本發(fā)明屬于齒輪加工，具體的為一種大規(guī)格內(nèi)齒輪銑齒加工切削力測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、在工程和制造領(lǐng)域，大規(guī)格內(nèi)齒輪是眾多高端裝備的關(guān)鍵組件，在風(fēng)電、航空、隧道挖掘、起重運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)得到廣泛應(yīng)用，其制造精度和性能直接影響整個(gè)裝備的工作效率和壽命。高速銑齒機(jī)是大規(guī)格內(nèi)齒輪加工制造的主要設(shè)備之一，在銑齒過程中，切削力的測(cè)量對(duì)于優(yōu)化切削參數(shù)、延長(zhǎng)刀具壽命、確保齒輪質(zhì)量和降低制造成本至關(guān)重要。當(dāng)前對(duì)于加工過程切削力的測(cè)量方法如下：

2、1)使用模塊化的力傳感器安裝在工件下方，通過測(cè)量力傳感器受到的載荷直接測(cè)量得到加工切削力，這種方法通常需要傳感器安裝在裝夾裝置的下方；然而，在大規(guī)格內(nèi)齒輪加工中，由于工件體積大、多裝夾位置、機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，使用力傳感器直接測(cè)量力時(shí)，因?yàn)榇笠?guī)格內(nèi)齒輪對(duì)支撐強(qiáng)度要求高，市場(chǎng)上力傳感器在承載和規(guī)格上都不能滿足要求，定制特定的傳感器難度大且成本高，無法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用；

3、2)使用應(yīng)變片測(cè)量刀具切削時(shí)關(guān)鍵載荷傳遞位置的應(yīng)變值，通過材料力學(xué)分析建立模型，以某一截面彎矩計(jì)算切削力；然而，使用應(yīng)變片測(cè)量刀具受到的載荷多使用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)床，例如車床，在內(nèi)齒輪銑齒機(jī)上明顯雖然有明顯的載荷傳遞位置，但是軸向拉伸測(cè)量精度有限，且只能測(cè)得準(zhǔn)確的截面彎矩?zé)o法解耦獲得三向切削力；

4、3)利用功率測(cè)量值通過建立相應(yīng)的映射模型的方法間接測(cè)量切削力；然而，通過能耗模型，基于測(cè)量得到的切削功率計(jì)算切削力時(shí)，由于機(jī)床本省的傳遞效率以及能量損失未知，能耗與切削力之間的映射關(guān)系往往存在一定偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種大規(guī)格內(nèi)齒輪銑齒加工切削力測(cè)量方法，結(jié)合應(yīng)變片測(cè)量得到的力的數(shù)據(jù)值和切削功率得到的三向力的關(guān)系，能夠提高切削力測(cè)量精度。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種大規(guī)格內(nèi)齒輪銑齒加工切削力測(cè)量方法，包括如下步驟：

4、步驟一：在大規(guī)格銑齒機(jī)上搭建信號(hào)采集平臺(tái)

5、進(jìn)行銑齒加工切削原理分析，確定機(jī)床主軸箱的受載情況，選定需要的應(yīng)變片數(shù)量及安裝位置，并對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試與校正；在機(jī)床電氣控制柜搭建功率分析儀；測(cè)量得到切削時(shí)的主軸箱應(yīng)變及機(jī)床功率數(shù)據(jù)；

6、步驟二：基于應(yīng)力建立切削力與測(cè)量截面彎矩的耦合關(guān)系

7、基于測(cè)試結(jié)果求解信號(hào)誤差修正系數(shù)，通過不同位置應(yīng)力數(shù)據(jù)關(guān)系分析及處理，獲得準(zhǔn)確的截面彎矩值，得到fx和fy兩個(gè)方向切削力與截面彎矩之間的耦合關(guān)系；

8、步驟三：基于功率初步確定力與功率之間的關(guān)系系數(shù)

9、建立基于切屑幾何的切削力模型，并通過功率與切削力之間的理論關(guān)系，初步求解理論切削力系數(shù)；

10、步驟四：準(zhǔn)確切削力的辨識(shí)

11、將步驟三中初步求解得到的理論切削力系數(shù)帶入到截面彎矩與力之間的耦合關(guān)系中進(jìn)行解耦，得到fx和fy；將fx和fy反饋到切削力模型中，通過引入新的系數(shù)修正誤差，得到三向切削力。

12、進(jìn)一步，所述步驟一中，在大規(guī)格銑齒機(jī)上搭建信號(hào)采集平臺(tái)的方法步驟為：

13、11)確定應(yīng)變片數(shù)量及安裝位置：采用四個(gè)應(yīng)變片分別測(cè)量主軸箱中間梁四個(gè)面的軸向應(yīng)變；其中，切削力在x軸方向的分力采用中間梁受到的拉力表達(dá)，切削力在y軸方向的分力采用中間梁某一截面位置在z軸方向上的彎矩表達(dá)；

14、12)對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試與校正：應(yīng)變片電橋采用惠斯通電橋并包括電阻r1、電阻r2、應(yīng)變計(jì)r3和應(yīng)變計(jì)r4；其中，應(yīng)變計(jì)r3和應(yīng)變計(jì)r4的測(cè)量方向相互垂直；應(yīng)變計(jì)r3用于補(bǔ)償泊松效應(yīng)；應(yīng)變計(jì)r4用于測(cè)量拉伸應(yīng)變；電阻r1和電阻r2的電阻值以及應(yīng)變計(jì)r3和應(yīng)變計(jì)r4的額定電阻相等；分別在x、y方向上施加已知載荷作為校準(zhǔn)依據(jù)，對(duì)應(yīng)變片的靈敏度誤差、線性誤差、溫度影響、零點(diǎn)漂移和電路噪聲進(jìn)行測(cè)試和校正；

15、13)將惠斯通電橋的輸出轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值：

16、

17、其中：σ表示應(yīng)變；e表示楊氏模量或彈性模量；ks表示應(yīng)變片系數(shù)；vex表示激勵(lì)電壓；vo表示輸出電壓。

18、進(jìn)一步，所述步驟二中，建立切削力與測(cè)量截面彎矩耦合關(guān)系的方法步驟為：

19、21)根據(jù)上下應(yīng)力對(duì)中性軸產(chǎn)生的彎矩?cái)?shù)值相等方向相反的特點(diǎn)，對(duì)中性軸上下測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，修正測(cè)量設(shè)備本身及安裝帶來的誤差：

20、2|ktσt0+bt|it/yt＝-fy·ly

21、2|kdσd0+bd|id/yd＝fy·ly

22、其中：kt和bt分別為上測(cè)量數(shù)據(jù)的斜率和截距；kd和bd分別為下測(cè)量數(shù)據(jù)的斜率和截距；σt0和σd0分別為上下測(cè)量數(shù)據(jù)中的應(yīng)力值；it和id分別為截面位置處的上下部分對(duì)中性軸的慣性矩；yt和yd分別為上下測(cè)量點(diǎn)到中性軸的距離；fy為已知的y方向上施加的載荷；ly為施力點(diǎn)到截面的最短距離；

23、得到測(cè)量點(diǎn)修正誤差后的準(zhǔn)確應(yīng)力值：

24、

25、其中：σt和σd分別為上下測(cè)量數(shù)據(jù)得到的準(zhǔn)確應(yīng)力值；

26、22)通過上下測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算截面彎矩：

27、

28、得到：

29、

30、v0＝σd―m·yd/2id

31、其中：m為測(cè)量截面彎矩；σ0為由軸向力fx在截面產(chǎn)生的應(yīng)力；

32、23)計(jì)算主軸箱受到的x方向的拉力：

33、fx＝σ0a

34、其中：fx為x軸方向的切削力；σ0為由軸向力fx在截面產(chǎn)生的應(yīng)力；a為截面面積；

35、構(gòu)建截面彎矩大小與切削刀具載荷大小的關(guān)系：

36、m＝mx+my＝fx·lx+fy·ly

37、其中：m為測(cè)量截面的彎矩；mx和my分別代表x和y方向切削力給截面施加的彎矩；fx和fy分別表示x和y方向的切削力；lx和ly分別表示刀具中心沿著x到截面的位置和刀具中心沿著y方向到截面中性軸的位置。

38、進(jìn)一步，所述步驟三中，基于功率初步確定力與功率之間關(guān)系系數(shù)的方法步驟為：

39、31)建立銑刀的參數(shù)化模型：基于軸向齒形截面的對(duì)稱性，按照加工齒廓特征求解齒廓，形成刀刃齒廓方程；根據(jù)選用銑刀刀刃的幾何分布規(guī)律，將齒廓根據(jù)每個(gè)刀片位置進(jìn)行提取并繞刀盤主軸旋轉(zhuǎn)至安裝位置，最終形成整個(gè)銑刀的參數(shù)化模型；

40、32)建立切削力模型：根據(jù)銑刀參數(shù)化模型結(jié)合機(jī)床加工的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求解切削過程中任意瞬間的切屑幾何參數(shù)，建立切削力模型：

41、

42、其中：分別為銑削旋轉(zhuǎn)切削時(shí)第i號(hào)切削刀刃上x位置上的切削微元的切向、徑向與軸向微元切削力分量；hi(x,φ)表示刀具旋轉(zhuǎn)φ角度時(shí)第i號(hào)切削刃上x位置切削微元的未變形屑厚度；kte、kre和kae分別代表切向、徑向和軸向犁入力系數(shù)；ktc、krc和kac分別代表切向、徑向與軸向剪切力系數(shù)；ds為切削微元長(zhǎng)度；

43、33)建立能耗模型求解切削系數(shù)：銑床的總功率包括輔助部件所需的空閑功率和由于切削材料而產(chǎn)生的附加功率，表示為：

44、

45、其中：ptotal為總功率；pidle為未切削時(shí)功率；切削時(shí)刀尖消耗的功率；η表示切削功率的轉(zhuǎn)化效率；

46、在切削時(shí)：

47、

48、其中：dpcutting(x,φ)表示第i號(hào)切削刀刃上x位置上的切削微元的切削功率；f表示進(jìn)給速度；n表示主軸轉(zhuǎn)速；

49、34)將切削系數(shù)的求解轉(zhuǎn)化為一個(gè)優(yōu)化問題，使用遺傳算法求解最優(yōu)的切削系數(shù)，使得切削功率與實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果誤差最小，并將求解得到的最優(yōu)切削系數(shù)導(dǎo)入切削力模型中，計(jì)算切削時(shí)的切削力。

50、進(jìn)一步，所述步驟31)中，將銑刀一側(cè)切削刃按照輪廓特征分為ab段頂刃直線廓形、bc段圓弧廓形和cd段測(cè)刃齒廓，按照加工齒廓特征分別求解各段齒廓，方法步驟為：

51、311)確定四個(gè)分段點(diǎn)坐標(biāo)

52、齒根圓弧即為銑刀圓弧刃，同時(shí)與漸開線和齒根圓相切，且：

53、漸開線顯示方程為：

54、

55、齒根圓方程為：

56、x2+y2＝(r0+hf)2

57、齒根圓弧方程為：

58、

59、由于齒根圓弧與漸開線和齒根圓同時(shí)相切，且齒根圓弧與漸開線和齒根圓之間分別有且僅有一個(gè)交點(diǎn)，且齒根圓弧的圓心(h,k)與漸開線和齒根圓的交點(diǎn)(x0,y0)和(x1,y1)分別是它們之間的切點(diǎn)，故得到方程組：

60、

61、其中：rb為基圓半徑；θ0為切點(diǎn)(x0,y0)在漸開線函數(shù)中的θ值，即x(θ0)＝x0，y(θ0)＝y(tǒng)0；mn為漸開線切點(diǎn)法線斜率；hf為加工齒輪齒根高；r0為銑刀分度圓半徑；r1為加工齒輪齒根過渡圓弧半徑；

62、求解方程組即可得到交點(diǎn)(x0,y0)和(h,k)，進(jìn)而求解可得到(x1,y1)，將(x0,y0)和(x1,y1)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鏡像就能得到b和c點(diǎn)坐標(biāo)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度是

63、

64、d點(diǎn)位于漸開線上且到原點(diǎn)的距離為齒頂圓半徑：

65、

66、已知xa＝0，則得到四個(gè)分段點(diǎn)坐標(biāo)；

67、322)確定各段齒廓

68、ab段頂刃直線廓形：

69、

70、bc段圓弧廓形：

71、

72、cd段測(cè)刃齒廓：

73、

74、其中：m為銑刀法向模數(shù)；ha為加工齒輪齒頂高；hf為加工齒輪齒根高；r0為銑刀分度圓半徑；r1為加工齒輪齒根過渡圓弧半徑；αn為齒輪壓力角；h1和k1為點(diǎn)b和c所在圓弧刃的圓心。

75、進(jìn)一步，基于功率求解得到的初步切削力系數(shù)kte和ktc，獲得fx和fy之間的關(guān)系，帶入到截面彎矩與力之間的耦合關(guān)系中進(jìn)行解耦，求解得到fx和fy：

76、

77、將fx和fy的求解結(jié)果反饋到切削力模型中，通過引入新的系數(shù)修正誤差，得到三向切削力。

78、本發(fā)明的有益效果在于：

79、本發(fā)明的大規(guī)格內(nèi)齒輪銑齒加工切削力測(cè)量方法，使用了切削加工過程中最容易獲取的應(yīng)變和功率信號(hào)進(jìn)行切削力的求解，不會(huì)對(duì)加工造成任何影響；將應(yīng)變信號(hào)與功率信號(hào)結(jié)合使用，能夠有效解決應(yīng)變片能得到具體力的數(shù)據(jù)值但無法解耦的問題以及切削功率能得到三向力的關(guān)系但無法獲取準(zhǔn)確值的問題，并能夠提高測(cè)量精度和效率，解決了大規(guī)格內(nèi)齒輪銑齒加工時(shí)切削力獲取困難的問題，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)格內(nèi)齒輪加工切削力的測(cè)量提供了解決方法。