Способ активного контроля погрешностей зубчатых колес
СПОСОБ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, заключающийся в определении фактического отклонения скоростей движения конечных звеньев цепи обката зубообрабатывающего станка, в последующем преобразовании сигналов датчиков в электрические сигналы и их суммировании , отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, перед обработкой измеряют действующие ошибки холостого хода станка и статические первичные ошибки инструмента путем поэлементного контроля отклонений от номинальных траекторий Формообразующих движений базовых,точек конечных звеньев станка и отклонений от номинального положения рабочих точек инструмента, преобразует эту информацию, усиливают ее пропорционально коэффициентам влияния ошибок на погрешности зубчатого венца, а при обработке дополнительно измеряют параметры огибания , температуру элементов системы СПИД, усилия резания, уровни вибраций инструментов, ошибки базирования и настройки станка, преобразуют и усиливают, затем алгебраически суммируют преобразованные и усиS ленные сигналы и по величине суммар (Л ных сигналов судят о фактических Погрешностях обрабатываемого колеса. 4 -vl О5 to 05
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
Ч=СПУБЛИК
3(50 В 23 Е 23/10
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
42.1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3436606/25-08 (22) 06.05.82 (46) 15.10.83. Бюл. Р 38 (72) Н.Э. Тернюк .(53) 621.924.6:621.833(088.8) (56 ) 1. Авторское свидетельство СССР
9 465288, кл. -B 23 Р 23/10, 1974. (54)(57) СПОСОБ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ
ПОГРЕШНОСТЕИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, заключаюшийся в определении фактического отклонения скоростей движения конечных звеньев цепи обката зубообрабатываюшего станка, в последующем преобразовании сигналов датчиков в электрические сигналы и их суммировании, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, перед обработкой измеряют действуюшие ошибки холостого хода станка и статические первичные
ÄÄSUÄÄ 1047626 А ошибки инструмента путем поэлементного контроля отклонений от номиналь ных траекторий Формообразующих движений базовых, точек конечных звеньев станка и отклонений от номинального положения рабочих точек инструмента, преобразу1от эту информацию, усиливают ее пропорционально коэффициентам влияния ошибок на погрешности зубчатого венца, а при обработке дополнительно измеряют параметры огибания, температуру элементов системы СПИД, усилия резания, уровни вибраций инструментов, ошибки базирования и настройки станка, преобразуют и усиливают, затем алгебраически суммируют преобразованные и уси ленные сигналы и по величине суммарных сигналов судят о фактических погрешностях обрабатываемого колеса.
1047626
Изобретение относится к способам активного контроля погрешностей зубчатых колес в процессе обработки с целью определения фактической точности колес и активного управления процессом обработки.
Известен способ активного контроля погрешностей зубчатых колес, согласно которому определяют фактические . отклонения скоростей движения обоих конечных звеньев цепи обката зубо- ."0 обрабатывающего станка, производят преобразование сигналов датчиков скорости в электрические сигналы, суммируют последние и по суммарному сигналу судят о фактических погрешностях колеса ().
Однако известный способ не позволяет одновременно контролировать основные показатели кинематической точности, плавности, пятна контакта и бокового зазора непосредственно в момент формообразования зубьев; имеет низкую точность контроля, обусловленную неполным учетом всех факторов, влияющих на погрешности обрабатываемых колес на станках для механической обработки зубьев.
Цель изобретения — повышение точности контроля.
ЗО
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу активного контроля погрешностей зубчатых колес, заключающемуся в определении фактического отклонения скоростей движения конечных звеньев цепи обката зубообрабатывающего станка, в последующем преобразовании сигналов датчиков в электрические сигналы.и их суммировании, перед обработкой измеряют действующие ошибки холостого хода станка и статические первичные ошибки инструмента путем поэлементного контроля отклонений от номинальных траекторий формообразующих движений базовых точек конечных звеньев станка и отклонений от номинального по- 45 ложения рабочих точек инструмента, преобразуют эту информацию, усиливают ее пропорционально коэффициентам влияния ошибок на погрешности зубчатого венца, а при обработке до- 50 полнительно измеряют параметры огибания, температуру элементов системы СПИД, усилия резания,. уровни вибраций инструмента, ошибки базирования колеса и настройки станка, преобразуют и усиливают, затем -алгебраически суммируют преобразованные и усиленные сигналы и по величине суммарных сигналов судят о фактических погрешностях обрабатываемого колеса.
На фиг. 1 изображена схема процесса возникновения ошибок и их учета (в наиболее общей постановке cnoco6a) на фиг..2 — график изменения погрешностей базирования и ошибок настройки станка на размер, изменяю- 5 шихся по функциональной зависимости при обработке партии зубчатых колес; на фиг. 3 - график изменения ошибок, вызванных температурным фактором и износом инструмента, практически не изменяющихся при обработке пар-. тии зубчатых колес; на фиг. 4 — график изменения ошибок холостого хода станка и первичных ошибок инструмента, на фиг. 5 — структура нормируемых погрешностей зубчатых колес, фиг. 6 - cxeMa осуществления способа, на фиг. 7 — схема, поясняющая пример осук ествления способа.
Нормируемые погрешности 1, характеризующие кинематическую точность, плавность работы, пятно контакта и боковой зазор в передаче, являются следствием действия вполне определенных причин, проявляющих себя в процессе механической обработки каждого колеса из партии. К такям причинам относятся неточности изготовления и наладки системы СПИД 2, работа механизмов и агрегатов станка 3, процесс
4 формообразования резания ; воздействие внешней среды 5.
Эти причины вызывают геометрические неточности 6 системы СПИД, кинематические неточности 7 системы СПИД, температурные. деформации 8, износ инструмента 9 и упругие деформации 10, Перечисленные факторы 6-10 в процессе обработки вызывают чисто геометрические отклонения элементов системы СПИД: радиусвектора производящей поверхности,(характеризуются тремя компонентами, расположенными вдоль трех базовых декартовых координат), базовых координат производящей поверхности (характеризуются в общем случае шестью компонентами, определяющими взаимное расположение баз производящей поверхности от технологической оси; взаимного положения осей конечных звеньев станка (характеризуются также шестью компонентами из-за возможности реализации в общем случае всех шести степеней свободы); погрешности базирования детали (определяются шестью компонентами; формы и размеров зубьев обрабатываемого колеса из-за восстанавливаемых упругих и температурных деформаций {характеризуются тремя компонентами}. Следовательно, всего может быть 24 разнородных по характеру геометрических отклонения, к которым можно привести все множество отклонений системы СПИД (см. 11 на фиг, 1). Они однозначно определяют каждый иэ нормируемых показателей точности зубчатого венца. Формулы для расчета нормируемых показателей точности по известным значениям приведенных первичных ошибок могут применяться как в общем виде, так и в
1047626 частном, применительно к конкретным видам обработки.
Таким образом, зная информацию о числовых значениях приведенных первичных ошибок, можно автоматически, путем пересчета, получить информацию об интересукщих нормируемых показателях точности зубчатого венца. Следовательно, непосредственный . контроль нормируемых показателей точности может быть заменен контролем 10 приведенных первичных ошибок с последующим пересчетом значений последних в показатели точности венца.
В свою очередь, каждая из 24 приведенных первичных ошибок определяется однозначно теми элементами (компонентами), иэ которых она состоит (фиг. 5) . Эти элементы имеют различное распределение во времени (фиг.2 и 4 . Следовательно, в первичных 20 ошибках выделяются относительно постоянная во времени часть (одинаковая для всех колес в партии) и переменная (разная для каждого колеса из партии). 25
Постоянная часть вызвана геометрическими неточностями — первичными ошибками инструмента (которые, если их контролировать относительно технологической оси, могут учитывать и погрешности базирования инструмента), а также кинематическими ошибками отклонениями от. номинальных траекторий формообразующих движений конечных звеньев станка при его холостом ходе.
Переменная часть вызвана геометрическими ошибками (ошибки базирования колеса, настройки или выхода станка на размер), кинематическими ошибками (нарушения скорости об- 40 ката, вызванные, например, колебаниями напряжения в сети, случайными вибрациями и др.), температурными ошибками .(температурные деформации элементов системы СПИД, действукщих 45 в размерной цепи системы), упругими ошибками (упругие деформации элементов системы СПИД) и износом (в первую очередь, износом инструмента).
Первичные ошибки инструмента могут измеряться непосредственно на установленном на станке инструменте путем определения отклонений от номинального положения работающих точек. Аналогично могут определять L ся постоянные составляющие — кинематические ошибки, проявляющиеся на ход о сто м ходе ст ан к а . о
Поскольку такие ошибки устойчивы (постоянны во времени), то они могут быть определены перед формооб- 40 раэованием и информация после соответствующего преобразования в электрические сигналы и усиления пропорционально влиянию на каждой определяемый показатель точности, характеризующий кинематическую точность, плавность, пятно контакта и боковой .зазор в передаче может быть введена в многоканальное вычислительное устройство и храниться там до получения остальной информации.
Переменные ошибки базирования могут также измеряться непосредственно на станке соответствующими датчиками линейных и угловых перемещений.
Так же измеряются и ошибки настройки на размер, например фотоэлектрическими датчиками.
Переменные кинематические ошибки — нарушения скорости обката — могут контролироваться аналогично прототипу.
Температурные ошибки определяются по значениям температуры, измеренной в различных точках системы СПИД известными методами: естественными термопарами, применением специальных термодатчиков и др.
Упругие z,åôîðìàöèè рассчитываются по контролируемой величине сил резания и параметров огибания. Послед-. нее обеспечивает возможность учета точки приложения сил в каждый момент. обработки.
Ошибки износа есть функция температуры, силы и уровня вибраций, l dU так как скорость износа — определяю
dt ется этими величинами: температурой силой Р и уровнем вибраций (u т.е. — =1 (Т,Г,(u), dLl
dt
Поэтому в каждый момент т. времени износ можно выразить по зависимости
0 (. р) о где с — время.
Способ осуществляется следующим образом.
Перед формообразованием определяют постоянные составляющие общих ошибок: действующие ошибки холостого хода станка и статические первичные ошибки инструмента, — например, путем их поэлементного контроля.
Производят преобразование информации об этих составляющих в электрические сигналы, которые усиливают пропорционально коэффициентам влияния на определяемые погрешности зубчатого венца, характеризующие кинематическую точность, плавность, пятно контакта и боковой зазор. Коэффициенты влияния могут устанавливаться на основе общих или частных уравнений.
Полученную преобразованную и усиленную информацию (априорную вводят в многоканальное вычислительное, например аналоговое, устройство (вычислительное устройство может быть и цифровым) .
1047626
Вводом этой информации обеспечивается учет неизменяемой во времени части всех погрешностей.
Непосредственно при обработке, т.е. во время формообразования, производится измерение параметров огибания, например, фотоэлектрическим методом.. Этим обеспечивается контроль положения- точек, в которых в данный момент производится формообразование погрешностей. Также контролируются (измеряются) в каждый момент: температура, что дает информацию о температурных ошибках, силы резания, что определяет упругие деформации; уровень вибраций, что вместе с ин- 15 формацией о температуре и усилиях резания дает информацию об износе инструмента и, соотнетственно, о погрешностях колеса, вызванных этим фактором; ошибки базирования колеса и настройки станка на размер, что дает информацию о переменных геометрических. составляющих общих погрешностей, отклонения скорости обката (от уровня, измеренного на холостом ходе станка), что дает информацию о переменной кинематической составляющей.
Полученная с помощью соответствующих датчиков информация об этих факторах преобразуется в электрические сигналы (для обеспечения быстрого вычисления, например, в аналоговых вычислительных устройствах н режиме Реального времени и получения, тем самым, информации об ошибках но 35 всех точках обрабатываемого колеса) „ усиливается на необходимую величину пропорционально коэффициентам влияния, априорно определяемым либо путем расчетов, либо экспериментально, и нвадится в многоканальное вычислительное устройстно.
В многоканальном вычислительном устройстве сигналы суммируются, и на базе суммарных ошибок производится вычисление контролируемых погрешностей, характеризующих кинематичес- кую точность, плавность работы, пятно контакта и боковой зазор.
Значения вычисленных показателей точности выдаются либо на регистрирующее устройство, либо на исполнительный орган устройства для адаптивного (активного управления точностью колес.
Поскольку по предложенному способу получают текущую информацию о погрешностях н любой точке зубчатого венца, путем ее преобразования в вычислительном устройстве получают фактическую йнформацию о любом нор- 60 мируемом показателе точности зубчатого венца, например радиальном биении, погрешности профиля, погрешности направления зуба, смещении исходного контура и т.п. 65
Требуемая точность контроля .и ее повышение по сравнению с прототипом обеспечивается полным учетом факторов, нызынающих погрешности, а также ныбором требуемой точности датчиков, преобразователей и усилителей, обеспечивающих измерение и преобразование указанных ранее величин,.
Точность контроля может быть скол угодно высокой, как и н случае непос— редственного контроля погрешностей зубчатых колес, нормируемых, например, ГОСТ 1643-72, поскольку пересчеi может быть выполнен со сколь угодной высокой точностью.
Способ может применяться для контроля зубчатых колес, а также других изделий, обрабатываемых на станках„ работающих методом обката, или иных.
На фиг. 7 приведена схема, поясняющая контроль точности зубчатого колеса 12 по показателям Fz„ и 4 н (обозначения по ГОСТ 164372), обрабатываемого на зубодолбежнс,". станке.
С долбяком 13 связана система координат (3, ц,7, ц ), а с колесом (М, g>$ . Параметрами огибания служат параметр 4! и угол (g2 поворота колеса. Ширйна зубчатого венца обо" значена b, межосеное расстояниеа,ц, По предложенному способу контроль
F<„, -f"„, F>z и A>„ìîæåò производиться следующим образом.
Перед формообразованием определяются ошибки холостого хода станка, в частности, датчиком 14:. непараллельность хода инструмента относител но оси приспособления станка в радиальной и тангенцнальной плоскостях -4%„(Q) и 4 Рч (q) соответственно.
Измеряются статические первичные ошибки инструмента по правой и леной линиям зацепления датчиком 15 соответст венно 4 1 и ((2} H d F„((p2}
Этих априорно определяемых ошибок достаточно для последующего расчета (совместно с оперативной информацией) укаэанных показателей точности.
Полученную информацию преобраэуют в электрические сигналы в преобразователях 16 и 17 и производят усиление в усилителях 18 и 19 для пос- ледунхцего расчета погрешностей: для. расчетаРр для расчета 4,г
4F<(<2} - К>.gF<(М = 4"а(Ч2) 1
Ь 1(92) К4 4F Q2) = .
1047626 для расчета Ан„ 5
Дя(Ч г) . Кт Д Fa(92) = —.. ЛГИ (ф )
2 1п о .
ДР;(УгД - К 4Fi (г) = ДТ1(Мг) ь
2Мпоа 1 г т )p
«. (V) - > .(V) =1.д Р,IV) где V, g — коэффициенты усиления, равные коэффициентам влияния первичных ошибок на контролируемые показатели точности зубчатого венца;
<6 — угол зацепления..
Здесь и далее приведены значения только тех ошибок и соответствукщих им.коэффициентов влияния, которые влияют на рассматриваемые показатели точности. Принято для простоты, что угол зацепления при контроле со-. ответствует углу зацепления при обработке.
ДопоЛнительно непосредственно в каждый момент формообразования контролируются датчиком 20, например, фотоэлектрическим методом значения 30 параметров огибания и у являющиеся значениями аргументов в функциях приведенных первичных ошибок.
Контролируются также температура детали Т> и температура инструмен- З5 та 1и датчиком 21, например, методом искусственной термопары; радиальная составляющая силы резания Pz
Р (cp<) датчиком 22 как функция г, уровень вибраций fU = р (g2) датчиком 23 как фу.-:кция (p отклонение скорости обкатады =да() датчиком 24 как функция ц г, погрешности базирования: повороты заготовки на углы д(иь(» вокруг номинальных направлений осей
Х u Yq соответственно, а также смещения вдоль этих осей ДХ и д» дат чиком 25; ошибка бам = дa„(qг) настройки станка на размер датчиком 26.
Контроль производится известными методами. 50
Полученная информация преобразуется в электрические сигналы, например, самими датчиками или преобразователями 27-33, а затем производится усиление сигналов в усилителях . 55
34-42 до величин: дХ сов <Уг
ЬХ K(() д Х д Хг+ Дг(г
Расчета F„„
60 2è Ги Кг "и = 2 т„ 1 и1 где щ,7,и, 2,з, — модуль и число зубьев инструмента и колеса соответственно; ц 1и,М," — их коэффициенты температурного расширения;
С вЂ” коэффициент, отражающий жесткость. системы СПИД в радиальном направлении (например, равный
М
4 — при достаточно жестком станке, где Е, 3 — модуль упругости и момент инерции сечения усгтановочно-зажимного приспособления. Более точно значения
С определяются экспериментально); радиальная податлиР вость системы СПИД.
Полученные значения преобразованной и усиленной информации вводятся в многоканальное вычислительное устройство, где производится суммирование в блоке 43 соответствующих составляющих и расчет численных значений искомых погрешностей в блоке
44 по зависимостям:
F ъ= "ох tk, aFg(y2)+R>4F,(q2) 1(«дХ Мн.дЧ+
%2
65 -М для расчетами „ д „() - k д Р» (q) = si n сс. дЧ „();
Д »(Д 4+»() = C»< Д „(W) Ь СОВ %Q
Д К„ДЧ = 2
gX WД l+ г Он(Ч2) г 12 Дс „(ч,)*1 аок(щ2);
Р (Ч,) - К1з Р (Ч,1=1р- 1 () 1 г (×г) а1 "иdt ."и= 1- "и j и ц и ти ,(q,) bj z(q,)dt ъ(Р2) 15 2(Vг (М!
Й (Ч2)
f,(q,) cJ p (q,)У
p(92) К16 ц(Чг) (" (Чг)
Р (чг) для расчета т.": то же самой, что
1Г и для Ггг Ф для расчета : 1
Д,- г« . <<<г г << х — г<« г<г<2 < гtp ã дЧ». и
ДЧ» Кщ hg = dg
f „«auÄ< (< l --" "ч ряМ = с p,(÷,);
ДЛЯ РаСЧЕта Ан„г тО жЕ СаМОЕ, ЧтО и для Р „, и дополнительно
ttl 7 у 79 К20 Г = т, 9 g >g 9"
1047626 Хн(М З > (V Я ií t Ь р(Ч,) К 2
Ю=ЬП
"дГ;(,) КЮ 6Х Кн-ьЧ К„ алкйг1 Кл Р (Д при О Я 2
1. = ax jLК„aFu(q z)+ ьГ4р )«<4 Тu+(Кi + i4» Ч
>(<<) /7г 44 Т0 (1 15) РХ(чД 4 к !ь (U(QД й() " (Ч ) «4 д <(i « sД" (<ф » ММ+ КЪ p(qzl), 2л л При (i - <1 — - « щ =юц (к И () К6 6 (ф) I< Ю 20 Ц =сопе К!9 Р (Ч " t.k> »() Кб 9 ()« У 9,=const " 1 »" К 6 ЬЧ,, К,9 z (gz)), 25 при О Ъ Ан =т,п (кz к(Ю+t:g Т (М "9 5@»(g)+ " о" ч =Ъ|2 "» ки ь к т аан(М (<,ç „) Р,(М+к<4 Тц1 ")g ((Ч ) К < Т К Чц). Таким образом, предложенный способ позволяет проконтролировать любой показатель точности зубчатого венца, а также исключить необходимость применения контроля зубчатых колес вне станка, что обеспечивает зкономию времени и сокращение числа применяемых зубоизмерительных приборов; проводить контроль всех показателей точности в момент формообразования и соответствующего комплексного управления режимами обработки формообразующими движениями станка, что обеспечивает повышение точности не менее чем на 2-3 степени и производительности обработки на 15-60% при операциях лезвийной обработки зубчатых колес методами обката, обеспечить требуемую достоверность и точность контроля, поскольку учитываются все существенные связи между факторами и первичными ошибками, а также между первичными ошибками и нормируемыми показателями точности зубчатого венца. Способ может найти широкое применение во всех отраслях, занятых производством зубчатых колес (станкостроение, автотракторостроение, транспортное машиностроение и др.) Для этого необходимо снабдить зубообрабатывающие станки соответствующими датчиками и многоканальным вычислительным устройством. 104 7626 1047626 Составитель В. Жиганов Редактор Л. Веселовская Техред К.Мыцьо Корректор H.Ýðäåéè Заказ 7817/12 Тираж 1106 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж" 35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4
