一种对内花键齿轮进行车齿的方法、系统、设备及介质与流程

本技术涉及齿轮加工，尤其涉及一种对内花键齿轮进行车齿的方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、随着汽车动力总成、航空航天及工业机器人等高端装备制造的迅猛发展，高承载、高定心精度的内花键齿轮等关键传动部件的需求量持续攀升，对复杂齿轮制造工艺的要求也不断提高。如何对内花键齿轮进行高效连续切削，并在单次装夹中同步实现高精度加工与复合修形，已成为保障传动部件性能、提升制造效率的核心需求。

2、现有技术中，内花键齿轮的成型加工通常通过传统插齿工艺或基于设定运动学参数的五轴车齿系统实现。例如，在五轴数控机床上安装车齿刀进行加工时，通常采用预先固定的刀具偏转角和进给倍率进行同步切削。然而，现有技术在实际应用中基于固定参数的车齿方法，在面对高频多轴联动的高速切削状态时，由于缺乏对刀具与工件瞬时动态空间位姿的闭环校验与动态调节机制，对于复杂内孔加工环境下的多轴协同控制与加工状态演变，存在微观轨迹失配、多轴联动引起的伺服跟踪误差累积以及发生空间干涉的风险。此外，在高速车齿加工过程中，主轴与工作台的高速自转及其空间姿态的动态偏摆会产生陀螺效应，由此诱发的进动附加力矩会导致刀杆产生微米级弹性弯曲变形，进一步加剧了齿面成型精度的恶化。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供一种对内花键齿轮进行车齿的方法、系统、设备及介质，以解决上述问题。

2、第一方面，提供了一种对内花键齿轮进行车齿的方法，应用于五轴数控机床，五轴数控机床包括旋转工作台与刀具主轴系统，旋转工作台与所述刀具主轴系统分别具有至少一个旋转自由度，待加工的内花键齿轮工件被装夹于旋转工作台上、且车齿刀被安装于刀具主轴系统上，该方法包括：

3、获取内花键齿轮工件的理论齿廓参数与齿面修形参数，依据理论齿廓参数与齿面修形参数构建参数化齿面拓扑修形模型，并通过预设的运动学求解算法对参数化齿面拓扑修形模型进行解析，生成车齿刀沿内花键齿轮工件轴向与周向耦合运动的螺旋进给轨迹；

4、基于螺旋进给轨迹，确定预设切削线速度，并获取螺旋进给轨迹对应的进刀速度的第一目标设定值，基于预设切削线速度，确定刀具主轴系统的主轴转速的第二目标设定值与旋转工作台的旋转角速度的第三目标设定值；

5、依据预设的运动学约束方程，基于第一目标设定值、第二目标设定值与第三目标设定值，计算车齿刀的刀具轴线相对于内花键齿轮工件的工件轴线的主动偏转角度的第四目标设定值；

6、在执行插补控制的过程中，以预设切削线速度为基准，同步控制旋转角速度与主轴转速，并分别获取主动偏转角度、进刀速度、主轴转速与旋转角速度对应的反馈值；

7、计算各反馈值与相应的目标设定值之间的运动偏差量，并基于各运动偏差量与预设的补偿控制策略，对主动偏转角度、进刀速度、主轴转速与旋转角速度执行动态补偿，目标设定值包括第一目标设定值、第二目标设定值、第三目标设定值以及第四目标设定值；

8、基于动态补偿后的主动偏转角度、进刀速度、主轴转速与旋转角速度，控制刀具主轴系统与旋转工作台联动，使车齿刀对内花键齿轮工件进行连续切削。

9、以上技术方案，通过在机床执行插补控制的过程中，实时获取主动偏转角度、进刀速度、主轴转速与旋转角速度的反馈值，并计算各反馈值与预先规划的第一至第四目标设定值之间的运动偏差量，进而基于运动偏差量执行动态补偿，消除了五轴联动高速切削过程中因瞬时位姿偏离导致的空间干涉风险，保证了内花键齿轮的车齿加工精度。

10、可选的，依据理论齿廓参数与齿面修形参数构建参数化齿面拓扑修形模型，具体包括：

11、依据理论齿廓参数构建基准理论齿面方程；

12、获取齿面修形参数中的预设的齿形凸度量、齿向鼓形量、齿顶倒棱圆弧半径与齿根过渡圆弧半径；

13、依据齿形凸度量、齿向鼓形量、齿顶倒棱圆弧半径与齿根过渡圆弧半径，构建多维修形参数矩阵；

14、将多维修形参数矩阵代入预设的齿面偏差函数，计算得到空间偏差补偿网格；

15、将空间偏差补偿网格叠加至基准理论齿面方程中，生成参数化齿面拓扑修形模型。

16、以上技术方案，通过将齿形凸度量、齿向鼓形量以及倒棱过渡圆弧等修形参数构建为多维矩阵，并代入偏差函数生成空间偏差补偿网格后叠加至基准齿面方程中，使最终生成的螺旋进给轨迹直接包含复合微观修形量，实现了在单次装夹加工中同步完成内花键的高精度复合修形。

17、可选的，生成车齿刀沿内花键齿轮工件轴向与周向耦合运动的螺旋进给轨迹之后，且在基于螺旋进给轨迹，确定预设切削线速度之前，还包括：

18、对螺旋进给轨迹进行参数化重采样，生成包含位置属性、速度属性、加速度属性与加加速度属性的运动学序列；

19、提取运动学序列中的各运动段，并在各运动段内插入加减速过渡段；

20、基于预设的最大加加速度阈值，对插入加减速过渡段后的运动学序列执行约束处理，得到平滑重构轨迹，并将平滑重构轨迹作为螺旋进给轨迹。

21、以上技术方案，通过对螺旋进给轨迹进行包含位置、速度、加速度与加加速度属性的重采样，并在各运动段内插入加减速过渡段，利用最大加加速度阈值对轨迹序列执行平滑约束处理，限制了伺服轴在复杂轨迹插补过程中的加速度突变，避免了机床结构产生剧烈机械冲击与振动。

22、可选的，依据预设的运动学约束方程，基于第一目标设定值、第二目标设定值与第三目标设定值，计算车齿刀的刀具轴线相对于内花键齿轮工件的工件轴线的主动偏转角度的第四目标设定值，具体包括：

23、获取车齿刀的切削刃平均回转半径，并获取内花键齿轮工件的预设内孔半径；

24、依据第一目标设定值、第二目标设定值与切削刃平均回转半径，确定包含刀具空间速度矢量的刀具侧运动学分量；

25、依据第三目标设定值、预设内孔半径与第一目标设定值，确定包含工件合成速度矢量的工件侧运动学分量；

26、基于刀具侧运动学分量与工件侧运动学分量执行预设的三角函数映射解析，得到主动偏转角度的第四目标设定值。

27、以上技术方案，通过提取刀具的切削刃平均回转半径、工件的预设内孔半径以及相应的目标速度矢量，运用三角函数映射分别解析出刀具侧与工件侧的合成运动学分量，精确计算出匹配当前特定刀具与工件尺寸的安全偏转角度，从几何与运动学根源上防止了刀具与内花键孔壁发生物理碰撞。

28、可选的，基于各运动偏差量与预设的补偿控制策略，对主动偏转角度、进刀速度、主轴转速与旋转角速度执行动态补偿，具体包括：

29、获取执行插补控制所生成的当前插补周期的空间姿态矩阵，并依据主轴转速对应的反馈值、旋转角速度对应的反馈值以及空间姿态矩阵，确定旋转工作台与刀具主轴系统中的各旋转轴的瞬时角速度矢量；

30、基于预设的转动惯量张量与瞬时角速度矢量，计算各旋转轴对应的陀螺效应补偿扭矩；

31、基于陀螺效应补偿扭矩及预设的刚度系数，将各陀螺效应补偿扭矩转化为对应的运动学补偿分量，并将运动学补偿分量叠加至对主动偏转角度、进刀速度、主轴转速与旋转角速度执行的动态补偿中。

32、以上技术方案，通过提取各旋转轴基于当前空间姿态矩阵与反馈速度计算得到的瞬时角速度矢量，结合转动惯量张量计算出高频旋转产生的陀螺效应补偿扭矩，并利用刚度系数将其转化为运动学补偿分量叠加至动态补偿中，抵消了高速切削状态下由动力学力矩引起的刀具微观弹性形变。

33、可选的，控制刀具主轴系统与旋转工作台联动，使车齿刀对内花键齿轮工件进行连续切削，具体包括：

34、在连续切削的各个加工道次内，获取切削线速度的实际反馈值、进刀速度对应的反馈值与预设的径向切深，并获取当前刀具主轴系统的主轴负载电流反馈值，将主轴负载电流反馈值作为刀具刃口状态的表征参数；

35、将切削线速度的实际反馈值、进刀速度对应的反馈值、径向切深与主轴负载电流反馈值输入预设的表面粗糙度预测模型，得到针对当前加工道次的表面粗糙度预测值；

36、当表面粗糙度预测值大于预设的粗糙度阈值时，生成针对轴向基准面的微调补偿指令，微调补偿指令包含沿内花键齿轮工件轴向的预设步距偏移量，并依据微调补偿指令在下一加工道次中，对刀具主轴系统与旋转工作台执行轴向步距补偿。

37、以上技术方案，通过采集实际切削速度参数、径向切深以及表征刀具刃口磨损状态的主轴负载电流，利用模型预测当前道次的表面粗糙度，并在预测值超标时自动触发包含轴向步距偏移量的微调补偿指令作用于下一加工道次，建立了基于刀具实际物理状态与加工表面质量的自适应微调闭环。

38、可选的，依据微调补偿指令在下一加工道次中，对刀具主轴系统与旋转工作台执行轴向步距补偿之后，还包括：

39、通过预设的在机测量单元，提取执行轴向步距补偿后的连续预设齿数的实测表面粗糙度值；

40、将各实测表面粗糙度值分别与预设的粗糙度阈值进行比对；

41、当各实测表面粗糙度值均小于或等于预设的粗糙度阈值时，停止生成微调补偿指令。

42、以上技术方案，通过利用在机测量单元提取执行轴向步距补偿后的实测表面粗糙度值进行阈值比对，为前置的预测补偿动作提供了真实的物理测量校验依据，并在实测质量达标时自动终止微调补偿指令的生成，构成了完整且具备明确稳态退出条件的加工质量验证机制。

43、第二方面，提供了一种对内花键齿轮进行车齿的系统，应用于五轴数控机床，五轴数控机床包括旋转工作台与刀具主轴系统，旋转工作台与所述刀具主轴系统分别具有至少一个旋转自由度，待加工的内花键齿轮工件被装夹于旋转工作台上、且车齿刀被安装于刀具主轴系统上，系统包括：

44、轨迹规划模块，用于获取内花键齿轮工件的理论齿廓参数与齿面修形参数，依据理论齿廓参数与齿面修形参数构建参数化齿面拓扑修形模型，并通过预设的运动学求解算法对参数化齿面拓扑修形模型进行解析，生成车齿刀沿内花键齿轮工件轴向与周向耦合运动的螺旋进给轨迹；

45、参数设定模块，用于基于螺旋进给轨迹，确定预设切削线速度，并获取螺旋进给轨迹对应的进刀速度的第一目标设定值，基于预设切削线速度，确定刀具主轴系统的主轴转速的第二目标设定值与旋转工作台的旋转角速度的第三目标设定值；

46、姿态解算模块，用于依据预设的运动学约束方程，基于第一目标设定值、第二目标设定值与第三目标设定值，计算车齿刀的刀具轴线相对于内花键齿轮工件的工件轴线的主动偏转角度的第四目标设定值；

47、状态采集模块，用于在执行插补控制的过程中，以预设切削线速度为基准，同步控制旋转角速度与主轴转速，并分别获取主动偏转角度、进刀速度、主轴转速与旋转角速度对应的反馈值；

48、动态补偿模块，用于计算各反馈值与相应的目标设定值之间的运动偏差量，并基于各运动偏差量与预设的补偿控制策略，对主动偏转角度、进刀速度、主轴转速与旋转角速度执行动态补偿，目标设定值包括第一目标设定值、第二目标设定值、第三目标设定值以及第四目标设定值；

49、联动切削模块，用于基于动态补偿后的主动偏转角度、进刀速度、主轴转速与旋转角速度，控制刀具主轴系统与旋转工作台联动，使车齿刀对内花键齿轮工件进行连续切削。

50、第三方面，提供了一种电子设备，包括数字控制核心，用于执行如上述任意一项所述的方法中的运动学解算与动态补偿计算，并通过工业现场总线接口将补偿后的控制指令下发至多轴伺服驱动单元以驱动物理切削动作；可编程逻辑控制器，用于执行所述五轴数控机床的逻辑动作控制；存储器，用于存储指令与加工参数数据；人机交互接口，用于显示加工状态与接收操作指令；工业现场总线接口，用于与多轴伺服驱动单元通信连接。

51、第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有指令，当所述指令被执行时，执行如上述任意一项所述的方法。

52、综上所述，实施本技术提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

53、通过构建涵盖底层轨迹解耦、多物理场前馈补偿以及工艺质量自适应闭环的全维智能化车齿加工架构，克服了传统数控车齿依赖预设静止参数进行加工导致的精度受限问题。一方面，本方案将传统的纯几何轨迹插补升维至融合机床刚度、刀具真实负载与空间动力学效应的“物理级”闭环伺服控制，赋予了通用五轴机床对复杂加工工况“实时感知与动态纠偏”的智能化属性，这不仅极大降低了新产品导入时的试错时间，还避免了异常受力对机床主轴的损耗，显著延长了车齿刀具的服役寿命；另一方面，该方案免除了复杂内花键加工对特定专用设备（如高精度插齿机或拉床）的重度依赖，在不增加底层硬件改造成本的前提下，极大拓展了通用五轴数控机床的工艺边界，为航空航天、新能源汽车及工业机器人等高端装备制造领域内的高承载传动部件，提供了一种兼顾生产柔性、加工一致性与经济效益的制造方案。