（機械電子工程專業(yè)論文）零傳動數(shù)控臥式滾齒機零編程方法及誤差補償技術(shù)研究.pdf

中文摘要 摘要 齒輪是機械行業(yè)量大面廣的基礎(chǔ)件，在生產(chǎn)和制造領(lǐng)域占有極其重要的地位。 滾齒是齒輪加工的重要手段。相對于傳統(tǒng)手工編程以及c a d c a m 自動編程，滾 齒加工的零編程方法具有優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定的特點；制約滾齒加工精度提高的主 要因素在于誤差的普遍存在，因此，對滾齒誤差及其補償技術(shù)的研究具有重要意 義。本論文以零傳動數(shù)控臥式滾齒機為對象，一方面研究其零編程方法，一方面 研究其誤差及補償技術(shù)。 滾齒加工的零編程數(shù)學(xué)模型，是滾齒零編程方法實現(xiàn)的前提和關(guān)鍵。本文首 先針對零傳動數(shù)控臥式滾齒機，建立了圓柱齒( 單、雙聯(lián)) 、圓錐齒以及鼓形齒的零 編程數(shù)學(xué)模型，為滾齒零編程方法的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。在誤差機理研究上，本文運 用標準齊次坐標變換方法，結(jié)合滾刀和工件之間聯(lián)結(jié)鏈的封閉性，建立了零傳動 數(shù)控臥式滾齒機幾何和熱誤差的誤差運動綜合數(shù)學(xué)模型。然后，在滾齒誤差以及 零傳動數(shù)控臥式滾齒機主要誤差源分析的基礎(chǔ)上，進行了工件軸和滾刀軸的熱變 形試驗并對試驗結(jié)果進行了分析。在此基礎(chǔ)之上，將一般數(shù)控機床熱誤差補償方 法引入滾齒機熱誤差補償領(lǐng)域，提出了誤差補償與零編程的集成。 在上述研究基礎(chǔ)上，基于西門子8 4 0 d 數(shù)控系統(tǒng)的開放性，采用、v c 開 發(fā)軟件和o e m 開發(fā)平臺，在系統(tǒng)功能模塊設(shè)計和程序結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成了 零傳動數(shù)控臥式滾齒機的零編程及誤差補償系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)具備自動生成n c 代 碼、實時顯示機床信息、文檔管理、參數(shù)校核、簡易誤差補償?shù)裙δ?；界面簡潔?直觀，操作簡單、方便。 關(guān)鍵字：滾齒，零編程，誤差，誤差補償，二次開發(fā) 英文摘要 a b s t r a c t g e a ri saw i d e l yu s e de l e m e n ti l lm a m l f a c t u r i n gi i l d l i s t r y 鋤dp l a y sav c q i m p o n 暑m tr o l ei 1 1m a n u f a c t u 】婦g h o b b i i 培i sa i li m p o r t 鋤tm e a i l sf o rg e a rm a n u f a c 嘶n g c o m p a r e d 晰廿lm em 甜l o d so f 衄d i t i 伽【a lm 繃lp r o 蓼鋤m i n g 缸dc a d c a m a u t o m a t i cp r o 留煳i n g ，z e - p r o 伊煳i n gt e c h n o l o g yf 0 r g e a rh o b b i n gh a st l l e c h 盯a c t e r i s t i c so fl l i 曲q 砌咄h i 曲e f f i c i e n c y 鋤dl l i 曲s 劬i l 咄n ep r e v a l e i l c eo f e r r o r sh 勰c o n 蚰阻i i l e dt l l ei m p r 0 v e m 鉍to fm a c h i l l i i 培a c c 啪c y t h e r c f o r e ，廿l es n j d yo f e 仃0 r s 鋤dt 1 1 e i rc o m p e n s a t i o ni so fg r e a ts i 印i f i c a l l c e h l 也i sp a p 、et a k e 為6 1 0 c n ch 耐z o n t a lg e 盯h o b b 噸m a c h i l l et o o l 勰m eo b j e c t o nm e0 n eh a i l d ，i t s 硫e 1 1 i g e n t p r o g 咖n m i i l gt e c l l i l o l o g yi s 咖d i e d ；o nm eo t l l e rh 鋤也i t se n 0 rs i 饑l t i o ni sa i l a l y z e d a n di t se r r o rc o m p e n s a t i o nt e d m 0 1 0 9 yi ss t u d i e d h 1o r d e rt 0 縱i h i e v ez e p r 0 母黝i i 培r ) rg e a rh o b b i n g ，l ee s t a b l i s l l i i l e n to f l e m a m e m a t i c a lm o d e lf 0 rz e r 0 - p r 0 伊黜i 1 1 9i sm ep 瞅n i s ea n dt l l ek e yp o 硫f i r s to f a l l ， y 磁610g e a rh o b b i n gm c h i n et 0 0 l 弱m e0 b j e 鴨c y l i i l d e r ( s i n g l e ，d o u b l e ) ，b e v c la i l d c r 們mg e a r s m a t l l e m a t i c a lm o d e l sf 0 rz e r o - p r o 伊粕：l i l l i i 培a r ee s t a b l i s h e di l lm i sp a p e r 1 1 1 i sl a y sr ) 蛐d a l i o nf o rt l l ea c h i e v e m e n to fz e r 0 - p r 0 舯| 蚴i n gf o rg e a rh o b b 崦t o 咖d ym em e c h a n i s mo fg e a rh o b b i i 培e i r o r c o n s i d e r i n g l ec l o s e n e s so ft i l el i i l kc h a i l l b e t 、) l ，e e nh o ba n dw o 卻i e c e ，n l e 鈕0 rs ) ，i 曲e s i sm o d e lo f 0 61 0i sd e r i v e db yt 1 1 e h o m o g e n e o u sc o o r d i n a t e 慨l s f 0 姍a t i o nm e t h o 西w h i c hc 0 v e r sn o to n l yg e o m e 仃i c e r r o 瑙b u ta l s on l et l l e r m a le r r o r s o n 缸l eb a s i so fm ea n a l y s i so fg e a rh o b b i n ga 1 1 dm e 觚a l y s i so f 吐l em 也e n o rs o u r c e so f 0 6 1o ，n l e n i l a ld i s t o r t i o nt e s t so fm eh o ba x i s a n d 也ew o f k p i e c ea x i sa r ec a 玎i e do m a n dn l er e s u l t so ft 1 1 et cs t sa r ea n a l y z e d 0 1 1 1 廿l i s b a s i s ，n l en l e m a le 冊rc o m p e n s a t i o nm e t l l o df o rg e l l e r a la 呵cm a c h 協(xié)et o o li s i i l 仃0 d u c e dt 0t l l ef i e l do fg e a rh o b b i i l gm a c h i i l et 0 0 1 a n d 吐l 鋤a le r r o rc o m p e n s a t i o n s c h e m ei s s i m p l i f i e dt 0a c h i e v em ei 1 1 t e 伊嘶o no fz e r o - p r 0 鯽m i n g 鋤de r r o r c o m p e n s a t i o n o nt 1 1 eb a s i so fa _ b o v e - m c n t i o n e ds t u d y ，b a s e do nn l e0 p e na r c l l i t e c t u r eo f s 啪r 8 4 0 d ，v c + + a i l do e md e v e l o p m e n tp l a t f 0 肌b e 噸u s e d ，撕m e d e s i 盟o fs y s t e i nf h n c t i o nm o d u l e sa l l dp r o 薩l ms t r u 【咖r e ，z e r 0 - p r o 筍a i i u n i r 培鋤de n 0 r c o m p e i l s a t i o ns y s t e mf o ry 酗6 1 0g e a r1 1 0 b b i n gm a c h i l l et o o li sd e v e l o p e d 1 1 1 es y s t e m h 弱m e 血n c t i o n so fg e n e 枷n gn cc o d ea u t o m a t i c a l l y ，d i s p l a y i n gr e a l t i m em a c h i n e i 1 1 f 0 】瓶a t i o n ，m a l l a g i l l gd o c 啪e 鴝c h e c k i l l go u t 廿l ei n p 似e dp 髓n e t i 璐，觚ds i m p l e m 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 鋤0 rc o n l p e n s a t i o n 如n c t i o n 1 1 1 es y s t e mh 硒s i n l p l e 鋤di m u i t i v e c e s ，鋤dc 觚b e 0 p e r a _ t e de 嬲i l y 鋤dc o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：g e a rh o b b i n g ，z e r 0 一p r o g r a m m i n g ，e r r o r ，e 舯rc o m p e n s a t i o l l ， r e d e v e l o p m e n t 學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 弓坦 或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文 中作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：勞寸1 鈿 簽字日期： 導(dǎo)師簽名：簽字日期： 學(xué)位論文使用授權(quán)書 本人完全了解重慶大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。本人完全同意中 博碩學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫中全文發(fā)表。中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫、中 國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫可以以電子、網(wǎng)絡(luò)及其他數(shù)字媒體形式公開出 版，并同意編入c n k i 中國知識資源總庫，在中國博碩士學(xué)位論文評價數(shù)據(jù) 庫中使用和在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，同意按“章程 規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益和承擔相應(yīng)義 務(wù)。本人授權(quán)重慶大學(xué)可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公開 論文的全部或部分內(nèi)容。 、? 奢 作者簽名：盔生丑魚 導(dǎo)師簽名： 叢二竺：翌蘭； 出呻年月哆日 | j 備注。審核通過的涉密論文不得簽署口授權(quán)書一，須填寫以下內(nèi)容： 該論文屬于涉密論文，其密級是，涉密期限至 年一月一日。 1 緒論 1緒論 1 1 課題背景和研究意義 1 1 1 課題背景 本課題來源于國家自然科學(xué)基金資助項目“基于零傳動原理的高速、高精度 齒輪加工機床關(guān)鍵技術(shù)研究 ( 批準號：5 0 5 7 5 2 3 2 ) ，本文研究內(nèi)容是上述項目的 組成部分。 齒輪是工業(yè)生產(chǎn)中量大面廣的基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用于航空、兵器、機床、汽車、 工程機械等領(lǐng)域，在生產(chǎn)和制造領(lǐng)域占有極其重要的地位。齒輪加工機床種類繁 多，加工方法也各不相同，而滾齒加工則是齒輪加工方法中應(yīng)用最廣泛的一種， 一些國家滾齒機的擁有量約占所有齒輪機床總量的4 5 5 0 【1 1 。 普什寧江機床有限公司與重慶大學(xué)機械工程學(xué)院通過1 年時間的緊密合作， 成功研制出“零傳動全數(shù)控高效臥式滾齒機6 1 0 ( 見圖1 ：2 ) 。其最大的亮點是 滾刀主軸回轉(zhuǎn)運動和工件主軸回轉(zhuǎn)運動均去掉一般數(shù)控滾齒機中的高精度齒輪副 或蝸輪副，采用內(nèi)置主軸電機( 電主軸，用于滾刀主軸) 、內(nèi)置力矩電機d r 電機， 用于工件主軸) 分別驅(qū)動( 見圖1 1 ) 。這樣就消除了由于傳動裝置而產(chǎn)生的誤差，其 傳動精度主要決定于反饋裝置的精度。同時還解決了機械傳動鏈中由于磨損造成 的機床精度不穩(wěn)定等問題，因此機床具有很高的精度保持性。直接驅(qū)動技術(shù)的應(yīng) 用，提高了機床的動、靜剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，提高了傳動精度，機床結(jié)構(gòu)更簡單可 靠，除了可以進行精密滾齒外，機床還能進行硬齒面加工和干式切削。 圖1 1 零傳動滾齒機床傳動鏈示意圖 f 毽1 1t r a 地m i s s i o nc h a i ns k e t c ho fd i r 瞅礎(chǔ)v eg e 盯h o b b h l gm a c h i i 他 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 圈12 ( 3 6 1 0 滾齒機三維圈 晦12 m n i o i l a lm p o f g c a r h o b b m g m a c e 協(xié)o l ( 3 6 1 0 1 12 研究意義 數(shù)控機床是近代發(fā)展起來的具有廣闊發(fā)展前景的新型自動化機床，是高度機 電一體化的產(chǎn)品。智能化和高精度是數(shù)控加工追求的兩大目標”。 零編程技術(shù)研究意義 在傳統(tǒng)的加工流程中，數(shù)控加工的程序編寫都采用手工編程方式。手工編程方 法主要的不足之處是：1 1 對編程人員的職業(yè)技術(shù)要求比較高；2 1 編程時容易出錯， 特別是計算和鍵盤輸入程序環(huán)節(jié)更容易出錯，從而影響齒輪的加工質(zhì)量：3 ) 效率 比較低，生產(chǎn)周期長?；赼 p t 語言的自動編程的方法雖然在手工編程的基礎(chǔ)上 有所提高，但必須在零件圖樣的基礎(chǔ)上人工先編制出零件加工源程序，直觀性差， 編程過程比較復(fù)雜：c a d c a m 自動編程，不僅需要昂貴的c a d c a m 軟件，還 需人機交互地建立制造模型，選擇加工方法，指定各種特征幾何參數(shù)，填寫刀具 參數(shù)表等，才能生成刀位軌跡和n c 代碼，對操作人員的專業(yè)技能要求高，交互復(fù) 雜，成本高。 本論文研究的零編程技術(shù)，其核心是通過人機界面輸入特定參數(shù)，調(diào)用工藝 知識庫和運算庫，自動生成數(shù)控( n c ) 程序。零編程技術(shù)在齒輪加工中的研究應(yīng)用 有以下顯著意義： 1 1 編程過程簡單、便捷，顯著降低編程人員工作量和專業(yè)技能要求，提高加 工效率。 2 1 無需使用昂貴的c a 科c a m 軟件，且不需要進行專人技術(shù)培訓(xùn)，從而降低 生產(chǎn)成本。 3 、編程人員水平不同不會造成程序質(zhì)量差異，保證了齒輪加工質(zhì)量的穩(wěn)定性、 一致性。 4 ) 降低機床的使用難度提高國產(chǎn)數(shù)控機床市場競爭力。 l 緒論 誤差補償技術(shù)研究意義 現(xiàn)代機械制造技術(shù)正朝著高效率、高質(zhì)量、高精度、高集成和高智能方向發(fā) 展。精密和超精密加工技術(shù)已成為現(xiàn)代機械制造中最重要的組成部分和發(fā)展方向， 并成為提高國際競爭能力的關(guān)鍵技術(shù)。 提高機床精度有兩種基本方法：誤差防止法和誤差補償法。誤差防止法是試 圖通過設(shè)計和制造途徑消除或減少可能的誤差源。例如通過提高機床部件的設(shè)計 和制造精度減小系統(tǒng)內(nèi)的誤差源影響，并采用嚴格的溫度控制、隔振措施、氣流 擾動及環(huán)境狀態(tài)的控制以消除或減小系統(tǒng)外的誤差源影響。誤差防止法采用的是 “硬技術(shù) ，它雖能減少原始誤差，但靠提高機床制造和安裝精度來滿足高速發(fā)展 的需要有著很大的局限性，即使可能，經(jīng)濟上的代價往往是很昂貴的。誤差補償 法是人為地造出一種新的誤差去抵消當前成為問題的原始誤差，以達到減少加工 誤差，提高零件的加工精度的目的。誤差補償技術(shù)采用的是“軟技術(shù) ，它用很小 的代價便可獲得“硬技術(shù) 難以達到的精度水平，因而以其強大的技術(shù)生命力迅 速被各國學(xué)者、專家所認識，并使之得以迅速發(fā)展和推廣【3 】。時至今日，許多精密 機床、精密儀器及某些精密制造設(shè)備采用了誤差補償技術(shù)。誤差補償技術(shù)已成為 現(xiàn)代精密工程的重要技術(shù)支柱之一【4 】。 資料顯示數(shù)控機床補償技術(shù)的研究不少，齒輪加工的常值性誤差補償研究相 對較多，傳統(tǒng)的對滾齒加工的誤差補償主要是針對工件的安裝偏心、工件臺的運 動等引起的周期性誤差【5 】【6 】川。而齒輪加工中熱致誤差、力致誤差等變值誤差、非 周期性誤差的補償研究很少。齒輪加工的特點，使得齒輪加工較之一般機械加工 更為復(fù)雜。齒輪的誤差分析起來比較麻煩，滾齒加工機床進行動態(tài)誤差補償?shù)碾y 度更大，有關(guān)這方面的誤差補償研究較少。因此，對滾齒誤差及補償研究既具有 一定的挑戰(zhàn)，又有很好的理論和實際意義。 1 2 自動編程與誤差補償研究現(xiàn)狀 1 2 1 齒輪加工自動編程研究現(xiàn)狀 ， 數(shù)控自動編程技術(shù)起源于美國。為了解決數(shù)控加工中程序的編制問題，1 9 5 3 年，麻省理工學(xué)院( d 伺服機構(gòu)實驗室在美國空軍的資助下開始研究數(shù)控自動編 程，并在m 【t 旋風i 型電子計算機上實現(xiàn)了自動編程。該研究成果于1 9 5 5 年公布， 稱為a p t 系統(tǒng)( 血l t o m a t i c a l l yp r o 蓼觚吼e dt 0 0 1 ss y s t e m ) ，其原理如圖1 3 所示咧。 之后進一步發(fā)展a p t 系統(tǒng)，先后形成了a p t ，a p t - m ，a p t - a p t - a c ( a d v 托c e dc 【t o u r i l l g ) 和a p t - s s ( s c u l p t u | e ds u r f a c e ) 。與此同時，世界上許多先 進的工業(yè)國家也都開展了自動編程技術(shù)的研究工作。各主要工業(yè)都開發(fā)自己的數(shù) 控編程語言，這些語言大多借助于a p t 的思想體系，與a p t 語言在語法格式上基 3 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 本類似但各具特點。其中，美國除了開發(fā)a p t 系統(tǒng)之外，還開發(fā)了腳t ， a u t o s t o p 等小型系統(tǒng)。英國開發(fā)的2 c ，2 c l ，2 p c ，德國開發(fā)的e 心t ，法國 開發(fā)的m a p t ，日本開發(fā)的f a p t m 址t 都在一定范圍內(nèi)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。 圖1 3 創(chuàng)阿自動編程原理圖 f i g 1 3 陸c i p l eo f 創(chuàng)叮舢喲m a t i cp r o 鱸吼m i i l g 我國從6 0 年代中期開始數(shù)控自動編程方面的研究，7 0 年代以a p t 為藍本研 制出2 坐標功能的數(shù)控加工自動編程系統(tǒng)s k c 系統(tǒng)、z c x 、，c k y 等。后來研制出 具有復(fù)雜曲面編程功能的c a d 2 5 1 數(shù)控加工繪圖語言等系統(tǒng)，功能從2 維擴大到3 、 4 、5 坐標。近幾年又推出了h z a p t 、e a p t 等微機數(shù)控語言編程系統(tǒng)。 由于計算機技術(shù)發(fā)展十分迅速，計算機圖形處理能力有了很大的增強，因而， 一種可以直接將零件的幾何圖形信息自動轉(zhuǎn)化為數(shù)控加工程序的圖形交互自動編 程方法隨之產(chǎn)生，其實質(zhì)是c 觥舢江集成系統(tǒng)數(shù)控編程，典型的有c 棚a ， m a s t e 疋a m ，p r o e n g i n e e r ，還有e u c l i d ，s u 啦蝴，c i n l a 仃0 n 等。我國北京航天 大學(xué)的c 脫、華中理工大學(xué)的開目c j 蝴、清華大學(xué)g e m s 和西北工業(yè)大學(xué)的 m j p c a d c a m 等是國內(nèi)發(fā)展較好的幾款c a d c j 蝴軟件系統(tǒng)。 1 2 2 誤差補償研究現(xiàn)狀 在國外，從事機床誤差補償技術(shù)比較有影響的有美國的密西根大學(xué)、辛辛那 提大學(xué)、國家標準和技術(shù)所，日本的東京大學(xué)、日立精機、大阪工業(yè)機床，德國 的阿亨大學(xué)、柏林工業(yè)大學(xué)等【9 1 1 1 。其中，尤以密西根大學(xué)最具代表性。密西根大 學(xué)倪軍教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在誤差補償方面取得了令人矚目的成果，1 9 9 6 年與美 國s m s 公司共同研制和開發(fā)了集熱誤差、幾何誤差和切削力誤差為一體的誤差補 償系統(tǒng)，并成功地實施于該公司生產(chǎn)的雙主軸數(shù)控車床上，1 9 9 7 年成功地將熱誤 差補償技術(shù)實施于美國通用( q 舊公司下屬一家離合器制造廠的1 0 0 多臺車削加工 中心上，使加工精度提高一倍以上。他們還為美國波音飛機制造公司的一些加工 設(shè)備實施了誤差補償技術(shù)，使加工波音飛機機翼的巨大龍門加工中心的加工精度 提高了1 0 倍。近幾年，他們又運用小腦模型連接控制器( c m a c ) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了 4 1 緒論 機床熟誤差模型。 國內(nèi)大學(xué)和研究所，如上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、北京機床研究 所、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、臺灣的國立臺 灣大學(xué)和臺中精機公司等在誤差補償方面取得了不少成果n 2 d 4 1 。其中，上海交通 大學(xué)的楊建國教授等在熱誤差魯棒建模技術(shù)、熱誤差補償模型在線建模和在線修 正等內(nèi)容上取得了成果，并將正交實驗設(shè)計理論應(yīng)用于機床熱誤差和溫度的高效 檢測，大幅度減少了試驗次數(shù)和檢測時間。天津大學(xué)機械工程學(xué)院的劉又午教授、 章青教授，北京工業(yè)大學(xué)的范晉偉教授，河北工業(yè)大學(xué)的劉麗冰教授等基于多體 系統(tǒng)理論，推導(dǎo)了多坐標數(shù)控機床，包含幾何誤差和熱誤差的全誤差模型。浙江 大學(xué)對機床誤差補償特別是熱變形研究得比較早和深入，獲得了很多成果，特別 是提出了熱敏感點理論，為在機床上溫度測點的選取和熱誤差建模提供了依據(jù)。 近年來，浙江大學(xué)又進行了人工智能在機床加工誤差補償中的應(yīng)用研究。 總體來說，對數(shù)控機床誤差補償技術(shù)研究進展緩慢，還處于探索階段。機床 發(fā)展到當今的超精密發(fā)展水平，主要依賴于機床系統(tǒng)的不斷精化和改進，如對機 床主軸、導(dǎo)軌、伺服驅(qū)動裝置等設(shè)計、結(jié)構(gòu)和材料等方面的改進【1 5 】。荷蘭著名精 密工程專家s c h e l l e k e l l s 認為“機床誤差補償并不普遍，據(jù)我所知只是有限的應(yīng)用 【4 】。在國外，雖然機床誤差補償技術(shù)有著一定的水平，但在工業(yè)中的應(yīng)用還遠未達 到商業(yè)化程度。這說明誤差補償技術(shù)還有很大的余地可研究和開發(fā)。在國內(nèi)，誤 差補償技術(shù)絕大部分還停留在實驗室范圍內(nèi)。針對滾齒誤差補償?shù)难芯縿t更是少 之又少。 1 3 開放式數(shù)控系統(tǒng)及其二次開發(fā) 現(xiàn)今生產(chǎn)中使用的絕大多數(shù)c n c 系統(tǒng)，所采用的都是專用的封閉式體系結(jié)構(gòu)。 這種專用的封閉式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，雖然結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、產(chǎn)品批量大、生 產(chǎn)成本低，但隨著技術(shù)的進步，市場競爭的加劇，越來越暴露出其固有的缺陷f 1 6 】【1 7 1 。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要研究目的，就是要解決變化頻繁的需求與封閉的控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)之間的矛盾，建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴充的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 m e e 對開放體式控制系統(tǒng)的定義是：開放體式控制系統(tǒng)能在不同廠商的各種 不同平臺上運行，能支持與其他系統(tǒng)的相互操作，并且具有用戶界面的一貫形式。 開放性體現(xiàn)在系統(tǒng)的硬件平臺、軟件平臺及軟硬件連接元素之間的標準、協(xié)議的 開放性【1 8 】。 開放式數(shù)控系統(tǒng)具有四個基本特征：可互操作性、可移植性、檔次皆宜性和 可互換性。有三種不同層次的開放模式【1 9 】： 開放人機控制接口 5 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 人機控制接口o v i a l l m a c h i i l ei n t e 血c e ，枷) 是指有關(guān)操作人員操縱設(shè)各的界 面和編程界面的部分。這種方式允許開發(fā)商或用戶構(gòu)造或集成自己的模塊到人機 控制接口( m m c ) 中。這一方式為用戶提供了靈活制定特殊要求操作界面和操作步 驟的途徑，一般適用于基于p c 作為圖形化人機控制界面的系統(tǒng)中。 開放系統(tǒng)核心接口 這種方式除了提供上述方式的開放性外，還允許用戶添加自己特殊的模塊到 控制的核心模塊中。通過開放系統(tǒng)的核心接口，用戶可以按照一定的規(guī)范將自己 特有的控制軟件模塊加入到系統(tǒng)預(yù)先留出的內(nèi)核接口上，使用戶有可能將不同賣 方的模塊集成上去。 開放體系結(jié)構(gòu) 開放體系結(jié)構(gòu)o s a ( o p s y s t e m 心c h i t e c t u r e ) 的解決方案是一種更徹底的 開放方案。它試圖提供從軟件到硬件，從人機操作界面到底層控制內(nèi)核的全方位 開放。人們可以在開放體系結(jié)構(gòu)的標準及一系列規(guī)范的指導(dǎo)下，按需配置獲得功 能不同、性能各異、價格可控制、不依賴于單一賣方的系統(tǒng)。 開放人機控制接口 開效系統(tǒng)橫心接口 開放體暮結(jié)麓 l m c目日! 自目目! 曼自 霹 層ll 爿工工i 叫tt t 卜 瑩制 口墾勻上 兢屢 圖1 4 數(shù)控系統(tǒng)的開放途徑 f i g 1 4n 鵬ea p p h e so f 觚o p c n cs y s t 鋤 目前數(shù)控領(lǐng)域使用的控制系統(tǒng)一般多為通用型，如車床、銑床和加工中心等。 但對一些特殊的機床如專用磨床、專用位置控制設(shè)備、齒輪加工機床等都要有自 己的專用界面以及一些特定的甚至是附加的功能模塊，這樣才便于對設(shè)備進行操 作和管理，以更好地發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢，提高生產(chǎn)效率。這些數(shù)控系統(tǒng)的專用 二次開發(fā)軟件是由系統(tǒng)制造商、改造商開發(fā)的，設(shè)備制造商或者用戶可以根據(jù)需 要通過購買其二次開發(fā)軟件，對數(shù)控系統(tǒng)進行部分再開發(fā)。數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā) 就是使通用化、商品化的數(shù)控系統(tǒng)用戶化、本土化；以滿足特定用戶的需要。 當然，針對不同的數(shù)控系統(tǒng)，有其不同的二次開發(fā)方式。但是，數(shù)控系統(tǒng)提 供商基本上決定了機床制造商和用戶對其進行二次開發(fā)的方式，二次開發(fā)的層次 6 l 緒論 和方式完全取決于數(shù)控系統(tǒng)的開放層次。 1 4 本論文研究內(nèi)容 本論文以零傳動數(shù)控臥式滾齒機為對象，一方面研究其零編程技術(shù)，一方面研 究其誤差及補償技術(shù)。論文共分為五章，各章的論文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章為緒論部分，介紹了課題的背景和研究意義，并研究了自動編程與誤差 補償?shù)膰鴥?nèi)外現(xiàn)狀； 第二章為零編程建模部分，針對圓柱齒輪( 單、雙聯(lián)) 、圓錐齒輪和鼓形齒輪， 完成了零編程建模； 第三章主要研究零傳動數(shù)控臥式滾齒機的誤差及其補償技術(shù)，完成了誤差運動 建模，誤差分析，熱變形試驗及分析以及補償方案的提出四個方面的工作； 第四章基于西門子8 4 0 d 數(shù)控系統(tǒng)的開放性，采用v b 、v c * 開發(fā)軟件以及 o e m 開發(fā)平臺完成了零編程及誤差補償系統(tǒng)的開發(fā)； 第五章對本文內(nèi)容進行總結(jié)，并提出需要進一步研究及完善的問題。 1 5 本章小結(jié) 本章為本文的緒論，是全文的鋪墊部分。首先，介紹了課題的背景和研究意 義；接著，研究了自動編程與誤差補償?shù)膰鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀；最后，介紹了本文的 章節(jié)結(jié)構(gòu)安排。 7 2 零傳動數(shù)控臥式滾齒機零編程建模 2 零傳動數(shù)控臥式滾齒機零編程建模 2 1 滾齒加工工藝 齒輪齒形的加工方法，有無切屑加工和切削加工兩大類。無切屑加工方法有： 熱軋、冷擠、模鍛、精密鑄造和粉末冶金等。切削加工方法可分為成形法和展成 法兩種，滾齒屬展成法加工，于1 8 9 7 年即被應(yīng)用，是國內(nèi)外應(yīng)用最廣的一種高效 齒廓加工方法【2 們。滾齒加工是根據(jù)范成法原理來加工齒輪輪齒的，是由一對軸線 交錯的斜齒輪嚙合傳動原理演變而來【2 1 1 。用齒輪滾刀加工齒輪的過程，相當于一 對斜齒輪嚙合滾動的過程，將其中一個齒輪的齒數(shù)減少到幾個或一個，使其螺旋 角增大( 即螺旋升角很小) ，此時齒輪已演變成蝸桿。沿蝸桿軸線方向開槽并鏟背后， 則成為齒輪滾刀。當齒輪滾刀在按所給定的切削速度回轉(zhuǎn)運動，并與被切齒輪作 一定速比的嚙合運動過程中，在齒坯上就滾切出齒輪的漸開線齒形。 圖2 1 滾齒原理 f i g 2 1p r i l l c i p l eo f g e 盯h o b b i n g 為了實現(xiàn)齒輪的加工，在滾齒過程中主要有以下四種運動：滾刀的切削運動 n t 、工件的分度運動n i 、滾刀軸向進給運動v f 和工件的圓周進給運動n “針對斜 齒輪) 。 滾齒加工按照滾刀的運動軌跡可以劃分為不同的滾切方式：軸向滾切、徑向 滾切、軸向徑向混合滾切；涉及到軸向滾切時，又劃分為逆滾和順滾兩類，而且 根據(jù)零件的技術(shù)要求又可分為多種循環(huán)走刀方式。滾齒加工方式的選擇主要依據(jù) 加工齒輪的類型、尺寸和技術(shù)要求等。滾齒加工方式如圖2 2 所示【2 0 】。 軸向法加工切削優(yōu)點是調(diào)整、操作方便，缺點是當采用大直徑滾刀時滾切的 空行程加大，降低了生產(chǎn)率，建議使用較小直徑的滾刀時采用此種方法。徑向一軸 向法加工切削減少了大直徑滾刀軸向切削時的空行程，可以提高生產(chǎn)率，但在切 削過程中( 特別是切削斜齒輪時) 零件要承受較大的徑向力，這對于細長類零件的加 工精度不利。徑向法加工一般用于較大直徑齒輪及渦輪的加工，主要是用于渦輪 9 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 的加工【2 1 】【2 2 1 。 逆銑在開始切削后直接形成齒形。切削厚度在切削開始時是從零逐漸增加的， 刀尖吃刀多，壓力很大。刀尖既有摩擦又有滑動，磨損較大。切削過程平穩(wěn)，表 明粗糙度小。順銑與逆銑相反，開始切削時有較大切削力。刀齒上會形成刀瘤， 表面質(zhì)量和切削平穩(wěn)性不如逆銑。高速切削和切削高硬度齒輪時滾刀磨損比逆銑 小【2 l 】【2 2 】。 韻鴦 曲呷蓁 強囊 期| | 蓁 翱| | | 勘器凰垂 勘冀搦垂 喇穗 娶 梃 圖2 2 滾齒的不同加工方式 f i g 2 2d i 伍；陀n tp r o c 銘sm 礎(chǔ)o d so f g e 盯h 0 1 ) b i l l g 量 耋 看 耋 謄 羽 蒸 l 耄( 2 2 滾齒零編程系統(tǒng)實現(xiàn)原理 現(xiàn)有的齒輪加工數(shù)控機床，一般都采用手工編程方法，編程計算量大，出錯率 高，且編程效率低。在現(xiàn)有少數(shù)自動編程方法中，大部分是通過對繪圖軟件進行 1 0 2 零傳動數(shù)控臥式滾齒機零編程建模 二次開發(fā)實現(xiàn)的，這種方法只能在計算機上實現(xiàn)，而且生成的n c 程序還要再通過 聯(lián)網(wǎng)傳輸給數(shù)控機床。齒輪加工零編程技術(shù)的目的就是期望借助開發(fā)的零編程系 統(tǒng)，將操作者通過機床操作界面輸入的齒輪加工基本參數(shù)經(jīng)過編譯處理，自動生 成齒輪加工機床數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的數(shù)控加工程序，以簡化手工編程的繁雜操作。 齒輪加工零編程方法的工作原理如圖2 3 所示【2 3 】。 輸入?yún)?shù)目標結(jié)果 齒輪參數(shù) 參數(shù)處理 刀具參數(shù) 走刀劃分烈攔刪上 加工順序 程序 加工參數(shù) 循環(huán)方式 切削條件 輔助功能 運算庫 工藝庫 n c 代碼表 圖2 3 滾齒零編程方法原理 f i g 2 3p 血c i p l eo fz 哪- l ，r o g r a 腳渤gm e l h o d sf o rg c a rh o b b 啦 國際標準化組織( i s o ) 對數(shù)控機床的數(shù)控程序的編碼字符和程序段格式、準備 功能和輔助功能等制定了若干標準和規(guī)范【2 4 】【2 5 1 。程序編制中的基本指令有以下幾 類：g 指令( 準備功能指令) 、m 指令( 輔助功能指令) 、f 指令( 進給速度指令) 、s 指令( 主軸速度功能指令) 和t 指令( 刀具功能指令) 。一個完整的零件加工程序，它 主要由程序名和若干程序段組成。程序名是該加工程序的標識，程序段是一個完 整的加工工步單元。西門子8 4 0 d 采用的是地址符可變程序段格式【2 6 1 ( 或者稱字地 址程序段格式) ，以這種格式表示的程序段，每個字之前都標有地址碼用以識別地 址。因此對不需要的字或與上一程序段相同的字都可以省略。一個程序段內(nèi)的名 字也可以不按順序( 但為了編程方便，常按一定的順序) 排列。采用這種格式雖然增 加了識別的復(fù)雜性，但編程直接靈活，可讀性強，便于檢查。 如本章2 1 小節(jié)所述，由范成加工原理決定的滾齒加工，其主要的四種運動( 滾 刀的切削運動m i n ) ，工件的分度運動n i ( r m i n ) ，滾刀軸向進給運動 v k m m m 蛐，工件的圓周進給運動n ( r ，m i l l ) ) 滿足特定的運動關(guān)系。在滾齒過程中， 除了須保持各主要運動間的特定關(guān)系，對齒輪加工具有決定意義的因素主要為圖 2 4 中五個關(guān)鍵點坐標( g ，z o ) 、l ，z 1 ) 、( x 2 ，z 2 ) 、c 磁，z 3 ) 和( ) ( 4 ，z 4 ) ) 以及滾刀轉(zhuǎn)角丫。 根據(jù)輸入的必要參數(shù)，通過計算確定出滾刀轉(zhuǎn)角丫、5 個坐標位置及滾刀進給速度， 根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控編程格式，生成滾齒加工的n c 程序，實現(xiàn)滾齒的零編程。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 4 滾齒加工示意圖 f i g 2 4s c h e n l a t i cd i a g r a mo fg e a rh 0 i b b i n g 2 3 滾齒零編程建?；A(chǔ) 2 3 1 零傳動數(shù)控臥式滾齒機坐標系設(shè)置 數(shù)控機床的加工中，刀具的軌跡是由坐標系來定義的。數(shù)控機床的坐標系規(guī)定 成右手直角笛卡爾坐標系。每臺數(shù)控機床都有自己的坐標系統(tǒng)，它是固定不變的。 機床原點又稱為機械原點，是機床坐標系的原點，其位置是由機床設(shè)計和制造單 位確定。 ，i、i 圖2 5 0 6 1 0 滾齒機坐標系設(shè)置 f i g 2 5c 0 0 觸s y s t 衄s 硎n go f g e 缸h o b b i i 喀礎(chǔ)比址磚- 0 6 1 0 暑 y 一 一 l 二| 一 -：垂 2 零傳動數(shù)控臥式滾齒機零編程建模 零傳動數(shù)控臥式滾齒機踴6 1 0 的機床原點取在x 、y 、z 坐標正方向極限位 置上。工件坐標系是編程人員在編程和加工時使用的坐標系。在加工時，工件隨 夾具安裝在機床上，這時測量工件原點與機床原點間的距離，稱為工件原點偏置。 該偏置值預(yù)存入數(shù)控系統(tǒng)中( g 9 2 ，g 5 4 g 5 9 ) ，加工時工件原點偏置便能自動加到 工件坐標系上，使數(shù)控系統(tǒng)可按機床坐標系確定加工時的絕對坐標值。0 6 1 0 數(shù) 控滾齒機的機床坐標系o x y z 、工件坐標系o g x g y g z g 及各軸行程如圖2 5 所示剛。 2 3 2 建模參數(shù)的確定 滾齒零編程實現(xiàn)的前提在于齒輪參數(shù)的有限性和可確定性，零編程實現(xiàn)的原理 在于根據(jù)輸入的各參數(shù)自動生成滾齒的數(shù)控加工程序。因此，為了實現(xiàn)滾齒的零 編程，其前提是確定滾齒零編程的輸入?yún)?shù)。根據(jù)這些輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)滾齒的零 編程建模，以及數(shù)控加工程序的自動生成。根據(jù)各種齒輪的特點，現(xiàn)將其建模所 需參數(shù)列出于下表。 表2 1 滾齒零編程建模參數(shù)表 1 a b l e 2 11 a b l eo f n l ep 鉞吼e t e r sf i ) rz e r 0 p r o g r a m m i l l gi n o d e l i l l g 細g e 趾h o b b 噸 外徑、齒數(shù)、法大端直徑、小端直端面圓直徑、鼓形 向模數(shù)、齒寬、徑、齒數(shù)、法向模量、軸向切深圓半 壓力角、螺旋方數(shù)、齒寬、錐度角、徑、齒數(shù)、法向模數(shù)、 齒形參數(shù) 向、螺旋角、齒壓力角、螺旋方向、齒寬、壓力角、螺旋 頂高系數(shù)、頂隙螺旋角、齒頂高系方向、螺旋角、齒項 系數(shù)、變位系數(shù)數(shù)、頂隙系數(shù)高系數(shù)、頂隙系數(shù) 工件裝夾參數(shù)左齒面距工件軸端面距離，雙聯(lián)齒輪齒間距 外徑、頭數(shù)、法向模數(shù)、壓力角、螺旋方向、螺旋升角、刀 刀具參數(shù) 具長度、刀具上端距滾刀軸端面距離 進給量( 第一次進給量、第二次進給量) 、滾刀轉(zhuǎn)速( 第一次滾 加工參數(shù) 刀轉(zhuǎn)速、第二次滾刀轉(zhuǎn)速) 、快進速度、切削方式、切入方式、 徑向進給速度、切削液開關(guān) 2 3 3 零傳動臥式滾齒機滾刀軸軸向進給距離的確定 0 6 1 0 滾齒機坐標系的設(shè)置如圖2 5 所示。加工過程中，為了使?jié)L刀有效滾 切齒坯，滾刀須進行y 方向的進給。 1 3 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 如圖2 6 所示，滾刀y 向處于零位時，滾刀軸端面距主軸中心線的距離表示 為l ，l 的大小在機床設(shè)計時確定，為7 0 1 1 1 l i l ，滾刀上沿距滾刀軸端面距離表示為 l 0 ，滾刀長度表示為l 1 ，l 0 和l l 的大小隨滾刀和芯棒的不同而變化。根據(jù)刀具參 數(shù)的不同，滾刀y 向進給距離的計算公式如下： 魄= 三一厶一釤 ( 2 1 ) 圖2 6 0 6 1 0 滾刀軸向進給示意圖 f i g 2 6s 凼鋤a l i cd i a 野mo f h o b s 觚i a lf e e do f 0 6 1 0 2 4 圓柱齒輪滾齒零編程建模 2 4 1 滾刀橢圓截面方程與滾刀安裝角的確定 滾刀橢圓截面方程 滾齒時，由于存在滾刀安裝角叩，滾刀在垂直平面的截面形狀是一個橢圓形， 如圖2 7 所示。 圖2 7 滾刀在垂直截面內(nèi)的截面形狀 f i g 2 7 r t i c a ic r o s s 擊a - ao f 也eh o b 1 4 2 零傳動數(shù)控臥式滾齒機零編程建模 在滾刀坐標系x d o d z d ( 見圖2 8 ) 中，滾刀橢圓截面方程如下： b 2 + ( 赤 2 = - 轉(zhuǎn)換在機床坐標系x o z 中，方程為： ( 鎊) 2 + ( 赫 2 = ll 吃o 2 l ( 以o 2 ) c o s 叼 其中滾刀齒頂圓直徑厶計算公式： 吒o = 鞏+ 2 ( 吃+ c ) 鳩1 滾刀安裝角確定 滾刀安裝角叩按下式確定： h i = 箬：；若：；要害 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 滾左旋齒輪時，即盧 0 ，滾刀轉(zhuǎn)角逆時針旋轉(zhuǎn)，町為負值。具體情形如表2 2 所示【2 0 】。 表2 2 滾刀轉(zhuǎn)角的確定 t a b l e2 2d e f i l l i t i o no f 吐屺i n s t a l l 積o na n g l eo f h o b 滾刀轉(zhuǎn)向 右旋灌刀滾直齒輪左旋滾刀菠直齒輪 直 、i廠i 、 _ ， 齒 、f 矗。缸f 。 輪 一f 了卜 。f 。j ：二i f 。 li 右旋滾刀滾右旋齒輪 左旋滾刀滾右旋齒輪 丫pp 丫 一， 獻弋去職1 i燃 w 防t粼 ，膨秣 i i l ，。 齒 i 左旋蒗刀滾左旋齒輪右麓滾刀壤左旋齒輪 t ，pp t 、扣 輪 規(guī)，確喃r；磁獻 f 煢彤【，= ，i 、l 、 j 糕、 i i i 在加工中，滾切直齒輪一般使用右旋滾刀，滾切斜齒輪時滾刀旋向與工件旋向 相同，從而減小滾刀安裝角，作用于齒輪切削力的分力作用方向與齒輪的旋轉(zhuǎn)方 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 向相反，使驅(qū)動工作臺的蝸桿副的齒面以及其他驅(qū)動接觸面貼緊，消除間隙，加 工齒輪精度較高。若滾刀旋向與工件旋向相反，切削力的分力克服了摩擦力時， 抵消一部分間隙，有產(chǎn)生高頻振動的危險。 2 4 2 圓柱齒滾刀坐標計算 數(shù)控滾齒機是按展成法加工齒輪的機床。齒輪加工前，必須進行刀具與工件的 對準，即對刀。對刀是為了使工件和刀刃之間保持正確的相對位置，從而加工出 合乎要求的齒輪。如果對刀不準確，可能出現(xiàn)撞刀現(xiàn)象，或者會因為切入端有較 大的超程距離而增大“切入”時間損失和空程時間損失。對于標準圓柱齒輪；對 刀時既要使刀具與工件恰好接觸，又要使刀具外徑與吃刀深度線相切。而為了保 證滾齒時，完整地切出滾齒切出端面的齒形，須保證一定的切出距離。為了實現(xiàn) 圓柱齒滾齒的零編程加工，對上述滾齒關(guān)鍵刀具坐標，須通過計算確定。 圖2 8 圓柱齒滾齒加工軸向進給示意圖 f i g 2 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f 戤i a lf e e do f c y l i l l d e rg e 盯sh o b b m g 圖2 8 為圓柱齒輪滾齒加工軸向進給示意圖，x o z 、x g o g z g 和x d o d z d 分別為 機床坐標系，工件坐標系和滾刀坐標系。o d 在機床坐標系中的坐標為o d ，z o d ) ， o g 在機床坐標系中的坐標為( x 0 9 ，z 0 0 。 中心距方程的建立 若采用工件齒頂圓半徑、刀具齒頂圓半徑和切削深度計算滾齒中心距，實際 加工證明其精度一般。為提高滾齒精度，采用下述公式進行推導(dǎo)中心距方程。 滾刀分度圓直徑玩為： 磊= 嘗 ( 2 6 ) ) z 刀y 工件分度圓直徑西為： 4 = 哿 ( 2 7 ) 1 6 2 零傳動數(shù)控臥式滾齒機零編程建模 當盧= 0 時，即加工直齒。當盧0 時，即加工斜齒。 齒輪嚙合時中心距口計算公式： 口：業(yè)+ 腸慨( 2 8 ) 2 聯(lián)合上式推導(dǎo)出中心距方程： z o 慨z l 地 口：些生盟+ 勵慨( 2 9 )口= - 二：一十五刀n 盈，z 1z yl 2 切入( 撞刀) 、切出距離的確定 滾齒的切入行程是指滾刀剛切入齒輪時，滾刀中心( 刀架回轉(zhuǎn)中心) 到齒輪端面 的距離，也即是滾齒加工時的撞刀距離。在滾齒軸向進給的過程中，其起點位置 十分重要，既要保證不發(fā)生撞刀現(xiàn)象，又要使?jié)L刀軸向進給的空行程最少，即其 位置的確定要綜合考慮安全性和效率兩個方面的因素。在手工編程時，軸向進給 起始點通過對刀確定；而在零編程建模過程中，撞刀點是確定滾齒加工程序的一 大關(guān)鍵點，通過計算確定撞刀點的位置對滾齒零編程至關(guān)重要。下面就通過計算 來確定撞刀點的具體位置。 圖2 9 滾刀和工件的坐標關(guān)系 f 追2 9c o o r d j n a t e so f h 6 b 鋤d 吐把m c h i i 圮 如圖2 9 ，分別以工件右齒面中心和刀具中心為原點建立工件坐標系o g x g y g z g 和滾刀坐標系o d ) ( d y d z d ，od 在o g x g y 昏z g 中的坐標為( l ，o ，z o ) 。根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換原理， 可得： x d 髟 z d l 10 0 c o s 叩 0 s i i l 叩 o0 0 l - s i l l 叩 0 c o s 7 7 - z o 01 x g z g 1 即) c ：懿l ，y 孑= y g c o s 7 7 一z g