一、問題的提出
齒輪、蝸輪傳動(dòng)精度要求越來越高, 對滾齒機(jī)的加工精度提出了更高的要求; 另方面, 采用/ 滾剃珩0工藝成批生產(chǎn)齒輪時(shí), 由于在剃齒和珩齒加工中會(huì)將一部分幾何偏心誤差轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)偏心誤差, 故也要求滾齒加工具有較高的精度, 以免在剃、珩工序后公法線誤差超差。
分析滾齒機(jī)加工過程可以發(fā)現(xiàn), 引起工件周節(jié)累積誤差的原因除工件安裝因素以外, 其主要原因一是滾齒機(jī)分度傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差, 二是滾齒機(jī)工作臺(tái)軸線漂移( 詳見參考文獻(xiàn)[ 2] ) 。另據(jù)參考文獻(xiàn)[ 1] 介紹,工件周節(jié)累積誤差的2/ 3 是由滾齒機(jī)的分度蝸桿蝸輪副( 特別是蝸輪的制造及安裝誤差) 造成的。為此采用各種各樣的滾齒機(jī)補(bǔ)償裝置, 來補(bǔ)償滾齒機(jī)分度蝸桿蝸輪傳動(dòng)副的傳動(dòng)誤差, 以達(dá)到提高加工精度的目的。現(xiàn)有滾齒機(jī)補(bǔ)償裝置有如下幾種型式: 蝸桿竄動(dòng)式, 行星齒輪式, 凸輪擺桿式和以控制論觀點(diǎn)設(shè)計(jì)的消除傳動(dòng)誤差的機(jī)械反饋裝置等。以上幾種裝置均是由設(shè)計(jì)誤差修正凸輪, 并改裝機(jī)床來形成分度蝸桿的附加轉(zhuǎn)動(dòng)或附加軸向竄動(dòng), 從而造成分度蝸輪的附加轉(zhuǎn)動(dòng)來達(dá)到補(bǔ)償傳動(dòng)誤差的目的, 均存在機(jī)床改裝復(fù)雜、需精確銼削修正凸輪、安裝檢修麻煩等困難, 而且有些裝置還存在著加工不同齒數(shù)的直齒輪需銼削不同升程的凸輪的缺點(diǎn)。
針對上述問題, 筆者設(shè)計(jì)了開環(huán)數(shù)控誤差補(bǔ)償裝置, 簡介如下。
二、開環(huán)數(shù)控誤差補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
補(bǔ)償裝置原理參見圖1, 其由1 臺(tái)工控機(jī)1、發(fā)訊電路2、零位電路3、控制電路4、步進(jìn)電機(jī)5 及驅(qū)動(dòng)電源6 和一對降速比i= 4 的齒輪副7 組成。在滾齒機(jī)分度蝸輪蝸桿傳動(dòng)誤差補(bǔ)償曲線中選定一點(diǎn)作為補(bǔ)償起始點(diǎn), 再將其對應(yīng)的工作臺(tái)位置標(biāo)定為零點(diǎn), 并設(shè)置零位傳感器及零位電路3, 作為補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn); 在滾齒機(jī)差動(dòng)掛輪箱中取下差動(dòng)掛輪架, 在原安裝差動(dòng)掛輪架的位置安裝重新設(shè)計(jì)的托架, 托架上裝有步進(jìn)電機(jī)5,步進(jìn)電機(jī)5 的軸與滾齒機(jī)差動(dòng)系d2 軸( 滾齒機(jī)差動(dòng)系差動(dòng)蝸桿輸入軸) 通過一對降速比i= 4 的齒輪副7 相連( 如圖2) , i = 4 齒輪副7 主要作用是起系統(tǒng)連接作用, 同時(shí)也可降低步進(jìn)電機(jī)5 的脈沖當(dāng)量。圖2 所示表明機(jī)械裝置安裝簡單, 整個(gè)安裝過程僅需幾分鐘, 且不需作任何調(diào)整, 為消除齒輪副的正反轉(zhuǎn)的傳動(dòng)間隙,固定在d2 軸上的大齒輪設(shè)計(jì)為如圖3 所示的消間隙齒輪。
2. 工作原理
首先精確檢測并擬合出滾齒機(jī)分度蝸輪蝸桿傳動(dòng)誤差曲線, 然后將相應(yīng)的補(bǔ)償曲線按分度蝸輪轉(zhuǎn)角離散化, 并存入工控機(jī)1 的EPPROM 中; 在加工直齒時(shí),根據(jù)加工齒數(shù)按加工斜齒配置分齒掛輪及選擇差動(dòng)離合器, 根據(jù)加工中分度蝸輪的不同轉(zhuǎn)角, 用工控機(jī)1 查找出相應(yīng)轉(zhuǎn)角的補(bǔ)償脈沖值, 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)5 高速正反轉(zhuǎn), 將相應(yīng)誤差修正量經(jīng)i = 4 的齒輪副7, 輸入到d2 軸上, 此補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)經(jīng)滾齒機(jī)差動(dòng)蝸輪蝸桿副傳遞,在滾齒機(jī)運(yùn)動(dòng)合成機(jī)構(gòu)中與主運(yùn)動(dòng)合成, 經(jīng)分齒掛輪a、b、c、d、e、f和一對錐齒輪, 共同驅(qū)動(dòng)分度蝸桿, 這樣, 分度蝸桿除主運(yùn)動(dòng)以外, 還迭加了一個(gè)從差動(dòng)傳動(dòng)鏈傳來的高速附加轉(zhuǎn)動(dòng), 從而使分度蝸輪產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)動(dòng)來補(bǔ)償其傳動(dòng)誤差。
3. 工作過程描述
首先向工控機(jī)1 輸入要加工的齒輪齒數(shù), 由工控機(jī)1 根據(jù)存入的離散化的分度蝸輪蝸桿傳動(dòng)誤差補(bǔ)償曲線及相應(yīng)的脈沖當(dāng)量自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)于蝸輪每齒的補(bǔ)償正反轉(zhuǎn)步進(jìn)脈沖數(shù); 按下補(bǔ)償開關(guān)后, 在工作臺(tái)轉(zhuǎn)到設(shè)定零位時(shí), 由零位電路3 發(fā)出補(bǔ)償允許信號(hào), 這時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)開始工作, 由發(fā)訊傳感器在分度蝸桿每轉(zhuǎn)一周時(shí)發(fā)出一個(gè)訊號(hào), 經(jīng)由發(fā)訊電路2 處理后送至工控機(jī)1, 由工控機(jī)1 的累加器計(jì)算出分度蝸輪距離零位的轉(zhuǎn)角, 然后根據(jù)分度蝸輪轉(zhuǎn)角查得相應(yīng)誤差修正脈沖量, 接著由控制電路4 控制步進(jìn)電源6, 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)5 高速帶動(dòng)固定在滾齒機(jī)差動(dòng)系d2 軸上的消間隙齒輪, 通過運(yùn)動(dòng)合成機(jī)構(gòu)產(chǎn)生分度蝸輪的附加轉(zhuǎn)動(dòng)來補(bǔ)償工作臺(tái)對應(yīng)該轉(zhuǎn)角位置的傳動(dòng)誤差, 工控機(jī)1 完成此工作后返回待命狀況, 等待發(fā)訊電路2 下一個(gè)信號(hào)的來臨, 并在累加數(shù)等于分度蝸輪齒數(shù)時(shí)將累加器重置為初始值。形象一點(diǎn)的描述, 可把工控機(jī)1 加步進(jìn)電機(jī)5 的組合認(rèn)同為一個(gè)補(bǔ)償?shù)?ldquo;數(shù)字凸輪”。
三、開環(huán)數(shù)控誤差補(bǔ)償裝置補(bǔ)償效果驗(yàn)證
1. 驗(yàn)證條件簡述
1) 驗(yàn)證用機(jī)床( 見表1、表2)
2) 切削齒坯
由于滾切加工時(shí), 影響工件周節(jié)累積誤差因素較多, 如每次工件的安裝偏心就帶有隨機(jī)性, 為盡可能地使有補(bǔ)償與無補(bǔ)償試驗(yàn)中各項(xiàng)條件及工藝系統(tǒng)各特性參數(shù)相同, 保證可比性, 設(shè)計(jì)了如圖4 所示齒坯制造基準(zhǔn)、加工安裝基準(zhǔn)與測量基準(zhǔn)重合的高精度雙聯(lián)齒坯試件, 以保證在相同安裝條件下安裝夾緊、加工及測量。在加工中一次走刀加工出兩片輪齒, 僅僅區(qū)別在加工一片輪齒時(shí)不加補(bǔ)償運(yùn)動(dòng), 加工另一片輪齒時(shí)加上補(bǔ)償運(yùn)動(dòng), 這樣, 通過從同一位置開始測量雙聯(lián)齒輪的二片輪齒的周節(jié)累積誤差就可以比較補(bǔ)償效果。
3) 切削和安裝參數(shù)( 見表3)
4) 測量儀器
使用德國進(jìn)口891E 齒輪測試中心: 測量誤差0. 001mm。
2. 補(bǔ)償效果
1) 齒輪周節(jié)累計(jì)誤差的補(bǔ)償效果( 實(shí)驗(yàn)1)加工試件為m= 2, Z= 73 齒坯( 如圖4) , 試驗(yàn)結(jié)果如圖5( 圖上數(shù)字表示從起點(diǎn)開始齒數(shù)) , 可以看出,齒輪周節(jié)累積誤差由未加補(bǔ)償?shù)?span>0. 051mm 減小到有補(bǔ)償?shù)?span>0. 031mm, 效果相當(dāng)顯著, 但誤差曲線出現(xiàn)雙峰特征。為檢驗(yàn)圖5 所示的試驗(yàn)結(jié)果是否存在偶然性,加工了約10 個(gè)各種齒數(shù)( 模數(shù)均為2, 避免換刀) 的如圖4 所示的齒輪。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 補(bǔ)償效果都很顯著, 降低誤差幅值均達(dá)30%~ 50%, 且各齒輪的周節(jié)累積誤差的曲線相位具有很好的一致性, 也幾乎在同一相位出現(xiàn)雙峰誤差。
2) 機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸線漂移造成幾何偏心的補(bǔ)償 ( 實(shí)驗(yàn)2)
由文獻(xiàn)[ 2] 可以得知, 誤差/ 雙峰0現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸線漂移造成, 工作臺(tái)軸線漂移造成二方面的誤差: 其中引起分度蝸輪蝸桿中心距Af 脈動(dòng)造成的傳動(dòng)誤差已包含在分度蝸輪蝸桿傳動(dòng)誤差曲線中, 在實(shí)驗(yàn)1 中已得到修正; 而引起加工齒輪與刀具中心距Ao 脈動(dòng)造成的類似于幾何偏心特征的傳動(dòng)誤差如何補(bǔ)償, 以前未見有文獻(xiàn)報(bào)道。
文獻(xiàn)[ 4] [ 7] 中曾介紹用幾何偏心來補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)偏心, 從而使齒輪左右齒面周節(jié)累積誤差均減小的方法; 類似地, 試采用人為造成運(yùn)動(dòng)不均勻來觀察是否可補(bǔ)償由于Ao 脈動(dòng)引起的類似幾何偏心特征的周節(jié)累積誤差。
加工試件仍采用m= 2, Z = 60 齒坯( 如圖4) 。補(bǔ)償方法為在補(bǔ)償曲線的基礎(chǔ)上, 在周節(jié)累積誤差曲線中對應(yīng)的二個(gè)低洼區(qū)相位迭加二個(gè)正三角波誤差修正量( 幅值均為0. 02mm) 。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6, 可看出, 試件左、右齒面在迭加補(bǔ)償波后累積誤差分別為0. 026, 0. 023, 均達(dá)到JB179 ) 83 規(guī)定的5 級(jí)精度, 雙峰形狀有了明顯改善。實(shí)驗(yàn)證明, 用人為造成的運(yùn)動(dòng)不均勻也能補(bǔ)償由具有幾何偏心特征的誤差所造成的齒輪周節(jié)累積誤差。
3) 補(bǔ)償效果對后續(xù)工序的影響( 實(shí)驗(yàn)3)圖7 剃齒后周節(jié)累積誤差滾齒后一般還有剃齒、珩齒工序, 將對齒輪周節(jié)累積誤差均造成一定的影響,對實(shí)驗(yàn)2 中已切齒的試件進(jìn)行剃齒加工, 然后測量齒輪周節(jié)累積誤差, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。對比圖6, 可以看出, 雙聯(lián)齒坯中經(jīng)過補(bǔ)償?shù)凝X輪片右齒面的周節(jié)累積誤差幅值無明顯變化, 但左齒面周節(jié)累積誤差值略有增加, 但仍穩(wěn)定在5 級(jí)精度 ( JB179 ) 83) 。而未加補(bǔ)償?shù)凝X輪片在剃齒后周節(jié)累積誤差曲線改變很大, 很大程度上改變成了單峰形狀,且誤差幅值有所增大, 實(shí)驗(yàn)用m= 2, Z = 60 未加補(bǔ)償?shù)妮嘄X在剃后周節(jié)累積誤差幅值為0. 046mm, 眾所周知, 剃齒加工糾正的是齒輪周節(jié)累積誤差中的幾何偏心部分, 并會(huì)將部分幾何偏心誤差轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)偏心誤差, 由此可以認(rèn)為, 經(jīng)過補(bǔ)償?shù)凝X輪片在剃齒前、后, 輪齒左、右齒面周節(jié)累積誤差形狀、大小基本上無什么變化, 說明該齒輪在滾齒后已基本上沒有Ao 脈動(dòng)的影響, 進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)2 中用運(yùn)動(dòng)不均勻來修正Ao 脈動(dòng)引起的幾何偏心誤差是成功的。從這個(gè)角度也可看出開環(huán)數(shù)控補(bǔ)償?shù)膬r(jià)值, 即不但能方便地補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)的不均勻, 還能方便地創(chuàng)造一個(gè)不均勻的運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償Ao 脈動(dòng)引起的誤差, 使齒輪在滾、剃加工后能穩(wěn)定地達(dá)到5級(jí)精度( JB179 ) 83) 。這對采用/ 滾剃珩0 工藝加工齒輪時(shí), 防止齒輪公法線超差具有十分重要的意義。
四、結(jié)論
1. 用數(shù)控開環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償滾齒機(jī)范成誤差的低頻部分( 特別是分度蝸桿蝸輪副的傳動(dòng)誤差) 效果是顯著的。平均降低齒輪周節(jié)累積誤差30% ~ 50% , 使原只能加工8 級(jí)精度的舊滾齒機(jī)可以穩(wěn)定地加工出周節(jié)累積誤差精度為5 級(jí)的齒輪, 而且有足夠的精度儲(chǔ)備,在經(jīng)過剃齒加工后, 累積誤差仍可穩(wěn)定在5 級(jí)精度以內(nèi)( JB179 ) 83) 。
2. 機(jī)床工作臺(tái)軸線漂移可引起加工工件的徑向和切向誤差。軸線漂移誤差中Ao 脈動(dòng)是1B1 反映在工件周節(jié)累積誤差中, 影響十分大, 設(shè)計(jì)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)可以方便地減小工作臺(tái)軸線漂移引起的誤差, 這在國內(nèi)尚末見報(bào)道。
3. 實(shí)踐證明, 設(shè)計(jì)的數(shù)控開環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,性能可靠, 操作方便, 且對機(jī)床無任何改動(dòng)( 甚至于不在機(jī)床上鉆一個(gè)安裝孔) , 特別是在試切幾個(gè)齒坯測量后, 可以方便地對一些共性問題作局部調(diào)整, 極大地提高了工作效益, 一般工廠均可方便地使用, 且造價(jià)不高, 具有一定的推廣價(jià)值。
4. 由于數(shù)控開環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)占用了滾齒機(jī)的差動(dòng)系統(tǒng), 故它只能補(bǔ)償加工直齒輪及蝸輪, 不能補(bǔ)償加工斜齒輪及齒數(shù)> 100 的質(zhì)數(shù)直齒輪。
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