球桿儀在磨齒機上的應用

杜原，王俊嶺，樊利軍，張明東

（陜西秦川發(fā)展股份有限公司，陜西 寶雞 721009）

0 引 言

YK7332A 磨齒機是我公司較成熟的產品，采用成形法磨削齒輪，磨削基本原理是把砂輪修整為與齒輪相對應的形狀，通過砂輪的高速磨削去除多余的材料，加工出最終需要的齒形。修整砂輪的精度決定了最終工件的齒形精度，利用機床的X、Z 軸來進行高精度的圓弧插補修整，應用DBB 測量之前的插補功能磨削的齒輪可以達到GB10095.1-2008 5 級精度，基本可以滿足一般齒輪的加工精度要求。當加工對齒形有特殊要求的油泵齒輪、高壓油泵螺旋齒輪等時，只有減小機床的插補誤差，才能滿足圓弧插補修整砂輪的要求。磨削高壓螺旋齒輪的測量結果如圖1 所示，齒形誤差只能控制在0.020～0.035 mm 范圍，不能滿足油泵齒輪的設計要求。為此在試驗攻關的過程中，分析了機床存在X、Z 軸插補過象限誤差，采用英國Renishaw 球桿儀來檢測機床X、Z 軸圓弧插補誤差軌跡，進一步分析誤差產生的原因后，改進了NC 驅動參數，效果明顯。

圖1 機床調整前齒輪檢測圖

1 球桿儀測量裝置的結構及原理

用球桿儀測量數控機床圓弧插補動態(tài)軌跡誤差的基本原理是：測量主軸前端至工作臺上的圓弧中心的距離變動，將檢測數據與基準圓比較，形成一個近似圓的軌跡，利用該誤差軌跡不僅能評價運動精度，而且解析該運動軌跡就能夠找出運動誤差產生的原因。

球桿儀測量裝置簡稱DBB 裝置（Double Ball Bar），結構如圖2 所示。2 個高精度的圓球（直徑25.4 mm，球形誤差0.05 μm）由熱膨脹系數很小的因瓦合金制球桿連接，球桿上裝有莫爾光柵（分辨率0.1 μm），2 個球在磁力的作用下以3 點支撐的方式被吸附在球面支座上。2 個球間距離的變化由莫爾光柵尺拾取，該信號由數字計數器進行AD 轉換并顯示，數字計數器的值送入計算機進行處理，其偏離基準圓的偏差為運動軌跡，基于球桿儀測量原理，將球桿儀應用在磨齒機圓弧插補動態(tài)精度檢測中，根據檢測誤差優(yōu)化數控軸的驅動參數，提高機床的動態(tài)性能。

圖2 DBB 測量裝置檢測機構

應用球桿儀檢測機床的圓弧插補動態(tài)誤差，根據測量結果調整機床伺服參數，取得了較顯著的效果。圖3 是調整機床前的檢測數據，X、Y 軸垂直度誤差為-113.6 μm/m，圓度為18.2 μm，反向躍沖為x=2.7 μm，y=2.3 μm，

1.1 測量和調心程序

N10 G91 G18

N20 G02 X-100 Z100 I-100 F300

圖3 DBB 測量結果（X，Z 軸參數調整前）

N30 G04 F5

N40 G03 X-100 Z100 I-100 F300

N50 G04 F5

N60 G77 N10 S2

N70 M02

1.2 DBB 法分析誤差的基本原理

根據各主要誤差因素的軌跡模式，觀察DBB 法測得的運動誤差軌跡中上述軌跡模式存在的程度如何，就能夠診斷出誤差原因是什么以及該誤差因素以多大的程度存在。

2 典型的誤差分析

考慮閉環(huán)控制下的X 軸光柵以伸縮率a（μm/mm）伸長的情況，因直線光柵伸長產生的X 軸定位誤差為exX=a（-X）。

因此，誤差矢量為C＝－EX=（aX，0，0）。

如圖4 所示，若圓弧插補運動的半徑為R，θ 表示X軸與OP 間的夾角，則X＝RcosΘ，Y=RsinΘ。

圖4 DBB 數據處理系統(tǒng)

將該計算結果以極坐標表示在基準圓上，如圖4 所示，運動誤差軌跡是以X 軸為長軸的橢圓形軌跡。

DBB 結果顯示，機床的X，Z 軸導軌垂直度誤差遠大于機床合格證所要求的0.005 mm/200 mm，兩軸的動態(tài)插補誤差導致18.2 μm 的圓度誤差和＞2 μm 的反向躍沖，說明存在機械的幾何精度誤差，NC 的精度控制存在問題，所以復查機床的幾何精度，修配至0.004 mm/200 mm，對機床的電氣參數優(yōu)化，如表1。

表1 機床主要參數對比

表1 中，V51 參數主要用于提高系統(tǒng)的動態(tài)響應，速度環(huán)比例增益的數值，一般與伺服電機的負載慣量具有相同的百分比。V52 參數主要用于提高系統(tǒng)的動態(tài)響應，速度環(huán)積分增益的數值，減小該數值可以減少系統(tǒng)的超調量。

機床參數調整后，再用DBB 重復測量結果如圖5 所示。

圖5 DBB 測量結果（X，Z 軸參數調整后）

X，Y 軸垂直度誤差減小為-11.8 μm/m，圓度為6.7 μm反向躍沖為x=0.7 μm，y=2.1 μm，各項誤差都明顯減小。

3 結 語

螺旋齒輪泵的核心零件是一對左右旋向的軸齒輪，齒輪和泵殼的加工精度決定了泵的容積效率和機械效率，螺旋齒輪的加工精度是影響泵總效率的關鍵因素之一，油泵螺旋轉子嚙合過程中，轉子齒頂到齒根的漸開線都會參與嚙合，為使油泵的流量和壓力的脈動減到最小，得到精確而穩(wěn)定的傳動，不允許齒形的誤差超過規(guī)定的許可公差，針對這個特點，轉子的齒形要求特別嚴格。通過對DBB 的應用，分析插補動態(tài)軌跡誤差產生的原因，合理提高機床的幾何精度，優(yōu)化機床NC 驅動參數，使用機床的數控軸插補法修整砂輪時，動態(tài)誤差減小。

試磨油泵螺旋轉子齒輪，齒形誤差提高到0.018～0.025 mm 如圖6 所示，實際測量齒形誤差曲線與理論齒形曲線重合度比較好，能滿足螺旋齒輪泵的設計齒形要求的≤0.025 mm 的誤差，螺旋齒輪加工精度提高以后，試車過程中傳動噪聲明顯下降，檢測油泵的出口壓力脈動也明顯減小，試制的螺旋轉子泵達到設計參數。

圖6 應用DBB 技術調整機床后齒輪檢測圖

使用球桿儀檢測機床的動態(tài)誤差，提高了運動精度，對縮小國產磨齒機與國外同類產品的差距很有意義。

［1］［日］垣野義昭，井原之敏，篠原章翁.基于球桿儀的數控機床精度評價方法［M］.唐英，譯.西安：西安交通大學出版社，2011.

［2］ NUM Drive C Mono-Axis Bi-Axis Compact drives and NUM HP Drive Parameter manual［M］.NUM Co.，Ltd.，2010.