大型数控成形磨齿机是加工大规格、高精度齿轮的高效、精密加工设备,广泛应用于风电、水电、船舶、工程机械等重型装备领域的齿轮生产加工。其尺寸庞大、零部件种类和数量众多、内外部结构复杂、附属配套设备多。在加工大规格齿轮工件时,由于需要长时间连续运行,磨齿机导轨、滑块、丝杠、蜗轮蜗杆等部件因运动摩擦而逐渐产生大量的热,再加上驱动电机发热、砂轮与工件的磨削热等多种热源的影响,机床温度会逐渐升高、出现不均匀的温度场并发生相应的热变形;由于磨齿机零部件尺寸和重量大,会出现较大的制造误差,另外还有运动磨损等。在这些几何误差因素的共同作用下,砂轮与工件之间做包络运动形成的实际共轭齿面会偏离理论包络轨迹,导致实际齿面与理论齿面之间加工误差的产生,从而严重制约大型数控成形磨齿机加工精度的提高。再加上大规格齿轮工件的生产成本和精度要求高、加工风险大,故对机床的加工精度和精度稳定性要求更为苛刻。因此,开展大型数控成形磨齿机几何误差与齿面加工误差研究,建立其制造几何误差、热致几何误差的误差模型以及磨齿机综合几何误差与齿面加工误差关系模型,提出误差补偿新方法,对减小大规格齿轮工件的加工误差,大幅提升机床加工性能具有十分重大的意义。为此,本文针对大型九轴五联动数控成形磨齿机SKMC-3000/20这类机床的结构形式和加工特点,从以下几个方面,对其制造几何误差、热致几何误差作用下的齿面加工误差产生机理以及误差补偿技术进行分析和研究:(1)建立大型数控成形磨齿机制造几何误差模型,是开发误差补偿模块、减小齿面加工误差的前提。在分析大型数控成形磨齿机SKMC-3000/20主要运动轴运动方式的基础上,依据空间运动学原理,研究了其33项制造几何误差分量并建立了机床主要运动坐标系的传动链。结合机床的拓扑结构,运用空间齐次坐标变换的方法获得砂轮坐标系相对于工件坐标系的位置误差与转角误差,建立了磨齿机的制造几何误差模型。然后建立机床的雅可比矩阵并对各运动轴进行误差解耦,最终获得了各运动轴的制造几何误差补偿模型,提出了该磨齿机的几何误差模型和误差建模方法,可为其制造几何误差检测及补偿提供前提条件。(2)为探明大型数控成形磨齿机综合几何误差导致的砂轮—工件相对位置误差对齿面加工误差的影响,本文结合成形磨齿加工、齿轮啮合的基本原理和空间齐次坐标变换方法,建立了以离散坐标点表示的、砂轮加工面与齿轮端面理论廓形的空间共轭接触线;进而运用空间曲面包络理论,推导出砂轮—工件的接触线包络曲面以及包含两者位置误差的齿面误差模型。经过评价齿面的齿形精度和齿向精度,建立了砂轮—工件的位置误差与齿面加工误差两者的误差关系模型,从而揭示了两者的关联规律,为齿面加工误差的预测和误差修正提供了理论依据。(3)运用计算机数值分析的方法,分析了该大型数控成形磨齿机的整个稳态热特性及热变形情况。针对大型数控成形磨齿机外观不规则、热源众多,难以单纯从几何数学角度计算其热变形量的现状,依据传热学和机械热变形理论,分析了机床主要热源的分布和主要零部件的发热量,初步探明了机床的热传递机理。在此基础上,结合机床零部件装配关系及其材料特性,对磨齿机进行了数值仿真分析,得到了其在热平衡状态时的整机温度场分布及热变形。为建立大型数控成形磨齿机温度—位移实验平台、开发热致几何误差实时补偿模块提供了参考价值。(4)由磨齿机综合几何误差与齿面误差的关联规律可知,砂轮—工件沿机床X、Y方向的相对位置误差是影响齿面加工精度的关键因素。因此,在机床数值仿真分析结果的基础上,建立了机床温度—热位移实验平台并由模糊聚类回归算法优从温度检测结果中选出关键的温度变量,并由多元线性回归与最小二乘法理论建立了机床热致几何误差模型。结合砂轮—工件位置误差与齿面加工误差的关系模型,建立了该大型数控成形磨齿机热致几何误差补偿模型,从而揭示了磨齿机整机热变形、齿面加工误差与机床温度之间的关系。(5)在对该大型数控成形磨齿机进行误差分析、建立误差补偿模型的基础上,依据SINUMERIK 840D sl数控系统的功能特点,运用其HMI Programming Package二次开发平台,开发出了可嵌入式制造几何误差、热致几何误差实时补偿软件模块,并在该成形磨齿机上进行了补偿加工实验。经过齿面在位检测,结果显示误差补偿后的齿面齿形倾斜偏差大幅减小且齿面加工精度得到了显著提升。表明磨齿机误差补偿模型的精确性好,软件模块的补偿效果佳,能够有效提升机床加工精度和加工效率。在研究过程中所采用的理论方法和技术手段,可以为其它类型机床的误差补偿和精度提升提供有益的参考。本文运用理论分析、有限元技术与现场实验相结合的方法,提出了大型数控成形磨齿机的制造几何误差、热致几何误差建模及误差补偿理论,揭示了机床综合几何误差与齿面加工误差的变化关系。运用开发出的嵌入式误差实时补偿软件模块,在该磨齿机上进行了相应的误差补偿加工实验。在位检测结果显示,误差补偿后的齿面加工精度有了大幅度提升且齿面误差减小趋势与理论模型相符,表明在研究过程中所采用的理论和原理、数学算法、分析思路,所建立的几何误差模型和开发的补偿模块等,对大型数控成形磨齿机的精度提升、结构优化、齿面精度预测及误差在线补偿等具有重要的指导意义和良好的实用价值。