基于全信息的齿轮三维表征、误差评价与工艺反调研究

At present, tooth deviation evaluation and processing error correction are based on feature points or feature lines. Under the background of the gear 3D topological modification becoming a trend, some obvious problems exist in the thought replacing the entirety with part for deviation evaluation and processing error correction. In order to realize gear 3D topological modification, gear deviation evaluation and processing error correction according to the data of 3D flank will became the key problems of gear industry. This project presents a unified 3-D representation model of tooth surface based on Chebyshev polynomials, which provides the basis for data connection in design, process, measurement and service. Through a completely new perspective of 3D full information, evaluation indicator system of gear geometrical accuracy and service performance is proposed to reflect the quality of gear products more precisely. On this basis above, the mapping relation between tooth surface error and process error is studied, process error is separated and the tooth surface error is corrected point by point based on tooth-skipped gear processing principle. By researching on geometry and performance evaluation system of gears with full information and tooth surface error correction point by point based on tooth-skipped gear processing principle, we can realize closed-loop manufacturing and performance prediction based on gear comprehensive information, and improve the level of gear industry for our country.

迄今，齿轮误差评价和工艺误差反调都是以齿轮的特征点或者特征线作为依据，在齿轮三维拓扑修形成为趋势的背景下，这种以局部代替整体的思想在齿轮误差评价和工艺误差反调中存在明显的问题。为了实现齿轮三维拓扑修形，以三维齿面数据为依据的齿轮误差评定和工艺误差反调已成为齿轮行业的关键问题。本课题提出基于切比雪夫多项式的齿轮三维表征统一模型，为设计、加工、检测和使用环节的数据建立有机的联系提供基础。从齿轮三维全信息的角度，提出齿轮几何精度和使用性能评价指标体系，更准确的反映齿轮产品质量。在此基础上，研究齿面误差与工艺误差的映射关系，分离工艺误差，利用间齿加工原理，实现齿面误差逐点修正。通过研究齿轮全信息数据“形”“性”评价体系和基于间齿加工原理的齿面误差逐点修正方法，可实现基于齿轮全信息的闭环制造与性能预测，为提高我国齿轮行业水平奠定基础。

齿轮是应用最广泛的关键基础件，齿轮的加工质量直接影响其实际工作状况，包括传动精度、振动噪声、疲劳寿命和可靠性等。目前齿轮制造业仍然依据特征线和特征点的测量结果来评价齿轮的加工精度，这种以局部代替整体的思想在齿轮误差评价和工艺误差反调中存在明显的问题。本课题分别从齿面三维表征模型与误差分解、基于齿轮全信息数据的齿轮“形”“性”评价、基于齿面三维表征模型的工艺误差反调方法和齿轮寿命测试方法展开研究。课题提出基于切比雪夫多项式的齿轮三维表征统一模型，并根据切比雪夫多项式的特点，对三维齿面误差进行分解，得到三维表征统一模型与传统单项误差之间的关系，为设计、加工、检测和使用环节的数据建立有机的联系提供基础。在三维精度评价方面，提出了一种平均齿廓法向量的齿面倾斜偏差评价方法，综合了齿廓倾斜偏差和螺旋线倾斜偏差，实现三维齿面的精度评价。在齿轮使用性能评价方面，基于齿面三维点云数据，提出了齿轮副传动误差虚拟测量方法，实现了从三维点云数据到齿轮传动性能的转化；同时开展了齿轮寿命测试研究，未验证齿轮传动寿命性能提供实验基础。在齿轮加工误差反调方面，针对蜗杆砂轮磨齿磨齿，提出了齿面误差逐点修正技术；针对环面蜗杆磨削提出了基于齿面特征线的加工参数反调准侧，实现了齿面误差的修正，提高了加工精度。本课题部分研究成果在国内外学术期刊上发表论文4篇，其中SCI论文4篇；申请发明专利6项，软件著作权1件。培养博士后1名，博士研究生3名，硕士研究生4名。三维齿面精度评价补充了现有国际标准ISO1328的不足，完善了齿轮精度评价体系。基于齿面信息的齿轮性能预报技术受到国外垄断，本课题实现了基于齿面全信息的齿轮传动性能评价，是对齿轮性能预报的有效手段。以上技术可以直接应用于国内齿轮测量中心，与齿轮测量仪器制造厂合作，可以提升国产齿轮测量仪器的实用价值，具有良好的应用前景。