锥齿轮数控研齿机的研磨运动控制.pdf

第2 2 卷第1 0 期重庆工学院学报(自然科学)2 0 0 8 年1 0 月V 0 1 2 2N o 1 0J o u r n a to fC h o n g q i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y(N a 删S c i e n c e)O c t 2 0 0 8锥齿轮数控研齿机的研磨运动控制+黎勇(重庆工学院，重庆4 0 0 0 5 0)M o v e m e n tC o n t r o lA l g o r i t h mo fA r cB e v e lG e a rN u m e r i c a lC o n t r o lB u r n i s h i n gM a c h i n eUY o n g(C h o n g q i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y，C h o n g q i n g4 0 0 0 5 0，C h i n a)A b s t r a c t：B a s e do nt h em a c h i n i n gp r i n c i p l eo fa l eb e v e lg e a rn u m e r i c a lc o n t r o lb u r n i s h i n gm a c h i n e，t h em o v e m e n tr e l a t i o no fb u r n i s h i n gc o u r s ei sa n a l y z e d，a n di ti sf o u n dt h a ts t r i c t l yc o n t r o l l e dv a r i a b l e so fV，H，Ja r en e c e s s a r yf o rb u m i s h i n gm o v e m e n ta n dt h eb e v e lc a l c u l a t i n gf o r m u l ai sd e d u c e d T h eb u r n i s h i n gc o n t r o la l g o r i t h mo fa r cb e v e lg e a ri sa l s oi n t r o d u c e da n da p p l i e dt oS i e m e n s8 4 0 Ds y s t e mK e yw o r d s：a r cb e v e lg e a r；n u m e r i c a lc o n t r o lb u m i s h i n gm a c h i n e；a l g o r i t h m由于国产材料的不稳定及热处理工艺不能完全过关，锥齿轮热处理后变形的校正及啮合质量的提高主要集中在研齿上研齿对于制造高质量的锥齿轮来说是一道重要的工序，如果不能很好地控制，将会降低齿轮副的啮合质量，甚至会出现废品目前国内使用的研齿机大多数是人工操作的，锥齿轮加工质量需要依靠技术人员及工人的丰富经验，质量控制非常困难采用数控研齿机加工锥齿轮，国内外很多单位进行了有益的尝试，并取得了很好的效果本研究从锥齿轮数控研齿机的研齿原理人手，分析了研齿过程中的运动关系，并提出了在数控研齿机上加工锥齿轮的控制算法1 锥齿轮数控研齿机研齿原理 1 2 锥齿轮数控研齿机是利用锥齿轮副啮合过程中齿面的滑动速度，在啮合区中加入研磨剂进行*收稿日期：2 0 0 8 0 7 1 1基金项目：重庆市教委科学技术研究项目(2 0 0 7 C J l 7)作者简介：黎勇(1 9 r 7 5 一)，男，四川安岳人，实验师，主要从事数控加工及数控机床研发等研究万方数据黎勇：锥齿轮数控研齿机的研磨运动控制3 5齿轮副的齿面啮合，主要用来减小齿面粗糙度以降低啮合运转噪声研齿时需要一些附加运动使两齿轮之间的相互位移不断变动才能研磨到全部齿面锥齿轮在数控研齿机上研齿过程模型如图1所示，在小轮和大轮的两啮合齿面间注射研磨剂，通过两个啮合齿轮对研，依靠研磨剂微粒并加入一定的制动力进行切削，最终达到改善齿面接触区质量，提高轮齿啮合与传动性能的目的图1 研齿过程模型在研齿过程模型中，垂直运动y 使齿面上的接触区沿齿长方向移动，同时也使齿面接触区呈对角线分布为了克服被研磨区域出现的对角线分布，引入了沿小齿轮轴线方向的移动，即日方向的移动，单独作H 方向的移动会使齿面接触区沿齿高方向移动y 方向的运动和方向的运动同时作用，可以使接触区在沿齿长方向移动时，在齿高方向保持正确的位置另外还需引人控制侧隙的运动，因为齿面接触区在移动的同时，齿面之间的侧隙也会发生相应改变，沿大齿轮轴线方向的运动，可以保证接触区在齿侧面移动时，侧隙保持恒定不变通过y，日和，方向的联动，可以使齿面接触区移动到齿侧面的任意位置，实现任意轨迹的研齿运动2 锥齿轮数控研磨运动关键问题2 1 研齿机研齿方案目前制定了2 种研齿方法，第1 种(见图2)是一般的往复研磨，也可以通过手动模式改变研磨的时间和位置研齿方式的选择将在加工界面中体现按齿长的方向把齿面从齿根到齿顶分成3 个位置：4 1 处、2 1 处和4 3 处，分别对应图上的A，0，B3 个点，如0 点的坐标为锥齿轮的标准安装距，需要研磨的A，B 点的y，日，值分别为n，峨，厶，如，如，在数控机床面板中输入这些值，就可以使接触区域到达相应的位置附近研齿时间控制是使齿面的某个区域得到更好的研磨，如A 点的齿面误差比较大，则需要在A 点或者从0 点到A 点加大研磨力度，所以就设置了研齿时间的参数，让研磨的选择性更大如图2 所示，。为在A 点定点研磨的时间，t，为D A 或者是A 一0 的研齿时间，在此研齿过程中，设计采用线性插补的方法来实现图2 研齿方式上如图3 所示，这是设计的第2 种研齿方式，按齿长和齿高方向在齿面上制定了A，B，c，D4 个位置，这4 个位置同样对应了A，8，c，D 的4 个y，抒，值，用这4 个点的y，日，位置和研齿时间“，t c，t B，t D 和“c，肋，D A 就可以确定出研磨的方法和编写对应的数控程序在此研齿过程中，设计采用圆弧插补的方法来实现图3 研齿方式儿把A，c，曰和A，D，日分为两段圆弧来处理假设齿面上4，C，B3 个研磨点对应的y，日，歹的坐标分别为(戈l，Y I，2 1)，(咒2，Y 2，z 2)，(戈3，Y 3，z 3)，可以得到空间圆弧方程(戈1 一菇o)2+(Y l Y o)2+(2 1 一；o)2=1-2 1(石2 一X O)2+(Y 2 一Y o)2+(彳2 7,0)2=r 2 (1)(戈3 一X O)2+(Y 3 一Y o)2+(z 3 一g O)2=r 2J万方数据3 6重庆工学院学报其中：(戈o，Y o，Z 0)为球心的坐标指；r 为球心半径空间3 点可以确定一个平面，可得过此3 点的平面方程为l 戈一石-y Y Z-Z 1l 石2 一X lY 2 一Y lZ 2 一g lI=0(2)1 石3 一戈1)，3 一y 1三3 2 1通过这4 个方程就可以求得过A，c，B3 点的圆弧圆心和半径，因此得到圆弧插补的轨迹同理也可以求得A，D，B3 点的圆弧插补的轨迹2 2 研齿时间控制在本研齿机上控制研齿时间通过在加工界面中输入具体的时间来完成，每一部分的时间都可以分别进行调整如图4 中对应的时间都可以通过手动输入总研齿时间t=(t l+t 2+t o+t A+t B)l+(t l+t 27+t o7+t A7+t 曰)7 童 XN 2(3)其中：g 为工作面循环次数；为非工作面循环次数；N z 为总循环次数举个例子，研齿时问数据如表l 所示表1 研齿时间数据t J st o st B st l st 2 sN gN 儋N z55546542t=(5+5+5+4+6)x5+(5+5+5+4+6)4 2=4 5 0s=7 5m i n有了研齿的时间参数，就可以计算在数控加工中的机床进给率(r n r n 嘣n)计算公式为：O A 点：。O A(一以)2+(如一巩)2+(如一厶)2f=一f lf 1A 日点：。彻(一v a)2+(一攻)2+(如一厶)2。一(t l+t 2)(t 1+t 2)曰一D 点：。O B(场一)2+(易一如)2+(如一易)2卜j 22一t 2 2 3 侧隙调整锥齿轮进行研齿加工时，需要对侧隙进行实时控制，防止侧隙过小或过大所带来一系列负面影响轮副的侧隙就是当齿轮副工作面接触时，非工作面之间的最小距离侧隙过小或没有侧隙时，将会同时在轮齿的两齿上进行研齿，产生不正确的研齿运动，并且出现嗓声如果研齿时齿轮副的侧隙过大，则会产生齿顶边缘干涉目前先进的数控研齿机，如G l e a s o n 公司的6 0 0 H T L 和O e r l i k o n 公司的L 5 0 等机型，都能够实现侧隙全自动检测及调整，它们都是采用相同方法来实现这一功能本研究设计的锥齿轮研齿机也采用相应的办法来检测和保证侧隙根据用户的不同要求，可以选择输入不同的侧隙值s。根据s 值，可以计算出齿轮副在标准安装距时的侧隙大齿轮沿其轴线z 移动距离J s，齿宽中点从0 点移动到0 点，如图4a)所示，则0点的法向位移&和切向位移S 为舞其中8 为大齿轮的节圆锥角切向位移J s。直接影响端面高度的变化，法向位移&可再次分解为接触区域法向分量&和切向分量J s 8 如图4c)所示图4 齿轮轴向位移及法向位移分量图4c)中的a 为齿廓角齿廓角与压力角在数值上相等，所以可以直接把它看作压力角从图4 可以得出S。=S s i n#s i n a，S。即为齿轮副在标准安装距时的法向侧隙&最终可写为&=S s i n d s i n a，它就是锥齿轮副自动侧隙检验的数学依据在研齿开始之前用户需要输入研齿加工的参数，这些加工的参数包括理想侧隙的大小&通过双齿侧接触对滚过程获得了实际侧隙值之后，机床将这个实测的侧隙值&与用户输入的理想侧隙值&进行比较，根据比较的差值(s 口7S。)可以计算出机床的自动调整参数万方数据黎勇：锥齿轮数控研齿机的研磨运动控制3 7机床的自动调整参数s(大齿轮锥在其轴线方向的移动量)最终可以写为S=S o(s i n#s i n a)一S。另外，小齿轮沿其轴线方向的移动也会引起侧隙变化小齿轮沿其轴线移动的距离与所引起的侧隙变化量的计算方法同大齿轮的计算方法相同，由于小轮的节圆锥角r 小于大轮的节圆锥角艿所以s i n r 小于s i n#，故小齿轮沿其轴线方向的移动量对侧隙的影响小于大齿轮沿其轴线方向移动所引起的侧隙变化量，但不能忽略不计在采用y，日，联动来实现全齿面研齿时，联动就是为了补偿位置改变所引起的侧隙变化，确保侧隙在整个研齿过程中保持一致完成了自动侧隙的工作，就进入研齿过程，自动双齿侧接触对滚的具体过程：首先使齿轮副处于标准安装距处，将此位位置看作计算侧隙的原点，然后固定小轮轴x(或纾)，沿z 轴进入啮合的方向移动大齿轮，并加6 8 0N 左右的预载荷，以保证大齿轮和小齿轮完全进入双齿侧接触在大齿轮轴线方向(z 轴方向)的传动机构上有一个弹性机构(浮动装置)，这个机构允许大齿轮沿其轴线方向浮动移动以确保轮齿在双齿侧接触滚动时不会出现卡死的情况当大齿轮在预载荷下完全进人双齿侧接触之后，小齿轮驱动大齿轮慢速转动，直到大齿轮至少转过完整的一圈。在这个转动过程中，自于z 轴方向弹性机构的存在，及施加的预载荷的作用，大齿轮会沿其轴线方向(Z轴方向)来回移动z 轴方自安装有光栅尺光栅尺记录大齿轮沿其轴线方自运动的位置自动双齿侧接触对滚过程其实也就是z 轴方向的综合跳动偏差的测量偏差一般是由于前道工序所产生的加工误差和热处理变形的综台结果调整好侧隙之后，就可以进人到下面的研齿循环中3 结束语根据本研究中提出的锥齿轮数控研齿机研磨运动控制算法，从研齿机理及理论公式推导出研齿运动需要严格控制的变量y，日，l，及侧隙的计算公式论述了数控研齿机床运动控制拟解决的关键问题本数控研齿机研磨运动算法将在西门子8 4 0 D 系统上得到进一步验证参考文献：1 吴大任，骆家舜。齿轮啮合理论 M 北京：科学出版社，1 9 8 5 2 梅向明，黄敬之微分几何 M 北京：高等教育出版社2 0 0 3 3 郑昌启锥齿轮和准双曲面齿轮 M 北京：北京机械工业出版社，1 9 8 8 4 曾韬螺旋锥齿轮设计与加工 M 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1 9 8 9 5 洪如瑾U G N x 4C A D 快速入门指导 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 6 6 荆崇波，李雪原，尹旭峰，等精通U GN X 4 0 机械设计：典型实例、专业精讲 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 6 7 王令其，张思弟数控加工技术 M 北京：机械工业出版社2 0 0 7 8 魏巍开放性的西门予8 4 0 D 在数控磨齿机中的应用 J 制造技术与机床，2 0 0 6(1)：9 9 1 0 1 9 S o f tS e r v oS y s t e m sI n c R e f e r e n c eM a n u a lf o rS e r v o W o r k sP a r a m e t e r s Z S 1 ：S o f tS e r v oS y s t e m sI n c，2 0 0 2(责任编辑陈松)万方数据