數控插齒機回轉誤差檢測與補償

■菅相文

與一般的滾齒機相比，插齒機分度鏈最大不同之處在于它有兩套低速回轉系統。在插齒加工過程中，兩套低速系統的誤差相互疊加后，使誤差的檢測和分析變得復雜。而數控插齒機床雖然實現數控化，但大部分數控插齒機的工作臺回轉和刀具主軸回轉的降速和分齒運動還需要由蝸輪蝸桿來實現（國外出現用低轉速、大扭矩伺服驅動電機代替主軸電機＋蝸輪傳動）。所不同的是，它的兩套低速回轉系統分別由兩臺電機驅動，它們之間沒有其他的傳動連接，是截然分開的。因此，對工作臺或者刀具主軸的回轉誤差的測量和補償可以單獨進行。工作臺主軸和刀具主軸的回轉誤差對齒輪加工精度影響是非常大的。本文主要任務是將此項誤差測量出來，并進行軟件誤差補償。

1 數控插齒機工作臺回轉誤差軟件補償

誤差補償方案分為兩類：硬件補償和軟件補償。硬件誤差補償通過開發以微處理器芯片為核心的誤差補償控制器及專用的接口電路，根據誤差源的性質和補償內容的不同，分別在不同的階段進行補償。這一過程需要與數控機床系統實現連接傳送。應用硬件誤差補償方法，有一定弊端：數控系統、伺服系統的多樣性阻礙技術的普及，同時成本高，不利于維護，推廣困難。而軟件誤差補償技術是以研究數控機床的誤差影響因素來達到提高機床精度為目的的，它不需改變數控加工設備，通用性強，不用進行特殊培訓就能夠操作，特別適合于開放式數控系統，因此更易于被接受。鑒于此，本文采用軟件補償方法對數控插齒機的工作臺回轉誤差進行補償。由于本實驗只進行單軸回轉誤差的測量，因此測量回轉誤差時，Renishaw系統按照既定標準，自動進行補償量計算。

就軟件誤差補償方案來說，在哪個環節進行補償，要根據具體操作對象和補償效果而定。為此需要先介紹NC代碼的生成過程，然后確定補償方式。零件從設計到成品，一般經過產品設計（CAD）、工藝設計（CAPP）、生產實施（CAM）3個階段。CAD系統，由科學計算、圖形系統和工程數據庫等組成。科學計算包括有限元分析、可靠性分析、動態分析、產品的常規設計和優化設計；圖形系統包括幾何造型，自動繪圖、動態仿真等；工程數據庫對設計過程中需要使用和產生的數據、圖形、文檔等進行存貯和管理。CAPP系統功能包括毛坯設計、加工方法選擇、工序設計、工藝路線制定和公式定額計算等。狹義CAM指數控編程，主要內容包括：分析零件圖紙，進行工藝處理，確定工藝規程；數學處理，計算刀具運動軌跡，獲得刀位數據；編制零件加工程序；制備控制介質；校核程序及首件試切。

在CAD/CAPP/CAM系統中，幾何造型精度、加工刀位文件程序的控制精度是可控的，在理論上可以達到很高精度。通過后處理得到的機床加工程序，是以機床的最小脈沖當量為最小單位的。因此，通過軟件編程可以實現理論上要求的精度。而實際上機床存在幾何運動誤差，必須把系統產生的理想的加工程序通過特定補償方法處理成實際的加工程序。由此，根據誤差補償位置不同，將軟件誤差補償方案分為下列幾種。

1）對CAD模型進行修改。通過標準數據接口，根據修正后的誤差模型生成實際的CAD模型。將修正后的CAD模型的數據信息傳遞給CAM接口，得到加工數據的信息。這種補償方法最大缺點是無法確定實際切削點，與誤差數據點的信息不能很好地對應，并且不能用于帶有回轉運動數控機床的誤差補償上。

2）對CAM模型進行修改。通過誤差數據修正刀具加工軌跡文件，生成實際加工程序。這種補償方式特點是APT文件是刀具的實際加工點，與補償數據吻合，但其補償過程受加工工藝參數因素的影響較大。

3）NC數據進行修改。NC數據本身就帶有角度信息，可以很容易地將角度誤差的補償量加入到NC數據中進行修正，得到補償后的NC數據，所生成數據就是實際切削點的位置。這種方法具有通用性，可以在任意條件下進行，故本文采用此方法進行誤差補償。

2 數控插齒機工作臺主軸回轉誤差的測量

2.1 實驗儀器簡介

本實驗所用測量儀器為英國Renishaw公司的ML10雙頻激光干涉儀，Renishaw/RX10轉臺及其他光學組件。ML10激光干涉儀精度高，測量范圍大，測量速度快，分辨率高，便攜性好，具有自動線性誤差補償功能，可方便恢復機床精度，所以廣泛應用于機床的幾何精度檢測、位置精度的檢測及自動補償。更重要的是，利用ML10激光干涉儀加上RX10轉臺基準還能進行回轉軸的自動測量。它可以對任意角度位置，以任意角度間隔進行全自動測量。新的國際標準已推薦使用該項技術。它比傳統用自準直儀和多面體的方法節約大量的測量時間，而且得到完整的回轉軸精度曲線，知曉其精度的每一細節，并給出按相關標準處理的統計結果。

2.2 工作臺回轉誤差的測量

測量原理如圖1所示。測量時，轉臺沿與被測回轉軸相反的方向轉動。沒有誤差時，激光點的位置不變；如果回轉軸存在回轉誤差，折射回來的激光點發生偏移，Renishaw測回轉系統自動將偏移量進行處理，得到被測回轉軸總的回轉誤差。

1）將回轉工作臺臺面調整水平。2）將Renishaw/RX10轉臺基準安裝在回轉工作臺上，保證轉臺基準與工作臺的同軸度。3）接測量系統。4）應用Renishaw測量系統對插齒機工作臺回轉軸進行雙向定位誤差的測量，即進行正向360°和反向360°兩個方向的測量。測量過程中，每隔10°作為一個測量點，每兩個測量點之間停頓8秒，以利于Renishaw測量系統有充分的時間進行數據采集并進行處理。正、反向測量結果如圖2、圖3所示。

2.3 補償實驗

將需要補償的數據通過計算機輸入插齒機的數控系統中，然后再次通過Renishaw測量系統對工作臺的回轉誤差進行測量。測量結束后，將所測結果與補償前測量結果進行比較，如圖2、圖3所示。從圖中可以看到，補償效果十分明顯。

3 齒輪的加工與測量

為了檢驗工作臺回轉誤差對齒輪加工的影響，分別在補償前后進行齒輪的加工。加工的齒輪參數為模數3 mm、齒數36。加工完畢，對補償前后加工的齒輪進行測量：齒形誤差分別為21/13 μm；周節累積誤差30/20 μm，周節誤差8/6 μm。齒形誤差用漸開線檢查儀檢測；周節累積誤差和周節誤差檢驗儀器為萬能測齒儀。對照齒輪檢測標準（GB10095-88），齒輪的周節累積誤差和周節誤差這兩個檢測項目精度較高，補償前后分別達到6級和5級精度；而齒輪的齒形誤差較大，補償前齒形誤差為21 μm（屬9級精度），補償后加工的齒輪的齒形誤差為13 μm（屬8級精度）。

4 結論

本實驗是在YK5120型數控插齒機上進行的，主要是對機床的工作臺回轉誤差進行測量，根據測量的結果進行誤差補償。由補償前后齒輪樣件的檢測結果，可以得到如下結論：1）通過對數控插齒機工作臺回轉誤差的補償，取得比較明顯的效果，齒輪的精度有一定的提高；2）從實驗結果來看，所檢測機床加工的齒輪，補償后其齒形誤差仍然偏大，這可能是因為存在其他影響因素，比如插齒刀具本身的誤差無法彌補。■