一、問題的提出
齒輪、蝸輪傳動精度要求越來越高, 對滾齒機的加工精度提出了更高的要求; 另方面, 采用/ 滾剃珩0工藝成批生產齒輪時, 由于在剃齒和珩齒加工中會將一部分幾何偏心誤差轉化為運動偏心誤差, 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。
分析滾齒機加工過程可以發現, 引起工件周節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分度傳動鏈的傳動誤差, 二是滾齒機工作臺軸線漂移( 詳見參考文獻[ 2] ) 。另據參考文獻[ 1] 介紹,工件周節累積誤差的2/ 3 是由滾齒機的分度蝸桿蝸輪副( 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補償裝置, 來補償滾齒機分度蝸桿蝸輪傳動副的傳動誤差, 以達到提高加工精度的目的。現有滾齒機補償裝置有如下幾種型式: 蝸桿竄動式, 行星齒輪式, 凸輪擺桿式和以控制論觀點設計的消除傳動誤差的機械反饋裝置等。以上幾種裝置均是由設計誤差修正凸輪, 并改裝機床來形成分度蝸桿的附加轉動或附加軸向竄動, 從而造成分度蝸輪的附加轉動來達到補償傳動誤差的目的, 均存在機床改裝復雜、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的直齒輪需銼削不同升程的凸輪的缺點。
針對上述問題, 筆者設計了開環數控誤差補償裝置, 簡介如下。
二、開環數控誤差補償裝置的結構與特點
1. 系統結構
補償裝置原理參見圖1, 其由1 臺工控機1、發訊電路2、零位電路3、控制電路4、步進電機5 及驅動電源6 和一對降速比i= 4 的齒輪副7 組成。在滾齒機分度蝸輪蝸桿傳動誤差補償曲線中選定一點作為補償起始點, 再將其對應的工作臺位置標定為零點, 并設置零位傳感器及零位電路3, 作為補償的基準; 在滾齒機差動掛輪箱中取下差動掛輪架, 在原安裝差動掛輪架的位置安裝重新設計的托架, 托架上裝有步進電機5,步進電機5 的軸與滾齒機差動系d2 軸( 滾齒機差動系差動蝸桿輸入軸) 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 主要作用是起系統連接作用, 同時也可降低步進電機5 的脈沖當量。圖2 所示表明機械裝置安裝簡單, 整個安裝過程僅需幾分鐘, 且不需作任何調整, 為消除齒輪副的正反轉的傳動間隙,固定在d2 軸上的大齒輪設計為如圖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分度蝸輪蝸桿傳動誤差曲線, 然后將相應的補償曲線按分度蝸輪轉角離散化, 并存入工控機1 的EPPROM 中; 在加工直齒時,根據加工齒數按加工斜齒配置分齒掛輪及選擇差動離合器, 根據加工中分度蝸輪的不同轉角, 用工控機1 查找出相應轉角的補償脈沖值, 驅動步進電機5 高速正反轉, 將相應誤差修正量經i = 4 的齒輪副7, 輸入到d2 軸上, 此補償運動經滾齒機差動蝸輪蝸桿副傳遞,在滾齒機運動合成機構中與主運動合成, 經分齒掛輪a、b、c、d、e、f和一對錐齒輪, 共同驅動分度蝸桿, 這樣, 分度蝸桿除主運動以外, 還迭加了一個從差動傳動鏈傳來的高速附加轉動, 從而使分度蝸輪產生附加轉動來補償其傳動誤差。
3. 工作過程描述
首先向工控機1 輸入要加工的齒輪齒數, 由工控機1 根據存入的離散化的分度蝸輪蝸桿傳動誤差補償曲線及相應的脈沖當量自動計算出相應于蝸輪每齒的補償正反轉步進脈沖數; 按下補償開關后, 在工作臺轉到設定零位時, 由零位電路3 發出補償允許信號, 這時補償系統開始工作, 由發訊傳感器在分度蝸桿每轉一周時發出一個訊號, 經由發訊電路2 處理后送至工控機1, 由工控機1 的累加器計算出分度蝸輪距離零位的轉角, 然后根據分度蝸輪轉角查得相應誤差修正脈沖量, 接著由控制電路4 控制步進電源6, 驅動步進電機5 高速帶動固定在滾齒機差動系d2 軸上的消間隙齒輪, 通過運動合成機構產生分度蝸輪的附加轉動來補償工作臺對應該轉角位置的傳動誤差, 工控機1 完成此工作后返回待命狀況, 等待發訊電路2 下一個信號的來臨, 并在累加數等于分度蝸輪齒數時將累加器重置為初始值。形象一點的描述, 可把工控機1 加步進電機5 的組合認同為一個補償的“數字凸輪”。
三、開環數控誤差補償裝置補償效果驗證
1. 驗證條件簡述
1) 驗證用機床( 見表1、表2)
2) 切削齒坯
由于滾切加工時, 影響工件周節累積誤差因素較多, 如每次工件的安裝偏心就帶有隨機性, 為盡可能地使有補償與無補償試驗中各項條件及工藝系統各特性參數相同, 保證可比性, 設計了如圖4 所示齒坯制造基準、加工安裝基準與測量基準重合的高精度雙聯齒坯試件, 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, 僅僅區別在加工一片輪齒時不加補償運動, 加工另一片輪齒時加上補償運動, 這樣, 通過從同一位置開始測量雙聯齒輪的二片輪齒的周節累積誤差就可以比較補償效果。
3) 切削和安裝參數( 見表3)
4) 測量儀器
使用德國進口891E 齒輪測試中心: 測量誤差0. 001mm。
2. 補償效果
1) 齒輪周節累計誤差的補償效果( 實驗1)加工試件為m= 2, Z= 73 齒坯( 如圖4) , 試驗結果如圖5( 圖上數字表示從起點開始齒數) , 可以看出,齒輪周節累積誤差由未加補償的0. 051mm 減小到有補償的0. 031mm, 效果相當顯著, 但誤差曲線出現雙峰特征。為檢驗圖5 所示的試驗結果是否存在偶然性,加工了約10 個各種齒數( 模數均為2, 避免換刀) 的如圖4 所示的齒輪。結果發現, 補償效果都很顯著, 降低誤差幅值均達30%~ 50%, 且各齒輪的周節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雙峰誤差。
2) 機床工作臺回轉軸線漂移造成幾何偏心的補償 ( 實驗2)
由文獻[ 2] 可以得知, 誤差/ 雙峰0現象的出現是由于機床工作臺回轉軸線漂移造成, 工作臺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 脈動造成的傳動誤差已包含在分度蝸輪蝸桿傳動誤差曲線中, 在實驗1 中已得到修正; 而引起加工齒輪與刀具中心距Ao 脈動造成的類似于幾何偏心特征的傳動誤差如何補償, 以前未見有文獻報道。
文獻[ 4] [ 7] 中曾介紹用幾何偏心來補償運動偏心, 從而使齒輪左右齒面周節累積誤差均減小的方法; 類似地, 試采用人為造成運動不均勻來觀察是否可補償由于Ao 脈動引起的類似幾何偏心特征的周節累積誤差。
加工試件仍采用m= 2, Z = 60 齒坯( 如圖4) 。補償方法為在補償曲線的基礎上, 在周節累積誤差曲線中對應的二個低洼區相位迭加二個正三角波誤差修正量( 幅值均為0. 02mm) 。
實驗結果見圖6, 可看出, 試件左、右齒面在迭加補償波后累積誤差分別為0. 026, 0. 023, 均達到JB179 ) 83 規定的5 級精度, 雙峰形狀有了明顯改善。實驗證明, 用人為造成的運動不均勻也能補償由具有幾何偏心特征的誤差所造成的齒輪周節累積誤差。
3) 補償效果對后續工序的影響( 實驗3)圖7 剃齒后周節累積誤差滾齒后一般還有剃齒、珩齒工序, 將對齒輪周節累積誤差均造成一定的影響,對實驗2 中已切齒的試件進行剃齒加工, 然后測量齒輪周節累積誤差, 實驗結果見圖7。對比圖6, 可以看出, 雙聯齒坯中經過補償的齒輪片右齒面的周節累積誤差幅值無明顯變化, 但左齒面周節累積誤差值略有增加, 但仍穩定在5 級精度 ( JB179 ) 83) 。而未加補償的齒輪片在剃齒后周節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, 實驗用m= 2, Z = 60 未加補償的輪齒在剃后周節累積誤差幅值為0. 046mm, 眾所周知, 剃齒加工糾正的是齒輪周節累積誤差中的幾何偏心部分, 并會將部分幾何偏心誤差轉化為運動偏心誤差, 由此可以認為, 經過補償的齒輪片在剃齒前、后, 輪齒左、右齒面周節累積誤差形狀、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 脈動的影響, 進一步驗證實驗2 中用運動不均勻來修正Ao 脈動引起的幾何偏心誤差是成功的。從這個角度也可看出開環數控補償的價值, 即不但能方便地補償運動的不均勻, 還能方便地創造一個不均勻的運動來補償Ao 脈動引起的誤差, 使齒輪在滾、剃加工后能穩定地達到5級精度( JB179 ) 83) 。這對采用/ 滾剃珩0 工藝加工齒輪時, 防止齒輪公法線超差具有十分重要的意義。
四、結論
1. 用數控開環補償系統補償滾齒機范成誤差的低頻部分( 特別是分度蝸桿蝸輪副的傳動誤差) 效果是顯著的。平均降低齒輪周節累積誤差30% ~ 50% , 使原只能加工8 級精度的舊滾齒機可以穩定地加工出周節累積誤差精度為5 級的齒輪, 而且有足夠的精度儲備,在經過剃齒加工后, 累積誤差仍可穩定在5 級精度以內( JB179 ) 83) 。
2. 機床工作臺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 脈動是1B1 反映在工件周節累積誤差中, 影響十分大, 設計的開環數控系統可以方便地減小工作臺軸線漂移引起的誤差, 這在國內尚末見報道。
3. 實踐證明, 設計的數控開環補償系統設計合理,性能可靠, 操作方便, 且對機床無任何改動( 甚至于不在機床上鉆一個安裝孔) , 特別是在試切幾個齒坯測量后, 可以方便地對一些共性問題作局部調整, 極大地提高了工作效益, 一般工廠均可方便地使用, 且造價不高, 具有一定的推廣價值。
4. 由于數控開環補償系統占用了滾齒機的差動系統, 故它只能補償加工直齒輪及蝸輪, 不能補償加工斜齒輪及齒數> 100 的質數直齒輪。
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