一种剃齿加工参数全局优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种剃齿加工参数全局优化设计方法，该方法基于剃削原理将剃齿加工离散为n次往复剃削运动，根据弹性力学推导出剃齿齿形误差迭代方程，并得到了加工齿轮的齿形方程与中凹误差函数。以剃齿齿形中凹误差为评价指标建立优化目标函数，采用聚散优化算法(GAD)设计了剃齿加工参数的全局优化方法。通过该方法可以实现剃后工件齿轮齿形中凹误差的准确预测以及寻找出剃齿加工参数的最优组合，降低了剃齿加工设计的复杂性，有效地提高了剃齿工艺的生产效率和加工精度。

【技术实现步骤摘要】
一种剃齿加工参数全局优化设计方法
本专利技术属于齿轮加工领域的方法，更具体的说，涉及一种剃齿加工参数全局优化设计方法。
技术介绍
剃齿加工是齿轮精加工生产中的高效工艺，是保证齿面表面精度、纠正齿轮误差的重要环节。剃齿工艺广泛应用于机床、汽车、船舶、航空航天等产业的齿轮生产，具有效率高、成本低、适应性强和调整方便等优点。然而，剃齿齿形中凹误差问题却是齿轮制造中长期存在的一个技术难题，它是齿轮传动产生振动、噪音的主要因素之一，不但严重影响工件齿轮齿面精度和啮合传动状态，而且限制了剃齿加工在高精密场合的生产应用。为减小剃齿齿形中凹误差，会根据剃后工件齿轮齿形对剃齿刀进行相应地修形，其基本步骤是：①在标准渐开线剃齿刀的基础上在相应齿廓处进行刃磨；②对工件齿轮进行试剃；③对剃后工件进行精度检测，如果符合要求则认为此时的剃齿刀齿形已符合加工要求可投入使用；④若试剃结果不满足生产要求，则对比剃后齿轮齿形进行针对性地刃磨修正，反复以上①、②、③的过程直至满足加工精度要求。由此可见剃齿刀修形是一个凭借工程经验反复修正与试剃的过程。实际加工中产品工艺的变化及新产品的投产会使得这一过程相当复杂，过分依赖刃磨技术人员的经验，也降低了剃齿工艺的效率。若能直接在设计阶段预测出齿形中凹误差曲线，并针对性地进行优化设计，将会大大提高剃齿工艺的生产效率和加工精度。因此，本领域亟需寻找更为准确的剃齿齿形中凹误差预测和剃齿加工参数的优化设计方法，以满足剃齿加工中对高质量、高效率的要求。专利技术内容针对现有技术存在的缺陷或不足，本专利技术的目的在于，提供一种剃齿加工参数全局优化设计方法。为实现上述任务，本专利技术通过以下的技术解决方案予以实现：一种剃齿加工参数全局优化设计方法，其特征在于，包括：S1：剃齿齿形中凹误差模型将剃削过程视为n次往复剃削运动的叠加，并通过计算n次往复剃削运动中工件齿轮沿齿廓展开角上的背吃刀量来得到加工后的剃齿齿形中凹误差；根据剃齿啮合原理可求出工件坐标系S(o-xpypzp)中啮合点的初始坐标方程为：其中rb1为剃齿刀基圆半径；u1为剃齿刀渐开线上该点处压力角和展角的和；λ1为剃齿刀渐开线齿廓从起始处沿着z轴转过的角度；为剃齿刀的旋转角度；Σ、ΔΣ分别为剃齿刀与工件齿轮的轴交角和轴交角误差；l2为”工件齿轮在zp轴方向移动的距离；p1为剃齿刀齿面螺旋参数；i21和i为工件齿轮角速度与剃齿刀角速度、工件齿轮轴向进给速度的传动比。啮合点的背吃刀量由径向进给量、啮合点压下量和轮齿的弯曲程度决定，由此推出啮合点的背吃刀量ap为：ap＝Δfr+δc+δw(2)式中，Δfr为剃齿刀单次径向进给量，δc为啮合点的压下量，δw为啮合点轮齿的总弯曲量。当剃齿加工参数一定时，单次径向进给量Δfr可以由径向切削参数确定，轮齿的总弯曲量δw可以由剃削参数和工件齿轮参数确定，并且不同往复剃削运动中Δfr和δw都不会发生改变。每次往复剃削运动产生的齿面误差都会使齿廓表面的法曲率改变，从而导致下次剃削运动啮合点的压下量δc发生改变，假设第i次往复剃削运动中啮合点的初始坐标为(xi,yi,zi)、根据弹性力学确定啮合点压下量δci：其中：式中，e为剃齿刀容屑槽槽距与槽宽之比，为剃齿刀沿切削刃方向的的主曲率，为工件齿轮圆周方向的主曲率，σi为两接触曲面主曲率方向之间的夹角，M为与两曲率相关的系数，Fnc为啮合点垂直切削刃的作用力。经过第i往复剃削运动后，工件齿轮啮合点坐标会在法线方向减小api，由此推导出第i+1次往复剃削运动中啮合点初始坐标方程为：式中：是工件齿轮啮合点法向矢量在x2、y2、z2三个坐标轴上的分量，分别为：根据式(2)、式(3)得到第i次往复剃削运动中啮合点处实际背吃刀量，根据式(4)、式(5)更新出i+1次往复剃削运动中啮合点的初始坐标方程，重复循环n次就能得到剃削加工完成后工件齿轮实际啮合点坐标方程(xn,yn,zn)，将计算得到的实际啮合点方程与理论啮合点方程(xe,ye,ze)进行对比，齿形上任意一点的误差可由理论齿形和实际齿形的法向偏差来表示：剃齿齿形中凹误差U可由齿形误差的最大值与最小值的差确定：S2：剃齿加工参数敏感性分析采用基于方差的全局敏感性分析对剃齿加工优化参数进行筛选，分别计算各参数的主效应指标和全效应指标，得到了各参数对剃齿齿形中凹误差的影响程度以及参数之间交互效应的大小；S3：剃齿加工参数全局优化方法为了提高剃齿加工精度，将剃齿齿形中凹误差U作为整个优化系统的目标，则剃齿加工优化系统的优化目标函数如下：选择具有全局搜索能力的聚散优化算法，该算法将传统优化算法种群化，抽象出聚合算子和分散算子，通过归档重置的策略在宏观上对种群的演变进行引导；基于GAD算法的剃齿加工参数优化方法流程为：(1)初始化种群并计算目标函数。其中的种群初始化方程为：式中：表示第i个个体的第j维；UBj，LBj分别代表第j维分量的上界和下界。(2)更新存档将当前个体与存档中空白个体或老个体进行比较，若当前个体优于存档个体则更新存档个体，否则不更新。使用存档记录特定种群个体能，使算法充分利用优秀个体的信息。(3)判断是否需要重置种群对种群进行重置操作可以降低算法陷入局部最优解的风险，在种群重置时，首先比较popusize代以内的种群产生更优解的次数t是否小于适应函数值如果小于适应值则利用存档对当前个体进行重置：式中：为存档中第i个体第j维分量，FES为当前迭代次数。(4)使用聚散算子生成新的个体并计算目标函数值聚集算子和分散算子的迭代公式如下：Xi＝(1-r1)Xi+r1(r2lBS+(1-r2)gBS)(10)Xi＝(1-2r1)Xi+r1(r2Xi+(1-r2)Xi)(11)式中：lBS是个体自身搜索到的最优解，gBS是算法到目前为止找到的全局最优解，r1和r2为[0,1]间的随机数；(5)最后判断是否满足收敛条件，若满足则输出最优解，算法结束，否则继续重复(2)～(4)的工作。本专利技术的剃齿加工参数全局优化设计方法，带来的有益效果在于：1、通过在原有剃齿加工模型基础上，将剃齿加工过程离散为n次往复剃削运动，推导了剃齿齿形误差迭代方程，并得到了加工齿轮的齿形方程与中凹误差函数，这些推导可以精确预测出剃后齿轮的齿形中凹误差，为剃齿加工参数的优化设计奠定了理论基础。2、通过全局敏感性分析方法来筛选剃齿加工中的敏感参数，大大减少计算和处理数据的工作量，采用GAD优化算法提出了一种提出了一种包含剃齿刀优化设计、机床加工参数和安装误差补偿位移量优化的剃齿加工参数全局优化设计方法。通过剃齿加工参数全局优化设计方法可以得到剃齿加工的最优参数组合，有效地提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种剃齿加工参数全局优化设计方法，其特征在于，包括：/nS1：剃齿齿形中凹误差模型/n将剃削过程视为n次往复剃削运动的叠加，并通过计算n次往复剃削运动中工件齿轮沿齿廓展开角上的背吃刀量来得到加工后的剃齿齿形中凹误差；/n根据剃齿啮合原理，求出工件坐标系S(o-x

【技术特征摘要】
1.一种剃齿加工参数全局优化设计方法，其特征在于，包括：
S1：剃齿齿形中凹误差模型
将剃削过程视为n次往复剃削运动的叠加，并通过计算n次往复剃削运动中工件齿轮沿齿廓展开角上的背吃刀量来得到加工后的剃齿齿形中凹误差；
根据剃齿啮合原理，求出工件坐标系S(o-xpypzp)中啮合点的初始坐标方程为：



其中rb1为剃齿刀基圆半径；u1为剃齿刀渐开线上该点处压力角和展角的和；λ1为剃齿刀渐开线齿廓从起始处沿着z轴转过的角度；为剃齿刀的旋转角度；Σ、ΔΣ分别为剃齿刀与工件齿轮的轴交角和轴交角误差；l2为工件齿轮在zp轴方向移动的距离；p1为剃齿刀齿面螺旋参数；i21和i″为工件齿轮角速度与剃齿刀角速度、工件齿轮轴向进给速度的传动比；
啮合点的背吃刀量由径向进给量、啮合点压下量和轮齿的弯曲程度决定，由此推出啮合点的背吃刀量ap为：
ap＝Δfr+δc+δw(2)
式中，Δfr为剃齿刀单次径向进给量，δc为啮合点的压下量，δw为啮合点轮齿的总弯曲量；
当剃齿加工参数一定时，单次径向进给量Δfr可以由径向切削参数确定，轮齿的总弯曲量δw可以由剃削参数和工件齿轮参数确定，并且不同往复剃削运动中Δfr和δw都不会发生改变；每次往复剃削运动产生的齿面误差都会使齿廓表面的法曲率改变，从而导致下次剃削运动啮合点的压下量δc发生改变，假设第i次往复剃削运动中啮合点的初始坐标为(xi,yi,zi)、根据弹性力学确定啮合点压下量δci：



其中：



式中，e为剃齿刀容屑槽槽距与槽宽之比，为剃齿刀沿切削刃方向的的主曲率，为工件齿轮圆周方向的主曲率，σi为两接触曲面主曲率方向之间的夹角，M为与两曲率相关的系数，Fnc为啮合点垂直切削刃的作用力；
经过第i往复剃削运动后，工件齿轮啮合点坐标会在法线方向减小api，由此推导出第i+1次往复剃削运动中啮合点初始坐标方程为：



式中：是工件齿轮啮合点法向矢量在x2、y2、z2三个坐标轴上的分量，分别为：



根据式(2)、式(3)得到第i次往复剃削运动中啮合点处实际背吃刀量，根据式(4)、式(5)更新出i+1次往复剃削运动中啮合点的初始坐标方程，重复循环n次就能得到剃削加工完成后工件齿轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡安江，王瑞远，郭师虹，任志刚，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61