一种平面二次包络环面滚刀的测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种平面二次包络环面滚刀的测量方法，属于精密测试技术与仪器、机械传动技术和金属切削刀具领域。该方法基于齿轮空间啮合原理和对应蜗杆的齿面方程，并根据滚刀各项误差的定义，建立滚刀各项误差的数学模型，并对其进行坐标变换，将其分解成测量机三个轴的运动，利用数值求解方法，获取三个坐标的数值解。计算机依据坐标值进行采样路径规划，将坐标值输入数控系统来控制测量机三轴的运动，数据采集系统同步采集三轴光栅值和测头数据，对采集的数据进行数据处理，从而实现对平面二次包络环面滚刀的切削刃螺旋线误差、刃口齿形误差及容屑槽周节误差的高精度测量。
【专利说明】一种平面二次包络环面滚刀的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种平面二次包络环面滚刀的测量方法，属于精密测试技术与仪器、机械传动技术和金属切削刀具领域。
【背景技术】
[0002]平面二次包络环面蜗杆副是在机械工业朝着高速、重载、高效方向发展的背景下产生的，是机械传动中的基础件。这种蜗杆副具有多齿啮合、瞬时双线接触、曲率半径大、接触线与相对滑动速度夹角大等特点，使其承载能力大、传动效率高、易自动润滑、使用寿命长。
[0003]随着科学技术的发展，对环面蜗杆传动系统的精度提出了越来越高的要求，而利用展成法加工蜗轮的平面二次包络环面滚刀，由于其形状复杂，又缺乏检测手段，其质量控制一直是平面二次包络环面蜗杆副生产中的技术难题，这也影响了平面二次包络环面蜗杆这一优点突出的蜗杆传动性能展现和实际应用的扩大。
[0004]迄今对平面二次包络环面滚刀的研究主要集中在数字化建模方面:如直锥面二次包络环面蜗杆蜗轮滚刀的螺旋面方程、刃口方程、螺旋升角及侧刃后角计算公式等。
[0005]平面二次包络环面滚刀的精密测量成为了这一领域的研究空白。为提升平面二次包络环面蜗杆传动的质量，加快环面蜗杆传动的推广应用，急需解决二次包络环面滚刀的测量问题。
【发明内容】
[0006]为了实现平面二次包络环面滚刀的测量，本发明提供了一种专用滚刀测量机，可以对平面二次包络环面滚刀的切削刃螺旋线误差、刃口齿形误差及容屑槽周节误差进行高精度测量。
[0007]本发明解决技术问题所采用的方案参照国家标准(GB/T6084-2001)齿轮滚刀通用技术条件。平面二次包络环面滚刀测量所采用的方法包括如下步骤:
[0008]1、建立滚刀各项误差的数学模型
[0009]i)根据空间啮合原理建立平面二次包络环面滚刀对应蜗杆的齿面数学模型，如公式(I)所示:
[0010]
【权利要求】
1.一种平面二次包络环面滚刀的测量方法，其特征在于:根据空间啮合原理，建立平面二次包络环面滚刀对应蜗杆的齿面数学模型，以滚刀切削刃螺旋线误差、刃口齿形误差和容屑槽周节误差的定义为约束，得到误差项的数学模型；将所述的三项误差的数学模型进行坐标变换，将坐标系方向转化为绕滚刀回转轴的转动、沿滚刀轴向的移动和沿滚刀径向的移动这三个方向，利用迭代法求出经坐标变换后的数值解，并将数值解编辑成数组待用；利用平面二次包络环面滚刀测量机确定滚刀的喉平面位置；以滚刀切削刃螺旋线误差、刃口齿形误差和容屑槽周节误差的数学模型为基础，对数据采集系统获得的测量数据进行误差补偿，利用刃口识别技术，使用密集采样法求解平面二次包络环面滚刀的切削刃螺旋线误差、刃口齿形误差和容屑槽周节误差，并绘制误差曲线，最终完成平面二次包络环面滚刀的测量。
2.根据权利要求1所述平面二次包络环面滚刀的测量方法，其特征在于:测量方法采用一种卧式或立式滚刀测量机实现；被测滚刀可转动地支持在两顶尖之间，滚刀由步进电机通过机械传动减速机构驱动，测头采用锥底平面形二维测头，可测得X方向和Z方向误差值；测量角度的圆光栅与被测滚刀同步转动，长光栅与测头通过联结件形成一体测量长度，长光栅设置在被测滚刀轴向与径向的延伸线上，并可沿该延伸线移动，光栅与测头分别支承在静压气浮导轨上，由另一个步进电机通过机械传动减速机构带动，作步进式移动；两个步进电机由计算机操纵协调转动，计算机依据坐标值进行采样路径规划，将坐标值输入数控系统来控制测量机各轴的运动，数据采集系统同步采集各轴光栅值和测头数据，对采集的数据进行数据处理，从而实现对平面二次包络环面滚刀的切削刃螺旋线误差、刃口齿形误差及容屑槽周节误差的高精度测量。
3.根据权利要求1所述平面二次包络环面滚刀的测量方法，其特征在于:建立平面二次包络环面滚刀对应蜗杆的齿面数学模型，以滚刀切削刃螺旋线误差、刃口齿形误差和容屑槽周节误差的定义为约束， 得到误差项的数学模型: 根据空间啮合原理建立平面二次包络环面滚刀对应蜗杆的齿面数学模型，如公式(I)所示:
X1 - -X2 cos φ1 cos φ2 + y2 cos φι sin φ2 - z2 sin φι + a cos φχ
= sin (p、cos φ? - v, sin q' sin φ? - z，cos φ、- a sin φχ
Z1 - -X2 sin φ2 — y2 cos
Xn-U
<v，= -rh + / sin β
= i cosβ
cos R
"(sin β cos φ、H--—) + (rh sin (6), - ￡/) sin β
_ h-y — t =-y-1sin%⑴ 其中S1 (O1-X1, Y1, Z1)和S2(C)2-X2, y2, z2)分别是与平面二次包络环面蜗杆和蜗轮固连的运动坐标系，只是蜗杆自起始位置绕回转轴转过的角，％是蜗轮自起始位置绕回转轴转过的角，建立一个轴线与蜗轮轴线重合的圆锥，并且母平面与该圆锥相切，u是母平面上点到母平面与圆锥切线的距离，t是母平面上该点处与u垂直的轴上的坐标值，i12是蜗杆与蜗轮的传动比，a是蜗杆与蜗轮的中心距，rb是蜗轮的主基圆半径，β是蜗轮的母平面倾斜角，在二包滚刀测量机上新建一运动坐标系S (0-Χ, Y, Ζ)，使S (0-Χ, Y, Ζ)与S1 (O1-X1, Y1, Z1)重合，因此上述公式在机床的测量坐标系中可表示为f (X，Y, Z)=0 ； 切削刃螺旋线误差的数学模型如公式(2)所示:
4.根据权利要求1所述平面二次包络环面滚刀的测量方法，其特征在于，刃口识别技术及密集采样点法确定平面二次包络环面滚刀的切削刃螺旋线误差，步骤如下: i)刃口识别过程中，测头采用倒锥形测头，其锥底平面与回转轴Z轴平行。当测头接触滚刀齿面后，测头座仍然按既定速度沿Z轴运动，同时滚刀按既定转速回转；ii)将采样起始点对应各光栅初值设为0，得到任一采样点的螺旋线误差，即此点沿Z轴的光栅读数与测头读数的和，减去理论运动距离； iii)当测头完成扫描后，计算机依次求出各采样点的螺旋线误差，各采样点的螺旋线误差最大值对应的点就是要识别的刃口对应点，对应值即为此切削刃口点的螺旋线误差。
5.根据权利要求1所述平面二次包络环面滚刀的测量方法，其特征在于，平面二次包络环面滚刀切削刃口齿形误差测量，步骤如下: i)以权利要求3为基础，根据所述刃口识别技术，测头沿螺旋线轨迹得到待测齿齿根附近某刃口点处的光栅读数及测头数据； ii)各轴停止运动，滚刀径向Y轴反方向偏置10-20μ m，同时滚刀反转至原来角度值，Z轴方向按照权利要求2中切削刃口齿形理论公式下降相应的ΛΖ高度，测头再次接触齿面； iii)重复步骤ii)，从而同步获取待测齿一系列刃口点处的光栅读数及测头数据，对数据采集系统获得的测量数据进行误差补偿，求解切削刃口齿形误差，并绘制误差曲线，最终完成刃口齿形误差测量。
6.根据权利要求1所述平面二次包络环面滚刀的测量方法，其特征在于，测量误差修正:在测量过程中，螺旋线上各点处的法向量沿着滚刀径向Y方向的投影ΛΥ是变化的，而滚刀测量机测头在测量过程中沿着Y方向是不动的，Y方向投影的变化导致回转轴向Z方向引入测量误差ΛΖ。利用各点处的导程角Y计算Z方向引入的误差量，AZ=AYtanY,实现对测量误差的修正。
7.根据权利要求1所述平面二次包络环面滚刀的测量方法，其特征在于，平面二次包络环面滚刀的测量方法在立式滚 刀测量机和卧式滚刀测量机中均适用。
【文档编号】G01B21/20GK103791869SQ201410054895
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】石照耀, 闫璐, 于渤 申请人:北京工业大学