零传动数控滚齿机的精度分析

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     零传动数控滚齿机通过取消传统滚齿机中的传动机构, 实现了电机与滚刀主轴以及电机与工作台的直联, 大大缩短了传动链, 减少了传动元件的制造误差以及间隙和装配误差对于齿轮加工的影响, 它不仅可以大幅度提高机床的加工精度和加工速度, 同时, 由于其机械结构简单, 在设计时更有利于提高机床的刚性, 完全解决机械传动链中存在的磨损问题, 进而保持了精度的稳定性。高精度滚齿机一般可达到5级精度。作为数控机床, 零传动数控滚齿机的加工精度与机床、刀具、夹具、工件类型、加工环境等一系列因素有关。由表1可知, 机床误差和加工过程误差对加工精度的影响最为明显。为了进一步分析零传动数控滚齿机的精度, 本文将主要从滚齿机机床误差和滚齿加工误差等两方面分别进行阐述。

表1数控机床各误差源对加工精度的影响程度

1.滚齿机机床误差

' V" E. `; J' d4 P- h. s  V滚齿机是传动关系最为复杂的机床之一。传统滚齿机通过内、外联传动链实现滚削加工, 传动链冗长, 这样不但影响加工精度, 还影响精度的保持性。零传动滚齿机采用电主轴形式实现电机与滚刀、电机与工作台的直联, 机床其它各进给轴则采用电机- 联轴器- 滚珠丝杠副的形式实现旋转运动向直线运动的转换, 这样就很大程度地缩短了机床传动链, 甚至可以取消加工斜齿时所必需的差动传动链, 最大限度地压缩冗长传动链对加工精度的影响程度。此外, 由于零传动滚齿机结构简单, 各轴均由数控系统控制, 较之传统结构则更容易实现各轴之间的联动, 从而提高机床的加工精度。零传动滚齿机虽然消除了传统机床中的一些误差源, 但它采用的新的结构形式也会为加工精度带来新的影响, 本文将从主轴系统、进给系统和控制系统三方面入手, 分析零传动机床结构对机床精度的影响。
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1.1 主轴系统
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' b+ a) d! O; }8 y; w主轴系统是滚齿机的核心, 它在很大程度上影响着齿轮的加工精度。主轴部件的精度主要体现在主轴的回转精度和刚度的提高, 而回转精度与刚度又决定于主轴的形式及装配形式。零传动滚齿机的滚刀主轴和工件主轴均采用电主轴形式。由于电主轴内部为双支承支撑结构, 选用高刚度轴承支承可以提高电主轴刚度特性, 减小其弹性变形、回转误差和径向误差等, 从而保证电主轴的动静态特性。为了进一步提高电主轴精度, 对主轴支承轴承系统施加适当的预紧力, 这样不仅消除轴承内部的游隙, 还能使滚动体产生一定量的弹性变形, 从而增加滚动体的接触面积,提高轴承的回转精度, 达到提高主轴精度的目的。除了支承轴承的影响以外, 另一个影响电主轴精度的重要因素就是电主轴的散热问题。电主轴工作状态下,电机的定子和转子将产生大量的热量, 并将传递到主轴上, 这些热量不仅会影响主轴本身精度, 更重要的是, 它会引起主轴轴承的热变形, 从而影响电主轴的热特性。为了消除热变形的影响, 电主轴中设计有循环冷却系统, 它可以带走电机产生的大部分热量以减少主轴及其支承的热变形。
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零传动滚齿机主轴的设计中, 电机的选取对机床加工精度的影响至关重要。在传统滚齿机, 电机通过主运动传动链将运动传递给滚刀, 并通过范成运动传动链分配滚刀和工件轴的运动以满足它们之间严格的传动比关系。运动传递中的大传动比的精密传动副可以减小滚齿机传动误差, 这点对滚齿机的工作台的影响最为明显。虽然零传动滚齿机可以大大提高滚刀主轴的转速, 但基于滚齿基本原理, 工作台的速度仍然很低。在零传动驱动的情况下, 电机误差对工作台的影响不可能通过减速传动机构减小, 因此对工作台电机转矩特性要求很高, 不但能做大承载力的可控回转, 还能提供高分辨率的精密低速运动。另外, 零传动驱动对电机的稳定性要求也很高。结合电机的机械特性、矩频特性、负载要求、调速要求等, 主轴电机一般选用效率高, 且高低速特性较好的交流同步电机。滚齿是断续切削加工过程, 由于零传动滚齿机可提供较高的滚刀转速, 这就带来较高切削振动频率,为避免共振对齿轮加工的不良影响, 要求电主轴具有较高的固有频率以远离激振区, 由此, 对电机的固有频率的要求也相应提高。

/ f7 n+ m' k: i1.2 滚齿机进给系统
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& U- K  l, H8 I% u6 H在数控滚齿机中, 工作台的轴向和径向进给运动都是通过伺服电机、直线滚动导轨和滚珠丝杠来实现的。数控机床的进给系统不但应具有较高的传动精度和定位精度, 还应具有良好的快速响应性, 避免爬行。由于进给爬行的产生主要是因为进给系统的摩擦力较大而致, 在数控滚齿机中则采用摩擦系数小、高精度且具有预加负荷的高刚度直线滚动导轨, 它不但可以提高机床移动部件的运动精度, 还能保证工作台低速运动的稳定性, 从而使得工作台运动均匀、平稳、无振动、达到高定位精度与高重复性精度, 并易于达到与使用条件相匹配的足够的刚度。用于实现工作台直线运动的滚珠丝杠通过适当的预加压力, 获得零背隙及低热损失, 进一步保证了工作台的运动精度与定位精度。进给系统中, 伺服电机与滚珠丝杠的连接由挠性联轴器实现。挠性联轴器具有缓冲、吸振和补偿误差的功能, 作为进给传动中的柔性环节, 挠性联轴器能有效地将电机的振动隔离于床身之外, 提高了机床精度。

) N; a6 j* D- Z  a; T6 H& z9 I8 h1.3 控制精度
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滚齿切削的基本原理是齿轮的展成运动, 因此,滚刀转速和工作台转速之间应遵循严格的传动比关系, 其具体运动方程式如下：

式中: vz , vy 分别为z、y轴的进给速度; β, λ分别为齿轮工件螺旋角和滚刀螺旋升角; mn 为斜齿轮法面模数; nb , nc 分别是滚刀转速和工作台转速。

零传动滚齿机取消传统滚齿机中的齿轮差分机构, 采用电子齿轮箱实现各轴运动的匹配, 并采用半闭环或全闭环控制, 通过数控补偿和修正机械误差,提高各轴的定位精度和重复定位精度, 从而简化机床结构, 提高机床加工精度, 增加机床可靠性。对于数控系统在离散化和处理运算数据时所带来的误差, 数控软件则可以消除, 从而保证数控系统的精度。零传动滚齿机的数控结构图如图1所示。

图1 零传动数控滚齿机系统图

Mx、Mb、Mc、Mz为各轴驱动电机；Ex、Eb、Ec、Ez为各轴编码器
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9 `9 x% v& \. C' a+ J2 L2.滚齿加工过程误差

1 c: s$ p# B( t; W! |/ t$ h2.1 滚刀及安装在滚齿加工中, 滚刀质量以及滚刀安装精度都是重要的工艺误差因素。据统计资料, 被切齿轮的基节偏差约80%来源于滚刀误差, 而齿形误差约65%来源于滚刀误差。由此, 保证滚齿机的精度必须保证滚刀及滚刀安装精度。
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滚齿过程中, 滚刀本身的制造误差易带来齿形误差, 如齿面出棱、齿形不对称和齿形角误差等, 这些误差最终会影响齿轮啮合的平稳性。为了避免上述齿形误差, 一般6级精度以上的齿轮, 须用AA级精度的滚刀, 同时必须在滚刀刃磨后, 对滚刀进行精度检验。滚刀的安装误差则直接影响着齿轮的加工精度,其主要体现在滚刀径向跳动、轴向窜动、滚刀轴线倾斜、对中不好等方面。因此, 在安装滚刀刀杆时,应特别注意刀杆以及滚刀的端面跳动和径向跳动, 其中滚刀的夹紧应该通过滚刀、轴套及调整垫片端面之间的静摩擦力来达到驱动要求。另外, 高速运转的滚刀系统中应该带有散热系统以带走多余的热量, 从而减小刀具的热变形。
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% s/ k  }" |! @6 g. y5 O9 Y2.2 工件及安装
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! \' K  D. [! r, H7 M由于零传动数控滚齿机取消了传动链, 故滚切齿轮时, 工作台分度蜗轮在制造与安装中产生的周节累积误差则被消除。影响被加工齿轮运动精度的主要原因在于工件安装偏心, 它是由工件内孔轴心线与机床工作台回转中心不重合所产生的。为了避免和减小安装偏心对运动精度的影响, 滚刀刀杆采用可胀心轴以提高定心精度。另一方面, 尽量提高夹具和心轴的刚度, 保证工件的夹紧程度。工作台主轴则通过7∶24的锥度孔与心轴联接, 确保工件的回转精度。

' }) t( `$ C8 o+ A: m" h另外, 齿坯的几何精度直接影响着齿轮的齿距累积误差和齿圈径跳。被加工齿轮的齿数越多, 齿坯的几何精度对齿距误差的影响越小。由于齿面加工常以齿轮孔和端面为基准面, 所以在工件的装夹中, 特别应注意孔径尺寸精度和基准面间的位置精度, 以控制工件内孔与心轴间的间隙和齿坯安装时内孔和端面垂直度误差从而避免和减少齿形误差。
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8 }% M. J' k7 g2 z! ^9 f" m3.结束语
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零传动数控滚齿机大大简化了机械结构, 降低了电机与主轴之间的传动误差, 提高了主轴的高速极限回转速度, 并使滚削加工在高速的条件下精度得到保证并有所提高。