螺旋锥齿轮磨削误差产生机制及修正技术研究

论文摘要

螺旋锥齿轮是机械传动的基础元件,其空间形状和加工过程相当复杂。数控技术的发展,为螺旋锥齿轮简化调整和进一步提高加工质量提供了方便。而螺旋锥齿轮加工质量的控制一直是其加工中的一个关键问题。目前国外螺旋锥齿轮数控加工质量控制技术仅为少数公司所拥有,国内尚处于起步阶段。为此,本文根据螺旋锥齿轮数控加工的特点,以提高其加工精度为目的,展开螺旋锥齿轮磨削误差机理及补偿技术的研究,具体内容如下所述。螺旋锥齿轮加工方法及数控加工模型的研究。由于螺旋锥齿轮磨削加工与铣齿加工原理一致,本文根据其铣齿加工特点,结合相对微分和局部共轭法,分析了螺旋锥齿轮大轮展成法、成形法,小轮刀倾法、变性法的加工算法。另外根据摇台式机床加工的特点,分别建立了大轮展成法、成形法,小轮刀倾法、变性法的六轴五联动数控加工模型,为后述螺旋锥齿轮磨削误差及齿面误差修正的研究提供了理论基础。六轴五联动螺旋锥齿轮数控磨床综合误差模型的研究。运用多体系统理论,研究了螺旋锥齿轮CNC磨床低序体阵列拓扑结构,进而采用齐次坐标矩阵变换方法,建立了CNC螺旋锥齿轮磨床综合空间误差的数学模型,获得了六个自由度方向的误差表达式。在此基础上,分析了六轴五联动螺旋锥齿轮磨床砂轮磨削点的误差变化规律以及与齿轮齿距、螺旋角、周节、齿形等形位误差生成的关系,提出了获得螺旋锥齿轮精确形位参量所需的机床关键误差控制条件。螺旋锥齿轮磨齿加工齿面误差的影响研究。结合得到的误差综合模型,运用螺旋锥齿轮加工原理、齿轮啮合理论,进一步建立了含磨床各运动副误差的螺旋锥齿轮的齿面方程,对含磨床砂轮主轴运动副误差的齿面进行仿真并得到差曲面,进而分析了磨床砂轮主轴各运动副误差对螺旋锥齿轮齿面的影响。其次根据成形法加工螺旋锥齿轮的原理,运用空间坐标变换原理,建立了成形法加工时螺旋锥齿轮的齿面方程,研究了各个机床调整参数扰动时的差曲面,分析了机床调整误差对齿面误差的影响规律。上述研究查明了磨床误差及加工调整参数误差对螺旋锥齿轮齿面误差的影响机制。基于截断奇异值分解法的齿面误差修正技术的研究。结合机床调整参数、齿轮啮合原理,建立了螺旋锥齿轮齿面误差修正模型。提出采用TSVD(截断奇异值分解)正则化方法与L曲线相结合求解此线性超越方程组,从而达到对齿面误差修正,其求解精度比采用的最小二乘法求解更高,误差修正更好,为高精度的齿面误差修正提供了有效方法。螺旋锥齿轮误差修正试验研究。实验验证了本文齿面误差修正模型及提出的TSVD法求解的正确性,提高螺旋锥齿轮齿面加工质量。此外还进一步分析了修正前后五个联动轴的表达式系数的变化趋势以及对齿面误差的影响规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景、目的与意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的背景、目的与意义
• 1.2 螺旋锥齿轮设计与制造技术发展概况
• 1.2.1 螺旋锥齿轮设计理论方面的研究
• 1.2.2 螺旋锥齿轮加工机床的发展与加工模型的研究
• 1.2.3 螺旋锥齿轮齿面制造误差的检测与修正技术研究
• 1.3 多体系统理论在机床误差建模方面的研究概况
• 1.4 螺旋锥齿轮研究领域目前存在的问题
• 1.5 论文的主要研究内容及创新点
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 主要创新点
• 第二章 螺旋锥齿轮六轴五联动数控磨齿加工数学模型
• 2.1 六轴五联动数控螺旋锥齿轮磨床概述
• 2.2 螺旋锥齿轮加工原理与方法
• 2.2.1 螺旋锥齿轮加工分析
• 2.2.2 大轮加工算法
• 2.2.3 小轮加工算法
• 2.3 六轴五联动数控机床磨齿加工模型
• 2.3.1 六轴五联动螺旋锥齿轮磨床CNC加工模型计算
• 2.3.2 螺旋锥齿轮六轴五联动数控磨齿加工模型分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于多体系统理论的数控磨床误差建模与分析
• 3.1 多体系统运动误差分析
• 3.1.1 多体系统的拓扑结构描述
• 3.1.2 多体系统中典型体的几何描述
• 3.1.3 理想情况下多体系统中的位置表达
• 3.1.4 实际情况下多体系统的位置表达
• 3.1.5 应用Denavit-Hartenberg齐次变换矩阵描述多体系统
• 3.2 六轴五联动数控螺旋锥齿轮磨床综合误差模型
• 3.2.1 螺旋锥齿轮数控机床的几何误差源与几何误差描述
• 3.2.2 螺旋锥齿轮数控磨床的拓扑结构分析
• 3.2.3 螺旋锥齿轮数控磨床的误差模型建立
• 3.3 螺旋锥齿轮磨削加工的形位误差的产生机制
• 3.4 本章小结
• 第四章 螺旋锥齿轮齿面制造误差产生机制的研究
• 4.1 差曲面的定义及性质
• 4.1.1 差曲面的定义与表示
• 4.1.2 差曲面的性质
• 4.2 含误差的螺旋锥齿轮齿面方程的建立
• 4.2.1 六轴五联动数控螺旋锥齿轮磨床系统相邻体间变换矩阵的建立
• 4.2.2 含误差的螺旋锥齿轮齿面方程的建立
• 4.3 螺旋锥齿轮差曲面的建立
• 4.3.1 螺旋锥齿轮坐标建立与网格划分
• 4.3.2 螺旋锥齿轮差曲面描述与建立
• 4.3.3 主轴运动副误差对齿面误差的影响分析
• 4.4 机床调整误差对齿面影响分析
• 4.4.1 成形法加工大轮齿面理论方程的建立
• 4.4.2 机床调整参数误差对齿面误差的影响规律分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于截断奇异值分解法的齿面误差修正
• 5.1 齿面误差修正概述
• 5.2 齿面误差的测量方法
• 5.3 齿面误差模型的建立
• 5.3.1 机械式铣齿机坐标系的建立
• 5.3.2 小轮齿面偏差识别方程的建立
• 5.4 齿面误差识别方程的求解
• 5.4.1 不适定问题
• 5.4.2 不适定问题正则化的主要思想
• 5.4.3 截断奇异值分解正则化方法
• 5.4.4 正则化参数的选取
• 5.4.5 TSVD求解分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 螺旋锥齿轮齿面误差检测与修正实验研究
• 6.1 螺旋锥齿轮齿面误差检测与修正试验步骤
• 6.2 螺旋锥齿轮齿面误差的检测
• 6.2.1 试验仪器简介
• 6.2.2 螺旋锥齿轮齿面误差的测量
• 6.3 螺旋锥齿轮齿面误差修正实验
• 6.4 试验结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要成果