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國家的機械工業(yè)水平。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，裝備水平的提高，對齒輪傳動產(chǎn)品的要求也越來越高。螺旋錐齒輪是傳遞交錯動力的基礎(chǔ)元件，因其形狀復雜，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)上進行二次開發(fā)來實現(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，可擴展性不強。為了提高齒輪的加工精度，傳動性能，就應(yīng)從源頭開始即機床母機的大腦-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)，進行了軟件和硬件的設(shè)計開發(fā)，為了進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)搖臺式螺旋錐齒輪加工原理以及數(shù)控式加工機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)用空間坐標變換，分別推導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)，在不考慮機床運動精度情況下，推導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)時設(shè)計了刀具半徑誤差補償量，并推導出其計算公式，并對該刀具半徑誤差補償量進行了仿真模擬驗證，既驗證螺旋錐齒輪數(shù)控加工數(shù)學模型的正確性也說明了刀具誤差補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動軌跡的特

5、點，將交叉耦合控制模型應(yīng)用在有聯(lián)動要求的進給軸之間，建立其交叉耦合補償模型，并進行了實驗驗證，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)控機床的加工精度，在分析螺旋錐齒輪數(shù)控機床運動特點的基礎(chǔ)上，建立了其運動模型，推導出了刀具與工件間的坐標轉(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)控機床的拓撲結(jié)構(gòu)進行了捕述，對螺旋錐齒輪數(shù)控機床的基坐標系和各局部坐標系進行了設(shè)定，并結(jié)合機床誤差運動學原理，推導出了用齊次

6、變換矩陣描述的誤差模型。針對誤差補償運動與誤差模型（位姿誤差）間存在的耦合關(guān)系，基于小誤差補償運動假設(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)系對誤差補償運動進行了解耦，獲得了影響螺旋錐齒輪數(shù)控加工精度的各運動副的位置或方向誤差補償量。
　　5.在嵌入式多CPU數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺的基礎(chǔ)上，采用模塊化思想，設(shè)計了數(shù)控系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)，并對螺旋錐齒輪數(shù)控加工自動編程系統(tǒng)進行了設(shè)計，對螺旋錐齒輪數(shù)控加工自動編程系統(tǒng)

7、的工作原理以及自動編程系統(tǒng)進行功能需求分析，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、自動編程模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、通信模塊等等。詳細剖析了數(shù)控系統(tǒng)軟件內(nèi)部的信息流向，為了實現(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)中實現(xiàn)了電子齒輪箱的NC控制，通過程序運行