基于数控机床的大型锥齿轮加工工艺研究与误差分析

基于数控机床的大型锥齿轮加工工艺研究与误差分析【摘要】本文基于数控机床对单位内部大型锥齿轮进行加工，在加工过程中结合实际情况，提出改进的加工工艺方法，并对可能产生的误差进行详细分析，结论表明此种方法不仅能完成本次加工也为下一阶段的其他产品加工提供了基础。

【关键词】数控机床大型锥齿轮工艺误差

1 绪论

随着经济的快速发展，人们对物质的要求越来越多、越来越细，提高加工精度已经成为必然的趁势。而且快速发展的科学技术和机械制造技术，也为提高加工精度提供了基础。数控机床己成为柔性制造系统、计算机集成制造系统、智能化制造系统及工厂自动化的基本组成单元。所以提高数控机床的加工精度是提高加工产品质量的必要路径。而控制数控机床加工精度在一定的范围内是一个需要不断研究的重要课题。

仅就中国航天、航空制造业来讲，要在10年内完成登月之旅，中国的数控机床将要发挥巨大的作用，这就为机床行业提供了商机。并且为贯彻国家“振兴东北老工业基地”的战略方针，促进辽宁省装备制造业进一步的提高与发展。

2 数控机床大型锥齿轮加工总体框架

依据数控机床系统在通信、数控机床数据采集与处理和数控机床远程监视与管理方面的需求，利用关键技术对传统方案进行改进，分步设计出数控机床加工大型锥齿轮总体框架。整体思路是首

先确定系统的主要组成模块，然后解决数控机床与上位机通信问题，最后解决数控机床加工精度与误差分析问题。

在确定系统主要组成模块之前，简要介绍一下嵌入式系统。嵌入式系统是对设备、机器或车间的运作，进行控制、监视或辅助的装置。另外，国内有一个更通俗，而且被普遍认同的定义：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

首先确定系统的主要组成模块，传统的系统由上位机，下位机，串口服务器和数控机床组成，上位机和下位机均基于通用pc机。然而通用pc 机体积大、功耗高且灵活性差，在此，利用嵌入式适配器将下位机与串口服务器的功能集成起来，嵌入式适配器是一个典型的嵌入式系统，可依据需求进行定制，灵活性高。

3 大型锥齿轮主要工艺问题及解决思路

整个工艺设计过程要根据我厂现有加工能力以及装配车间现场的实际情况进行，并且应用原有数控机床加工及装配总结下来的经验，重点要在以下几个技术方面进行攻关、突破。

（1）床身、工作台整体部件加工精度保证的问题；

（2）立柱导轨面与横梁接合面垂直度加工保证问题；

（3）滑鞍y向导轨与z轴导轨垂直度精度保证问题；

（4）床身左侧单导轨与立柱装配保证进度问题；

（5）滑鞍、横梁部件装配精度保证问题。

4 数控机床误差源分析

加工精度是机床必须要保证的一项性能指标之一，影响机床加工精度的误差源主要表现为机床系统的空间误差、刀具系统的位置误差、工件和夹具系统的位置误差、检测系统的测量误差、外界干扰误差。上述所说的各种误差因不同种类的机床而不同，如下表4-1所示。

工作状态和环境的不同其占据的权重有所变化。表2.1是某加工中心的误差源分析结果。

表4-1 误差结果

为解决上述误差问题，下面我们要引入多体系统来解决加工中的问题。所谓的多体系统是指通过某种形式联结而成的多个刚体或柔体的复杂机械系统。多体系统的核心是拓扑结构，而其理论基础是多体系统运动学理论。即用低序体阵列方法描述多体系统拓扑结构的关联关系，用4×4阶齐次方阵描述点和矢量在广义坐标系中的变换关系，使有误差多体系统的运动分析变得简单、迅速、明了和普遍适用。拓扑结构和低序体阵列一般的用低序体阵列来描述多体系统拓扑结构。设惯性坐标系为b0体，任选一体为b1体，然后沿远离b1的方向以增长数列标定每个物体的序号，从系统的一个分支到另一个分支，直到全部标定完为止。数控机床是非常典型的多体系统，多体系统理论中，我们把构成了拓扑结构的单元成为体，而低序体阵列是用来描述体与体之间的关系。一般的低序体阵列可通过低序体运算法则来求出。

5 研究结论

大型锥齿轮加工机床的总体布局为龙门框架结构，具有高刚性和高稳定性；机床大件均采用高强度的优质铸铁件，使整机具有良好的刚性、抗振性和精度保持性；它的床身工作台设计成一体化结构，既节省材料，又方便加工，保证了主轴的高刚性、高精度、高稳定性和高转速又可以任意空间方向加工，提高加工效率；主轴采用hsk型刀柄，刀柄与主轴采用锥面和端面过定位的结合方式，能有效的提高结合刚度，具有良好的高速性能，更具有先进性、适用性、可靠性和安全性。通过对整机加工及装配的研究与实践，对于我们日后其他新产品的制造积累了丰富的经验，此次研究成果显著，达到了设计之初预想的效果。

参考文献：

[1]粟时平.多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究.长沙：中国人民解放军国防科学技术大学，2002.

[2]鲁志政.数控机床误差的辨识新方法及补偿应用.上海：上海交通大学硕士学位论文，2008.2.

[3]陈好强.数控机床误差建模及补偿应用研究：（博士学位论文）.北京：北京交通大学，2005.