哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司 趙 建
本文介紹了齒輪測量中心關(guān)鍵技術(shù)的研究背景,重點(diǎn)闡述了齒輪測量中心有限元分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)、激光干涉儀檢驗(yàn)、齒輪測量中心三維測頭和三維測量軟件的研發(fā)應(yīng)用。
齒輪傳動是機(jī)械傳動的重要轉(zhuǎn)動形式之一,其具有速度范圍大、功率范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備和儀器儀表中。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,齒輪的種類越來越多,從漸開線齒輪發(fā)展到弧齒輪、錐齒輪、傘齒輪、人字齒甚至是非圓齒輪,各種新型齒輪層出不窮。
CNC齒輪測量中心是一個(gè)包含回轉(zhuǎn)軸的四軸四坐標(biāo)測量機(jī),其測量原理為電子展成法,計(jì)算機(jī)控制電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)各軸按預(yù)定參數(shù)運(yùn)動,使測頭相對工件運(yùn)動軌跡為測量曲線,測頭相對運(yùn)動的同時(shí),計(jì)算機(jī)不斷采集各光柵軸的實(shí)際位置和測頭示值,實(shí)現(xiàn)同步采集,將采集數(shù)據(jù)與理論齒面展開位置進(jìn)行比較,完成測量及誤差評定。工業(yè)的發(fā)展使齒輪加工機(jī)床和齒輪刀具的精度隨之提高,對齒輪測量的精度要求也越來越高,齒輪及其加工刀具都對測量儀器的精度提出了更高的要求,且隨著評價(jià)技術(shù)的發(fā)展,評價(jià)齒輪和齒輪加工刀具質(zhì)量的測量項(xiàng)目也越來越多。
目前國外生產(chǎn)齒輪測量中心的國家有德美日等少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家,代表產(chǎn)品為德國Klingelnberg,美國Gleason公司生產(chǎn)的齒輪測量中心,測量等級達(dá)到VDI/VDE I級,能檢測各種齒輪及齒輪刀具。對較復(fù)雜的螺旋錐齒輪,不僅能檢測齒輪加工誤差,還能根據(jù)誤差值通過最優(yōu)算法算出機(jī)床的調(diào)整誤差,再反饋給數(shù)控機(jī)床,形成了加工、檢測、再加工的閉環(huán)系統(tǒng),不僅提高加工效率,也提高了加工精度。
國內(nèi)齒輪測量中心的研究起步較晚,目前國內(nèi)齒輪量儀廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品,主要是采用一維電感測頭的中低端產(chǎn)品,高端市場上,國產(chǎn)儀器幾乎呈空白狀態(tài),例如機(jī)器人行業(yè)使用的RV減速器,其中高精度擺線輪和針齒等關(guān)鍵部件精度測量和汽車行業(yè)變速箱使用的多聯(lián)齒輪正時(shí)關(guān)系測量等,主要依靠進(jìn)口齒輪測量中心實(shí)現(xiàn)測量評定。中低端產(chǎn)品的附加值也較低,且近幾年經(jīng)濟(jì)形勢對中低端市場的沖擊越發(fā)嚴(yán)峻。所以研發(fā)高精度、高穩(wěn)定性、高附加值、動態(tài)特性良好的齒輪測量中心刻不容緩。
齒輪測量中心主要由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成,如果把齒輪測量中心比喻成人,那么機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是它的身體,軟件系統(tǒng)是它的大腦,機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性會反作用給軟件系統(tǒng)。例如RV減速機(jī)用的擺線齒輪,要完成其幾何參數(shù)的掃描測量,對機(jī)械精度、剛性,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,軟件的算法和整機(jī)的動態(tài)特性都提出高標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前國內(nèi)齒輪測量中心以觸發(fā)式測量為主,因?yàn)辇X輪測量中心要完成復(fù)雜工件某些參數(shù)的掃描測量功能,得到準(zhǔn)確的測量數(shù)值,必須對齒輪測量中心三大系統(tǒng)統(tǒng)一分析處理。
要得到一款高精度、高穩(wěn)定性的齒輪測量中心,需要在設(shè)計(jì)過程中對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的正確性、穩(wěn)定性,預(yù)測分析不同工況下齒輪測量中心的模態(tài)、共振、諧響應(yīng)等動力學(xué)變形等機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)特性的變化規(guī)律,分析其對精確度的影響規(guī)律,優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。產(chǎn)品試制過程中,通過使用激光干涉儀等設(shè)備,對關(guān)鍵指標(biāo)檢查驗(yàn)證,重點(diǎn)驗(yàn)證分析各運(yùn)動軸的動態(tài)特性曲線。設(shè)計(jì)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證缺一不可。
哈量集團(tuán)立足于市場需求研發(fā)齒輪測量中心的關(guān)鍵技術(shù),著力解決了“激光干涉儀檢測齒輪測量中心運(yùn)動軸的靜態(tài)、動態(tài)性能”、“激光干涉儀對光柵尺校準(zhǔn)和修正”、“齒輪測量中心應(yīng)用三維測頭和三維軟件建模測量與評定”、“絕對式光柵尺的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)”及“齒輪測量中心測量結(jié)果反補(bǔ)償機(jī)床加工”等多項(xiàng)技術(shù)瓶頸。
本文中主要介紹以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn):
(1)齒輪測量中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證,將有限元分析的建模驗(yàn)證與激光干涉儀的產(chǎn)品試制驗(yàn)證相結(jié)合論證。
(2)高精度軸系研發(fā),軸系部件整體磨削工藝。
(3)PID參數(shù)調(diào)試。
發(fā)射臺的發(fā)射天線基本都在60米以上,在當(dāng)?shù)匾菜闶亲罡叩慕ㄖ?,天線即作為發(fā)射體,也是最好的引雷體,因此遭受雷擊的幾率比較高,特別是雷電高發(fā)區(qū),經(jīng)常遇到雷電損壞匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射機(jī)部件的事故,因此,在天饋線匹配網(wǎng)絡(luò)中一定要增加避雷裝置,確保發(fā)射系統(tǒng)的安全。圖4是三種防雷網(wǎng)絡(luò)原理圖。
(4)齒輪測量中心應(yīng)用三維測頭和三維軟件研發(fā)。
(1)設(shè)計(jì)驗(yàn)證
機(jī)座部件安裝頂尖立柱及軸系部分,支撐切向滑板及測量立柱,受力較大,機(jī)座的剛性和穩(wěn)定性除了影響儀器切向的精度,還會對儀器各運(yùn)動軸的直線度誤差,各軸間的垂直度誤差等產(chǎn)生影響?;O(shè)計(jì)時(shí)通過有限元工具設(shè)計(jì)本身分析,試驗(yàn)階段通過激光干涉儀對其驗(yàn)證。
測量主機(jī)座的材料為灰鑄鐵,其材料的彈性模量為 1.38×10Pa,密度7280kg/m3,泊松比為 0.3。根據(jù)工況對機(jī)座加載,拓?fù)鋬?yōu)化分析模型。
根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后模型,滿足設(shè)計(jì)要求,確定基座結(jié)構(gòu)。
(2)利用激光檢測驗(yàn)證拓?fù)浞治鰷?zhǔn)確性
齒輪測量中心檢測使用的雷尼紹公司的激光干涉儀XL-80。干涉技術(shù)是一種測量距離精度等于以至于高于1ppm的測量方法。該技術(shù)是基于光束一種波動的事實(shí),其波長是精確已知的。波長是指兩個(gè)相鄰波峰間的距離。在可見光光譜中,波長范圍在0.45微米至0.7微米之間變化。
測量技術(shù)的基理是把兩束相干光合并或引起相互干涉,其合成結(jié)果為兩個(gè)波形的相位差,用該相位差來確定兩個(gè)光波的光路差值的變化。
因此,若兩個(gè)相干波形的相位差隨著其光程長度之差逐漸變化而相應(yīng)變化的話,那么合成干涉波形的強(qiáng)度則會相應(yīng)周期性變化。
論證中利用激光干涉儀檢測齒輪測量中心的各直線軸線性誤差、平行度誤差、直線度誤差、垂直軸的垂直度誤差、并利用角度誤差測量功能完成齒輪測量中心系統(tǒng)的動態(tài)綜合誤差檢測。
通過激光干涉儀檢測,分析激光干涉儀輸出數(shù)據(jù),多次論證、優(yōu)化設(shè)計(jì),再將試驗(yàn)論證后的結(jié)構(gòu)加工試驗(yàn)測量,論證到齒輪測量中心各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,論證出齒輪測量中心使用工況下有限元分析結(jié)構(gòu)結(jié)果與實(shí)際發(fā)生結(jié)果之間的關(guān)系。
(1)概要
齒輪測量中心的軸系精度,主要包括軸系裝配后下頂尖跳動精度和閉環(huán)控制時(shí)主軸的轉(zhuǎn)位精度。目前齒輪測量中心主軸的下頂尖跳動精度,主要依靠保證軸系組成工件精度,裝配后調(diào)試完成,傳統(tǒng)的方式,裝配后單件誤差綜合后誤差會集中于下頂尖錐面,下頂尖錐面不同高度難以都達(dá)到理想的精度,既對裝配人員的技能要求很高,還難以達(dá)到VDI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一類儀器精度要求。
(2)創(chuàng)新點(diǎn)
a) 軸向預(yù)緊力密珠軸系,整體磨削加工工藝。
b) 激光干涉儀檢測齒輪測量中心轉(zhuǎn)位精度。
軸系部分采用軸向預(yù)緊力密珠軸承軸系,它由主軸、軸套和密集于兩者之間的具有過盈配合的滾珠所組成。滾珠的密集分布與過盈配合,有助于減小各組成件制作誤差對軸系精度的影響,從而使軸系回轉(zhuǎn)精度有所提高。密集的滾珠相當(dāng)于多頭螺旋線排列,每個(gè)滾珠公轉(zhuǎn)時(shí)沿著自己的滾道滾動,互不重復(fù),減小了滾動磨損,使軸的精度得以長期保持。滾珠的過盈相當(dāng)于預(yù)加載荷,通過微量的彈性變形起著消除間隙,減小幾何形狀誤差影響的作用,密集的滾珠與過盈配合共同作用結(jié)果,均化了軸套、主軸和滾珠尺寸誤差和形狀誤差,提高了軸系回轉(zhuǎn)精度。同時(shí),主軸的軸向預(yù)緊力,也為主軸的整體磨削提供了前提條件。
主軸系統(tǒng)是在垂直情況下安裝使用的,軸系載荷都集中在了軸向承載滾珠上,所以主軸的承載能力由軸向承載滾珠的承載能力決定,影響滾珠承載能力的因素有滾珠的材料、直徑和數(shù)量,滾珠材料通常是軸承鋼GCr15,所以我們只需通過計(jì)算確定滾珠直徑和數(shù)量即可。按強(qiáng)度條件計(jì)算滾珠直徑d1的公式為:
從公式中我們可以看出,滾珠直徑d1是與滾珠個(gè)數(shù)z1之間相關(guān)聯(lián)的,在主軸載荷確定的情況下,兩者之間呈反比關(guān)系,滾珠個(gè)數(shù)z1越大,所需的滾珠直徑越小。根據(jù)材料力學(xué)分析,減小滾珠直徑會有助于提高密珠滾動軸承軸系的剛性,但是滾珠個(gè)數(shù)z1太多會影響軸系的運(yùn)動靈活性。所以,我們應(yīng)在不影響主軸旋轉(zhuǎn)靈活性的前提下,根據(jù)主軸尺寸合理排布滾珠,確定滾珠個(gè)數(shù)z1,從而確定鋼球直徑d1。最后還應(yīng)通過計(jì)算滾珠的直徑變形量δ來校驗(yàn)所選的滾珠直徑是否滿足要求。滾珠的直徑變形量公式如下所示:
式中,E1、E2分別為滾珠和滾珠接觸面的材料彈性模量。
軸系零件在加工中不可避免的存在加工誤差,導(dǎo)致軸系在裝配時(shí)徑向會產(chǎn)生間隙,影響軸系運(yùn)動精度和剛性,所以為了能夠消除此間隙,常用的做法是采用過盈量裝配的方法。本設(shè)計(jì)的軸系,軸向方向也采用預(yù)緊力裝配方式,根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和裝配后驗(yàn)證,確定合適的預(yù)緊力。
軸系加工和裝配后,整體磨加工,并使用激光干涉儀等手段檢測,根據(jù)檢查結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì),反復(fù)論證,直至滿足設(shè)計(jì)需求。
高精度齒輪測量中心在實(shí)現(xiàn)各種測量功能的過程中,需要各直線軸和旋轉(zhuǎn)主軸按照程序指令平穩(wěn)、快速地完成測量動作,因此儀器各直線軸和旋轉(zhuǎn)主軸的運(yùn)動精度直接影響儀器的測量精度,運(yùn)動軸的運(yùn)行平穩(wěn)性、響應(yīng)速度和定位準(zhǔn)確是儀器精度保障。高精度齒輪測量中心采用CNC全閉環(huán)控制系統(tǒng),高精度光柵精確定位的電機(jī)和多軸運(yùn)動控制卡組成閉環(huán),控制各運(yùn)動軸的運(yùn)動定位,為使這套閉環(huán)系統(tǒng)能夠快速協(xié)調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn),在多軸運(yùn)動控制卡內(nèi)部我們采用高精度PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié),相比傳統(tǒng)的PID算法,控制單元內(nèi)部增加了穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)、速度前饋、阻尼前饋、陷波濾波器等多個(gè)輔助調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),使我們能夠調(diào)試出更加理想的運(yùn)動狀態(tài),充分滿足高精度齒輪測量中心運(yùn)動軸對于綜合運(yùn)動精度的需要。
(1)概述
LinksGear三維齒輪檢測軟件是在四軸(X、Y、Z、C)坐標(biāo)系平臺下,適配先進(jìn)的三維測頭傳感器開發(fā)完成,現(xiàn)可對圓柱齒輪、直齒錐齒輪、弧齒錐齒輪、圓弧圓柱齒輪、擺線齒輪等工件進(jìn)行測量及誤差評定,其測量項(xiàng)目更加豐富,測量方式更加靈活多變,測量效率也更為高效。
(2)創(chuàng)新點(diǎn)
a) 基于NURBS(非均勻有理B樣條)理論的曲面重構(gòu)技術(shù) ,利用復(fù)雜曲面的特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了空間曲面的NURBS重構(gòu),不僅實(shí)現(xiàn)曲面的誤差計(jì)算算法的統(tǒng)一,也使測量方式更加靈活,比如: 漸開線的測量可以按照兩軸或三軸的電子展成法,也可以按照極坐標(biāo)方式測量,這對超大齒輪的測量有非常重要的意義。也可利用NURBS曲面控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)曲面的連續(xù)掃面測量,極大地提高了測量效率。
b) 工件裝卡自動找正技術(shù)(支持30多種找正方式),通過三維測頭測量工件的基準(zhǔn)面,實(shí)現(xiàn)了工件坐標(biāo)系與儀器坐標(biāo)系的統(tǒng)一,對裝卡允許誤差由原來的μm級降低到了mm級,不僅滿足了工件的快速裝卡要求,而且極大減輕了對裝卡人員安裝水平的要求,通過測量位置和測量數(shù)據(jù)的雙重修正最大程度地降低了裝卡誤差對測量結(jié)果的影響。
以盤形弧齒錐齒輪為例,利用NURBS理論曲面重構(gòu)技術(shù)及工件自動找正技術(shù),測量單次的時(shí)間由原來的約20分鐘縮短到4分鐘,測量精度提高1個(gè)等級以上。
c) 軟件可以根據(jù)用戶選擇的測量項(xiàng)目,自動生成運(yùn)動程序代碼,利用控制卡的循環(huán)緩沖區(qū),邊執(zhí)行邊下載,從而實(shí)現(xiàn)任意空間曲線的運(yùn)動軌跡,比如在弧齒錐齒輪上已實(shí)現(xiàn)的形狀連續(xù)掃描,測量效率得到了極大提升。
d) 坐標(biāo)系復(fù)位功能,若儀器選用增量光柵尺,在儀器開啟后各軸將執(zhí)行回零動作,用以復(fù)位光柵坐標(biāo)系和測頭坐標(biāo)系,和以往的測量中心相比,省去了上電重新校準(zhǔn)測頭等步驟,簡化了測量準(zhǔn)備工作;若選用絕對式光柵尺,上電后儀器即可進(jìn)入測量狀態(tài),使測量準(zhǔn)備工作更為簡單。
e) 三維測頭自動校準(zhǔn)功能 ,通過測量球規(guī),可對測頭三軸(PX、PY、PZ)與儀器三軸(X、Y、Z)的平行度,測頭三軸間的相互垂直度,測力引起的測針變形等誤差進(jìn)行自動校準(zhǔn),不僅提高了測頭的測量精度,也降低了測頭對安裝誤差的要求。
f) 軟件具有測針庫管理功能,可以對多種規(guī)格及方向的測針進(jìn)行標(biāo)定及管理,同時(shí)記錄測頭標(biāo)定的詳細(xì)信息,如測球及測針直徑,坐標(biāo)系、懸空值,標(biāo)定時(shí)的儀器及環(huán)境溫度等。程序可在測量工件時(shí)根據(jù)需要自動更換用戶指定的測針,省時(shí)省力。
本文研發(fā)的齒輪測量中心關(guān)鍵技術(shù),已經(jīng)推廣應(yīng)用到哈量集團(tuán)生產(chǎn)的L30A型齒輪測量中心和L65G型齒輪測量中心等產(chǎn)品,至今已經(jīng)銷售多臺,例如一汽解放汽車有限公司齒軸中心、合肥長遠(yuǎn)液壓股份有限公司、江西乾元機(jī)械制造有限公司等企業(yè)。哈量集團(tuán)生產(chǎn)的齒輪測量中心對以上關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用,使產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性、人性化的操控界面、針對不同用戶提供定制的成套解決方案等,均得到廠家的肯定與認(rèn)可。L30A型齒輪測量中心等產(chǎn)品的研制成功和產(chǎn)品化,結(jié)束了國內(nèi)高精度齒輪測量中心市場由國外廠商統(tǒng)治的局面。 □