■菅相文

與一般的滾齒機(jī)相比，插齒機(jī)分度鏈最大不同之處在于它有兩套低速回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。在插齒加工過程中，兩套低速系統(tǒng)的誤差相互疊加后，使誤差的檢測和分析變得復(fù)雜。而數(shù)控插齒機(jī)床雖然實(shí)現(xiàn)數(shù)控化，但大部分?jǐn)?shù)控插齒機(jī)的工作臺回轉(zhuǎn)和刀具主軸回轉(zhuǎn)的降速和分齒運(yùn)動還需要由蝸輪蝸桿來實(shí)現(xiàn)（國外出現(xiàn)用低轉(zhuǎn)速、大扭矩伺服驅(qū)動電機(jī)代替主軸電機(jī)＋蝸輪傳動）。所不同的是，它的兩套低速回轉(zhuǎn)系統(tǒng)分別由兩臺電機(jī)驅(qū)動，它們之間沒有其他的傳動連接，是截然分開的。因此，對工作臺或者刀具主軸的回轉(zhuǎn)誤差的測量和補(bǔ)償可以單獨(dú)進(jìn)行。工作臺主軸和刀具主軸的回轉(zhuǎn)誤差對齒輪加工精度影響是非常大的。本文主要任務(wù)是將此項(xiàng)誤差測量出來，并進(jìn)行軟件誤差補(bǔ)償。

1 數(shù)控插齒機(jī)工作臺回轉(zhuǎn)誤差軟件補(bǔ)償

誤差補(bǔ)償方案分為兩類：硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。硬件誤差補(bǔ)償通過開發(fā)以微處理器芯片為核心的誤差補(bǔ)償控制器及專用的接口電路，根據(jù)誤差源的性質(zhì)和補(bǔ)償內(nèi)容的不同，分別在不同的階段進(jìn)行補(bǔ)償。這一過程需要與數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接傳送。應(yīng)用硬件誤差補(bǔ)償方法，有一定弊端：數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)的多樣性阻礙技術(shù)的普及，同時成本高，不利于維護(hù)，推廣困難。而軟件誤差補(bǔ)償技術(shù)是以研究數(shù)控機(jī)床的誤差影響因素來達(dá)到提高機(jī)床精度為目的的，它不需改變數(shù)控加工設(shè)備，通用性強(qiáng)，不用進(jìn)行特殊培訓(xùn)就能夠操作，特別適合于開放式數(shù)控系統(tǒng)，因此更易于被接受。鑒于此，本文采用軟件補(bǔ)償方法對數(shù)控插齒機(jī)的工作臺回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。由于本實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行單軸回轉(zhuǎn)誤差的測量，因此測量回轉(zhuǎn)誤差時，Renishaw系統(tǒng)按照既定標(biāo)準(zhǔn)，自動進(jìn)行補(bǔ)償量計(jì)算。

就軟件誤差補(bǔ)償方案來說，在哪個環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，要根據(jù)具體操作對象和補(bǔ)償效果而定。為此需要先介紹NC代碼的生成過程，然后確定補(bǔ)償方式。零件從設(shè)計(jì)到成品，一般經(jīng)過產(chǎn)品設(shè)計(jì)（CAD）、工藝設(shè)計(jì)（CAPP）、生產(chǎn)實(shí)施（CAM）3個階段。CAD系統(tǒng)，由科學(xué)計(jì)算、圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫等組成。科學(xué)計(jì)算包括有限元分析、可靠性分析、動態(tài)分析、產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)；圖形系統(tǒng)包括幾何造型，自動繪圖、動態(tài)仿真等；工程數(shù)據(jù)庫對設(shè)計(jì)過程中需要使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、圖形、文檔等進(jìn)行存貯和管理。CAPP系統(tǒng)功能包括毛坯設(shè)計(jì)、加工方法選擇、工序設(shè)計(jì)、工藝路線制定和公式定額計(jì)算等。狹義CAM指數(shù)控編程，主要內(nèi)容包括：分析零件圖紙，進(jìn)行工藝處理，確定工藝規(guī)程；數(shù)學(xué)處理，計(jì)算刀具運(yùn)動軌跡，獲得刀位數(shù)據(jù)；編制零件加工程序；制備控制介質(zhì)；校核程序及首件試切。

在CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中，幾何造型精度、加工刀位文件程序的控制精度是可控的，在理論上可以達(dá)到很高精度。通過后處理得到的機(jī)床加工程序，是以機(jī)床的最小脈沖當(dāng)量為最小單位的。因此，通過軟件編程可以實(shí)現(xiàn)理論上要求的精度。而實(shí)際上機(jī)床存在幾何運(yùn)動誤差，必須把系統(tǒng)產(chǎn)生的理想的加工程序通過特定補(bǔ)償方法處理成實(shí)際的加工程序。由此，根據(jù)誤差補(bǔ)償位置不同，將軟件誤差補(bǔ)償方案分為下列幾種。

1）對CAD模型進(jìn)行修改。通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，根據(jù)修正后的誤差模型生成實(shí)際的CAD模型。將修正后的CAD模型的數(shù)據(jù)信息傳遞給CAM接口，得到加工數(shù)據(jù)的信息。這種補(bǔ)償方法最大缺點(diǎn)是無法確定實(shí)際切削點(diǎn)，與誤差數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息不能很好地對應(yīng)，并且不能用于帶有回轉(zhuǎn)運(yùn)動數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償上。

2）對CAM模型進(jìn)行修改。通過誤差數(shù)據(jù)修正刀具加工軌跡文件，生成實(shí)際加工程序。這種補(bǔ)償方式特點(diǎn)是APT文件是刀具的實(shí)際加工點(diǎn)，與補(bǔ)償數(shù)據(jù)吻合，但其補(bǔ)償過程受加工工藝參數(shù)因素的影響較大。

3）NC數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。NC數(shù)據(jù)本身就帶有角度信息，可以很容易地將角度誤差的補(bǔ)償量加入到NC數(shù)據(jù)中進(jìn)行修正，得到補(bǔ)償后的NC數(shù)據(jù)，所生成數(shù)據(jù)就是實(shí)際切削點(diǎn)的位置。這種方法具有通用性，可以在任意條件下進(jìn)行，故本文采用此方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

2 數(shù)控插齒機(jī)工作臺主軸回轉(zhuǎn)誤差的測量

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器簡介

本實(shí)驗(yàn)所用測量儀器為英國Renishaw公司的ML10雙頻激光干涉儀，Renishaw/RX10轉(zhuǎn)臺及其他光學(xué)組件。ML10激光干涉儀精度高，測量范圍大，測量速度快，分辨率高，便攜性好，具有自動線性誤差補(bǔ)償功能，可方便恢復(fù)機(jī)床精度，所以廣泛應(yīng)用于機(jī)床的幾何精度檢測、位置精度的檢測及自動補(bǔ)償。更重要的是，利用ML10激光干涉儀加上RX10轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)還能進(jìn)行回轉(zhuǎn)軸的自動測量。它可以對任意角度位置，以任意角度間隔進(jìn)行全自動測量。新的國際標(biāo)準(zhǔn)已推薦使用該項(xiàng)技術(shù)。它比傳統(tǒng)用自準(zhǔn)直儀和多面體的方法節(jié)約大量的測量時間，而且得到完整的回轉(zhuǎn)軸精度曲線，知曉其精度的每一細(xì)節(jié)，并給出按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)處理的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.2 工作臺回轉(zhuǎn)誤差的測量

測量原理如圖1所示。測量時，轉(zhuǎn)臺沿與被測回轉(zhuǎn)軸相反的方向轉(zhuǎn)動。沒有誤差時，激光點(diǎn)的位置不變；如果回轉(zhuǎn)軸存在回轉(zhuǎn)誤差，折射回來的激光點(diǎn)發(fā)生偏移，Renishaw測回轉(zhuǎn)系統(tǒng)自動將偏移量進(jìn)行處理，得到被測回轉(zhuǎn)軸總的回轉(zhuǎn)誤差。

1）將回轉(zhuǎn)工作臺臺面調(diào)整水平。2）將Renishaw/RX10轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，保證轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)與工作臺的同軸度。3）接測量系統(tǒng)。4）應(yīng)用Renishaw測量系統(tǒng)對插齒機(jī)工作臺回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行雙向定位誤差的測量，即進(jìn)行正向360°和反向360°兩個方向的測量。測量過程中，每隔10°作為一個測量點(diǎn)，每兩個測量點(diǎn)之間停頓8秒，以利于Renishaw測量系統(tǒng)有充分的時間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行處理。正、反向測量結(jié)果如圖2、圖3所示。

2.3 補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

將需要補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)輸入插齒機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)中，然后再次通過Renishaw測量系統(tǒng)對工作臺的回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行測量。測量結(jié)束后，將所測結(jié)果與補(bǔ)償前測量結(jié)果進(jìn)行比較，如圖2、圖3所示。從圖中可以看到，補(bǔ)償效果十分明顯。

3 齒輪的加工與測量

為了檢驗(yàn)工作臺回轉(zhuǎn)誤差對齒輪加工的影響，分別在補(bǔ)償前后進(jìn)行齒輪的加工。加工的齒輪參數(shù)為模數(shù)3 mm、齒數(shù)36。加工完畢，對補(bǔ)償前后加工的齒輪進(jìn)行測量：齒形誤差分別為21/13 μm；周節(jié)累積誤差30/20 μm，周節(jié)誤差8/6 μm。齒形誤差用漸開線檢查儀檢測；周節(jié)累積誤差和周節(jié)誤差檢驗(yàn)儀器為萬能測齒儀。對照齒輪檢測標(biāo)準(zhǔn)（GB10095-88），齒輪的周節(jié)累積誤差和周節(jié)誤差這兩個檢測項(xiàng)目精度較高，補(bǔ)償前后分別達(dá)到6級和5級精度；而齒輪的齒形誤差較大，補(bǔ)償前齒形誤差為21 μm（屬9級精度），補(bǔ)償后加工的齒輪的齒形誤差為13 μm（屬8級精度）。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)是在YK5120型數(shù)控插齒機(jī)上進(jìn)行的，主要是對機(jī)床的工作臺回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行測量，根據(jù)測量的結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償。由補(bǔ)償前后齒輪樣件的檢測結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：1）通過對數(shù)控插齒機(jī)工作臺回轉(zhuǎn)誤差的補(bǔ)償，取得比較明顯的效果，齒輪的精度有一定的提高；2）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，所檢測機(jī)床加工的齒輪，補(bǔ)償后其齒形誤差仍然偏大，這可能是因?yàn)榇嬖谄渌绊懸蛩?，比如插齒刀具本身的誤差無法彌補(bǔ)?！?/p>