柔性電子齒輪箱設(shè)計及精度控制方法研究.pdf

1、電子齒輪箱是一種特殊的多軸同步運(yùn)動控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多軸耦合聯(lián)動關(guān)系，具有傳動比范圍寬、傳動精度高、調(diào)整方便等特點(diǎn)。電子齒輪箱的基本功能是代替機(jī)械傳動鏈，實(shí)現(xiàn)兩個或多個運(yùn)動的定速比或變速比控制，保證各軸運(yùn)動之間嚴(yán)格的同步關(guān)系。在數(shù)控齒輪加工機(jī)床中，采用電子齒輪箱控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)軸按照給定的約束關(guān)系進(jìn)行同步運(yùn)動。采用軟件式電子齒輪箱控制策略，不僅可以實(shí)現(xiàn)滾齒機(jī)和插齒機(jī)等齒輪機(jī)床加工常規(guī)圓柱齒輪對多軸聯(lián)動的要求，還能實(shí)現(xiàn)非圓齒

2、輪加工的變比傳動要求。在齒輪的展成加工過程中，齒輪形狀的產(chǎn)生依賴于刀具與工件的耦合運(yùn)動及進(jìn)給附加運(yùn)動的多軸聯(lián)動關(guān)系，該運(yùn)動關(guān)系由電子齒輪箱控制實(shí)現(xiàn)，其精度控制不僅包含刀具路徑軌跡本身的輪廓精度，還包含從運(yùn)動軸與主運(yùn)動軸之間的同步精度。
　　本文設(shè)計了適用于齒輪數(shù)控展成加工的柔性電子齒輪箱結(jié)構(gòu)，使其在自主研發(fā)的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并深入研究了電子齒輪箱的精度控制方法。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.通過對滾齒、插齒及非圓

3、齒輪加工原理的分析和研究，推導(dǎo)出滾齒加工數(shù)學(xué)模型、插齒加工數(shù)學(xué)模型及非圓齒輪加工數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了一種主從式復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔性電子齒輪箱，通過電子齒輪箱控制系數(shù)和數(shù)控軸定義的改變，形成滾齒加工電子齒輪箱、插齒加工電子齒輪箱（電子螺旋導(dǎo)軌）及非圓齒輪加工電子齒輪箱，提出柔性電子齒輪箱的概念，充分展現(xiàn)了軟件式電子齒輪箱具有易改變、可重構(gòu)的柔性特征。
　　2.提出將柔性電子齒輪箱與插補(bǔ)模塊相結(jié)合，形成柔性電子齒輪箱插補(bǔ)模塊，在嵌入式多CPU數(shù)

4、控系統(tǒng)硬件平臺上，采用模塊化可重構(gòu)思想，設(shè)計了數(shù)控系統(tǒng)總體架構(gòu)，詳細(xì)剖析了數(shù)控系統(tǒng)軟件內(nèi)部的信息流向，將柔性電子齒輪箱無縫地嵌入在齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)中。在自行開發(fā)的嵌入式齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了柔性電子齒輪箱的NC控制，通過程序運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的對比分析，說明了柔性電子齒輪箱軟件執(zhí)行的正確性。
　　3.詳細(xì)研究了數(shù)控系統(tǒng)常用輪廓精度和跟蹤精度的基本控制策略，分析其控制結(jié)構(gòu)和試用條件，建立了柔性電子齒輪箱的基本控制模型。根據(jù)

5、柔性電子齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的增益匹配方式，推導(dǎo)出增益匹配數(shù)學(xué)模型，并在閉環(huán)數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證了增益匹配模型的有效性?？紤]到增益匹配在一定程度上會帶來跟蹤精度的降低，結(jié)合柔性電子齒輪箱運(yùn)動過程中刀具軌跡的特點(diǎn)，將交叉耦合控制模型應(yīng)用在有多軸聯(lián)動要求的進(jìn)給軸之間，建立其交叉耦合補(bǔ)償模型，并在閉環(huán)數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證了交叉耦合控制模型的有效性。由于本文所提出的電子齒輪箱控制模型對工作臺回轉(zhuǎn)軸的跟蹤精度有較高要求，故研究了零相前饋控制方法

6、，可以在精確建立系統(tǒng)模型并且系統(tǒng)超前信號已知的情況下實(shí)現(xiàn)單軸的高精度跟蹤控制。
　　4.研究了由前饋控制器和交叉耦合控制器構(gòu)成的復(fù)合式交叉耦合控制器的實(shí)現(xiàn)原理，并詳細(xì)分析了該控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟及系統(tǒng)穩(wěn)定性，證明該控制器可以同時提高系統(tǒng)的輪廓精度和跟蹤精度。以圓柱斜齒輪的軸向滾切為例，從加工工藝和幾何的角度分析了電子齒輪箱控制誤差的產(chǎn)生原因，并對相關(guān)誤差的計算公式進(jìn)行推導(dǎo)，結(jié)合主從式電子齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與復(fù)合式交叉耦合控制器的設(shè)計原

7、理，構(gòu)建了復(fù)合式交叉耦合柔性電子齒輪箱結(jié)構(gòu)模型，采用Matlab仿真的形式驗(yàn)證了復(fù)合式交叉耦合柔性電子齒輪箱具有較好的控制效果。研究了模糊控制原理和生物免疫調(diào)節(jié)機(jī)理，將兩者與PID控制相結(jié)合，構(gòu)成模糊免疫PID控制器，并將這種智能控制算法應(yīng)用在復(fù)合式交叉耦合電子齒輪箱的位置控制環(huán)節(jié)，仿真結(jié)果表明該控制方法可以進(jìn)一步提高電子齒輪箱的控制精度。
　　5.將復(fù)合式交叉耦合柔性電子齒輪箱模型與主從式電子齒輪箱模型分別嵌入齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)中

8、，采用軸向滾切法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合式交叉耦合柔性電子齒輪箱具有較好的控制精度，并在此基礎(chǔ)上做了對角滾切實(shí)驗(yàn)及電子齒輪箱控制精度分析，驗(yàn)證了圓柱齒輪滾切加工電子齒輪箱軟件具有精確的控制功能;采用電子螺旋導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)圓柱斜齒輪插齒加工運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)，并對運(yùn)動過程中各軸的位置軌跡及各軸的跟蹤誤差進(jìn)行采集和分析，結(jié)果表明電子螺旋導(dǎo)軌可以精確實(shí)現(xiàn)圓柱斜齒輪的插齒加工運(yùn)動控制;采用非圓滾齒加工電子齒輪箱實(shí)現(xiàn)一階橢圓齒輪的加工運(yùn)動控制，采用非圓插齒

9、電子齒輪箱實(shí)現(xiàn)三階橢圓齒輪的加工運(yùn)動控制，并分別對運(yùn)動過程數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明柔性電子齒輪箱可以精確實(shí)現(xiàn)非圓齒輪加工所要求的多軸聯(lián)動運(yùn)動控制關(guān)系。
　　6.最后本文將電子齒輪箱控制軟件成功的應(yīng)用于自主研發(fā)的齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)中，并將該數(shù)控系統(tǒng)與重慶機(jī)床廠生產(chǎn)的YS3118CNC5滾齒機(jī)床及天津第一機(jī)床總廠生產(chǎn)的YK5132B插齒機(jī)床配套。在自主研發(fā)的滾齒數(shù)控系統(tǒng)的控制下，完成了標(biāo)準(zhǔn)測試齒輪的加工，其中滾齒機(jī)床所加工的標(biāo)準(zhǔn)