基于谐波分解的大齿轮滚齿加工齿距误差在机补偿方法与流程

本发明属于数控滚齿机齿轮加工误差补偿技术领域，具体是一种基于谐波分解的大齿轮滚齿加工齿距误差在机补偿方法。

背景技术：

大型齿轮是工业生产、军事、探测等许多领域广泛使用的基础零部件，随着精密制造技术的发展，对大齿轮传动性能要求越来越高，而齿轮加工质量和精度决定着齿轮传动的性能。滚齿加工是齿轮加工一种常用的加工方法，它具有加工效率高、齿形精度高，适应性广等优点，在齿轮加工领域具有广泛的应用。齿轮齿距累积偏差是评价齿轮传动性能的重要指标，是齿轮几何精度评定过程中必定要检测的精度项目之一。它直接影响着齿轮副运动的准确性及工作的平稳性。

齿轮滚齿加工所用的加工设备一般为数控滚齿机，为了提高数控滚齿加工的加工精度，许多学者在提高滚齿加工精度方面做了大量的研究，主要从误差防止和误差补偿两个方面提高滚齿加工的精度。误差防止是通过提髙机床零部件设计、制造及装配精度来提高加工精度。这种方法即便可行，它的加工制造成本也会显著提高。而误差补偿则是通过人为的制造一种新的误差去抵消或减弱当前成为问题的原始误差，这种方法相比于误差防止更加经济和高效。目前大多数的研究者提出了许多的误差补偿方法，根据误差补偿的依据(或补偿对象)不同，数控滚齿机误差补偿包括：机床的热误差补偿、几何误差补偿和传动链误差补偿。其中对数控滚齿机几何误差和热误差补偿的专利比较多。例如，基于数控滚齿机热误差补偿的专利有cn106483928，cn105397560等，这类误差补偿属于动态误差补偿，需要对加工过程中机床和工件的热量实时监测，要考虑机床和工件受热变形引起的综合加工热变形误差，确定其补偿模型的算法往往比较复杂。基于几何误差中偏心误差、跳动误差和传动误差补偿的专利有cn101970164，cn103817380，cn2485081等，这类误差补偿主要是通过借助现代信号分析处理手段对数控滚齿机机床加工过程的几何误差进行测量，根据测量得到的信息建立加工过程的动态误差预测模型，预测在实际加工过程中的误差，计算正式加工的轨迹偏离量，从而对加工过程中相应环节进行误差补偿。

以上专利都是关于滚齿机机床的系统误差的补偿，通过测量滚齿机机床的各种系统误差，然后对各个误差进行消减，以此来达到降低加工误差，实现齿轮加工误差的补偿，这种方法存在的问题是：由于需要对误差源进行实时监控和测量，操作麻烦，成本高，针对大齿轮质量大、直径大、不易重复装夹等特点，传统的几何误差补偿方法已不再适用。

技术实现要素：

本发明的目的是以大齿轮的齿距累积偏差为补偿对象，提供一种基于谐波分解的大齿轮滚齿加工齿距误差在机补偿方法，该方法可以实现对数控滚齿机加工误差的控制和补偿，提高滚齿加工的精度。

为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种基于谐波分解的大齿轮滚齿加工齿距误差在机补偿方法，包括如下步骤：

1)利用齿轮在机测量系统对带有加工余量的大齿轮进行齿距累积偏差的测量，得到齿距累积偏差的测量数据fpki。

[fpki]i＝1，2,3,…,z(1)

2)将齿距累积偏差数组fpk通过离散傅里叶变换，求取齿距累积偏差曲线的幅值谱和相位谱。

式中，an为n次谐波的幅值，为n次谐波的相角。

3)①通过滤波取出幅值an大于等于阈值t的幅值进行补偿。

即令：an≥t得到：m≤n≤p(3)

②根据①得到的补偿谐波分量，建立误差补偿函数

方程为：

式中：cmpj为第j个齿的误差补偿量

③针对补偿运动的不同，根据②的误差补偿函数，计算各补偿运动的补偿量；

4)将得到的误差补偿量，导入数控滚齿机的数控系统，控制滚刀与工件之间的啮合关系，实现滚齿加工齿距误差在机补偿。

上述步骤3)----③中，当补偿运动为机床回转工作台转动时，机床回转工作台转速改变量cp为：

cp＝cmpj(5)

上述步骤3)----③中，当补偿运动为滚刀转动时，滚刀转速改变量cg为：

cg＝cmpj*i12(6)

其中：i12为传动比。

上述步骤3)----③中，当补偿运动为滚刀轴向周期运动时，滚刀轴向周期运动量cgz为：

cgz＝cmpj*i12*p(7)

其中，p为滚刀螺距，i12为传动比。

上述步骤4)得到的误差补偿量，以误差补偿信号或生成加工补偿nc代码的形式导入数控滚齿机的数控系统中。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明通过在机测量系统所测得的大齿轮齿距累积偏差，采用谐波分解的方法求出补偿量，通过控制滚刀和工件之间的运动关系进而实现滚齿加工齿距误差的在机补偿。不需要对整个加工过程中机床系统误差进行实时监控，能够根据测量的齿距累积偏差的结果来调整滚齿加的加工参数，简单方便，容易操作，且节约加工成本。

2、本发明提供的方法可以在各种数控系统下运行。初步试验表明，经过齿距累积偏差补偿加工后，齿轮齿距累积偏差可以减少到原齿轮齿距累积偏差的将近2/3，即齿轮齿距偏差减少了将近1/3。应用这种方法，通过齿距累积偏差的分析处理和加工补偿，能够大大提高加工精度，并且成本低，操作简便。

3、本发明减少了传统对机床系统误差进行补偿所需的繁琐的误差信号采集和处理环节，以较低的补偿成本和简单的操作，实现了齿轮齿距误差的在机补偿，提高了数控滚齿机的加工精度。

附图说明

图1是本发明中齿轮齿距误差在机补偿方法流程图；

图2为本发明实施例1～3中利用将补偿信号插入数控滚齿机伺服系统进行加工误差补偿的原理图；

图3为本发明实施例4～6中利用nc加工补偿代码对加工误差进行补偿的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明是一种基于谐波分解的大齿轮滚齿加工齿距误差在机补偿方法，由于齿距累积偏差是多种误差源综合作用产生的结果，所以要想对齿轮的齿距误差在机补偿，就需要对齿距累积偏差的测量数据进行谐波分解处理，利用离散傅里叶变换求取齿距累积偏差曲线的幅值谱和相位谱，通过所求得的幅值谱和相位谱构造误差补偿模型数学方程，根据齿轮啮合原理求解出误差补偿量，利用补偿计算机产生误差补偿信号或生成数控加工nc代码，通过这两种方法控制数控滚齿机滚刀和工件之间的啮合关系，实现滚齿加工齿距误差的在机补偿。

为实现滚齿加工齿距误差在机补偿，对带有加工余量的大齿轮齿距累积偏差进行在机测量，利用谐波分解的方法进行数据处理，导入误差补偿数学模型求解出补偿量，然后对数控滚齿机的补偿加工进行控制。

设计原理：本发明以含有加工余量的大齿轮为对象在机测量其齿距累积偏差，通过离散傅里叶变换对测量后的齿距累积偏差进行谐波分解，分别求出齿距累积偏差中不同频率分量的幅值和相位，然后根据这些频率分量，求解出误差补偿量，将补偿量插入到滚齿加工过程中，控制滚刀与齿坯之间的啮合关系实现大齿轮齿距误差的在机补偿。

参见图2，本发明所提供的一种基于谐波分解的大齿轮滚齿加工齿距误差在机补偿方法，采用谐波分解后求出误差补偿量，将误差补偿信号插入数控系统的伺服系统进行加工误差补偿。根据误差信号插入数控机床伺服系统的不同，本实施方式可以分为改变机床回转工作台转速的补偿方式、改变滚刀转速的补偿方式和通过滚刀周期性轴向运动进行的补偿方式。

实施例1：改变机床回转工作台转速对滚齿加工齿距误差进行补偿，具体包括如下步骤：

1)通过对带有加工余量的齿轮进行在机测量，得到齿轮的齿距累积偏差数据fpki

[fpki]i＝1，2,3,…,z(1)

即得到：k个齿齿距累积偏差fpk；

2)将1)中测得的数据采用离散傅里叶变换进行谐波分解，求出幅频谱和相频谱

式中，an为n次谐波的幅值，为n次谐波的相角；

3)利用齿距累积偏差数学补偿模型求解出误差补偿量(即机床回转工作台的转速该变量cp)，步骤如下：

①通过滤波取出幅值an大于等于阈值t的幅值进行补偿

即令：an≥t得到：m≤n≤p(3)

②根据①得到的补偿谐波分量，建立误差补偿函数

方程为：

式中：cmpj为第j个齿的误差补偿量

③中，当补偿运动为机床回转工作台转动时，机床回转工作台转速改变量cp为：

cp＝cmpj(5)

4)补偿计算机将误差补偿值转化为脉冲信号(对于以脉冲作为输入量的伺服系统)，然后将上述信号加到数控滚齿机的回转工作台的伺服环的控制信号中，控制机床回转工作台的瞬时转速，调整滚刀与工件之间的传动比，从而实现齿轮齿距误差的补偿。

实施例2：改变滚刀转速对滚齿加工齿距误差进行补偿，具体包括如下步骤：

1)通过对带有加工余量的齿轮进行在机测量，得到齿轮的齿距累积偏差数据fpki

[fpki]i＝1，2,3,…,z(1)

即得到：k个齿齿距累积偏差fpk；

2)将1)中测得的数据采用离散傅里叶变换进行谐波分解，求出幅频谱和相频谱

式中，an为n次谐波的幅值，为n次谐波的相角；

3)利用齿距累积偏差数学补偿模型求解出误差补偿量(即滚刀转速该变量cg)，步骤如下：

①通过滤波取出幅值an大于等于阈值t的幅值进行补偿

即令：an≥t得到：m≤n≤p(3)

②根据①得到的补偿谐波分量，建立误差补偿函数

方程为：

式中：cmpj为第j个齿的误差补偿量

③，当补偿运动为滚刀转动时，滚刀转速改变量cg为：

cg＝cmpj*i12(6)

其中：i12为传动比。

4)通过d/a转换器将误差补偿值转化为模拟信号(以模拟量作为输入量的伺服系统)，然后将上述信号加到数控滚齿机滚刀伺服环的控制信号中，控制滚刀的瞬时转速，调整滚刀与工件之间的传动比，从而实现齿距误差的补偿。

实施例3：通过滚刀周期性轴向运动对滚齿加工齿距误差进行补偿，具体包括如下步骤：

1)通过对带有加工余量的齿轮进行在机测量，得到齿轮的齿距累积偏差数据fpki

[fpki]i＝1，2,3,…,z(1)

即得到：k个齿齿距累积偏差fpk；

2)将1)中测得的数据采用离散傅里叶变换进行谐波分解，求出幅频谱和相频谱

式中，an为n次谐波的幅值，为n次谐波的相角；

3)利用齿距累积偏差数学补偿模型求解出误差补偿量(即滚刀轴向周期运动量cgz)，步骤如下：

①通过滤波取出幅值an大于等于阈值t的幅值进行补偿

即令：an≥t得到：m≤n≤p(3)

②根据①得到的补偿谐波分量，建立误差补偿函数

方程为：

式中：cmpj为第j个齿的误差补偿量

③当补偿运动为滚刀轴向周期运动时，滚刀轴向周期运动量cgz为：

cgz＝cmpj*i12*p(7)

其中，p为滚刀螺距，i12为传动比。。

4)补偿计算机将误差补偿值转化为脉冲信号(对于以脉冲作为输入量的伺服系统)或通过d/a转换器将误差补偿值转化为模拟信号(以模拟量作为输入量的伺服系统)，然后将上述信号加到数控滚齿机的回转工作台的伺服环的控制信号中，控制滚刀在轴向进行周期性运动，调整滚刀与工件之间的传动比，从而实现齿距误差的补偿。

参见图3，该实现方法采用将含有补偿量的nc代码输入数控滚齿机的控制系统，控制滚刀和工作台的啮合运动，实现齿轮加工误差的补偿。根据实现补偿运动的部件不同，本实施方式也可以分为改变机床回转工作台转速的补偿方式、改变滚刀转速的补偿方式和通过滚刀周期性轴向运动进行的补偿方式。

以下实施例4、5和6的步骤1)、步骤2)和步骤3)与实施例1、2和3分别相同，简述，不同之处是步骤4)。

实施例4：改变机床回转工作台转速对滚齿加工齿距误差进行在机补偿，包括如下步骤：

1)通过对带有加工余量的齿轮进行在机测量，得到齿轮的齿距偏差数据，即：k个齿齿距累积偏差fpk；

2)将1)中测得的数据采用离散傅里叶变换进行谐波分解，求出幅频谱和相频谱；

3)利用齿距累积偏差数学补偿模型求解出误差补偿量(即机床回转工作台转速该变量cp)，具体公式如(5)所示；

4)根据补偿量编写nc数控加工补偿程序，编程步骤如下：首先计算滚刀轴与工作台之间的啮合关系，然后将滚齿加工过程离散化，接着再将补偿函数插入滚齿离散过程，使机床回转工作台瞬时转速依据补偿函数进行改变，生成加工补偿nc代码，最后将含有控制滚刀转速该变量的nc程序输入滚齿机的控制系统；进行补偿加工，实现齿轮的齿距误差的补偿。

实施例5：通过改变滚刀转速对滚齿加工齿距误差进行在机补偿，具体包括如下步骤：

1)通过对带有加工余量的齿轮进行在机测量，得到齿轮的齿距累积偏差数据，即：k个齿齿距累积偏差fpk；

2)将1)中测得的数据采用离散傅里叶变换进行谐波分解，求出幅频谱和相频谱；

3)利用齿距累积偏差数学补偿模型求解出误差补偿量(即滚刀转速该变量cg)，具体公式如(6)所示；

4)根据补偿量编写nc数控加工补偿程序，编程步骤如下：首先计算滚刀轴与工作台之间的啮合关系，然后将滚齿加工过程离散化，接着再将补偿函数插入滚齿离散过程，使滚刀的瞬时转速根据补偿函数改变，生成加工补偿nc代码，最后将含有控制滚刀转速该变量的nc程序输入滚齿机的控制系统；进行补偿加工，实现齿轮的齿距误差的补偿。

实施例6：通过滚刀轴向周期运动对滚齿加工齿距误差在机补偿，具体包括如下步骤：

1)通过对带有加工余量的齿轮进行在机测量，得到齿轮的齿距累积偏差数据，即：k个齿齿距累积偏差fpk；

2)将1)中测得的数据采用离散傅里叶变换进行谐波分解，求出幅频谱和相频谱；

3)利用齿距累积偏差数学补偿模型求解出误差补偿量(即滚刀轴向周期运动量cgz)，具体公式如(7)所示；

4)根据补偿量编写nc数控加工补偿程序，编程步骤如下：首先计算滚刀轴与工作台之间的啮合关系，然后将滚齿加工过程离散化，接着再将补偿函数插入滚齿离散过程，使滚刀轴向周期运动依据补偿函数进行改变，生成加工补偿nc代码，最后将含有控制滚刀转速该变量的nc程序输入滚齿机的控制系统；进行补偿加工，实现齿轮的齿距误差的补偿。

本发明上述主体范围不仅局限于上述具体实施方式，在不脱离本发明上述思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。