一种基于对称度误差在线检测及补偿的深孔内键槽插削加工方法与流程

本发明涉及一种基于对称度误差在线检测及补偿的深孔内键槽插削加工方法。

背景技术

近年来，随着机械产品向精密化、复杂化和小型化方向不断发展，对零件几何公差的要求越来越高，使得几何误差的测量和评定变得愈加困难，如何准确获取零件的几何误差逐渐成为工程师们关心的热点问题。作为一种具有高精度要求的核心传动零件，深孔内键槽的高效加工问题已被广泛关注。在其加工过程中，夹具定位精度误差、检测装置测量误差、机床调整误差等造成的零件几何误差是不可避免的，而先进的形位误差评定理论及算法、精密的测量技术和装置及有效的误差补偿加工方法是减小几何误差的重要手段。

目前研究主要集中在平面对称度的测量和评定方面，而针对空间对称度误差的测量及评定方法仍然缺少具体的研究。

传统深孔内键槽的加工通常采用拉削、刨削、铣削及插削等手段，这些加工方法具有各自的加工特点，但在其加工过程中，往往受工装夹具、检测手段等条件的影响较大，容易造成加工精度差、无法满足高对称度要求及加工效率低等问题。

当前研究内容涉及的夹具设计、加工方法等仍然不能有效满足高精度、高效率及高自动化程度的要求，仍然摆脱不了每件工件反复找正的低效率加工问题、无法有效检测和控制对称度的问题。同时，鲜有研究人员展开有关圆周四等分键槽与圆周基准通槽对称度控制及精密加工方法及具体工程实例的研究。

因此，展开深孔内键槽对称度误差在线检测及补偿加工方法的研究势在必行且大有可为。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于对称度误差在线检测及补偿的深孔内键槽插削加工方法，通过以空间可旋转、平移物体为研究对象，基于空间投影、正交组合及线性拟合理论，建立空间对称度误差的数学模型，将空间对称度误差分离为拟合直线与基准直线的夹角误差和位移误差，通过夹角回转、位置测量和定量平移的方式实现了对称度误差的补偿。在此基础上，设计双层组合式自定心夹具和联机式多自由度在线检测装置，通过开发对称度误差在线检测数控程序、运用定角度加工功能以及优化的测量方法，实现深孔内键槽对称度误差在线检测及补偿的高效、高精、批量加工。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：一种基于对称度误差在线检测及补偿的深孔内键槽插削加工方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

针对圆周四等分深孔内键槽加工精度不高、加工键槽与基准通槽对称度较难控制及加工对称度较差等问题，在分析产生对称度超差的基础上，运用形位公差测量原理，结合空间对称度误差测量及评定方法，提出利用投影直线与基准直线夹角的方式确定对称度误差及基于对称度在线检测及补偿的新式加工方法；

建立空间对称度误差检测及补偿数学模型：

为了实现空间可旋转、平移物体对称度误差的有效补偿，将其分离为被测平面与基准中心平面的角度误差和位移误差。其中，角度误差是以基准旋转轴中心平面为准，用相对于基准旋转轴中心平面与被测平面的夹角来衡量的。在测得基准实际轮廓和被测实际轮廓上各点的坐标值后，将其投影至底面并按以下方法评定各自的对称度角度误差。

分别选择空间物体m上的a和b平面、n上的c和d平面，将其按照长宽等分，并测量等分线的n个均布交点(a1～an,b1～bn,d1～dn,c1～cn)的坐标。各均布交点的坐标值可分别表示为ai(xai,yai,zai)、bi(xbi,ybi,zbi)、ci(xci,yci,zci)及di(xdi,ydi,zdi)，其中i∈[1,n]。利用空间投影法，将所有均布点投影至底面。投影后各点z坐标值为零，其它坐标值保持不变，对应各平面点的坐标分别为a'i(xai,yai)、b'i(xbi,ybi)、c'i(xci,yci)及d′i(xdi,ydi)。

正交组合底面上对应a、b平面的所有投影点并两两相连，构成n²条直线，并求出所有直线的中点，获得中点集为：

同理，c、d平面的所有投影点构成的n²条直线的中点集为：

根据线性拟合理论，求解各中点集的线性拟合方程。设中点集的线性拟合方程为：

y＝ax+b(3)

存在：

同理，设中点集的线性拟合方程为：

y＝cx+d(5)

存在：

将(1)、(2)式分别带入(4)、(6)式，分别求得a、b、c及d如下：

将式(7)中的a、b值代入式(3)，c、d值代入式(5)，分别求得两条拟合直线与基准直线x＝0的夹角为：

基于以上计算结果，可将空间对称度角度误差e表示为：

在已知基准平面(线)的情况下，控制空间物体m逆时针旋转角，即可修正并补偿a、b面相对于基准面(线)的平行度；同理，控制空间物体n顺时针旋转角，即可修正并补偿c、d面相对于基准面(线)的平行度。

为进一步实现物体m、n的对称度误差补偿，需要在以上操作的基础上实现物体n在y轴方向上的平移。进一步完成位置测量值，进而确定物体n需要平移的量并完成平移补偿。

设计了双层组合式手动自定心夹具，实现了径向自定心定位和轴向端面定位，同时，将内置基准通槽参考基面导出并确保其精度能够被有效检测和控制；

设计了联机式多自由度对称度检测装置，提出了利用该装置实现对称度误差量的检测及装置有效控制的基本方法，并在此基础上开发了自动检测对称度误差量的数控程序；

通过采用数控插齿机伺服控制回转轴的角度补偿及斜向让刀的平移补偿方法，并结合数控系统程序控制定角度加工的方式实现了高对称度深孔内键槽的批量加工；结合深孔内键槽加工实例验证了夹具结构及联机式多自由度对称度检测装置具有较好的可靠性，且基于对称度检测及补偿的深孔内键槽插削加工方法能够稳定的控制加工对称度在0.03mm以内，从而验证了此方法的合理性和准确性，为高对称度深孔内键槽的加工提供了一种新的途径。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明所提出的数学模型空间测量点投影示意图，

图2为本发明所提出的数学模型空间对称度误差示意图，

图3为本发明所提出的数学模型空间对称度角度误差补偿后效果图，

图4为本发明所提出的数学模型空间对称度误差定量平移补偿后效果图，

图5为本发明的空间对称度误差检测简式图，

图6为本发明的空间对称度误差补偿简式图，

图7为本发明的数控插齿机与对称度检测控制的深孔键槽插削装置的传动系统图，

图8为本发明的对称度误差在线检测及补偿程序设计流程图。

具体实施方式

本发明是针对专利号为“cn205593507u”、专利名称为“一种基于对称度检测控制的深孔键槽插削装置”所提出的一种加工方法，本发明以该专利为参考文件，对本发明的具体实施过程做出进一步描述。下述的组合式自定心夹具和联机式多自由度在线检测装置就是一种基于对称度检测控制的深孔键槽插削装置。

如图1到8所示，通过以空间可旋转、平移物体为研究对象，基于空间投影、正交组合及线性拟合理论，建立空间对称度误差的数学模型，将空间对称度误差分离为拟合直线与基准直线的夹角误差和位移误差，通过夹角回转、位置测量和定量平移的方式实现了对称度误差的补偿。在此基础上，设计双层组合式自定心夹具和联机式多自由度在线检测装置，通过开发对称度误差在线检测数控程序、运用定角度加工功能以及优化的测量方法，实现深孔内键槽对称度误差在线检测及补偿的高效、高精、批量加工。

针对圆周四等分深孔内键槽加工精度不高、加工键槽与基准通槽对称度较难控制及加工对称度较差等问题，在分析产生对称度超差的基础上，运用形位公差测量原理，结合空间对称度误差测量及评定方法，提出利用投影直线与基准直线夹角的方式确定对称度误差及基于对称度在线检测及补偿的新式加工方法；

建立空间对称度误差检测及补偿数学模型：

为了实现空间可旋转、平移物体对称度误差的有效补偿，将其分离为被测平面与基准中心平面的角度误差和位移误差。其中，角度误差是以基准旋转轴中心平面为准，用相对于基准旋转轴中心平面与被测平面的夹角来衡量的。在测得基准实际轮廓和被测实际轮廓上各点的坐标值后，将其投影至底面并按以下方法评定各自的对称度角度误差。

分别选择空间物体m上的a和b平面、n上的c和d平面，将其按照长宽等分，并测量等分线的n个均布交点(a1～an,b1～bn,d1～dn,c1～cn)的坐标。各均布交点的坐标值可分别表示为ai(xai,yai,zai)、bi(xbi,ybi,zbi)、ci(xci,yci,zci)及di(xdi,ydi,zdi)，其中i∈[1,n]。利用空间投影法，将所有均布点投影至底面。投影后各点z坐标值为零，其它坐标值保持不变，对应各平面点的坐标分别为a'i(xai,yai)、b'i(xbi,ybi)、c'i(xci,yci)及d'i(xdi,ydi)。

正交组合底面上对应a、b平面的所有投影点并两两相连，构成n²条直线，并求出所有直线的中点，获得中点集为：

同理，c、d平面的所有投影点构成的n²条直线的中点集为：

根据线性拟合理论，求解各中点集的线性拟合方程。设中点集的线性拟合方程为：

y＝ax+b(3)

存在：

同理，设中点集的线性拟合方程为：

y＝cx+d(5)

存在：

将(1)、(2)式分别带入(4)、(6)式，分别求得a、b、c及d如下：

将式(7)中的a、b值代入式(3)，c、d值代入式(5)，分别求得两条拟合直线与基准直线x＝0的夹角为：

基于以上计算结果，可将空间对称度角度误差e表示为：

在已知基准平面(线)的情况下，控制空间物体m逆时针旋转角，即可修正并补偿a、b面相对于基准面(线)的平行度；同理，控制空间物体n顺时针旋转角，即可修正并补偿c、d面相对于基准面(线)的平行度。

为进一步实现物体m、n的对称度误差补偿，需要在以上操作的基础上实现物体n在y轴方向上的平移。进一步完成位置测量值，进而确定物体n需要平移的量并完成平移补偿。

设计双层组合式手动自定心夹具，实现了径向自定心定位和轴向端面定位，同时，将内置基准通槽参考基面导出并确保其精度能够被有效检测和控制；

设计联机式多自由度对称度检测装置，提出了利用该装置实现对称度误差量的检测及装置有效控制的基本方法，并在此基础上开发了自动检测对称度误差量的数控程序；

基于数控插削加工原理及按照上文提出的空间对称度误差测量及补偿方法，本文对深孔内键槽进行了加工实验。为了提高加工效率，保证在线测量及补偿过程的高效性，本文仅完成了基准通槽和键槽单面上两点的测量任务。

使用联机式多自由度对称度检测装置完成a、b、a及b点的检测，保存和记录各点的位置坐标，此时满足：

式中，θ1为基准通槽右面与y轴轴线夹角；θ2为基准通槽右面与y轴轴线夹角；m、p、u、v分别为a、b、a、b点在对称度检测装置y轴坐标下的坐标值；

由于c1，c2轴均由伺服电机控制，通过联机式多自由度对称度检测装置完成设定检测点的坐标数据检测后，进一步通过数据计算和处理，可以实现角度误差的自动补偿，从而实现直线度及平面度的自动检测和补偿，依据式(10)、式(11)，可求解得出补偿实现直线度及平面度满足要求的θ1、θ2分别为：

式中，r为a点距离c1旋转轴回转半径；

完成数控插削加工主轴刀具安装通槽与定位基准平面的直线度及平面度在线检测及补偿任务后，即实现了装刀通槽与基准通槽的平行度。

为实现对称度在线检测与控制，需要进一步完成以下任务：

(1)使用联机式多自由度对称度检测装置完成主轴刀具安装通槽与定位基准平面的位置坐标检测；

l＝|hy-hy|(14)

式中，hy为基准通槽右面在对称度检测装置y轴坐标下的坐标值；hy为装刀通槽右面在对称度检测装置y轴坐标下的坐标值；l为基准通槽与装刀通槽右面的坐标差值。

(2)通过调整数控插齿机斜向让刀功能实现y方向坐标调整，完成刀具加工位置的调整，满足y轴补偿量s的要求：

式中，h为基准通槽的标准宽度；h为装刀通槽的标准宽度(也是加工键槽刀具的标准宽度)；s为对称度平移补偿量。

通过采用数控插齿机伺服控制回转轴的角度补偿及斜向让刀的平移补偿方法，并结合数控系统程序控制定角度加工的方式实现了高对称度深孔内键槽的批量加工；

结合深孔内键槽加工实例验证了夹具结构及联机式多自由度对称度检测装置具有较好的可靠性，且基于对称度检测及补偿的深孔内键槽插削加工方法能够稳定的控制加工对称度在0.03mm以内，从而验证了此方法的合理性和准确性，为高对称度深孔内键槽的加工提供了一种新的途径。