數(shù)控插齒機(jī)傳動(dòng)鏈誤差對(duì)齒輪加工精度的影響分析與研究
2019-9-9 來(lái)源：宜昌長(zhǎng)機(jī)科技有限責(zé)任公司 作者：王曉麗
摘要:分析數(shù)控插齒機(jī)傳動(dòng)鏈誤差對(duì)齒輪加工精度的影響,對(duì)諸因素中傳動(dòng)鏈產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差進(jìn)行了具體的分析,對(duì)各種傳動(dòng)誤差的產(chǎn)生來(lái)源及其傳動(dòng)鏈精度影響的大小進(jìn)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(jī)傳動(dòng)鏈精度的方法和改進(jìn)齒輪加工精度的措施。
關(guān)鍵詞:數(shù)控插齒機(jī);傳動(dòng)鏈誤差;加工精度
0 引言
隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展,目前各行各業(yè)對(duì)插齒機(jī)加工精度的要求愈來(lái)愈高,插齒機(jī)傳動(dòng)鏈精度問(wèn)題亦就成了數(shù)控插齒機(jī)設(shè)計(jì)與研究的重要課題之一。 筆者就數(shù)控插齒機(jī)的傳動(dòng)鏈精度對(duì)加工齒輪精度的影響方面來(lái)進(jìn)行分析研究。
1 、數(shù)控插齒機(jī)傳動(dòng)鏈誤差的概念與來(lái)源
齒輪的加工精度主要由傳動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)精度即插齒機(jī)的傳動(dòng)鏈精度來(lái)實(shí)現(xiàn)。 傳動(dòng)鏈?zhǔn)遣妪X機(jī)的重要組成部分,它具有傳遞運(yùn)動(dòng)、傳遞動(dòng)力和傳遞誤差等功能。 如何減少各種因素對(duì)加工精度的影響,就需提前考慮分析。
插齒機(jī)傳動(dòng)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(dòng)元件組成,它們也是傳動(dòng)誤差的來(lái)源,每一傳動(dòng)鏈精度及其合成運(yùn)動(dòng)精度是齒輪加工精度的保證。 數(shù)控插齒機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)齒輪,一般均要求達(dá)到 6 級(jí)或更高精度等級(jí),兩套蝸輪副的精度一般均要求四級(jí)或更高精度等級(jí)。
用漸開(kāi)線法加工齒輪等工件時(shí),必須保證工件與刀具間有嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,這種運(yùn)動(dòng)關(guān)系是由刀具與工件間的傳動(dòng)鏈來(lái)保證的,這種方法的加工精度和生產(chǎn)率都較高。插齒機(jī)的主運(yùn)動(dòng)(刀具往復(fù))是由主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)各傳動(dòng)件傳給主軸,并帶動(dòng)裝在主軸上的刀具上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),通過(guò)變頻器控制,改變主電機(jī)的頻率，從而獲得不同的主運(yùn)動(dòng)速度,實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)(如圖 1 所示)。 主運(yùn)動(dòng)鏈的兩端件是主電動(dòng)機(jī)和主軸。可以用如下的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)式,來(lái)表示主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)路線：
圖 1 主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)路線圖
傳動(dòng)鏈中的各傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)關(guān)系,使工件產(chǎn)生誤差。傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差是指內(nèi)部傳動(dòng)鏈中首末兩端傳動(dòng)元件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的誤差。 它是按展成原理加工齒輪時(shí)影響加工精度的主要因素。
2 、數(shù)控插齒機(jī)傳動(dòng)鏈誤差分析
傳動(dòng)鏈誤差一般可用傳動(dòng)鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差來(lái)衡量。 由于各傳動(dòng)件在傳動(dòng)鏈中所處的位置是不同的,其影響傳動(dòng)精度的大小也不同。 例如,當(dāng)傳動(dòng)鏈?zhǔn)巧賯鲃?dòng),則傳動(dòng)元件的轉(zhuǎn)角誤差將被擴(kuò)大;反之轉(zhuǎn)角誤差將被縮小。
(1) 數(shù)控插齒機(jī)主要是由各種傳動(dòng)傳動(dòng)元件組成不同的傳動(dòng)鏈,再由幾個(gè)傳動(dòng)鏈的合成運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)齒輪加工,最終通過(guò)末端刀具與工件間的運(yùn)動(dòng)來(lái)保證齒輪加工精度。 假設(shè)插齒機(jī) C1 軸(工作臺(tái)) 傳動(dòng)鏈的末端轉(zhuǎn)角誤差為△ ¢ 1,C2 軸(刀架體) 的末端轉(zhuǎn)角誤差為△ ¢ 2,則根據(jù)△ ¢ 1、△ ¢ 2 誤差的大小與正負(fù),所得的合成運(yùn)動(dòng)誤差是不相同的,當(dāng)△ ¢ 1、△ ¢ 2誤差方向相反時(shí),則對(duì)齒輪加工精度的影響最大。
機(jī)床傳動(dòng)鏈傳動(dòng)誤差的檢測(cè)方法有間接法和直接法兩種,下面是用直接法利用傳動(dòng)鏈檢測(cè)儀模擬加工狀態(tài)對(duì)某臺(tái)插齒機(jī)刀架體、工作臺(tái)蝸輪副傳動(dòng)鏈進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)圖形,如圖 2
所示。
圖 2 蝸輪副傳動(dòng)誤差圖
由圖可見(jiàn)在 120 采樣點(diǎn)處有一固定高點(diǎn),將兩套蝸輪副(刀架、工作臺(tái)蝸輪副)拆下后, 利用 HS-900對(duì)工作臺(tái)蝸輪進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果,如圖 3 所示。
圖 3 蝸輪檢測(cè)圖
C1 軸(工作臺(tái)) 回轉(zhuǎn)精度蝸輪表現(xiàn)有一個(gè)齒的偏差較大,在周節(jié)累積、偏差曲線上明顯呈周期性波形誤差。 通過(guò)特征頻率查找傳動(dòng)鏈中各誤差源的部位,經(jīng)過(guò)分析,此臺(tái)插齒機(jī)短周期誤差的誤差源為工作臺(tái)蝸輪,蝸輪齒面有高點(diǎn)和磕傷,蝸輪下端有毛刺。
(2) 在加工齒輪的循環(huán)過(guò)程中,伺服電機(jī)的聯(lián)動(dòng)是按照加工程序里所寫(xiě)的步驟一步一步的來(lái)實(shí)現(xiàn)的C2 軸(刀架體刀軸)旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等于 C1 軸(工作臺(tái))旋轉(zhuǎn)的度數(shù)乘以工件齒數(shù)與刀具齒數(shù)的比值。
但在實(shí)際的加工過(guò)程中,伺服電機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)特性就存在誤差,電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和刀軸的旋轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)偏差或不穩(wěn)定,這樣會(huì)形成在加工過(guò)程中加工精度有切削振紋或表現(xiàn)為單齒距偏差比較大,齒輪綜合精度達(dá)不到要求。
利用英國(guó)雷尼紹(Renishaw) ML10 激光干涉儀分別對(duì) C1 軸(工作臺(tái))、C2 軸(刀架刀軸) 兩套傳動(dòng)鏈分別進(jìn)行測(cè)量,從而分析整個(gè)傳動(dòng)鏈上各元件的綜合誤差。
如圖 4 所示為激光干涉儀對(duì)刀架體的檢測(cè)結(jié)果、其定位誤差較大,由圖可看出在 0° ~ 360°區(qū)間,分別出現(xiàn)一個(gè)高點(diǎn)( 在 90° 時(shí))、一個(gè)低點(diǎn)( 在 150°時(shí)),根據(jù)曲線呈現(xiàn)出的規(guī)律分析,由于裝配誤差造成刀架蝸輪副轉(zhuǎn)動(dòng)偏心或蝸輪副本身存在誤差。
圖 4 利用 ML10 激光干涉儀對(duì) C2 軸的檢測(cè)圖
(3) 在齒輪加工完成退刀的過(guò)程中,由于前面的因素,另外還有電機(jī)在加工完畢時(shí),是一個(gè)運(yùn)動(dòng)減速的過(guò)程, C2 軸(刀軸)和 C1 軸(工作臺(tái))停止旋轉(zhuǎn)是否同時(shí)進(jìn)行,假若停止的時(shí)間或是停止的位置不同步(比如某個(gè)軸的阻力偏大),從而造成一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)的度數(shù)在實(shí)際過(guò)程中相應(yīng)的與另一個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)度數(shù)比例有細(xì)小的差別,即前面提到的傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)角誤差,從而也會(huì)導(dǎo)致切削精度誤差,影響齒輪的加工精度。
3 、減少數(shù)控插齒機(jī)傳動(dòng)鏈誤差的措施
從上面的分析可以看出傳動(dòng)鏈的兩個(gè)末端的轉(zhuǎn)角誤差對(duì)加工精度至關(guān)重要。 數(shù)控插齒機(jī)主要是由幾個(gè)傳動(dòng)鏈的合成運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)齒輪加工的,通過(guò)刀具與工件間的傳動(dòng)鏈來(lái)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(dòng)鏈精度及其合成運(yùn)動(dòng)精度。 這就為我們研究如何減少插齒機(jī)傳動(dòng)鏈誤差,提高加工精度指明了方向。
(1) 盡可能減少傳動(dòng)元件的數(shù)量,縮短傳動(dòng)鏈,盡量采用直聯(lián),即主運(yùn)動(dòng)電機(jī)、蝸輪副直聯(lián)的形式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
(2) 提高每個(gè)關(guān)鍵傳動(dòng)元件的精度,減少各傳動(dòng)元件裝配時(shí)的幾何偏心,完善蝸輪副的裝配工藝和作業(yè)指導(dǎo)書(shū),提高裝配精度。
(3) 提高傳動(dòng)鏈關(guān)鍵部件及末端件的制造精度。在一般降速傳動(dòng)鏈中,末端元件的誤差影響最大,特別對(duì)于數(shù)控插齒機(jī)來(lái)說(shuō)本身屬于內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈,傳動(dòng)鏈的兩個(gè)末端轉(zhuǎn)角之間有嚴(yán)格的比例關(guān)系要求,工作臺(tái)(或刀架) 蝸輪不能存在較大累積誤差,故插齒機(jī)的分度蝸輪、刀軸的精度就應(yīng)最高。 也可采用轉(zhuǎn)臺(tái)軸承減少摩擦力,提高工作臺(tái)壽命和傳動(dòng)平穩(wěn)性。
(4) 從優(yōu)化電機(jī)運(yùn)動(dòng)特性入手,采取誤差補(bǔ)償。調(diào)整電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù),從而使電機(jī)的運(yùn)動(dòng)定位和電機(jī)間的聯(lián)動(dòng)性能得到更好的提升。 在確保插齒機(jī)幾何精度合格,裝配完整的情況下利用英國(guó)雷尼紹( Ren-ishaw) ML10 激光干涉儀自動(dòng)誤差補(bǔ)償軟件進(jìn)行自動(dòng)誤差補(bǔ)償。
誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)就是在原傳動(dòng)鏈中人為地加入一誤差,其大小與傳動(dòng)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(dòng)鏈的合成運(yùn)動(dòng)精度,到提高齒輪加工精度的目的。
4 、結(jié)論
在分析數(shù)控插齒機(jī)傳動(dòng)鏈影響齒輪加工精度的基礎(chǔ)上,通過(guò)數(shù)控插齒機(jī)傳動(dòng)鏈誤差對(duì)齒輪加工精度的影響,找出進(jìn)一步改善單個(gè)傳動(dòng)鏈與傳動(dòng)鏈合成運(yùn)動(dòng)精度的一些方法與措施,
達(dá)到了提高齒輪加工精度的目的,對(duì)解決齒輪實(shí)際加工精度的問(wèn)題有重要意義。
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