螺旋錐齒輪數(shù)控加工及精度控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、齒輪的加工質(zhì)量和加工效率在很大程度上反映了一個(gè)國家的機(jī)械工業(yè)水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，裝備水平的提高，對齒輪傳動(dòng)產(chǎn)品的要求也越來越高。螺旋錐齒輪是傳遞交錯(cuò)動(dòng)力的基礎(chǔ)元件，因其形狀復(fù)雜，技術(shù)問題多，制造難度大，一直以來深為業(yè)界所重視。目前國內(nèi)螺旋錐齒輪加工所用的機(jī)床，其數(shù)控系統(tǒng)大多是國外的數(shù)控系統(tǒng)，如德國的SIEMENS、日本的FANUC和PHILIPS公司的3460系統(tǒng)，或者是在通用數(shù)控系統(tǒng)（如西門子840D）基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)的

2、，而將齒輪加工的相關(guān)技術(shù)嵌入到數(shù)控系統(tǒng)中，其專用性缺乏，可擴(kuò)展性不強(qiáng)。為了提高齒輪的加工精度，傳動(dòng)性能，就應(yīng)從源頭開始即機(jī)床母機(jī)的大腦-數(shù)控系統(tǒng)出發(fā)，開發(fā)屬于專業(yè)化的齒輪數(shù)控系統(tǒng)而不依賴于國外的數(shù)控系統(tǒng)。因此，本文提出了一種嵌入式的螺旋錐齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行了軟件和硬件的設(shè)計(jì)開發(fā)，為了進(jìn)一步提高螺旋錐齒輪數(shù)控加工的精度，開展了如下研究:
　　1.通過對傳統(tǒng)搖臺(tái)式螺旋錐齒輪加工原理以及數(shù)控式加工機(jī)床的對比分析和研究，剖析了格里森制

3、齒的大輪展成法加工、成形法加工，小輪刀傾法加工、變性法加工等四種切齒加工方法，應(yīng)用空間坐標(biāo)變換，分別推導(dǎo)出螺旋錐齒輪上述四種加工方法的數(shù)控加工模型。
　　2.研究了刀具誤差對齒面精度的影響，從盤形刀具的齒形角和刀盤半徑出發(fā)，在不考慮機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度情況下，推導(dǎo)出了刀具半徑偏差與齒輪齒廓誤差之間的定量映射關(guān)系模型以及刀具齒形角偏差與齒輪齒廓誤差之間的定量映射關(guān)系模型;并對刀具半徑偏差和刀具齒形角偏差對齒面的影響進(jìn)行了仿真模擬。為了減小刀

4、盤偏差所帶來的齒面加工精度的下降，在開發(fā)螺旋錐齒輪數(shù)控系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)了刀具半徑誤差補(bǔ)償量，并推導(dǎo)出其計(jì)算公式，并對該刀具半徑誤差補(bǔ)償量進(jìn)行了仿真模擬驗(yàn)證，既驗(yàn)證螺旋錐齒輪數(shù)控加工數(shù)學(xué)模型的正確性也說明了刀具誤差補(bǔ)償模型可有效提高螺旋錐齒輪數(shù)控加工的表面加工精度。
　　3.根據(jù)所推導(dǎo)出的螺旋錐齒輪大輪展成法加工、小輪刀傾法加工、小輪變性法加工對多軸聯(lián)動(dòng)的不同要求，分別構(gòu)建相應(yīng)的電子齒輪箱結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合螺旋錐齒輪加工過程中刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的特

5、點(diǎn)，將交叉耦合控制模型應(yīng)用在有聯(lián)動(dòng)要求的進(jìn)給軸之間，建立其交叉耦合補(bǔ)償模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果顯示交叉耦合控制模型的有效性。
　　4.為了提高螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床的加工精度，在分析螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了其運(yùn)動(dòng)模型，推導(dǎo)出了刀具與工件間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系式。接著基于多體系統(tǒng)理論對螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了捕述，對螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床的基坐標(biāo)系和各局部坐標(biāo)系進(jìn)行了設(shè)定，并結(jié)合機(jī)床誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，推導(dǎo)出了用齊次

6、變換矩陣描述的誤差模型。針對誤差補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)與誤差模型（位姿誤差）間存在的耦合關(guān)系，基于小誤差補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)假設(shè)和微分變換原理，并結(jié)合螺旋錐齒輪數(shù)控加工的展成法加工電子展成的關(guān)系對誤差補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了解耦，獲得了影響螺旋錐齒輪數(shù)控加工精度的各運(yùn)動(dòng)副的位置或方向誤差補(bǔ)償量。
　　5.在嵌入式多CPU數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，采用模塊化思想，設(shè)計(jì)了數(shù)控系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)，并對螺旋錐齒輪數(shù)控加工自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對螺旋錐齒輪數(shù)控加工自動(dòng)編程系統(tǒng)

7、的工作原理以及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行功能需求分析，并在此基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)架構(gòu)，包括輸入模塊、輸出模塊、自動(dòng)編程模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、通信模塊等等。詳細(xì)剖析了數(shù)控系統(tǒng)軟件內(nèi)部的信息流向，為了實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪數(shù)控的展成加工，將電子齒輪箱無縫隙地嵌入在齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)中。分析并研究了電子齒輪箱打開與關(guān)閉瞬間速度的處理策略，避免電子齒輪箱突然開啟或關(guān)閉時(shí)對跟隨軸產(chǎn)生的速度突變。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)了電子齒輪箱的NC控制，通過程序運(yùn)行