Автоматизация контроля геометрических характеристик червячных и конических зубчатых колес при помощи координатно-измерительных машин

Полный текст

Введение

В настоящее время все производственные процессы должны соответствовать строгим критериям и обеспечивать производство изделий требуемого качества и точности размеров. Эти тбования особенно актуальны для производства деталей, имеющих сложную (криволинейную) форму, в том числе червячных и зубчатых колес. Эти детали имеют высокую себестоимость и трудоемкость изготовления, а требования к производственной технологичности их конструк- ции высоки [1].

Погрешности изготовления зубчатых колес приводят к повышению динамических нагрузок, вибрации, шуму в редукторах и преждевременному выходу механизмов из строя. ГОСТ 1643–81 насчитывает более 20 параметров точности цилиндрических зубчатых передач, разделенных на четыре нормы точности: кинематической точности, плавности работы, контакта зубьев и бокового зазора. На стадии механической обработки основной проблемой, как правило, является получение профиля зуба, соответствующего заявленной степени точности [2].

В производстве деталей с криволинейными поверхностями широко применяются различные технологические процессы, в том числе процессы контроля геометрических размеров. В условиях серийного производства ручные операции контроля геометрических параметров криволинейных поверхностей не отвечают требованиям по стабильность и надежность измерений, а также их производительности. При этом не исключено появление случайных погрешностей измерений, обусловленных человеческим фактором. В связи с этим на современном уровне промышленного производства широко применяются технологические процессы контроля с использованием координатно-измерительных машин (КИМ). Данные средства контроля характеризуются высокой степенью универсальности и малыми значениями паспортных погрешностей. Они могут использоваться для решения широкого круга задач – от контроля деталей до аттестации технологической оснастки. Однако паспортные данные о погрешностях КИМ могут приписываться лишь небольшому количеству простейших измеряемых геометрических пара- метров, остальное же большинство не может быть однозначно характеризовано [3].

Современные КИМ, используемые для измерений координат точек поверхности изготовленных моделей (деталей), представляют собой высокоточные устройства, обеспечивающие шесть степеней свободы при перемещении и ориентации измерительного щупа в пространстве. Управляемые компьютером или вручную оператором, они комплектуются развитыми библиотеками программ для проведения измерений изделий различной формы и обработки результатов измерений. Прежде всего их составляют типовые геометрические объекты, такие как плоские криволинейные контуры, составленные из отрезков прямых и конических сечений, а также пространственные – плоскости, призмы, тела вращения и др. Наряду с этим, проведение измерений и обработка их результатов применительно к изделиям со сложной формой поверхности обеспечиваются недостаточно, особенно при необходимости раздельного контроля специфических контролируемых параметров [4]. В связи с этим измерение основных параметров зубчатых колес и резьбовых деталей на КИМ является нетривиальной задачей [5; 6].

Лучшим на сегодняшний день решением является проверка зубчатых колес и зуборезного инструмента на универсальных зубоизмерительных центрах (ЗЦ). Такие центры имеют возможность прямого измерения не только погрешности профиля, направления, шага и радиального биения, но и топологии поверхности зуба, а также формы и расположения поверхностей самой детали. Зубоизмерительные центры позволяют измерять все геометрические параметры цилиндрического зубчатого венца по основным отечественным и международным стандартам, что является необходимым при наладке станков с ЧПУ на современном зубообрабатывающем производстве [7].

Однако применение зубоизмерительных центров окупается только в условиях крупносерийного и массового производства зубчатых колес на специализированных предприятиях. Для производства изделий, в состав которых входят червячные и конические зубчатые колеса в условиях мелкосерийного производства, предпочтительнее использование стандартных КИМ с применением специальных подходов к процессам измерения [8].

Направления автоматизации контроля геометрических характеристик зубчатых колес

Эффективность и достоверность процессов координатных измерений в равной степени зависит как от технических и метрологических характеристик базовой аппаратной части КИМ, так и от функциональности специализированного метрологического программного обеспечения [9; 10]. Использование КИМ с различными типами измерительных головок и наконечников для контроля геометрических параметров зубчатых колес целесообразно ввиду достаточно высокой точности. Эта технология позволяет определить и построить эвольвенту и угол профиля архимедова червяка с погрешностью 2–3 мкм [11].

Контроль зубчатых колес с записью погрешности позволяют значительно повысить точность и объективность двухпрофильного контроля зубчатых колес, расширить информационную базу для оценки качества зубчатых колес и производить целенаправленный отбор зубчатых колес с требуемыми свойствами. Оснащение записывающего устройства измерительного межосевого расстояния (ИМР) дополнительными программами позволяет производить статистическую обработку результатов измерения зубчатых колес и находить корреляционные зависимости между параметрами ИМР и такими элементными погрешностями зубчатого колеса, как погрешность направления зуба, погрешность угла исходного контура, погрешность толщины зуба, погрешность профиля зуба [12].

Проблема объединения всех результатов измерения для построения общего профиля зубчатого колеса решается на базе универсального программного модуля, позволяющего проводить автоматизированный контроль требуемых параметров вне зависимости от типа КИМ и вида зубчатого колеса [13].

Основные рекомендации по разработке такого модуля приведены в статье, рассматривающей методические основы построения программ, математические зависимости, примерную схему движений измерительного элемента [14–16]. Однако они направлены на автоматизацию измерения эвольвентных прямозубых колес.

Автоматизация контроля геометрических характеристик червячных и конических зубчатых колес при помощи координатно-измерительных машин возможна с применением стандартного программного обеспечения. При измерении на КИМ с применением данного программного обеспечения происходит автоматическое измерение конуса вершин или конуса впадин зуба для регулировки (выравнивания). При вводе параметров шестерни (количество зубьев, угол давления на полюсе зубчатого зацепления, модуль зубчатого зацепления, углы конуса детали и т. д.) происходит создание образцовой боковой поверхности из параметров зубчатого колеса.

Следующим шагом процесса контроля является создание образцовых боковых поверхностей путём топографического измерения. При этом происходит оценка шага с толщиной зуба, боковой и профильной линии. Далее осуществляется контроль отклонения допусков на взаимное расположение поверхностей колеса (радиальное биение, отклонение от соосности). Как правило, для измерения используется один контактный датчик, а само измерение реализуется без поворотного стола. Результатом измерений является набор данных по общему отклонению профиля зуба.

Однако обработка результатов измерений в этом программном продукте не подразумевает визуализации геометрического контура профиля измеряемого зуба, а также построения общего профиля всего зубчатого колеса с его последующим сравнением с исходной моделью. Целью данной работы было создание дополнительного модуля к данной программе для решения задач, описанных выше.

Дополнительный модуль к стандартной программе

Для автоматизации контроля геометрических характеристик червячных и конических зубчатых колес написан дополнительный модуль к стандартной программе. С его помощью все точки измеряемой криволинейной поверхности зубчатых колес, полученные контактным методом по типовой программе измерений, структурируются в единый массив данных. При этом в автоматическом режиме формируется протокол измерений. Погрешность линейных измерений при этом составляет 0,1 мкм. Определяется общая профилограмма отклонения профиля зуба (рис. 1) и формируется профилограмма суммарных и отдельных отклонений профиля зуба (рис. 2).

 

Рис. 1. Общая профилограмма отклонения профиля зуба

Fig. 1. General profilogram of tooth profile deviation

 

Рис. 2. Профилограмма суммарных и отдельных отклонений профиля зуба

Fig. 2. Profilogram of total and individual deviations of the tooth profile

 

Данные протокола измерений являются исходными. На основе этих данных разработанный модуль формирует профиль измеренной поверхности зуба конического (червячного) колеса и выстраивает геометрический контур профиля измеряемого зуба (рис. 3). Для этого построения применяются функции работы с геометрическими переменными и преобразования их в различные типы данных. Это позволяет не только сформировать массив точек, описывающих пространственные поверхности, но производить с ним различного типа вычисления. Результаты этих расчетов применяются как для построения общего (суммарного) профиля всего зубчатого колеса, так и сравнения его с исходным (теоретическим) профилем зубчатого колеса.

 

Рис. 3. Геометрический контур профиля измеряемого зуба конического колеса

Fig. 3. Geometric contour of the bevel gear tooth profile being measured

 

Далее на основании полученных профилей всех зубьев колеса при помощи специального модуля формируется общий (суммарный) профиль всего зубчатого колеса. Полученный профиль сравнивается с исходным (теоретическим) профилем зубчатого колеса.

На основе протокола измерений и визуализации профиля измеренной поверхности производится заключение о соответствии (отклонении) контролируемых геометрических размеров червячных и конических зубчатых колес от заданных в технической документации, в том числе допусков на взаимное расположение поверхностей колеса.

Сам процесс контроля геометрических характеристик червячных и конических зубчатых ко- лес осуществляется в небольшом временном интервале, что позволяет использовать предложенный подход к автоматизации контроля профиля зубчатых колес в мелкосерийном производстве.

Заключение

Предложенный подход к автоматизации контроля геометрических характеристик червячных и конических зубчатых колес с помощью созданного дополнительного модуля к стандартному программному обеспечению позволяет повысить производительность данного процесса и реализовывать его на типовых координатно-измерительных машинах. Формирование единого массива данных всех точек измеряемой криволинейной поверхности зуба червячного или конического колеса с последующим их объединением в общий профиль колеса позволяет оперативно проводить технологический процесс контроля за счет сравнения измеренного профиля с теоретическим.

Данный подход обеспечивает высокую точность (до 0,1 мкм) и быстроту процесса контроля зубчатых колес (сокращение времени на процесс измерения в два раза) в условиях мелкосерийного производства.

Об авторах

Мария Васильевна Карабонцева

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: karaboncevamaria@mail.ru

аспирант кафедры технологии машиностроения

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Надежда Васильевна Брижинская

АО «Красмаш»

Email: karabonceva@mail.ru

инженер

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29

Валерий Анатольевич Левко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: levko@sibsau.ru

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры технологии машиностроения

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы