺旋锥齿轮的磨齿工艺愈来愈广泛。有资料介绍，德国奔驰汽车公司在1995年已有65%的螺旋锥齿轮采用了“铣齿热处理磨齿”的工艺。由此可以看出，为提高螺旋锥齿轮的质量，消除热变形，降低齿轮噪声，采用磨齿工艺代表了螺旋锥齿轮加工工艺的发展趋向。近年来我国磨齿机也有了巨大发展，2010年中国数控机床展览会上9展出的磨齿机适用范围较广，可满足汽车、风电、煤炭、冶金、石油、船舶、矿山等行业圆柱齿轮、螺旋锥齿轮、准双曲面齿轮等的高效、精密磨削加工。国内磨齿机制造商近年来在提高磨齿机效率、精度、性能、自动化程度等方面下了不少功夫，磨齿机正在向全数控化、高精度化、高效率、高速化、自动化、功能复合化、绿色环保等方面发展，同时在砂轮修整技术上进行了创新，提高了机床的加工效率及精度保持性。机床结构简单合理，操作日趋简捷方便、可靠，另外加工成本降低也是该领域追求的目标。2.2 锥齿轮测量技术进展 锥齿轮的精度测量方法和圆柱齿轮类同,通常可分为三种3:坐标式几何解析测量法。即把锥齿轮作为一个几何实体,对其几何元素分别进行单项几何精度的测量。齿轮测量中心是其主要测量仪器。啮合式综合精度测量法。即把锥齿轮作为一个传动元件,对其传动精度、接触斑点、振动噪音进行综合测量。其测量仪器主要有锥齿轮单面啮合检查仪、锥齿轮双面啮合测量仪及锥齿轮滚动检验机锥齿轮整体误差测量法。它将锥齿轮作为一个用于实现传动功能的几何实体,或用坐标测量法按单项几何精度测量方式测量出锥齿轮的整体误差,实现锥齿轮单项几何误差和传动精度、质量之间内在联系的分析研究;或按单面啮合测量方式,采用啮合点扫描测量方法,对锥齿轮的整体误差进行测量,得到锥齿轮的综合运动精度、接触斑点以及各单项几何精度。因此,锥齿轮整体误差测量法是前两种测量方法的集成和发展。 随着坐标测量技术、计算机控制与测量技术的发展,近年来对锥齿轮整体误差测量技术的研究得到很快的发展。由于齿轮测量中心等圆柱式多坐标多功能测量仪器的测量性能、数据处理能力的提高,锥齿轮的坐标式几何解析测量技术,已由单项几何误差测量发展到锥齿轮整体误差测量,提高了锥齿轮设计、加工、精度质量的检测判定以及使用性能的预测等整个锥齿轮制造技术的水平。由我国自行开发、基于“可控点运动几何测量原理”的锥齿轮单面啮合点扫描测量技术及基于该技术开发的锥齿轮整体误差测量仪,也正在更多地走向生产第一线,使我国锥齿轮测量理论、测量技术的实际应用得到了进一步的提高和发展。目前锥齿轮精度主要测量方法及仪器有：1）坐标式几何解析测量方法及仪器。自1990年前后,CNC齿轮测量中心推向市场,坐标式弧锥齿轮几何形状误差测量方法才有了迅速发展并得到推广应用。现今市场上国外的齿轮测量中心,无论是德国克林伯格的P63,还是美国格里森/马尔的GMX275、M&M的西格马3,都已具备了测量锥齿轮的功能。这些仪器都达到VDI/VDE等级规定的1级,空间测量不确定度在2微米以上;可对锥齿轮的单项几何误差进行检测,如齿距偏差(包括单个齿距偏差、齿距累计偏差、齿距累计总偏差)、齿廓偏差(包括齿廓总偏差、齿廓形状偏差、齿廓倾斜偏差)、齿向偏差(包括齿向总偏差、齿向形状偏差、齿向倾斜偏差)并可输出三维齿面形状偏差形貌图等。2）单面啮合滚动检验综合测量方法及仪器。锥齿轮单面啮合滚动检测方法在生产中已经使用多年。以美国格里森N0513滚动检验机为例,在被测锥齿轮副单面啮合的情况下,模拟其工作状态,加以一定的速度和载荷,调整V/H,进行着色接触区(斑点)的检测,以判定该被测锥齿轮副的接触状况;借助于加速度传感器、拾音器测量其振动和噪音,对齿频谐波进行扫描检测。这种方法属于“准动态”测量方法,它对于锥齿轮的精度检测是不够完整、不够准确的。而采用光电编码器作为角度基准、用于锥齿轮切向综合精度检测的锥齿轮单面啮合检查仪,如德国克林伯格公司的PSKE900,因其检测项目单一,尤其难以根据检测结果对锥齿轮加工机床参数的调整给以指导,以改进锥齿轮加工质量。性价比较差,故生产中不多采用。而近年来格里森公司推出的凤凰HCT500数控锥齿轮滚动检验机同时具备了滚动检验机和单面啮合检查仪的测量功能,既能测量锥齿轮的切向综合误差,又能数字化测量锥齿轮接触区,进行三维结构噪音分析等。该机型功能先进,代表了该类产品当代的发展水平,虽价格昂贵,但在国内已有个别用户。与此类似的还有克林伯格GKC60、奥立孔T50等数控锥齿轮检验机。3）整体误差测量方法及仪器。锥齿轮整体误差测量是在同一个回转角度位移坐标上按啮合顺序将锥齿轮工作齿面上各检测点所测得的所有单项几何误差集成为一个锥齿轮整体误差图,并以此为基础,完成对于锥齿轮单项几何精度、综合运动精度以及锥齿轮副接触状态的分析计量,实现对于锥齿轮使用性能和质量的评估和监控锥齿轮整体误差测量方法和仪器,目前可分为二类三种。一类为坐标式几何解析测量法,该方法又分为“点到点测量法”和“点扫描测量法”,两种方法采用的仪器都为CNC齿轮测量中心,但配用的测量软件包有所不同;另一类为啮合式运动几何测量法(即啮合式点扫描测量法,该方法为我国首创),所采用的仪器为锥齿轮单面啮合检查仪,配有专用的测量锥齿轮和测量软件包。2.3 螺旋锥齿轮磨齿机在线测量技术的发展现状2.3.1 螺旋锥齿轮在线测量方法 齿轮在线测量4是指在齿轮的制造生产线上,对其加工质量(几何参数、精度参数指标、表面粗糙度等项目)进行检测的方法。它主要包括在机测量装置、分选设备、生产线上的各种检测仪器及器具。在线测量的根本目的有两点:调整机床的加工参数;大批量齿轮的筛选。针对不同的测量目的,使用的检测手段和方法各不相同。前者根据试件的检测结果,在短时间内完成对机床的各种加工参数优化调整工作。因此对其检测精度的要求比较高,广义上讲大多数的齿轮检测量仪、量具都可应用于此项目。而后者是对大批量加工完成后的齿轮质量进行判断,筛选出合格品。在保证测量精度的前提下,对检测效率提出更高要求。因此宜选用测量原理简单,检测装置相对不复杂,对生产现场环境要求不高,易于实现高效率、自动化的检测方法。 目前螺旋锥齿轮在线测量方法主要是基于展成原理的齿形误差测量，大规格螺旋锥齿轮通常采用平面产形轮加工，砂轮的切削面代表产形轮的轮齿，齿轮的加工过程就像一对螺旋锥齿轮的啮合过程一样，产形轮齿面与被加工齿轮的齿面是一对完全共轭的曲面。基于展成原理进行齿形误差测量，实质上是将被测齿轮作为一个传动元件，测针的测球相当于产形轮齿面上的一个点，测量过程等同于被测齿轮与产形轮（由测针的测球代替）的啮合传动过程。此时，测针的运动轨迹位于砂轮内、外刃所包络的区域内，即使采用较小直径的测球也不会发生测针与被测齿面或对侧齿面干涉的情况，因此可以利用小直径测球无干涉地完成全齿面的测量，降低了因测球半径产生的测量误差。2.3.2国内外研究现状现今,信息技术已经成为推动科学技术和国民经济，高速发展的关键技术。如何利用先进的信息技术来提升、改造我国的传统制造业,实现生产力跨越式发展的战略结构调整,是装备制造业面临的一项紧迫任务。采用适度先进的信息化数字测量技术和产品来迅速提升装备制造业水平,是当前一个重要的发展方向。数控机床是机电一体化的数字控制自动化设备,三坐标测量机和三维扫描仪的发展和应用也日益广泛,虽其性价比不如数控机床,但两者的系统原理基本一致。由于数控机床的功能比三坐标测量机强大得多,且数控系统正朝着高精度、高速度、多功能、智能化及开放性方向发展,使数控机床具有一定精度的在机检测功能是可行的,从而在某种程度上可以取代三坐标测量机的功能6。对于螺旋锥齿轮磨齿机在线测量技术，国外发展较快,尤其是工业发达的国家。以美国为例,据称相关的汽车齿轮生产厂全都装备有快速高精度齿轮检测仪器,对生产的螺旋锥齿轮进行在线100%的测量、监控与分选,以确保齿轮的质量。其汽车齿轮检测仪器的自动化程度、功能、测量效率以及测量信息处理技术等,均处于领先地位。如：格里森公司开发的“PHOENIX”系列CNC螺旋锥齿轮磨齿机都安装有在线测量系统。由于国外实行技术封锁，我国的螺旋锥齿轮磨齿机在线测量技术研究还处于启蒙阶段，如：秦川机床工具集团开发的的YK3125数控成形砂轮磨齿机以及湖南中大创远数控设备有限公司开发的弧齿锥齿轮数控磨齿机YK20100仅可以实现螺旋锥齿轮单向误差在线测量。三、参考文献1 郑昌启，弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮.北京:机械工业出版社，19882 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GleasonWorks, Rochester,New York,197141 庄中.格里森弧齿锥齿轮磨齿技术的发展.汽车工艺与材料,2004（9）四、论文的研究目标、研究内容、拟解决的关键问题、研究方法、技术路线4.1研究目标(1) 研究一套适用于YKW2075全数控锥齿轮磨齿机螺旋锥齿轮的在线测量方案；(2) 研究一套测量过程全自动控制、在线自动测量及测量误差的计算与分析方法；(3) 开发出一套与数控系统一体化的在线测量、分析与评价的软件系统。4.2 研究内容（1）研究螺旋锥齿轮齿形齿距的在线自动测量及测量误差的计算与分析方法；首先应用齿轮啮合理论，根据锥齿轮齿面成形方法，建立齿面几何参数计算模型；然后在齿面上建立测量网格并规划测量路径，