一种线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法技术

本发明专利技术公开了一种线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法，利用数控加工技术优势，研究了满足消除齿面几何拓扑偏差的刀具路径和附加切削运动，提出了一种适用于线接触弧齿锥齿轮齿面精确、高效的加工方法。具体步骤包括建立线接触弧齿锥齿轮齿面数学方程、对刀倾法的加工滚比进行变性处理改进小轮加工方法、基于传统的摇台式铣齿机床建立改进的小轮切齿运动模型、建立在新型加工方法下小轮加工齿面与理论共轭齿面比对的几何拓扑偏差数学模型、开展齿面几何拓扑偏差加工运动与参数补偿机制的研究、改进机床调整参数修正计算方法、完成小轮切齿运动模型由传统机床到数控机床的转换。利用本发明专利技术所提出的数控加工方法，能够实现线接触弧齿锥齿轮副的加工。

A numerical control machining method of line contact spiral bevel gear pair

【技术实现步骤摘要】
一种线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法
本专利技术所属弧齿锥齿轮加工
，具体涉及一种线接触弧齿锥齿轮副精确、高效的数控加工方法。
技术介绍
弧齿锥齿轮是螺旋锥齿轮中的一种，被广泛应用于装备制造业、交通运输业、工程机械、航空航天、军工装备等领域。目前有关我国弧齿锥齿轮加工的研究成果大多集中于产形轮原理、局部共轭原理以及改进的局部综合法等，并提出了相应的齿面修正方法。但随着数控技术的发展，以局部共轭原理为核心的齿面修正理论不能充分发挥数控技术的优势，对高档数控机床提升弧齿锥齿轮啮合接触质量方面显现出明显的不足。因此，弧齿锥齿轮的设计制造理论应回归于线接触的共轭啮合。但目前针对线接触弧齿锥齿轮的加工技术存在以下问题：(1)基于传统加工机床的局部共轭原理，因受到机械结构及切削运动的限制，没有严格按照产形轮原理加工，致使加工出的齿轮副无法实现共轭啮合，需要依靠修形满足局部共轭接触条件；(2)采用现有的切齿方法进行齿面加工，得到的实际加工齿面与线接触共轭齿面仍存在较大偏差；(3)基于局部共轭原理所提出的齿面修正理论并不适用于线接触理论齿面的修正，其计算结果会产生较大误差。以上几个方面的缺陷，都制约了弧齿锥齿轮多轴联动数控加工技术的发展和应用。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提出一种线接触弧齿锥齿轮精确高效的加工方法，利用数控加工技术，实现线接触共轭啮合齿轮副的加工。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法，步骤包括：步骤1)、确定大轮加工方法，建立其切齿运动模型，计算大轮刀具参数和机床调整参数，根据齿轮啮合原理，获得大轮加工齿面；步骤2)、建立线接触弧齿锥齿轮共轭啮合坐标系，确定大轮和小轮坐标系的位置关系，基于齿轮啮合原理，获得与大轮加工齿面线接触共轭啮合的小轮理论齿面，并确定共轭齿面两类界限线的数学模型；步骤3)、基于传统的摇台式铣齿机床建立改进的小轮切齿运动模型，确定刀具与齿坯的相对位置关系，根据齿轮啮合原理，获得新型加工方法的小轮加工齿面；步骤4)、对所求得的小轮齿面进行离散化处理，并根据所求共轭齿面两类界限线的数学模型确定齿面有效接触区，构建小轮加工齿面和小轮理论齿面之间的齿面几何拓扑偏差模型；步骤5)、根据齿面几何拓扑偏差数学模型与参数补偿机制，对小轮机床调整参数进行修正，利用改进的最小二乘法优化模型消除齿面偏差，获得实现小轮理论齿面加工的机床调整参数，确定参数修正后的小轮切齿运动模型；步骤6)、根据刀盘与齿坯坐标系的相对位姿在传统机床和五轴数控机床中相同的条件，将修正后的小轮切齿运动模型转化到五轴数控机床中，求得五轴数控机床各数控轴的瞬时运动模型。进一步讲，本专利技术所述的线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法中，步骤1)中，大轮采用展成法加工，计算相应的刀具参数和机床调整参数，基于齿轮啮合原理，得到大轮加工齿面Σ2为：式(1)中，r2为大轮加工齿面位置矢量，f2为大轮与刀具之间的啮合方程，ξ2为大轮齿面参数，λ2为大轮机床调整参数。步骤2)中，建立线接触弧齿锥齿轮副啮合坐标系，确定大轮和小轮坐标系的位置关系，基于齿轮啮合原理，得到与大轮加工齿面Σ2线接触共轭啮合的小轮理论齿面Σ0为：式(2)中，为大轮坐标系到小轮坐标系的坐标变换矩阵，为大轮啮合转角，为小轮啮合转角，r0为小轮理论齿面位置矢量，f为大轮与小轮的啮合方程。根据啮合方程f，计算啮合界限函数与根切界限函数，确定共轭齿面两类界限线的数学模型。步骤3)中，基于传统的摇台式铣齿机床建立改进的小轮切齿运动模型，确定刀具与齿坯相对位置关系，根据齿轮啮合原理，获得小轮加工齿面Σ1为：式(3)中，r1为小轮加工齿面位置矢量，f1为小轮与刀具的啮合方程，ξ1为小轮齿面参数，λ1为小轮机床调整参数。本专利技术利用数控加工技术优势，在切齿过程中附加切削运动，通过对刀倾法的加工滚比进行变性处理，改进小轮的切齿加工过程。在加工过程中，产形轮与小轮轮坯做变性运动，确定二者关系的变性多项式为：式(4)中，为产形轮转角，为小轮轮坯转角，C0为二阶变性系数，D0为三阶变性系数，C0和D0的初值均取零；步骤4)中，对所求得的小轮齿面进行离散化处理，获得k＝m×n个齿面点，再根据步骤2)所求得共轭齿面两类界限线数学模型，选取有效接触区内的齿面点，构建小轮加工齿面Σ1和小轮理论齿面Σ0之间的齿面偏差模型：Δδ(ξ1,λ1)＝(r0-r1(ξ1,λ1))·n1(ξ1,λ1)(5)式(5)中，n1(ξ1,λ1)为小轮加工齿面单位法矢，Δδ(ξ1,λ1)为小轮加工齿面Σ1和小轮理论齿面Σ0齿面偏差；根据齿面偏差模型，依次计算每个网格点所对应的齿面偏差值。步骤5)中，将齿面偏差由Δδ(ξ1,λ1)简化为小轮机床调整参数λ1的函数d(λ1)，将k个齿面点的偏差表示为向量：d(λ1)＝[d1(λ1),d2(λ1),…dk(λ1)]为了使现有的齿面修正计算方法，能够适用于线接触条件下的小轮齿面修正计算，本专利技术在保持刀盘刀顶面与小轮轮坯在刀盘轴向不发生偏离的前提下，对部分机床调整参数先进行修正，确定优先进行修正的机床调整参数为ρ1，以ρ1作为优化变量，小轮加工齿面Σ1与小轮理论齿面Σ0之间齿面偏差的平方和最小为目标，建立最小二乘法优化模型1：采用基于置信域策略的L-M迭代算法求解优化模型1，修正参数变量ρ1使得两齿面之间的偏差降低至100μm以下时，再以全部的机床调整参数λ1作为优化变量，利用优化模型1修正后的齿面偏差，建立最小二乘法优化模型2：采用基于置信域策略的L-M迭代算法求解优化模型2，获得实现小轮理论齿面加工的机床调整参数λ1，确定机床调整参数修正后的小轮切齿运动模型。步骤6)中，根据刀盘与齿坯坐标系的相对位姿在传统机床和五轴数控机床中相同的条件，将修正后的小轮切齿运动模型转化到五轴数控机床中，求得五轴数控机床各数控轴的瞬时运动模型。利用X轴、Y轴、Z轴、A轴模拟等速回转的摇台，摇台角的变化量为产形轮转角其取值为等间隔变化；C轴模拟变速回转的小轮轮坯，通过变性多项式(4)即可确定C轴的运动。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术利用数控加工技术优势，改进了现有的小轮加工方法，通过附加切削运动对刀倾法的加工滚比进行了变性处理，建立了小轮新型加工方法的切削运动模型，基于此切削模型进行齿面修正，能够更有效地消除小轮加工齿面与线接触理论齿面之间的偏差。(2)本专利技术改进了现有的齿面修正计算方法，使其能够适用于线接触条件下的小轮齿面修正计算，获得了能够实现线接触啮合传动的弧齿锥齿轮副的机床调整参数。(3)本专利技术首先基于传统的摇台式铣齿机建立小轮切齿运动模型，进行齿面修正计算，确定机床调整参数，然后将修正后的切齿运动模型由传统机床转换到数控机床中实现加工。相比直接在数控机床中建立切齿运动模型，该建模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法，其特征在于，步骤包括：/n步骤1)、确定大轮加工方法，建立其切齿运动模型，计算大轮刀具参数和机床调整参数，根据齿轮啮合原理，获得大轮加工齿面；/n步骤2)、建立线接触弧齿锥齿轮共轭啮合坐标系，确定大轮和小轮坐标系的位置关系，基于齿轮啮合原理，获得与大轮加工齿面线接触共轭啮合的小轮理论齿面，并确定共轭齿面两类界限线的数学模型；/n步骤3)、基于传统的摇台式铣齿机床建立改进的小轮切齿运动模型，确定刀具与齿坯的相对位置关系，根据齿轮啮合原理，获得新型加工方法的小轮加工齿面；/n步骤4)、对所求得的小轮齿面进行离散化处理，并根据所求共轭齿面两类界限线的数学模型确定齿面有效接触区，构建小轮加工齿面和小轮理论齿面之间的齿面几何拓扑偏差模型；/n步骤5)、根据齿面几何拓扑偏差数学模型与参数补偿机制，对小轮机床调整参数进行修正，利用改进的最小二乘法优化模型消除齿面偏差，获得实现小轮理论齿面加工的机床调整参数，确定参数修正后的小轮切齿运动模型；/n步骤6)、根据刀盘与齿坯坐标系的相对位姿在传统机床和五轴数控机床中相同的条件，将修正后的小轮切齿运动模型转化到五轴数控机床中，求得五轴数控机床各数控轴的瞬时运动模型。/n...

【技术特征摘要】
1.一种线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1)、确定大轮加工方法，建立其切齿运动模型，计算大轮刀具参数和机床调整参数，根据齿轮啮合原理，获得大轮加工齿面；
步骤2)、建立线接触弧齿锥齿轮共轭啮合坐标系，确定大轮和小轮坐标系的位置关系，基于齿轮啮合原理，获得与大轮加工齿面线接触共轭啮合的小轮理论齿面，并确定共轭齿面两类界限线的数学模型；
步骤3)、基于传统的摇台式铣齿机床建立改进的小轮切齿运动模型，确定刀具与齿坯的相对位置关系，根据齿轮啮合原理，获得新型加工方法的小轮加工齿面；
步骤4)、对所求得的小轮齿面进行离散化处理，并根据所求共轭齿面两类界限线的数学模型确定齿面有效接触区，构建小轮加工齿面和小轮理论齿面之间的齿面几何拓扑偏差模型；
步骤5)、根据齿面几何拓扑偏差数学模型与参数补偿机制，对小轮机床调整参数进行修正，利用改进的最小二乘法优化模型消除齿面偏差，获得实现小轮理论齿面加工的机床调整参数，确定参数修正后的小轮切齿运动模型；
步骤6)、根据刀盘与齿坯坐标系的相对位姿在传统机床和五轴数控机床中相同的条件，将修正后的小轮切齿运动模型转化到五轴数控机床中，求得五轴数控机床各数控轴的瞬时运动模型。


2.根据权利要求1所述的线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法，其特征在于，步骤1)中，
大轮采用展成法加工，计算相应的刀具参数和机床调整参数，基于齿轮啮合原理，得到大轮加工齿面Σ2为：



式(1)中，r2为大轮加工齿面位置矢量，f2为大轮与刀具之间的啮合方程，ξ2为大轮齿面参数，λ2为大轮机床调整参数。


3.根据权利要求2所述的线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法，其特征在于，步骤2)中，
建立线接触弧齿锥齿轮共轭啮合坐标系，确定大轮和小轮坐标系的位置关系，基于齿轮啮合原理，得到与大轮加工齿面Σ2线接触共轭啮合的小轮理论齿面Σ0为：



式(2)中，为大轮坐标系到小轮坐标系的坐标变换矩阵，为大轮啮合转角，为小轮啮合转角，r0为小轮理论齿面位置矢量，f为大轮与小轮的啮合方程；根据啮合方程f，计算啮合界限函数与根切界限函数，确定共轭齿面两类界限线的数学模型。


4.根据权利要求3所述的线接触弧齿锥齿轮副数控加工方法，其特征在于，步骤3)中，
基于传统的摇台式铣齿机床建立改进的小轮切齿运动模型，确定刀具与齿坯相对位置关系，根据齿轮啮合原理，获得小轮加工齿面Σ1为：



式(3)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙月海，王明阳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12