數控插齒機傳動鏈誤差對齒輪加工精度的影響分析與研究
2019-9-9 來源：宜昌長機科技有限責任公司 作者：王曉麗
摘要:分析數控插齒機傳動鏈誤差對齒輪加工精度的影響,對諸因素中傳動鏈產生的傳動誤差進行了具體的分析,對各種傳動誤差的產生來源及其傳動鏈精度影響的大小進行了分析從而找出減少加工誤差的措施, 提出了避免和減少誤差、提高插齒機傳動鏈精度的方法和改進齒輪加工精度的措施。
關鍵詞:數控插齒機;傳動鏈誤差;加工精度
0 引言
隨著機械工業的發展,目前各行各業對插齒機加工精度的要求愈來愈高,插齒機傳動鏈精度問題亦就成了數控插齒機設計與研究的重要課題之一。 筆者就數控插齒機的傳動鏈精度對加工齒輪精度的影響方面來進行分析研究。
1 、數控插齒機傳動鏈誤差的概念與來源
齒輪的加工精度主要由傳動元件的運動精度即插齒機的傳動鏈精度來實現。 傳動鏈是插齒機的重要組成部分,它具有傳遞運動、傳遞動力和傳遞誤差等功能。 如何減少各種因素對加工精度的影響,就需提前考慮分析。
插齒機傳動鏈一般由圓柱齒輪、錐齒輪、蝸輪、蝸桿、刀軸、絲杠與螺母等傳動元件組成,它們也是傳動誤差的來源,每一傳動鏈精度及其合成運動精度是齒輪加工精度的保證。 數控插齒機內部傳動鏈中的傳動齒輪,一般均要求達到 6 級或更高精度等級,兩套蝸輪副的精度一般均要求四級或更高精度等級。
用漸開線法加工齒輪等工件時,必須保證工件與刀具間有嚴格的運動關系,這種運動關系是由刀具與工件間的傳動鏈來保證的,這種方法的加工精度和生產率都較高。插齒機的主運動(刀具往復)是由主電動機的轉動通過各傳動件傳給主軸,并帶動裝在主軸上的刀具上下往復運動,通過變頻器控制,改變主電機的頻率，從而獲得不同的主運動速度,實現主運動(如圖 1 所示)。 主運動鏈的兩端件是主電動機和主軸。可以用如下的傳動系統結構式,來表示主運動的傳動路線：
圖 1 主運動的傳動路線圖
傳動鏈中的各傳動元件,如齒輪、蝸輪,蝸桿、刀軸、絲杠等,因有制造誤差(主要是影響運動精度的誤差)、裝配誤差(主要是裝配偏心)和磨損而破壞正確的運動關系,使工件產生誤差。傳動鏈的傳動誤差是指內部傳動鏈中首末兩端傳動元件之間相對運動的誤差。 它是按展成原理加工齒輪時影響加工精度的主要因素。
2 、數控插齒機傳動鏈誤差分析
傳動鏈誤差一般可用傳動鏈末端元件的轉角誤差來衡量。 由于各傳動件在傳動鏈中所處的位置是不同的,其影響傳動精度的大小也不同。 例如,當傳動鏈是升速傳動,則傳動元件的轉角誤差將被擴大;反之轉角誤差將被縮小。
(1) 數控插齒機主要是由各種傳動傳動元件組成不同的傳動鏈,再由幾個傳動鏈的合成運動實現齒輪加工,最終通過末端刀具與工件間的運動來保證齒輪加工精度。 假設插齒機 C1 軸(工作臺) 傳動鏈的末端轉角誤差為△ ¢ 1,C2 軸(刀架體) 的末端轉角誤差為△ ¢ 2,則根據△ ¢ 1、△ ¢ 2 誤差的大小與正負,所得的合成運動誤差是不相同的,當△ ¢ 1、△ ¢ 2誤差方向相反時,則對齒輪加工精度的影響最大。
機床傳動鏈傳動誤差的檢測方法有間接法和直接法兩種,下面是用直接法利用傳動鏈檢測儀模擬加工狀態對某臺插齒機刀架體、工作臺蝸輪副傳動鏈進行檢測的檢測圖形,如圖 2
所示。
圖 2 蝸輪副傳動誤差圖
由圖可見在 120 采樣點處有一固定高點,將兩套蝸輪副(刀架、工作臺蝸輪副)拆下后, 利用 HS-900對工作臺蝸輪進行檢測,檢測結果,如圖 3 所示。
圖 3 蝸輪檢測圖
C1 軸(工作臺) 回轉精度蝸輪表現有一個齒的偏差較大,在周節累積、偏差曲線上明顯呈周期性波形誤差。 通過特征頻率查找傳動鏈中各誤差源的部位,經過分析,此臺插齒機短周期誤差的誤差源為工作臺蝸輪,蝸輪齒面有高點和磕傷,蝸輪下端有毛刺。
(2) 在加工齒輪的循環過程中,伺服電機的聯動是按照加工程序里所寫的步驟一步一步的來實現的C2 軸(刀架體刀軸)旋轉的度數等于 C1 軸(工作臺)旋轉的度數乘以工件齒數與刀具齒數的比值。
但在實際的加工過程中,伺服電機本身的運動特性就存在誤差,電機旋轉帶動工作臺的旋轉和刀軸的旋轉會出現偏差或不穩定,這樣會形成在加工過程中加工精度有切削振紋或表現為單齒距偏差比較大,齒輪綜合精度達不到要求。
利用英國雷尼紹(Renishaw) ML10 激光干涉儀分別對 C1 軸(工作臺)、C2 軸(刀架刀軸) 兩套傳動鏈分別進行測量,從而分析整個傳動鏈上各元件的綜合誤差。
如圖 4 所示為激光干涉儀對刀架體的檢測結果、其定位誤差較大,由圖可看出在 0° ~ 360°區間,分別出現一個高點( 在 90° 時)、一個低點( 在 150°時),根據曲線呈現出的規律分析,由于裝配誤差造成刀架蝸輪副轉動偏心或蝸輪副本身存在誤差。
圖 4 利用 ML10 激光干涉儀對 C2 軸的檢測圖
(3) 在齒輪加工完成退刀的過程中,由于前面的因素,另外還有電機在加工完畢時,是一個運動減速的過程, C2 軸(刀軸)和 C1 軸(工作臺)停止旋轉是否同時進行,假若停止的時間或是停止的位置不同步(比如某個軸的阻力偏大),從而造成一個軸旋轉的度數在實際過程中相應的與另一個軸的旋轉度數比例有細小的差別,即前面提到的傳動鏈轉角誤差,從而也會導致切削精度誤差,影響齒輪的加工精度。
3 、減少數控插齒機傳動鏈誤差的措施
從上面的分析可以看出傳動鏈的兩個末端的轉角誤差對加工精度至關重要。 數控插齒機主要是由幾個傳動鏈的合成運動實現齒輪加工的,通過刀具與工件間的傳動鏈來保證齒輪加工精度,為了獲得正確的分齒精度,必須保證每一傳動鏈精度及其合成運動精度。 這就為我們研究如何減少插齒機傳動鏈誤差,提高加工精度指明了方向。
(1) 盡可能減少傳動元件的數量,縮短傳動鏈,盡量采用直聯,即主運動電機、蝸輪副直聯的形式進行驅動。
(2) 提高每個關鍵傳動元件的精度,減少各傳動元件裝配時的幾何偏心,完善蝸輪副的裝配工藝和作業指導書,提高裝配精度。
(3) 提高傳動鏈關鍵部件及末端件的制造精度。在一般降速傳動鏈中,末端元件的誤差影響最大,特別對于數控插齒機來說本身屬于內聯系傳動鏈,傳動鏈的兩個末端轉角之間有嚴格的比例關系要求,工作臺(或刀架) 蝸輪不能存在較大累積誤差,故插齒機的分度蝸輪、刀軸的精度就應最高。 也可采用轉臺軸承減少摩擦力,提高工作臺壽命和傳動平穩性。
(4) 從優化電機運動特性入手,采取誤差補償。調整電機運動參數,從而使電機的運動定位和電機間的聯動性能得到更好的提升。 在確保插齒機幾何精度合格,裝配完整的情況下利用英國雷尼紹( Ren-ishaw) ML10 激光干涉儀自動誤差補償軟件進行自動誤差補償。
誤差補償的實質就是在原傳動鏈中人為地加入一誤差,其大小與傳動鏈本身的誤差相等而方向相反，使之相互抵消,從而提高傳動鏈的合成運動精度,到提高齒輪加工精度的目的。
4 、結論
在分析數控插齒機傳動鏈影響齒輪加工精度的基礎上,通過數控插齒機傳動鏈誤差對齒輪加工精度的影響,找出進一步改善單個傳動鏈與傳動鏈合成運動精度的一些方法與措施,
達到了提高齒輪加工精度的目的,對解決齒輪實際加工精度的問題有重要意義。
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