（机械电子工程专业论文）基于多体系统运动学的数控插齿机加工误差分析与实验研究.pdf

摘要 齿轮是机械工业中重要的基础传动元件，具有恒功率输出、承载能力大、 传动效率高、使用寿命长、传动比稳定、结构紧凑等优点。由于齿轮在机械传 动中的重要作用及其形状的复杂性，它的设计、制造水平已成为一个国家现代 工业技术水平的标志之一，也是各国学术界和企业界关注和研究的热点所在。 因此，研究齿轮及齿轮加工的相关技术具有很大的理论和现实意义。 为了提高齿轮加工精度，首先必须研究齿轮加工过程中产生误差的原因。 传统的齿轮加工机床不是数字控制方式，而是通过一系列挂轮和较长的传动链 来加工齿轮的。齿轮精度与加工机床传动链的每一个环节的制造精度密切相关。 近几年，随着齿轮机床数控技术的发展，传统齿轮机床传动链大大简化，这为 进一步提高和改进齿轮加工精度提供了技术基础。本论文根据国内外对齿轮加 工误差的研究现状和存在的问题，并以对数控插齿机床为研究对象，开展了如 下几个方面的研究工作。 1 首先以多体系统为理论基础， 建立了数控插齿机床运动学模型。 根据数控 插齿机床的具体运动情况 ( 在实际的工程对象中，由于组成机器的各个零件的 制造和安装误差，各运动件的实际运动轨迹与理想运动轨迹产生偏差，使应有 的运动得不到完成)，建立运动参考坐标系以及相应的误差矢量和误差变换矩 阵，提出了数控插齿机床的几何误差描述方法。以该误差描述方法为基础，推 导出有误差情况下，一般数控插齿机床运动学方程。 2从齿轮加工工艺出发，分析研究影响齿轮精度的各种因素。将多体系统 运动学理论与齿轮啮合原理相结合，建立齿轮误差及传动链误差分析模型。基 于该模型，本文提出了齿轮数控加工的敏感误差因素，获得了精确的齿轮齿面 方程，并对齿轮的齿形和齿面进行了数值仿真。结合齿轮加工误差分类及检验 项目，推导出了齿轮的齿形误差、相邻周节误差、周节累积误差的计算公式， 实现了齿轮的数控加工误差定量计算。 3针对y k 5 1 2 0 数控插齿机， 使用r e n i s h a w公司的ml 1 0 双频激光干涉仪， 和 r e n i s h a w / r x 1 0转台以 及其他光学组件，实现了对数控插齿机的主轴回转误 差的测量和补偿。在误差补偿前后，分别进行了齿轮的加工实验。实验结果表 明，齿轮的齿形误差、周节累积误差和周节误差分别提高了一个等级。 关键词:数控插齿机、多体系统、加工误差、误差补偿 ab s t r a c t g e a r i s a n i m p o r t a n t t r a n s m i s s i o n e l e m e n t i n m e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n g , it h a s t h e f e a t u r e s o f c o n s t a n t p o w e r o u t p u t , h e a v y l o a d i n g s , h i g h t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y , l o n g o p e r a t i n g l i f e , s t a b le t r a n s m i s s i o n r a t i o , a n d c o m p a c t s t r u c t u r e , e t c . d u e t o i t s im p o r ta n t r o l e i n m e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n a n d th e c o m p l e x i t y o f i t s f o r m , t h e d e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n g l e v e l o f g e a r s h as b e c o m e o n e o f t h e s y m b o l o f m o d e rn i n d u s t ry l e v e l o f a c o u n t r y , a n d b e c o m e t h e r e s e a r c h h o t s p o t in a c a d e m e t o o . t h u s , it i s o f g r e a t t h e o r e t i c a n d r e a l i s t i c s i g n i fi c a n c e t o res e a r c h o n c o r r e l a t i v e t e c h n o l o g y o f g e a r s . i n o r d e r t o i m p r o v e t h e m a c h i n i n g p r e c i s i o n , t h e c a u s e o c c u r r e d i n t h e g e a r m a c h i n i n g p r o c e s s m u s t b e s t u d i e d . t r a d i t i o n a l g e a r m a c h i n e t o o l s a r e n o t n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d , a n d t h e g e a r i s m a c h i n e d t h r o u g h a s e r i e s o f c h a n g e g e a r s a n d l o n g d r iv e c h a i n . g e a r a c c u r a c y i s re l a t e d t o t h e m a n u f a c t u r i n g a c c u r a c y o f e a c h s e g m e n t o f g e a r m a c h i n e t o o l s . i n r e c e n t y e a r s , w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c n c t e c h n o l o g y o f g e a r m a c h i n e t o o l s , t h e d r i v e c h a i n s o f t r a d i t i o n a l g e a r m a c h i n e t o o l s a r e s h o r te n e d g r e a t l y , w h i c h o ff e r e d t h e t e c h n o l o g y b a s e f o r i m p r o v i n g g e a r m a c h i n i n g p r e c i s i o n . b as e d o n t h e r e s e a r c h s t a t u s a n d e x i s t e n t p r o b l e m s o f g e a r m a c h i n i n g e r r o r , t a k i n g c n c g e a r s h a p e r as r e s e a r c h o b j e c t , s o m e i s s u e s a r e s t u d i e d i n t h i s p a p e r . 1 k i n e m a t i c s m o d e l i n g o f c n c g e a r s h a p e r i s b u i l t b a s e d o n m u l t i - b o d y s y s t e m t h e o ry . a c c o r d i n g t o t h e s p e c i f i c m o v e m e n t o f c n c g e a r s h a p e r , m o v e m e n t r e f e r e n c e c o o r d i n a t e s y s t e m a n d t h e c o r r e s p o n d i n g e r r o r v e c t o r s a n d e r r o r t r a n s f o r m a t i o n m a t r i x e s a r e s e t u p , a n d t h e g e o m e t r i c m e t h o d f o r d e m o n s t r a t i n g t h e m o v e m e n t e r r o r s o f c n c g e a r s h a p e r . b as e d o n t h e d e m o n s t r a t i n g m e t h o d ( i n r e a l p r o j e c t o b j e c t , t h e r e a l m o v e m e n t t r a c k d e v i a t e s fr o m t h e i d e a l t r a c k d u e t o t h e e x i s t e n c e o f m a n u f a c t u r i n g a n d i n s t a l l a t i o n e r r o r o f e a c h p a r t , f r o m w h i c h , t h e i d e a l m o v e m e n t i s n o t a c c o m p l i s h e d .) , g e n e r a l k i n e m a t i c s e q u a t i o n o f c n c g e a r s h a p e r i s d e r i v e d u n d e r t h e c o n d i t i o n o f e r r o r 2 f r o m t h e p o i n t o f v i e w o f p r o c e s s i n g s y s t e m , g e a r m a c h i n i n g p r e c i s i o n i s i n fl u e n c e d b y m a n y f a c t o r s , a n a l y s i s m o d e l i n g o f g e a r e r r o r a n d d r i v e c h a in e r r o r a r e b u i l t 妙 i n t e g r a t i n g k i n e m a t i c s t h e o r y o f m u l t i - b o d y s y s t e m w i t h t h e o r y o f g e a r e n g a g e m e n t . b a s e d o n t h i s m o d e l , s e n s i t iv e e r r o r f a c t o r s o f g e a r p r o c e s s i n g i s p u t f o r w a r d i n t h i s p a p e r , t h u s , t h e a c c u r a t e t o o t h s u r f a c e e q u a t i o n i s g a i n e d , a n d t h e s i m u l a t i o n o f t o o t h p r o f i l e a n d t o o t h s u r f a c e i s c a r r ie d o u t . a c c o r d i n g t o t h e c l a s s i f i c a t i o n a n d t e s t c r i t e r i o n o f g e a r m a c h i n i n g e r r o r , t o o t h p r o fi l e e r r o r , c i r c u l a r p i t c h e r r o r a n d a c c u m u la t e d p i t c h e r r o r o f g e a r a r e d e r i v e d s e l e c t i v e l y , w h i c h r e a l i z e t h e q u a n t i t a t i v e c a l c u l a t i o n o f m a c h i n i n g e r r o r o f g e a r . 3 t h e m e a s u re m e n t a n d c o m p e n s a t i o n o f p r i n c i p a l a x i s r o t a t i n g e r r o r o f c n c g e a r s h a p e r a n d t h e p r o c e s s e x p e r im e n t o f g e a r h a s b e e n d o n e o n c n c g e a r s h a p e r y k 5 1 2 0 . i n t h i s e x p e r i m e n t , d o u b l e f r e q u e n c y l a s e r in t e r f e r e n c e e q u i p m e n t ml 1 0 , r e n i s h a w / r x 1 0 r o t a ry t a b l e a n d o t h e r o p t i c a l u n it s a r e u s e d . g e a r m a c h i n i n g t e s t s h a v e b e e n d o n e u n d e r t h e c o n d i t i o n o f c o m p e n s a t i o n a n d u n c o m p e n s a t i o n . t h e e x p e r i m e n t r e s u l t i n d i c a t e s t h a t s o m e t e s t i t e m s , s u c h a s t o o t h p r o f i l e e r r o r , c i r c u l a r p i t c h e r r o r a n d a c c u m u l a t e d p i t c h e r r o r o f g e a r a re i m p r o v e d b y o n e g r a d e k e y w o r d s : c n c g e a r s h a p e r , m u l t i - b o d ym a c h i n i n g n s a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 剐签 字 日 期 : : 、 年 月 2日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解达生主 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 一 孟 建大生一 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名:导师签名 签字日期: 多 。 口 华年 告 八 i f 6月 7 -日 签 字 日 期 : 2-年了月2 1 日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1引言 齿轮是汽车、1托车、工程机械等机械制造行业重要的基础传动元件，在 工业发展的历史长河中，发挥了十分重要的作用。 它与皮带、 摩擦、液压等机 械传动相比， 具有功率范围 大、传动效率高、传动比 准确、使用寿命长、安全 可靠等特点，因此它己 成为许多机械产品不可缺少的传动部件。齿轮的设计与 制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。在全球工业化和信息化的今天， 齿轮以其特殊的地位仍然发挥着其它元件无法替代的作用。由于齿轮在机械传 动中的重要作用及其复杂性，齿轮及其相关技术一直是各国学术界和企业界关 注和研究的热点所在。 近年来，随着汽车、机械、航天等工业领域的不断发展， 对齿轮提出了更 高的要求 1 ,2 ,2 2 1 :传动速度大、 承载能力强、使用寿命长、 运行噪音小、 制造成 本低，相应地对齿轮的设计、加工、检测等方面提高了要求。在这种背景下， 现代设计方法、先进制造技术、计算机技术及相关技术的交叉融合，使齿轮的 研究进入了一个崭新的阶段。 设计方面，为了提高齿轮装置的传动性能和降低齿轮的噪声和振动，设计 出高质量的齿轮传动装置，研究人员在深入研究和了解齿轮传动系统的动态特 性的 基础上，出 现了 基于动 态弹 性啮 合原理的 齿轮动态设 计方法3 -5 1 ， 从而代替 了基于刚体力学的静态设计。 加工方面，齿轮加工机床及刀具的原始精度不断提高，齿轮加工生产率和 齿轮加工精度也不断提高，基于齿轮误差诊断的补偿技术已成为提高齿轮加工 精 度 的 重 要 发 展 方 向 6-10 1 检测方面，齿轮测量技术正朝着高效率、高精度、多功能和智能化方向发 展。传统的频谱分析技术日 趋成熟，专家系统、神经网络和小波分析等新技术 将从实 验室研究阶 段， 逐 步走向 实际 应用阶段 1 1 , 1 2 1 。 所有这些 都对齿 轮的 研究 者、 生产者和使用者提出了新的目标。 第一章 绪论 1 . 2齿轮加工方法 圆柱齿轮的加工方法很多，按齿廓形成原理，可以分为成形法和展成法两 大类。成形法是用刃部形状与被切齿轮槽形状相同的成形刀具来加工齿轮的， 属于成形法的齿轮加工方法有铣齿、拉齿、冲齿、成形磨齿、压铸等。展成法 又称滚切法，是加工时切削工具与工件作相对展成运动，刀具和工件的瞬心线 相互作纯滚动，两者之间保持确定的速比关系，所获得加工表面就是刀刃在这 种运动中的包络面。属于展成法的齿轮加工方法有滚齿、插齿、剃齿、晰齿、 展成法磨齿、车齿等。现代齿轮生产中，主要是展成法。下面介绍齿轮加工常 用的切齿方法。 1 )滚齿 滚齿 1 ,2 ,2 4 ,2 5 是一种高 效的、 应用最广泛的 一 种齿廓加工方法， 是 依照交 错 轴斜齿轮啮合原理进行加工的。滚刀相当于一个螺旋角很大的具有切削能力的 斜齿圆柱齿轮，与工件在一定速比关系下作空间啮合，按包络 ( 展成)原理来 完成渐开线、花键、摆线等各种齿形加工。滚齿是加工直齿和斜齿渐开线圆柱 齿轮最常用的方法。如果采用高精度滚齿刀和高精度滚齿机时，可滚切 5级精 度的齿轮。 2 )插齿 插齿 1 ,2 , 1 3 . 1 9 ,2 5 1 也是广为采用的 切齿方法， 它是用形状为齿轮或齿条的插齿 刀具，与被加工齿轮按一定的速度作相啮合运动的同时，刀具沿齿长方向作往 复运动形成切削加工。插齿刀有后角和一定前角，插齿刀的模数与压力角要和 被加工齿轮相一致。 插齿机主要加工内外直齿圆柱齿轮及各种形状的直齿非圆 齿轮和凸轮，以及带台肩的双联齿轮或多联齿轮;选用螺旋导轨刀架，可以加 工斜齿圆柱齿轮;选用附加顶尖座可加工轴齿轮;选用可倾斜角度的工作台， 能加工倒锥齿轮及带锥度的离合器;选用鼓形齿让刀机构，可加工鼓形齿;机 床变形后可加工齿宽大于6 0 m m的工件。以 上两种方法均为滚切法。 3 )剃齿 剃齿 1 ,2 ,2 0 ,2 1 ,2 4 x 是精加工齿轮的一 种方法。 剃齿时， 工件装夹在心轴上， 顶在机床工作台上的两顶尖间，可以自由转动;剃齿刀装在机床主轴上，和工 件相交成一角度，带动工件旋转，两者之间没有强制的展成运动。 4 )磨齿 第一章 绪论 磨齿 1 ,2 ,2 4 ,2 5 1 是齿轮精加工的一种方法， 其主要特点是可以 作为淬硬齿轮的 最终加工工序，并可全面纠正齿轮磨前的各项误差，获得较高的加工精度。 磨 齿的主要特点是生产率较低，加工成本高，并要求较高的操作技术。 5 )晰齿 晰齿加工 1 ,2 ,2 4 ,2 5 是应用齿轮形或蜗杆形晰磨轮与被晰齿轮作自 由 啮合传 动，利用其齿面间的相对滑动速度和压力进行晰削的一种齿面精加工方法，一 般用于淬硬齿轮的最终加工。 1 .3齿轮加工机床 1 .3 . 1 齿轮加工机床的发展历程2 6 1 齿轮加工机床是加工各种圆柱齿轮、锥齿轮和其他带齿零件的机床。齿轮 加工机床的品 种规格繁多， 有加工几毫米直径齿轮的小型机床， 加工十几米直 径齿轮的大型机床，还有大量生产用的高效机床和加工精密齿轮的高精度机床。 齿轮加工机床广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山 机械、 冶 金机械、石油、仪表、飞机和航天器等各种机械制造业中。 古代的齿轮是用手工修锉成形的。1 5 4 0年，意大利的托里亚诺在制造钟表 时，制成一台使用旋转锉刀的切齿装置;1 7 8 3年，法国的勒内制成了使用铣刀 的齿轮加工机床，并有切削齿条和内齿轮的附件;1 8 2 0年前后，英国的怀特制 造出第一台既能加工圆柱齿轮又能加工圆锥齿轮的机床。具有这一性能的机床 到1 9 世纪后半叶又有发展。 1 8 3 5年，英国的惠特沃思获得蜗轮滚齿机的专利;1 8 5 8 年，席勒取得圆柱 齿轮滚齿机的专利;以后经多次改进，至1 8 9 7 年德国的普福特制成带差动机构 的滚齿机，才圆满解决了加工斜齿轮的问题。在制成齿轮形插齿刀后，美国的 费洛斯于 1 8 9 7 年制成了插齿机。 二十世纪初，由于汽车工业的需要， 各种磨齿机相继问世。 1 9 3 0 年左右在美 国制成剃齿机; 1 9 5 6 年制成街齿机。 6 0 年代以 后， 现代技术在一些先进的圆柱齿 轮加工机床上获得应用，比如在大型机床上采用数字显示指示移动量和切齿深 度:在滚齿机、插齿机和磨齿机上采用电子伺服系统和数控系统代替机械传动 链和交换齿轮;用设有故障诊断功能的可编程序控制器，控制工作循环和变换 第一章 绪论 磨齿 1 ,2 ,2 4 ,2 5 1 是齿轮精加工的一种方法， 其主要特点是可以 作为淬硬齿轮的 最终加工工序，并可全面纠正齿轮磨前的各项误差，获得较高的加工精度。 磨 齿的主要特点是生产率较低，加工成本高，并要求较高的操作技术。 5 )晰齿 晰齿加工 1 ,2 ,2 4 ,2 5 是应用齿轮形或蜗杆形晰磨轮与被晰齿轮作自 由 啮合传 动，利用其齿面间的相对滑动速度和压力进行晰削的一种齿面精加工方法，一 般用于淬硬齿轮的最终加工。 1 .3齿轮加工机床 1 .3 . 1 齿轮加工机床的发展历程2 6 1 齿轮加工机床是加工各种圆柱齿轮、锥齿轮和其他带齿零件的机床。齿轮 加工机床的品 种规格繁多， 有加工几毫米直径齿轮的小型机床， 加工十几米直 径齿轮的大型机床，还有大量生产用的高效机床和加工精密齿轮的高精度机床。 齿轮加工机床广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山 机械、 冶 金机械、石油、仪表、飞机和航天器等各种机械制造业中。 古代的齿轮是用手工修锉成形的。1 5 4 0年，意大利的托里亚诺在制造钟表 时，制成一台使用旋转锉刀的切齿装置;1 7 8 3年，法国的勒内制成了使用铣刀 的齿轮加工机床，并有切削齿条和内齿轮的附件;1 8 2 0年前后，英国的怀特制 造出第一台既能加工圆柱齿轮又能加工圆锥齿轮的机床。具有这一性能的机床 到1 9 世纪后半叶又有发展。 1 8 3 5年，英国的惠特沃思获得蜗轮滚齿机的专利;1 8 5 8 年，席勒取得圆柱 齿轮滚齿机的专利;以后经多次改进，至1 8 9 7 年德国的普福特制成带差动机构 的滚齿机，才圆满解决了加工斜齿轮的问题。在制成齿轮形插齿刀后，美国的 费洛斯于 1 8 9 7 年制成了插齿机。 二十世纪初，由于汽车工业的需要， 各种磨齿机相继问世。 1 9 3 0 年左右在美 国制成剃齿机; 1 9 5 6 年制成街齿机。 6 0 年代以 后， 现代技术在一些先进的圆柱齿 轮加工机床上获得应用，比如在大型机床上采用数字显示指示移动量和切齿深 度:在滚齿机、插齿机和磨齿机上采用电子伺服系统和数控系统代替机械传动 链和交换齿轮;用设有故障诊断功能的可编程序控制器，控制工作循环和变换 第一章 绪论 磨齿 1 ,2 ,2 4 ,2 5 1 是齿轮精加工的一种方法， 其主要特点是可以 作为淬硬齿轮的 最终加工工序，并可全面纠正齿轮磨前的各项误差，获得较高的加工精度。 磨 齿的主要特点是生产率较低，加工成本高，并要求较高的操作技术。 5 )晰齿 晰齿加工 1 ,2 ,2 4 ,2 5 是应用齿轮形或蜗杆形晰磨轮与被晰齿轮作自 由 啮合传 动，利用其齿面间的相对滑动速度和压力进行晰削的一种齿面精加工方法，一 般用于淬硬齿轮的最终加工。 1 .3齿轮加工机床 1 .3 . 1 齿轮加工机床的发展历程2 6 1 齿轮加工机床是加工各种圆柱齿轮、锥齿轮和其他带齿零件的机床。齿轮 加工机床的品 种规格繁多， 有加工几毫米直径齿轮的小型机床， 加工十几米直 径齿轮的大型机床，还有大量生产用的高效机床和加工精密齿轮的高精度机床。 齿轮加工机床广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山 机械、 冶 金机械、石油、仪表、飞机和航天器等各种机械制造业中。 古代的齿轮是用手工修锉成形的。1 5 4 0年，意大利的托里亚诺在制造钟表 时，制成一台使用旋转锉刀的切齿装置;1 7 8 3年，法国的勒内制成了使用铣刀 的齿轮加工机床，并有切削齿条和内齿轮的附件;1 8 2 0年前后，英国的怀特制 造出第一台既能加工圆柱齿轮又能加工圆锥齿轮的机床。具有这一性能的机床 到1 9 世纪后半叶又有发展。 1 8 3 5年，英国的惠特沃思获得蜗轮滚齿机的专利;1 8 5 8 年，席勒取得圆柱 齿轮滚齿机的专利;以后经多次改进，至1 8 9 7 年德国的普福特制成带差动机构 的滚齿机，才圆满解决了加工斜齿轮的问题。在制成齿轮形插齿刀后，美国的 费洛斯于 1 8 9 7 年制成了插齿机。 二十世纪初，由于汽车工业的需要， 各种磨齿机相继问世。 1 9 3 0 年左右在美 国制成剃齿机; 1 9 5 6 年制成街齿机。 6 0 年代以 后， 现代技术在一些先进的圆柱齿 轮加工机床上获得应用，比如在大型机床上采用数字显示指示移动量和切齿深 度:在滚齿机、插齿机和磨齿机上采用电子伺服系统和数控系统代替机械传动 链和交换齿轮;用设有故障诊断功能的可编程序控制器，控制工作循环和变换 第一章 绪论 切削参数;发展了数字控制非圆齿轮插齿机和适应控制滚齿机;在滚齿机上用 电子传感器检测传动链运动误差，并自 动反馈补偿误差等。 1 8 8 4年，美国的比尔格拉姆发明了采用单刨刀按展成法加工的直齿锥齿轮 刨齿机;1 9 0 0 年，美国的比尔设计了 双刀盘铣削直齿锥齿轮的机床。 由于汽车工业的需要，1 9 0 5年在美国制造出带有两把刨刀的直齿锥齿轮刨 齿机， 又于1 9 1 3 年制成弧齿锥齿轮铣齿机;1 9 2 3 年，出 现了准渐开线齿锥齿轮 铣齿机;3 0年代研制成能把直齿锥齿轮一次拉削成形的拉齿机，主要用于汽车 差动齿轮的制造。 4 0 年代，为适应航空工业的需要，发展了弧齿锥齿轮磨齿机。1 9 4 4 年，瑞 士厄利康公司制成延长外摆线齿锥齿轮铣齿机;从5 0 年代起，又发展了用双刀 体组合式端面铣刀盘， 加工延长外摆线齿锥齿轮的铣齿机。 齿轮加工机床主要分为圆柱齿轮加工机床和锥齿轮加工机床两大类。圆柱 齿轮加工机床主要用于加工各种圆柱齿轮、齿条、蜗轮。常用的有滚齿机，插 齿机、铣齿机、剃齿机等。 滚齿机是用滚刀按展成法粗、精加工直齿、斜齿、人字齿轮和蜗轮等，加 工范围广，可达到高精度或高生产率;插齿机是用插齿刀按展成法加工直齿、 斜齿齿轮和其他齿形件，主要用于加工多联齿轮和内齿轮;铣齿机是用成形铣 刀按分度法加工，主要用于加工特殊齿形的仪表齿轮; 剃齿机是用齿轮式剃齿 刀精加工齿轮的一种高效机床;磨齿机是用砂轮， 精加工淬硬圆柱齿轮或齿轮 刀具齿面的高精度机床;晰齿机是利用布轮与被加工齿轮的自由啮合，消除淬 硬齿轮毛刺和其他齿面缺陷的 机床;挤齿机是利用高硬度无切削刃的挤轮与工 件的自由啮合，将齿面上的微小不平碾光，以提高精度和光洁程度的机床;齿 轮倒角机是对内外啮合的滑移齿轮的齿端部倒圆的机床，是生产齿轮变速箱和 其他齿轮移换机构不可缺少的加工设备。圆柱齿轮加工机床还包括齿轮热轧机 和齿轮冷轧机等。 锥齿加工机床主要用于加工直齿、斜齿、弧齿和延长外摆线齿等锥齿轮的 齿部。 直齿锥齿轮刨齿机是以成对刨齿刀按展成法粗、 精加工直齿锥齿轮的机床， 有的机床还能刨制斜齿锥齿轮， 在中小批量生产中应用最广。 双刀盘直齿锥齿轮铣齿机使用两把刀齿交错的铣刀盘，按展成法铣削同一 齿槽中的左右两齿面，生产效率较高，适用于成批生产。由于铣刀盘与工件无 齿长方向的相对运动，铣出的齿槽底部呈圆弧形，加工模数和齿宽均受到限制。 d 第一章 绪论 这种机床也可配以自 动上下 料装置，实现单机自 动化。 直齿锥齿轮拉铣机是在一把大直径的拉铣刀盘的一转中，从实体轮坯上用 成形法切出一个齿槽的机床。它是锥齿轮切削加工机床中生产率最高的机床， 由于刀具复杂，价格昂 贵，而且每种工件都需要专用刀盘，只适用于大批大量 生产。机床一般都带有自 动上下料装置。 弧齿锥齿轮铣齿机以弧齿锥齿轮铣刀盘，按展成法粗、精加工弧齿锥齿轮 和准双曲面齿轮的机床，有精切机、粗切机和拉齿机等变型。 弧齿锥齿轮磨齿机是用于磨削淬硬的弧齿锥齿轮，以提高精度和光洁程度 的机床，其结构与弧齿锥齿轮铣齿机相似，但以砂轮代替铣刀盘，并装有砂轮 修整器，也可磨削准双曲面齿轮。 延长外摆线齿锥齿轮铣齿机是利用延长外摆线齿锥齿轮铣刀盘，或双刀体 组合式端面铣刀盘，按展成法连续分度切齿的机床。切齿时，摇台铣刀盘和工 件均作连续旋转运动，同时摇台作进给运动加工一个工件摇台往复一次。 铣刀 盘和工件的连续旋转使工件获得一定齿数的连续分度，并形成齿长曲线。摇台 的旋转和工件的附加运动结合起来， 产生展成运动， 使工件获得齿形曲 线。 准渐开线齿锥齿轮铣齿机用锥度滚刀， 按展成法连续分度切齿的机床。切 齿时，锥度滚刀首先以大端切削，然后以它较小直径的一端切削，为保证整个 切削过程中切削速度一致，机床靠无级变速装置控制滚刀转速在切齿时，摇台、 滚刀和工件均作连续旋转运动，加工一个工件，摇台往复一次。摇台和工件的 旋转通过差动机构产生展成运动，使工件获得沿齿长为等高的齿形曲线。 锥齿轮加工机床的配套设备有磨削铣刀盘和拉刀盘刀刃的磨刀机，配研成 对锥齿轮的研齿机， 检验成对锥齿轮啮合接触情况的锥齿轮滚动检查机和防止 齿部热处理变形的淬火压床等。 1 .3 .2齿轮加工机床的发展趋势2 7 为适应齿轮加工行业对制造精度、生产效率、提高质量及清洁生产的要求， 制齿机床及制齿技术出现了以下发展趋势。 1 . 全数控化 通过将机床的各运动轴进行c n c控制及部分轴间进行联动后，具有以下优 点: ( 1 ) 增加了机床的功能，如可进行多次切削循环以及使滚削小锥度、鼓形齿 第一章 绪论 这种机床也可配以自 动上下 料装置，实现单机自 动化。 直齿锥齿轮拉铣机是在一把大直径的拉铣刀盘的一转中，从实体轮坯上用 成形法切出一个齿槽的机床。它是锥齿轮切削加工机床中生产率最高的机床， 由于刀具复杂，价格昂 贵，而且每种工件都需要专用刀盘，只适用于大批大量 生产。机床一般都带有自 动上下料装置。 弧齿锥齿轮铣齿机以弧齿锥齿轮铣刀盘，按展成法粗、精加工弧齿锥齿轮 和准双曲面齿轮的机床，有精切机、粗切机和拉齿机等变型。 弧齿锥齿轮磨齿机是用于磨削淬硬的弧齿锥齿轮，以提高精度和光洁程度 的机床，其结构与弧齿锥齿轮铣齿机相似，但以砂轮代替铣刀盘，并装有砂轮 修整器，也可磨削准双曲面齿轮。 延长外摆线齿锥齿轮铣齿机是利用延长外摆线齿锥齿轮铣刀盘，或双刀体 组合式端面铣刀盘，按展成法连续分度切齿的机床。切齿时，摇台铣刀盘和工 件均作连续旋转运动，同时摇台作进给运动加工一个工件摇台往复一次。 铣刀 盘和工件的连续旋转使工件获得一定齿数的连续分度，并形成齿长曲线。摇台 的旋转和工件的附加运动结合起来， 产生展成运动， 使工件获得齿形曲 线。 准渐开线齿锥齿轮铣齿机用锥度滚刀， 按展成法连续分度切齿的机床。切 齿时，锥度滚刀首先以大端切削，然后以它较小直径的一端切削，为保证整个 切削过程中切削速度一致，机床靠无级变速装置控制滚刀转速在切齿时，摇台、 滚刀和工件均作连续旋转运动，加工一个工件，摇台往复一次。摇台和工件的 旋转通过差动机构产生展成运动，使工件获得沿齿长为等高的齿形曲线。 锥齿轮加工机床的配套设备有磨削铣刀盘和拉刀盘刀刃的磨刀机，配研成 对锥齿轮的研齿机， 检验成对锥齿轮啮合接触情况的锥齿轮滚动检查机和防止 齿部热处理变形的淬火压床等。 1 .3 .2齿轮加工机床的发展趋势2 7 为适应齿轮加工行业对制造精度、生产效率、提高质量及清洁生产的要求， 制齿机床及制齿技术出现了以下发展趋势。 1 . 全数控化 通过将机床的各运动轴进行c n c控制及部分轴间进行联动后，具有以下优 点: ( 1 ) 增加了机床的功能，如可进行多次切削循环以及使滚削小锥度、鼓形齿 第一章 绪论 轮等变得极为容易。 ( 2 ) 缩短了机床的传动链。采用半闭环或全闭环控制后，通过数控补偿，可 以提高各轴的定位精度和重复定位精度，从而提高了机床的加工精度及工艺能 力 指 数c - 值， 增 加了 机 床的 可 靠 性。 ( 3 ) 换品种时，由于省去了计算及更换分齿挂轮、差动挂轮、进给挂轮和主 轴换档的时间，插齿机还省去了换斜导轨的时间，从而减少了辅助时间，增加 了机床的柔性。 ( 4 ) 由于机械结构变得简单了，从而更利于提高机床的刚性及将热变形减到 最小。 ( 5 ) 各轴间没有机械传动的联系，结构设计变得典型化，更利于实施模块化 设计及制造。 由上可见，制齿机床正朝着全数控化的方向发展。 2 . 高速、高效化 齿轮加工机床如滚齿机、插齿机及磨齿机的高速化，主要是指机床拥有高 的刀具主轴转速和高的工作台转速。它们是影响切削效率的主要指标。 3 . 加 工 精 度 及 c ,( 工 序 能 力 指 数 ) 值 进 一 步 提 高 由于采用了高精度、具有预加负荷的高刚性直线导轨、滚珠丝杠、滚动轴 承、电主轴、环形扭矩伺服电动机及数控技术，使齿轮加工机床在高速加工的 条件下精度得到保证并有所提高。 4 . 功能复合型机床渐成主流 功能复合型机床是指在一台机床上或工件一次装夹中，可以完成多种工序 加工，从而提高工件的加工效率甚至精度。比如滚插联合、磨街联合 齿轮加工机床。 5 . 机床的柔性进一步增强 随着数控技术应用于齿轮加工机床上，使齿轮加工机床实现了 柔性化。滚 齿机、剃齿机及磨齿机等齿轮加工机床柔性化解决得较早，而插齿机最近才真 正实现柔性化。 6 . 面向绿色制造的高速干式加工机床倍受青睐 采用干切削加工工艺，避免了切削液和油污污染空气和环境，同时工件不 受油污污染，工件干净。不仅节省大量能量， 也符合环保要求。 7 . 冷轧成形技术发展迅速 e mo h a n n o v e r 2 0 0 1 机床展览会上有 1 3台冷轧机出现在展台上。由于 第一章 绪论 冷轧机具有效率极高、齿部表面组织好及台阶齿不受刀具结构限制等优点，冷 车 l 机从最初的冷滚丝发展到冷轧渐开线花键和小模数齿轮甚至冷轧环形零件， 其应用范围将越来越广。 8 . 数控机床网络化 由于计算机及网络技术的高速发展，现在的高档数控系统己具备了通讯联 网的功能，使网络化生产、远程调试及远程诊断得以实现。目 前i t技术迅猛发 展，数控机床正朝着网络化方向发展。 1 .4齿轮加工误差及补偿的研究 1 .4 . 1齿轮加工误差的研究 齿轮制造工艺的发展，归根到底取决于齿轮加工精度的提高和生产效率的 提高上。为了提高齿轮加工精度，必须了 解齿轮加工误差产生的原因，这样， 才能有目 的的进行预防和避免。 引起齿轮加工误差的原因是多种多样的， 按照误差的表现形式， 可以进行如 下 分 类 6 ， 见 图1 - 1 0 尽管引起齿轮加工误差的因素很多，到目前为止，研究的重点放在周期性 误差的 影响因 素上 6 ,2 9 - 3 6 ， 如图中 所示的 几何 偏心、 运动偏心、 主 轴回 转误差与 传动链误差、刀具误差等， 而其他方面则考虑较少，而且研究的对象多为滚齿 机床。以下作详细叙述。 几何偏心的 特点是， 在齿轮加工的过程当中，工件孔轴线相对于刀具轴线 的距离作周期性变化，形成切齿时工件回转轴线相对于工件孔轴线的偏心。引 起几何偏心的工艺因素包括:工件孔与夹具心轴的间隙误差、夹具心轴的径向 跳动、工件端面与孔轴线的垂直度误差等。几何偏心的存在，所加工齿轮的基 圆中心与孔轴心会产生偏移，使得齿轮在工作时由于各齿分布不均匀而产生转 角误差。 运动偏心的特点是工作台回转轴线与工件孔轴线同轴， 但是切齿时工件回 转角速度不均匀，使得切齿后左右齿廓基圆轴线与孔轴线产生偏心。引起运动 偏心的工艺因素主要是蜗轮的制造与安装误差。 由于齿轮主要是由展成法加工的，因此齿轮加工机床的传动链误差将引起 第一章 绪论 冷轧机具有效率极高、齿部表面组织好及台阶齿不受刀具结构限制等优点，冷 车 l 机从最初的冷滚丝发展到冷轧渐开线花键和小模数齿轮甚至冷轧环形零件， 其应用范围将越来越广。 8 . 数控机床网络化 由于计算机及网络技术的高速发展，现在的高档数控系统己具备了通讯联 网的功能，使网络化生产、远程调试及远程诊断得以实现。目 前i t技术迅猛发 展，数控机床正朝着网络化方向发展。 1 .4齿轮加工误差及补偿的研究 1 .4 . 1齿轮加工误差的研究 齿轮制造工艺的发展，归根到底取决于齿轮加工精度的提高和生产效率的 提高上。为了提高齿轮加工精度，必须了 解齿轮加工误差产生的原因，这样， 才能有目 的的进行预防和避免。 引起齿轮加工误差的原因是多种多样的， 按照误差的表现形式， 可以进行如 下 分 类 6 ， 见 图1 - 1 0 尽管引起齿轮加工误差的因素很多，到目前为止，研究的重点放在周期性 误差的 影响因 素上 6 ,2 9 - 3 6 ， 如图中 所示的 几何 偏心、 运动偏心、 主 轴回 转误差与 传动链误差、刀具误差等， 而其他方面则考虑较少，而且研究的对象多为滚齿 机床。以下作详细叙述。 几何偏心的 特点是， 在齿轮加工的过程当中，工件孔轴线相对于刀具轴线 的距离作周期性变化，形成切齿时工件回转轴线相对于工件孔轴线的偏心。引 起几何偏心的工艺因素包括:工件孔与夹具心轴的间隙误差、夹具心轴的径向 跳动、工件端面与孔轴线的垂直度误差等。几何偏心的存在，所加工齿轮的基 圆中心与孔轴心会产生偏移，使得齿轮在工作时由于各齿分布不均匀而产生转 角误差。 运动偏心的特点是工作台回转轴线与工件孔轴线同轴， 但是切齿时工件回 转角速度不均匀，使得切齿后左右齿廓基圆轴线与孔轴线产生偏心。引起运动 偏心的工艺因素主要是蜗轮的制造与安装误差。 由于齿轮主要是由展成法加工的，因此齿轮加工机床的传动链误差将引起 第一章 绪论 冷轧机具有效率极高、齿部表面组织好及台阶齿不受刀具结构限制等优点，冷 车 l 机从最初的冷滚丝发展到冷轧渐开线花键和小模数齿轮甚至冷轧环形零件， 其应用范围将越来越广。 8 . 数控机床网络化 由于计算机及网络技术的高速发展，现在的高档数控系统己具备了通讯联 网的功能，使网络化生产、远程调试及远程诊断得以实现。目 前i t技术迅猛发 展，数控机床正朝着网络化方向发展。 1 .4齿轮加工误差及补偿的研究 1 .4 . 1齿轮加工误差的研究 齿轮制造工艺的发展，归根到底取决于齿轮加工精度的提高和生产效率的 提高上。为了提高齿轮加工精度，必须了 解齿轮加工误差产生的原因，这样， 才能有目 的的进行预防和避免。 引起齿轮加工误差的原因是多种多样的， 按照误差的表现形式， 可以进行如 下 分 类 6 ， 见 图1 - 1 0 尽管引起齿轮加工误差的因素很多，到目前为止，研究的重点放在周期性 误差的 影响因 素上 6 ,2 9 - 3 6 ， 如图中 所示的 几何 偏心、 运动偏心、 主 轴回 转误差与 传动链误差、刀具误差等， 而其他方面则考虑较少，而且研究的对象多为滚齿 机床。以下作详细叙述。 几何偏心的 特点是， 在齿轮加工的过程当中，工件孔轴线相对于刀具轴线 的距离作周期性变化，形成切齿时工件回转轴线相对于工件孔轴线的偏心。引 起几何偏心的工艺因素包括:工件孔与夹具心轴的间隙误差、夹具心轴的径向 跳动、工件端面与孔轴线的垂直度误差等。几何偏心的存在，所加工齿轮的基 圆中心与孔轴心会产生偏移，使得齿轮在工作时由于各齿分布不均匀而产生转 角误差。 运动偏心的特点是工作台回转轴