數(shù)控成形磨齒機測頭自動對刀技術(shù)和余量分配的研究

彭寧， 李春艷， 郭璐

（秦川機床集團有限公司研究院，陜西寶雞 721009）

1 自動對刀技術(shù)的簡介

大型數(shù)控成形磨齒機具有高精度、高效率、大規(guī)格的優(yōu)點，齒輪磨削對刀一直是成形磨齒機一大難題，它直接影響成形磨齒機磨削效率和磨削質(zhì)量，傳統(tǒng)的人工對刀方法效率低下，對刀精度不高，已不能滿足用戶需要，隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，國外數(shù)控成形砂輪磨齒機上普遍采用自動對刀技術(shù)，其自動對刀方式主要有以下幾種：1）利用磁感應式傳感器探頭，它是通過齒輪頂面接近、離開傳感器時磁力線的開閉變化引起的高低電平的變化記錄C軸坐標位置，確定齒輪中心位置，這種對刀一般要用第一個齒輪做基準，并且對齒坯要求較高，齒坯不能倒棱、齒頂不能有磕碰和明顯的缺陷，但其對刀效率比較高，比較適用于小齒輪的大批量磨削。2）通過聲發(fā)射傳感器（AE）進行對刀，它是通過監(jiān)控砂輪和齒輪接觸與非接觸產(chǎn)生的噪聲頻率的變化來對刀，這種對刀方式對聲發(fā)射傳感器要求較高，對電器系統(tǒng)的電磁屏蔽功能要求高，如果信號弱未被傳感器測出，會發(fā)生齒輪工件的損傷。3）大型數(shù)控成形磨齒機都配有在機測量系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)進行磨削對刀，不僅精度高，而且對齒輪無損傷，同時還可以計算出齒輪毛坯磨削余量，制定最優(yōu)的磨削方法，但此方法需要嚴密的計算過程。本文主要研究第3）種自動對刀方式在大型成形磨齒機上的應用。

2 測頭對刀方法

2.1 測頭對刀的坐標系建立

以YK73200磨齒機為例，高精度三維觸發(fā)式測頭安裝在砂輪架下方，隨砂輪架沿X、Y、Z方向移動，齒輪安裝在圓臺面上，可以繞自身中心作C軸回轉(zhuǎn)運動，如圖1所示，坐標系∑O（O-X，Y，Z）為機床坐標系，坐標系∑p（Op-Xp，Yp，Zp）為工件坐標系。

2.2 測頭對刀的原理和方法

若齒輪齒槽半角為0，則如圖1漸開線齒輪端面漸開線起點在X軸上，我們以齒面上半徑為r1的點M在工件坐標系∑p的坐標（XMP，YMP）為：

由于M點的法線又是基圓的切線，所以測頭中心C在工件坐標系∑p的坐標（XCP，YCP）為：

式中：r0為測頭半徑；βb為齒輪基圓螺旋角。

對刀時，測頭中心在Y軸方向與齒輪中心對齊，測頭中心在工件坐標系∑p的坐標YCP=0。

因此，在∑p坐標系中將齒輪同測頭繞Zp軸轉(zhuǎn)動θ角得到測頭中心 C 在工件坐標系∑p的坐標為（ΧCP′，YCP′）

圖1

由式（3）第二等式得出 θ=arctan（YCP/XCP），代入第一式可得出XCP′數(shù)值，將測頭在工件坐標系∑p的坐標（ΧCP′，YCP′）轉(zhuǎn)換到機床坐標系∑O的坐標（ΧC′，YC′）：

a、b為齒輪中心與測頭中心X、Y方向的距離。

3 測頭對刀方法的實現(xiàn)

齒輪齒數(shù)為Z，要對刀的齒數(shù)為N，對刀齒數(shù)在整個齒輪上均布，將要對刀的齒數(shù)設為第m1、m2、…mi..mN齒，則

將測頭移動齒輪中部Z0位置，進入第m1個齒槽，定位于機床坐標系∑O的點（XC′，YC′），沿 C 軸負方向轉(zhuǎn)動齒輪，左齒面與測頭接觸產(chǎn)生觸發(fā)信號。該觸發(fā)信號進入NC系統(tǒng)的中斷端口引起系統(tǒng)中斷并記錄觸發(fā)時C軸坐標Cm11；沿C軸正方向轉(zhuǎn)動齒輪，右齒面與測頭接觸產(chǎn)生觸發(fā)信號。該觸發(fā)信號進入NC系統(tǒng)的中斷端口引起系統(tǒng)中斷并記錄觸發(fā)時C軸坐標Cm12；其余齒數(shù)同樣測量。

第 mi齒對刀坐標為 Cmi=（Cmi1+Cmi2）/2-（mi-1）×360/Z；

將N個齒對刀坐標求平均數(shù)，可得到齒輪的對刀坐標Cm。

齒輪加工后的齒厚參數(shù)一般已知，我們可以利用公式計算出加工后齒輪的基圓齒槽半角σ0，這樣我們可以計算出對刀的N個齒輪左右齒面的磨削余量：

第 mi齒輪左齒面的磨削余量=（Cm+（mi-1）×360/ZCmi1-θ-σ0+△σ1）×π/180×rb×cosβb；

第 mi齒輪右齒面的磨削余量=（Cmi2-Cm-（mi-1）×360/Z-θ-σ0+△σ2）×π/180×rb×cosβb。

△σ1和△σ2為左右齒面角度補償量，系統(tǒng)對觸發(fā)信號的響應有時間的滯后，造成記錄C軸坐標有極小誤差，影響計算精度，需要補償，這個補償量與系統(tǒng)高速中斷口的響應時間和對刀時C軸移動的速度有關。

4 測頭對刀方法在機床上的應用

對齒數(shù)35、模數(shù)16 mm、壓力角20°、齒寬100 mm的齒輪，在YK73200機床上進行對刀實驗，每次對6個齒，分別為第 1，6，12，18，24，30 齒，成形磨齒機軟件系統(tǒng)會自動生成測頭對刀的NC程序，讓對刀程序自動運行后，將計算的結(jié)果顯示在系統(tǒng)計算機上如圖2，上面顯示第6齒左右齒面磨削余量最均勻，第24齒齒面磨削余量最大，第1齒齒面磨削余量最小，這時可將磨削第一齒改在磨削余量最大的第24齒，也可以改在磨削余量最均勻的第6齒，當然如果左右齒面對刀余量相差實在太大，軟件也會報警。以避免造成不必要的損害。

圖2 對刀程序運算結(jié)果

在YK73200機床上進行對刀實驗，比較對刀結(jié)果，發(fā)現(xiàn)C軸的對刀誤差一般小于0.003°，毛坯余量的計算精度一般小于0.03 mm，完全滿足齒輪對刀精度要求，因此實驗結(jié)果證明計算原理正確，對刀方法可行，對刀精度滿足磨削要求。

［1］ 吳序堂.齒輪嚙合原理［M］.西安：西安交通大學出版社，1982.