一种基于扇形齿轮量具的大型齿轮机床测头中心标定方法与流程

本发明涉及一种机床测头精度标定方法，尤其涉及一种基于扇形齿轮量具的大型齿轮机床测头中心标定方法。

背景技术：

大型齿轮作为大型风力发电、锻压设备、冶金设备以及船舶装置的关键零部件。由于大型齿轮工件的体积大、质量大、装夹不方便，不便于在三坐标测量仪或齿轮测量仪上进行测量，而采用离位测量方法存在二次装夹误差，会降低齿轮测量精度。近年来，国内外大型齿轮机床制造公司生产的大型磨齿、滚齿、插齿机床都配备了在位测量系统，这种在位测量方法实现齿轮的闭环加工，大大提高大齿轮的测量效率、精度和可靠性，降低齿轮测量的成本。

但是大型齿轮机床在位测量系统受到工作环境影响和自身高精度要求，需要定期对测头的位置精度进行标定，通常情况下，标定频率为一周一次。目前，从大型齿轮机床在位测量系统的使用情况来看，其测头标定的精度和效率一直是一大难题。主要存在两个方面原因，一是传统的大型齿轮机床的测头标定方法存在标定精度低的问题，传统的大型齿轮机床通常采用的圆柱标定或标准球标定，这种标定方法因工件回转直径大导致标定误差线性放大，测头的标定精度不高；二是对于小型齿轮机床上采用的标准齿轮标定方法在大型齿轮机床上不可行，因为大型机床受测头前端行程限制，只能采用尺寸更大的标准齿轮，但这样会增加量具成本，因装夹不方便，会大大降低标定效率。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于扇形齿轮量具的大型齿轮机床测头中心标定方法，可直接反映出齿轮机床的测头位置精度，避免了传统的标准圆柱标定方法的原理误差，提高大型齿轮机床的测头标定精度。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于扇形齿轮量具的大型齿轮机床测头中心标定方法，包括如下步骤：

S01：制作扇形齿轮量具；

S02：校正扇形齿轮量具平面与机床回转工件台的工作平面平行，校准扇形齿轮量具与回转工件台的回转轴线同轴；

S03：测量采点，具体为在扇形齿轮量具上选定若干个齿槽，执行齿形测量程序，对选定齿槽测量采点，获得齿槽的齿面测量数据；

S04：根据测量的数据，计算左齿面的齿廓斜率偏差平均值f_halm和右齿面的齿廓斜率偏差平均值f_harm；扇形齿轮量具查手册得出齿形精度标准值F_ha，当f_halm(Δx,Δy)≤1.4*F_ha，且f_harm(Δx,Δy)≤1.4*F_ha时，完成测头的标定；

S05：当f_hal(Δx,Δy)>1.4*F_ha，或f_har(Δx,Δy)>1.4*F_ha时，计算出测头中心的位置误差修正量(Δa，Δb)，标定测头中心的位置；

S06：按照新标定的测头位置中心的位置，重复S03步骤。

进一步，所述扇形齿轮量具的扇形角度介于30°～60°，扇形齿轮量具(1)的齿廓、齿向和齿距精度等级为ISO 3。

进一步，所述S02步骤具体为：

S02.1：将扇形齿轮量具放在机床回转工件台上；

S02.2：通过第一千分表测量校水平端面基准带与回转工作台的平面平行；通过调水平螺钉使扇形齿轮量具的水平端面基准带与机床回转工作台的工作平面平行；

S02.3：通过第二千分表测量校圆心基准带与回转工作台的回转轴线同轴；找正扇形齿轮量具的圆心，使扇形齿轮量具的假想圆心与机床回转工作台的圆心同心。

进一步，所述S02.2步骤中调水平螺钉数量为3个。

进一步，所述S05步骤具体为：

S05.1：建立测头误差与齿面斜率偏差之间关系的数学模型；假设测头沿X方向径向误差为Δx，由Δx产生的左、右齿面的齿廓斜率偏差为f_hal(Δx)和f_har(Δx)，且f_hal(Δx)与f_har(Δx)的倾斜方向相反，大小相同；假设测头沿Y方向切向误差为Δy，由Δy导致的两侧齿面的齿廓斜率偏差为f_hal(Δy)和f_har(Δy)，且f_hal(Δy)与f_har(Δy)的倾斜方向相同，大小相同；且径向误差Δx和切向误差Δy对左、右两侧齿面的齿廓斜率偏差的影响满足线性叠加原理，因此，Δx和Δy导致的左、右齿面的齿廓斜率偏差可以表示为f_hal(Δx,Δy)和f_har(Δx,Δy)：

S05.2：根据渐开线性质，根据方程组分别计算出齿廓偏差f_hal(Δx,0)、f_har(Δx,0)、f_hal(Δy,0)、f_har(Δy,0)、f_hal(Δx,Δy)、f_har(Δx,Δy)；

上述方程组中，渐开线齿廓绕O点旋转的理论角度为

测头存在径向误差Δx和切向误差Δy，且测量左齿面时，回转工作台绕O点旋转的计算转角为

测头存在径向误差Δx和切向误差Δy，且测量右齿面时，回转工作台绕O点旋转的计算转角为

其中：x₀为测头中心起始位置A点的X坐标值；x₁为测头沿X方向移动，且仍在齿槽内B点的X坐标值；r_b为齿轮基圆半径；

S05.3：计算Δx和Δy的修正系数k_x和k_y：假设存在扰动微小误差Δx和Δy，其中Δx∈[-0.05,0.05]和Δy∈[-0.05,0.05]，且Δx和Δy的单位为mm，任取Δx和Δy值，根据S05.2中的方程组，计算出左、右两侧齿廓斜率偏差分别为f_hal(Δx,Δy)和f_har(Δx,Δy)；已知(Δx,Δy)和f_hal(Δx,Δy)、f_har(Δx,Δy)，根据S05.1中公式的变型式可以求解修正系数k_x和k_y；

S05.4：计算测头中心的位置误差修正量(Δa，Δb)：根据方程式求解出误差修正量(Δa，Δb)；

S05.5：将该误差修正量(Δa，Δb)输入程序中。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的基于扇形齿轮量具的大型齿轮机床测头中心标定方法，采用通用标准量具，能降低大型数控齿轮加工设备的标定成本；

2.本发明所述的基于扇形齿轮量具的大型齿轮机床测头中心标定方法，具有调整简单、易于操作的优点，能提高大型齿轮机床的测头标定效率；

3.本发明所述的基于扇形齿轮量具的大型齿轮机床测头中心标定方法，可直接反映出齿轮机床的测头位置精度，避免了传统的标准圆柱标定方法的原理误差，提高大型齿轮机床的测头标定精度。

附图说明

图1为本发明所述扇形齿轮量具的结构示意图。

图2为本发明所述的基于扇形齿轮量具的大型齿轮机床测头中心标定方法中的扇形齿轮量具使用示意图。

图3为本发明所述扇形齿轮量具在线测量示意图。

图4为本发明所述测头位置误差造成的齿廓误差的计算模型。

图中：

1-扇形齿轮量具；2-调水平螺钉；3-起吊孔；4-校水平端面基准带；5-校圆心基准带；6-机床回转工作台；7-第一千分表；8-第二千分表；9-测头。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种基于扇形齿轮量具的大型齿轮机床测头中心标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：制作扇形齿轮量具1；

S02：校正扇形齿轮量具1平面与机床回转工件台6的工作平面平行，校准扇形齿轮量具1与回转工件台6的回转轴线同轴；

S03：测量采点，具体为在扇形齿轮量1具上选定若干个齿槽，执行齿形测量程序，对选定齿槽测量采点，获得齿槽的齿面测量数据；

S04：根据测量的数据，计算左齿面的齿廓斜率偏差平均值f_halm和右齿面的齿廓斜率偏差平均值f_harm；扇形齿轮量具1查手册得出齿形精度标准值F_ha，当f_halm(Δx,Δy)≤1.4*F_ha，且f_harm(Δx,Δy)≤1.4*F_ha时，完成测头9的标定；

S05：当f_hal(Δx,Δy)>1.4*F_ha，或f_har(Δx,Δy)>1.4*F_ha时，计算出测头9中心的位置误差修正量(Δa，Δb)，标定测头9中心的位置；

S06：按照新标定的侧头位置9中心的位置，重复S03步骤。

其中，所述扇形齿轮量具1的扇形角度介于30°～60°，扇形齿轮量具(1)的齿廓、齿向和齿距精度等级都要求达到ISO 3或者ISO 3以上。

所述S02步骤具体为：

S02.1：将扇形齿轮量具1放在机床回转工件台6上；

S02.2：通过第一千分表7测量校水平端面基准带4与回转工作台6的平面平行；通过调水平螺钉2使扇形齿轮量具1的水平端面基准带4与机床回转工作台6的工作平面平行；所述调水平螺钉2数量为3个。

S02.3：通过第二千分表8测量校圆心基准带5与回转工作台6的回转轴线同轴；找正扇形齿轮量具1的圆心，使扇形齿轮量具1的假想圆心与机床回转工作台6的圆心同心。

所述S05步骤具体为：

S05.1：建立测头9误差与齿面斜率偏差之间关系的数学模型；假设测头9沿X方向径向误差为Δx，由Δx产生的左、右齿面的齿廓斜率偏差为f_hal(Δx)和f_har(Δx)，且f_hal(Δx)与f_har(Δx)的倾斜方向相反，大小相同；假设测头9沿Y方向切向误差为Δy，由Δy导致的两侧齿面的齿廓斜率偏差为f_hal(Δy)和f_har(Δy)，且f_hal(Δy)与f_har(Δy)的倾斜方向相同，大小相同；且径向误差Δx和切向误差Δy对左、右两侧齿面的齿廓斜率偏差的影响满足线性叠加原理，因此，Δx和Δy导致的左、右齿面的齿廓斜率偏差可以表示为f_hal(Δx,Δy)和f_har(Δx,Δy)：

S05.2：根据渐开线性质，根据方程组分别计算出齿廓偏差f_hal(Δx,0)、f_har(Δx,0)、f_hal(Δy,0)、f_har(Δy,0)、f_hal(Δx,Δy)、f_har(Δx,Δy)；

上述方程组中，渐开线齿廓绕O点旋转的理论角度为

测头存在径向误差Δx和切向误差Δy，且测量左齿面时，回转工作台6绕O点旋转的计算转角为

测头存在径向误差Δx和切向误差Δy，且测量右齿面时，回转工作台6绕O点旋转的计算转角为

其中：x₀为测头中心起始位置A点的X坐标值；x₁为测头沿X方向移动，且仍在齿槽内B点的X坐标值；r_b为齿轮基圆半径；

S05.3：计算Δx和Δy的修正系数k_x和k_y：假设存在扰动微小误差Δx和Δy，其中Δx∈[-0.05,0.05]和Δy∈[-0.05,0.05]，且Δx和Δy的单位为mm，任取Δx和Δy值，根据S05.2中的方程组，计算出左、右两侧齿廓斜率偏差分别为f_hal(Δx,Δy)和f_har(Δx,Δy)；已知(Δx,Δy)和f_hal(Δx,Δy)、f_har(Δx,Δy)，根据S05.1中公式的变型式可以求解修正系数k_x和k_y；

S05.4：计算测头9中心的位置误差修正量(Δa，Δb)：根据方程式求解出误差修正量(Δa，Δb)；

S05.5：将该误差修正量(Δa，Δb)输入程序中。

图1所示，扇形齿轮量具1齿数为98、模数为8mm、齿宽120mm的ISO 3级直齿圆柱齿轮的一部分，且扇形角度45°，扇形齿轮量具上有24个齿。

按图2所示，完成所述S01-S02步骤。

S03：在扇形齿轮量具1上选定齿槽编号为1、8、16、24的齿槽，共计4个齿槽；在标定程序中输入待测齿槽编号，执行齿形测量程序，由测头9对选定齿槽的齿形进行采点测量。

S04：由齿形测量结果可知：齿槽编号为1、8、16、24四个齿槽的左齿面的齿廓斜率偏差f_hal(Δx,Δy)分别为21μm、22μm、25μm、20μm，右齿面的齿廓斜率偏差f_har(Δx,Δy)分别为-18μm、-14μm、-17μm、-15μm，则左、右两侧齿面的齿廓斜率偏差的平均值分别为f_halm和f_harm分别为22μm和-16μm，对照手册得出齿形精度达到ISO 7级，而实际扇形齿轮量具1齿形精度ISO 3，则判断出测头9在位置误差，需要对测头9的中心位置进行标定。

S05：图3和4为：测头位置误差造成的齿廓误差的计算模型；图中：A点为测头9中心的初始位置，B点为测头9沿X方向平移运动后且仍与齿廓接触的球心的位置，当测头9从A位置移动至B位置，对应的测头9与齿廓的接触点则由C位置移动至D位置。

假设人为给定扰动微小误差Δx＝0.05mm和Δy＝0.05mm，左、右齿面的测点时转台的理论角度左齿面包含误差的计算转角右齿面包含误差的计算转角得到因(Δx，Δy)两者共同产生的左、右两侧齿廓斜率偏差分别为f_hal(Δx,Δy)＝8.9μm和f_har(Δx,Δy)＝5.4μm；计算出的修正系数为k_x＝143和k_y＝35；由已知的修正系数k_x、k_y和两侧齿面的齿廓斜率偏差的平均值f_halm、f_harm，计算出测头中心的位置误差修正量Δa和Δb分别为0.021mm和0.54mm。在标定程序输入计算得到测头位置误差修正量(Δa＝0.021mm，Δb＝0.54mm)，进行二次标定。重复S04步骤，当标定测量精度与扇形齿轮量具1的实际精度相符时，完成测头9的标定。

假设人为给定扰动微小误差Δx’＝-0.05mm和Δy’＝-0.05mm，左、右齿面的测点时转台的理论角度左齿面包含误差的计算转角右齿面包含误差的计算转角得到因(Δx’，Δy’)两者共同产生的左、右两侧齿廓斜率偏差分别为f’_hal(Δx’,Δy’)＝-8.9μm和f’_har(Δx’,Δy’)＝-5.4μm；计算出的修正系数为k_x＝143和k_y＝35；已知的修正系数k_x、k_y和两侧齿面的齿廓斜率偏差的平均值f_halm＝22μm、f_harm＝-16μm，计算出测头中心的位置误差修正量Δa和Δb分别为0.021mm和0.54mm。在标定程序输入计算得到测头位置误差修正量(Δa＝0.021mm，Δb＝0.54mm)，进行二次标定。重复S04步骤，当标定测量精度与扇形齿轮量具1的实际精度相符时，完成测头9的标定。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。