环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法

环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种环面蜗杆齿面的在线检测与修正加工方法，采用四轴联动并结合虚拟回转中心原理对环面蜗杆齿面磨削加工，采用三轴联动并结合球形测头对环面蜗杆齿面进行在线检测，通过将测量所得的实际环面螺旋线与理论螺旋线进行比较得出其齿面加工精度；判断齿面加工精度是否达要求，若未达要求则对加工误差进行溯源处理，利用溯源所得的加工误差值进行磨削程序修正及加工工装调整，再进行齿面修正磨削加工；重复上述过程直至环面蜗杆齿面加工精度满足要求。该方法从根本上解决了环面蜗杆齿面精度低的问题，可应用于平面包络环面蜗杆、锥面包络环面蜗杆及渐开面包络环面蜗杆等各种环面蜗杆齿面的加工，具有原理的普遍性和广泛的应用价值。
【专利说明】
环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种齿面在线检测与修正加工方法，尤其是涉及一种环面蜗杆齿面的在线检测与修正加工方法。

【背景技术】
[0002]环面蜗杆传动(如平面包络环面蜗杆传动、锥面包络环面蜗杆传动及渐开面包络环面蜗杆传动等)具有多齿接触、承载能力闻、润滑性能好、效率闻及寿命长等优点，在冶金、石化、军工、轻纺、煤矿及轨道交通等行业得到了应用。但是，由于环面蜗杆齿面的磨削加工原理复杂、调整参数繁多、通常磨削完一侧齿面后需要翻转磨头或将蜗杆调头才能磨削另一侧齿面、齿厚无法精确测量等，使得其齿面精度低、废品率高、互换性差，进而阻碍了环面蜗杆传动的大面积推广和广泛应用。
[0003]虽然现有技术的环面蜗杆齿面误差测量方法能有效地对环面蜗杆齿面进行误差检测，但是只能对加工完成的环面蜗杆进行离线检测，若检测精度不满足要求需要进行重新装夹再进行磨削加工，进而造成二次装夹误差、操作复杂、精度低及效率低等。


【发明内容】

[0004]本发明的目的就是针对上述现有技术的不足之处，提供一种环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，能完全解决上述现有技术存在的问题。
[0005]本发明的目的是通过下述技术方案来实现:
[0006]一种环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一，首先依据环面蜗杆的基本参数，得出环面蜗杆齿面的磨削加工程序和检测运动轨迹程序；
[0008]步骤二，依据磨削加工程序对环面蜗杆齿面进行磨削加工；
[0009]步骤三，依据检测运动轨迹程序对环面蜗杆齿面的环面螺旋线进行在线检测，得到实际环面螺旋线；
[0010]步骤四，通过将测量所得的实际环面螺旋线与理论螺旋线进行比较得出其齿面加工精度；
[0011]步骤五，判断齿面加工精度是否达要求，若未达要求则对加工误差进行溯源处理；
[0012]步骤六，利用溯源所得的各项误差值进行磨削程序修正及加工工装调整，重新进行环面蜗杆齿面修正磨削加工；
[0013]步骤七，重复上述步骤三至六，直至环面蜗杆齿面加工精度满足要求。
[0014]进一步，步骤一中，利用下列公式分别计算得出，磨头回转中心O2从磨削起始点到磨削终止点沿X轴方向的位置矢量Dx和磨头回转中心O2从磨削起始点到磨削终止点沿Z轴方向的位置矢量Dz，以及磨头回转中心O2的回转圆弧半径Rm，从而对应得出环面蜗杆齿面的磨削加工程序，
尺m=V(a-X0)- ~Krb - Ο2
(r , w
r — I丨
D =α- xn - /?m cos Θ - arctan —-
[0015]^U —?从
(f 7 W



r _ I
D = rb -? + Rwsin Θ-arctan ---
—I Va JJ,
[0016]其中，a为平面蜗杆传动副的中心距，X0为磨头回转中心O2在初始位置的坐标值，rb为主基圆半径，I为磨头回转中心O2相对于环面中心的轴向距离，Θ为磨头回转中心O2在圆弧ab上移动的角位移。
[0017]进一步，所述步骤一利用环面蜗杆的理论环面螺旋线方程计算得出理论环面螺旋线坐标值，并转换至圆柱坐标系，按照检测要求进行离散化，从而获得检测运动轨迹程序。
[0018]进一步，步骤五中，含误差的蜗杆齿面坐标值如下式所示，以各项误差为参变量，并以其与实际测量蜗杆齿面坐标值最匹配为目标，利用遗传算法进行优化得出相应的各项加工误差值Λ a、Al、Λ β和Arb,
[0019].Vi =u Cos^l cosφ, + cossinc0.(/; + Δ/; - vsin(/^ + Δ/j))-(<7 + Δ?/)cos- vcos(/j + A/^)sin^>lVl =u sincosψ1 + sin 炉i sin^, (/:，+Arh - vsin(/^ + Δ/?)) — (?/ +A(V)Sinpl + vcos(/? +Aβ)cosφ?ζ, = -Δ/-(/; +Δ/; -vsin(/^ + Αβ))cosφ,
V=Arh sin(/? +Αβ) + rh sin (/? + Αβ)
(a cos (β + Αβ) + u sin (β + Αβ)) cos φ? -(α + Δα) sin [β + Αβ) + [uL, -u) cos (β +Αβ)



sιnφ2
(α - ^jxf +yf Y + Z12 = R]一
[0020]其中，u为包络母面参数，妁和妁分别为蜗杆和工具齿轮的角位移，rb为主基圆半径，Arb为主基圆半径误差，V为包络母面参数，β为母平面倾角，Λ β为母平面倾角误差，a为平面蜗杆传动副的中心距，Aa为中心距误差，Λ I为环面蜗杆轴向误差，R。为环面螺旋线的母线圆弧半径。
[0021]进一步，步骤六中，利用下列公式分别计算出，磨头回转中心O2从调整后的磨削起始点到磨削终止点沿X轴方向的位置矢量Dx，和磨头回转中心O2从调整后的磨削起始点到磨削终止点沿Z轴方向的位置矢量Dz，，磨头回转中心O2调整后移动轨迹圆弧半径Rm，，从而对应得出环面蜗杆齿面的修正磨削加工程序，
K,’ =V{a-Aa- x() )2 + (rb -Arh-1y
f(r -Ar -Ιλ]
D.= a-Aa-Xn -R,cos 9 — arctan —---
[0022]IvIvA-Aa-X0JJ >
( ( ,\\
r _ I
Dz, -rb-Arb -1 + RwSin Θ - arctan ---
、\^o 一Δβ — Xn j J
[0023]其中，a为平面蜗杆传动副的中心距，Aa为中心距误差，rb为主基圆半径，Arb为主基圆半径误差，I为磨头回转中心O2相对于环面中心的轴向距离，Θ为磨头回转中心O2在圆弧ab上移动的角位移，X0为磨头回转中心O2在初始位置的坐标值。
[0024]进一步，环面蜗杆齿面的磨削加工采用数控四轴联动并结合虚拟回转中心原理。
[0025]进一步，环面蜗杆的测量采用数控三轴联动并结合球形测头，测量出一系列的环面螺旋线。
[0026]进一步，环面蜗杆是包络环面蜗杆。
[0027]进一步，包络环面蜗杆是平面包络环面蜗杆、锥面包络环面蜗杆、渐开面包络环面蜗杆、圆环面包络环面蜗杆。
[0028]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:利用反馈的在线检测结果修改磨削加工程序并修正加工环面蜗杆齿面，更符合环面蜗杆齿面加工的特点，不但能解决了环面蜗杆齿面精度低的问题，同时还能提高其加工效率。选择不同的数学模型并配以相应的磨头，该方法可应用于平面包络环面蜗杆、锥面包络环面蜗杆及渐开面包络环面蜗杆等各种环面蜗杆齿面的加工，具有原理的普遍性和广泛的应用价值。

【专利附图】

【附图说明】
[0029]图1为该在线检测与修正加工方法使用机床的主视图。
[0030]图2为该在线检测与修正加工方法使用机床的俯视图。
[0031]图3为图2中磨头的连接结构示意图。
[0032]图4为该在线检测与修正加工方法使用机床所涉及加工机床的运动轴示意图。
[0033]图5为该在线检测与修正加工方法使用机床的数据传输原理及CNC结构简图。
[0034]图6为本发明所涉及的环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法的原理框图。
[0035]图7为该在线检测与修正加工方法的加工与在线检测原理图。
[0036]图8为该在线检测与修正加工方法的磨削加工几何关系图。
[0037]图9为该在线检测与修正加工方法平面包络环面蜗杆齿面的加工误差溯源流程图。

【具体实施方式】
[0038]如图6至9所示，一种环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，包括以下步骤:
[0039]一、依据平面包络环面蜗杆I的中心距、传动比、主基圆半径、母平面倾角及磨头回转中心O2的初始位置坐标值、回转圆弧半径等基本参数，通过下列算式确定平面包络环面蜗杆10在磨削加工时磨头回转中心O2的运动轨迹圆弧ab及其磨削起始点和磨削终止点，进而得出环面蜗杆齿面的磨削加工程序和检测运动轨迹程序。
[0040]有磨削加工的NC代码为:
[0041]G03 X#01 Z#02 A#03 B#04 R#05 (I)
[0042]式(I)中，#01为磨头回转中心O2从磨削起始点到磨削终止点沿X轴方向的位置矢量，即为图8中所示的Dx;
[0043]#02为磨头回转中心O2从磨削起始点到磨削终止点沿Z轴方向的位置矢量,即为图8中所示的Dz ；
[0044]#03为磨削过程中蜗杆转过的角位移，即为图8中所示的Θ丨，且满足#03 = i12#04=I12 Θ , I12为环面蜗杆与工具齿轮之间的传动比；
[0045]#04为磨削过程中磨头回转中心O2在圆弧ab上移动的角位移，即为图8中所示的Θ ;
[0046]#05为圆弧ab的半径，即为图8中所示的Rm。
[0047]其中，R1^ Dx和Dz可由以下几何关系求得:
Rm=水a-X0)- +(rb -,)2
f f ?



Y — I
Dx=a-x0-Rmcos Θ-arctan —-
[0048]V{a-x0 JJ ^
fr j w



Y — I
Dz = rh-1-l.RmSin θ - arctan —-
L Va-xJj J(2)
[0049]式⑵中，a为平面蜗杆传动副的中心距，X0为磨头回转中心O2在初始位置的坐标值，rb为主基圆半径，I为磨头回转中心O2相对于环面中心的轴向距离，Rni为磨头回转中心O2的回转圆弧半径，Θ为磨头回转中心O2在圆弧ab上移动的角位移。
[0050]由式(I)所示NC代码,通过磨头径向移动的X轴、磨头轴向移动的Z轴、平面包络环面蜗杆10回转的A轴及磨头回转的B轴进行四轴联动，如图7所示，完成平面包络环面蜗杆I齿面的磨削加工。
[0051]二、平面包络环面蜗杆10的理论环面螺旋线方程可表示为:
[0052].Y1 =U cos φ{ cos φ-, + cos 仍 si η 炉，(/; - vsin β) - a cos φ、- v cos /^sin φ、
V1 ^sitK/?, cosψ? +sitK/?, sin ψ? (/; - vsirt /^-1/sin^, + vcos β cos仍
z丨=(V sin /?-./;) cos 炉，
_ n a cos/?COS^0 +η?ηβοο%φ? -^zsin β -uco% β + cos
v-7h sin -t
(a - x{ +yf)~ + Z12 =,⑶
[0053]式(3)中，u为包络母面参数，灼和妁分别为蜗杆和工具齿轮的角位移，rb为主基圆半径，V为包络母面参数，β为母平面倾角，a为平面蜗杆传动副的中心距，R。为环面螺旋线的母线圆弧半径。上述工具齿轮为一个虚拟存在并与环面蜗杆齿面存在正确啮合关系的理论齿轮，其作用在于加工过程中由加工刀具刃口面模拟工具齿轮的齿面，以便完成环面蜗杆齿面的加工。
[0054]将平面包络环面蜗杆10的基本参数带入式(3)，可以得出理论环面螺旋线坐标值
X1、y” Z1 ο
[0055]三、将笛卡尔坐标系下的理论环面螺旋线坐标值转换至圆柱坐标系，并按检测要求进行离散化。由这一系列离散点控制A轴驱动平面包络环面蜗杆10绕其轴心线O1回转，并控制X。轴和Z。轴驱动球形测头5沿圆弧Cd平移，如图7所示，完成平面包络环面蜗杆10齿面的在线检测。
[0056]在测量过程中，将A轴上圆光栅的示数值、X。轴和Z。轴上长度光栅的示数值、球形测头5的微动量相结合，转换到笛卡尔坐标系下得实际环面螺旋线坐标值。并将其与理论环面螺旋线坐标值比较，可计算出该条环面螺旋线上的误差值。
[0057]当环面螺旋线的母线圆弧半径R。从平面包络环面蜗杆10齿面的齿顶圆变化至齿根圆，即可得出一系列的环面螺旋线误差值。若环面螺旋线误差值满足精度要求，则输出检测结果，取下平面包络环面蜗杆10，整个加工结束；若环面螺旋线误差值不满足精度要求，则需进行下述步骤。
[0058]四、平面包络环面蜗杆10的含误差环面螺旋线方程可表示为:
[0059]..V1 =U cosip' Cos^ +COS^1 sine/?, (/; +Δ/; - v sin( β + Αβ))-(α + Aa) cos (/?, — vcos(；0+ Δ/:? IsirulPlJ1=Msinp1 cosψ1 +Sin^l sine/), (/; + Δ/; - vsin(/j + Δ/?))—(ο+ Δα)sin奶 + vcos(/^ + Αβ)cosZl=-Al-^rh +Δ/; -ν%\η(β + Aj3))cos(/%
V=Arh sin (β + Αβ) + rb sin [β + Αβ)>
(a cos (/:? + Δ/:?) + μ s I η (/) + Δ/?)) cos 少，—(《 + Δ") si η (β + Αβ) + [κ? ^-κ) cos [β +Αβ)




sin (,ο,
(α -./ΧΓ +J7I ) +zI2 =^
(4)
[0060]式(4)中，u为包络母面参数，灼和妁分别为蜗杆和工具齿轮的角位移，rb为主基圆半径，Arb为主基圆半径误差，V为包络母面参数，β为母平面倾角，Λ β为母平面倾角误差，a为平面蜗杆传动副的中心距，Aa为中心距误差，Λ I为环面蜗杆轴向误差，R。为环面螺旋线的母线圆弧半径。
[0061]以Aa、Al、Λ β和Arb为优化变量，以式⑷的含误差环面螺旋线坐标值与实际环面螺旋线坐标值之间的差值最小为优化目标，按图9所示流程图利用遗传算法进行误差溯源处理，得出相应的加工误差值Aa、Al、Λ β和Arb。
[0062]五、由上一步骤溯源所得的Aa、Al、Λ β和Λ rb，按以下步骤重新定位:
[0063]由步进电机驱动磨头的倾角装置旋转Λ β，进而使平面砂轮4的倾角达到理论值；
[0064]由步进电机驱动磨头沿X轴方向移动Al+Arb，驱动磨头沿Z轴方向移动Aa，使磨头回转中心O2的回到理论起始点位置；
[0065]由步进电机驱动主轴回转Λ δ，使平面包络环面蜗杆10回到理论起始点位置。
[0066]其中平面包络环面蜗杆10的回转角Λ δ满足:
[0067]
AS = AI + Arh X 360°
腿(5)
[0068]式(5)中，m为平面包络环面蜗杆10的轴向模数。
[0069]六、依据图8所示几何关系，有修正磨削加工的NC代码为:
[0070]G03 X#ll Z#12 A#13 B#14 R#15 (6)
[0071]式(6)中，#11为磨头回转中心O2从调整后的磨削起始点到磨削终止点沿X轴方向的位置矢量Dx，；
[0072]#12为磨头回转中心O2从调整后的磨削起始点到磨削终止点沿Z轴方向的位置矢量 Dz,；
[0073]#13为在磨削过程中蜗杆转过的角位移，且满足#13 = i12#14 = i12 θ ；
[0074]#14为磨削过程中磨头回转中心O2的角位移Θ ；
[0075]#15为调整后磨头回转中心O2的移动轨迹圆弧半径Rm，。
[0076]其中，R111.、Dx.和Dz，可由以下几何关系求得:
Rm’ =sj(a-Aa-X0)2 +(rb -A/b -/)2
ffr -Ar -1))
D , = a- Au -x0 -1^.cos Θ ~ rIi vim —---
[0077]V{a-Aa-X0 Jj^
^f r I \\
Dz, = rb - Arb -1 + Rm, sin Θ - arcian ---1 ^-Δα-xJJ J ⑵
[0078]七、由式(6)所示NC代码,按图7所示,通过磨头径向移动的X轴、磨头轴向移动的Z轴、平面包络环面蜗杆10回转的A轴及磨头回转的B轴进行四轴联动，完成平面包络环面蜗杆10齿面的修正加工。
[0079]八、重复步骤三至七，直至平面包络环面蜗杆10的齿面误差值满足精度要求，则输出检测结果，取下平面包络环面蜗杆10，整个加工结束。
[0080]本发明采用七轴四联动并结合在线检测和虚拟回转中心原理等，从根本上解决了平面包络环面蜗杆齿面精度低的问题。当采用不同的数学模型和配备相应的砂轮后，可应用于锥面包络环面蜗杆及渐开面包络环面蜗杆等各种环面蜗杆齿面的加工，具有原理的普遍性和广泛的应用价值。
[0081]如图1-5所示，本发明还公开一种用于上述环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法的加工机床,包括床身1、主轴单元、加工单元、检测单元及控制单元,其中加工单元与检测单元分别位于主轴单元的两侧，具体的是位于待加工环面蜗杆10的两侧。
[0082]本实施例中，所述主轴单元包括高电压绕组主轴电机2、驱动顶针7、鸡心夹9、待加工环面蜗杆10、尾座顶针15及尾座16 ;其中高电压绕组主轴电机2与驱动顶针7连接，并通过一对高精度角接触轴承3定位并固定于床身I的床头箱上；待加工环面蜗杆10被驱动顶针7与尾座顶针15所顶持,并通过鸡心夹9由驱动顶针7驱动其绕A向转动；驱动顶针7与床身I床头箱之间安装有圆光栅4，其中光栅测头固定安装床身I上而光栅尺安装在驱动顶针7上,测量待加工环面蜗杆10的实时转动角位移。
[0083]本实施例中，所述加工单元包括Z向伺服电机18、B向伺服电机43、X向伺服电机44、分度蜗杆25、分度蜗轮26、磨头、工作台14及其横托板28和纵托板24。纵托板24沿Z向通过导轨滑动安装在床身I上，床身I上的床头箱前端安装Z向伺服电机18，Z向伺服电机18的输出轴通过联轴器19与一丝杆23相连，丝杆23两端安装深沟球轴承20和推力球轴承21定位于床身I上，丝杆23中部安装螺母27，纵托板24与螺母27固连，进而实现纵托板24通过床身I导轨沿Z向移动。横托板28沿X向通过燕尾槽滑动安装在纵托板24上，在纵托板24上安装X向伺服电机44, X向伺服电机44的输出轴通过联轴器45与一丝杆55相连，该丝杆55两端安装深沟球轴承46和推力球轴承47定位于纵托板24上，丝杆55中部安装螺母，横托板28与螺母固连，进而实现横托板28通过燕尾槽沿X向移动。在横托板28上安装B向伺服电机43, B向伺服电机43的输出轴通过联轴器58连接分度蜗杆25，分度蜗杆25两端通过角接触球轴承59定位于横托板28上，分度蜗杆25与分度蜗轮26配合，分度蜗轮26两端通过蜗轮轴64及深沟球轴承62和推力球轴承65定位于横托板28上；工作台14通过平键63及推力球轴承61精密安装于蜗轮轴64上，并由B向伺服电机43驱动分度蜗杆25传动分度蜗轮26进而带动工作台14绕B向转动(即水平旋转)。磨头安装于工作台14上。
[0084]所述磨头包括底座66、加工刀具13、转轴57、转轴支架67、三相异步电机12、V型带11、倾角伺服电机56和张紧螺钉。底座66固定在工作台14上，转轴支架67转动安装在底座66上，倾角伺服电机56固定在底座66上，其驱动轴与转轴支架67连接，转轴支架67上安装转轴57，转轴57的一端安装加工刀具13，另一端通过V型带11由三相异步电机12带动旋转，三相异步电机12安装在底座66上。V型带11松紧程度由张紧螺钉调节。工作时，由三相异步电机12带动加工刀具13进行高速旋转，进而形成切削主运动。倾角伺服电机56带动转轴支架67转动，从而控制加工刀具13的倾角。
[0085]本实施例中，所述加工刀具13可以选择平面盘状砂轮或平面刃口盘状铣刀。
[0086]所述检测单元包括Z。向伺服电机31、X。向伺服电机51、测头纵托板22、测头立柱6、带测微功能的测头5、长度光栅37和圆光栅4。测头纵托板22沿Z。向通过导轨滑动安装在床身I上，测头立柱6沿Xc向通过燕尾槽滑动安装在测头纵托板22上，测头5固定安装在测头立柱6顶部，且测头5与待加工环面蜗杆10中心轴线位于同一水平面上。Z。向伺服电机31安装在床身I的床头箱后端，电机输出轴通过联轴器32与一丝杆41相连,丝杆41两端安装深沟球轴承33和推力球轴承34定位于床身I上，丝杆41中部安装螺母40，测头纵托板22与螺母40固连，进而实现测头纵托板22通过床身I导轨沿Z。向移动。X。向伺服电机51安装在测头纵托板22上，电机输出轴通过联轴器52与一丝杆35相连，丝杆35两端安装深沟球轴承38和推力球轴承39定位在测头纵托板22上，丝杆35中部安装螺母，测头立柱与螺母固连，进而实现测头立柱6通过燕尾槽沿Xc向移动。测头5位于测头立柱6上并可在其高度方向进行精密微调。在床身I与测头纵托板22之间安装长度光栅42测量测头纵托板22沿Z。向的实时位移，其中光栅测头安装在测头纵托板22上而光栅尺固定安装在床身I上。在测头纵托板22与测头立柱6之间安装长度光栅37测量测头立柱6沿Xc向的实时位移，其中光栅测头安装在测头纵托板22上而光栅尺固定安装在测头立柱6上。其中，测头6采用具有测微功能的触发式测头，并在床头箱上设置测头保护罩8用以保护测头。
[0087]所述控制单元包括齿面加工上位机和检测上位机,检测上位机中包括有测量数据处理单元、误差分析单元及修正加工单元。齿面加工上位机由预设的加工程序控制主轴单元和加工单元中的Z向伺服电机18、B向伺服电机43、X向伺服电机44工作。检测上位机由预设的检测程序控制主轴单元和检测单元中的Z。向伺服电机31、X。向伺服电机51工作。测量数据处理单元读取圆光栅4及长度光栅37、42实时值和测头6的微动量；误差分析单元对测得的环面蜗杆齿面数据与理论环面蜗杆齿面数据进行分析并进行误差溯源处理；修正加工单元由误差溯源结果对包络母面倾角、加工刀具13起始位置及加工程序进行修正。
[0088]如图7所示，本实施例中，其加工单元驱动加工刀具13绕与基圆锥相切的方向旋转运动，检测单元驱动测头5沿工具圆的同心圆弧Cd平移。
[0089]如图7所示，本实施例中，具有在线检测与修正加工功能的平面包络环面蜗杆加工机床具有A、B、C、X、Z,XC及Zc七轴数控运动，其中A、B、X及Z四轴联动实现环面蜗杆齿面的加工或修正加工，其中A、Xc及Z。三轴联动实现环面蜗杆齿面的在线检测。
[0090]如图5所示，本实施例在使用时，加工环面蜗杆的步骤为:
[0091]①首先依据平面包络环面蜗杆的基本参数，得出平面包络环面蜗杆齿面的加工程序和检测程序，利用主轴单元将待加工环面蜗杆顶持在驱动顶针与尾座顶针之间；
[0092]②加工上位机依据加工程序控制主轴单元和加工单元，驱动A、B、X及Z四轴联动，实现对平面包络环面蜗杆的齿面加工；
[0093]③在加工齿面的同时，检测上位机依据检测程序控制检测单元驱动A、X。及Z。三轴联动，实现对平面包络环面蜗杆齿面的环面螺旋线进行在线检测；
[0094]④测量数据处理单元采集A向圆光栅4、X。向长度光栅37及Zc向长度光栅41的实时数据和测头5的微动量，误差分析单元将所得的实际环面螺旋线与理论螺旋线进行比较，分析得出其齿面加工精度；
[0095]⑤误差分析单元判断齿面加工精度是否达要求，若未达要求则对加工误差进行溯源处理；
[0096]⑥控制单元利用溯源所得的各项误差值，分别驱动A、B、C、X及Z五轴运动，修正加工定位误差；
[0097]⑦控制单元用溯源所得的各项误差值修正加工程序，并依据修正后的加工程序驱动A、B、X及Z四轴联动，实现平面包络环面蜗杆齿面的修正加工；
[0098]⑧重复上述③-⑦步骤，直至平面包络环面蜗杆齿面加工精度满足要求。
[0099]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，首先依据环面蜗杆的基本参数，得出环面蜗杆齿面的磨削加工程序和检测运动轨迹程序； 步骤二，依据磨削加工程序对环面蜗杆齿面进行磨削加工； 步骤三，依据检测运动轨迹程序对环面蜗杆齿面的环面螺旋线进行在线检测，得到实际环面螺旋线； 步骤四，通过将测量所得的实际环面螺旋线与理论螺旋线进行比较得出其齿面加工精度； 步骤五，判断齿面加工精度是否达要求，若未达要求则对加工误差进行溯源处理；步骤六，利用溯源所得的各项误差值进行磨削程序修正及加工工装调整，重新进行环面蜗杆齿面修正磨削加工； 步骤七，重复上述步骤三至六，直至环面蜗杆齿面加工精度满足要求。
2.根据权利要求1所述的环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，其特征在于:步骤一中，利用下列公式分别计算得出，磨头回转中心O2从磨削起始点到磨削终止点沿X轴方向的位置矢量匕和磨头回转中心O2从磨削起始点到磨削终止点沿Z轴方向的位置矢量Dz，以及磨头回转中心O2的回转圆弧半径Rm，从而对应得出环面蜗杆齿面的磨削加工程序，
Rm=J(a-xO)' +(rb - O'
(r j w


γ — I
D' = a -.v(! - R⑴ cos θ - arctan —-1 \α~χ?))>
*/I — I
D = rb -1 + Rmsin θ — arctan —-1 其中，a为平面蜗杆传动副的中心距，Xtl为磨头回转中心O2在初始位置的坐标值，rb为主基圆半径，I为磨头回转中心O2相对于环面中心的轴向距离，Θ为磨头回转中心O2在圆弧ab上移动的角位移。
3.根据权利要求1所述的环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，其特征在于:所述步骤一利用环面蜗杆的理论环面螺旋线方程计算得出理论环面螺旋线坐标值，并转换至圆柱坐标系，按照检测要求进行离散化，从而获得检测运动轨迹程序。
4.根据权利要求1所述的环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，其特征在于:步骤五中，含误差的蜗杆齿面坐标值如下式所示，以各项误差为参变量，并以其与实际测量蜗杆齿面坐标值最匹配为目标，利用遗传算法进行优化得出相应的各项加工误差值△&、Al、Λ β 和 Arb，.Y, =u cosi/?, cos φ? +cos 奶 sin φ? (/^ +Δ/; - ν si n(/j + Δ/?)) - (α + Δα) cos φ{ - νοο%{β f Δ/^) si ηV1=ZZsin^l COSip1 +Sinpl sin φ, (/; +Δ/; - vsin(/^ + Δ/?)) -(α -h Aa)sin φ{ + vcos(/J +Δ/?)Cos^lζ, = -Δ/-(/; +Δ% -vsin(/^ + Δ/3))cosφ0V=Arb sin、β + Αβ) + /; sin (/? + Αβ)>
i^acos(β +Αβ) + Usin(β + Δ/J))cos</).-(α + Δα)sin(/^f + ▲,,) + ("/、■ -")cos(/; +Δ/?)



sin φ,{a - ^xf +yf Y + zf =一 其中，u为包络母面参数，奶和灼分别为蜗杆和工具齿轮的角位移，rb为主基圆半径，Arb为主基圆半径误差，V为包络母面参数，β为母平面倾角，Λ β为母平面倾角误差，a为平面蜗杆传动副的中心距，Aa为中心距误差，Λ I为环面蜗杆轴向误差，R。为环面螺旋线的母线圆弧半径。
5.根据权利要求1所述的环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，其特征在于:步骤六中，利用下列公式分别计算出，磨头回转中心O2从调整后的磨削起始点到磨削终止点沿X轴方向的位置矢量Dx，和磨头回转中心O2从调整后的磨削起始点到磨削终止点沿Z轴方向的位置矢量Dz，，磨头回转中心O2调整后移动轨迹圆弧半径Rm，，从而对应得出环面蜗杆齿面的修正磨削加工程序，
/?m, =y](a - Aa -χ{)Υ +(/; -Arb -/)'
(r Aj γ _ Ar — I j I
D , = α-Aa-.ν? - R.cos θ - arctan —---1{α-Αα-χ0))>
f f Γ—/ ))
D , = rb-Arh-l + R.sin 0 —arctan ---
L-Δα-.T0 JJ ^ 其中，a为平面蜗杆传动副的中心距，Aa为中心距误差，rb为主基圆半径，Arb为主基圆半径误差，I为磨头回转中心O2相对于环面中心的轴向距离，Θ为磨头回转中心O2在圆弧ab上移动的角位移，X0为磨头回转中心O2在初始位置的坐标值。
6.根据权利要求1所述的环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，其特征在于:环面蜗杆齿面的磨削加工采用数控四轴联动并结合虚拟回转中心原理。
7.根据权利要求1所述的环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，其特征在于:环面蜗杆的测量采用数控三轴联动并结合球形测头，测量出一系列的环面螺旋线。
8.根据权利要求1所述的环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，其特征在于:环面蜗杆是包络环面蜗杆。
9.根据权利要求8所述的环面蜗杆齿面在线检测与修正加工方法，其特征在于:包络环面蜗杆是平面包络环面蜗杆、锥面包络环面蜗杆、渐开面包络环面蜗杆、圆环面包络环面蜗杆。
【文档编号】B23Q17/20GK104148745SQ201410395110
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】陈永洪, 陈燕, 张光辉, 王进戈, 向中凡, 张均富, 柳在鑫, 邓星桥 申请人:西华大学