弧齿锥齿轮数控铣齿机运动分析及控制系统研究

【摘要】： 弧齿锥齿轮以其良好的动态性能,在机械行业中占有相当重要的地位,在航空、航海、汽车和各种精密机床等行业应用广泛。但是弧齿锥齿轮的设计加工相当复杂,而且当前拥有该技术的Gleason公司等搞技术垄断,促使许多国家对该项技术进行研究和探讨,因而对弧齿锥齿轮传动的设计、制造和检测技术的研究一直是齿轮制造中非常活跃的领域。尽管国内有多家企业研制开发了不同系列的弧齿锥齿轮数控加工机床,但是其控制系统都是采用SIEMENS、FANUC等国外高档数控系统,使得国内在弧齿锥齿轮设计、加工等方面仍然受制于国外少数垄断企业,严重制约着我国制造业水平的提高。 本文在江苏省自然科学基金(招标)项目(BK2003005)和江苏省科技厅科技攻关项目(BE2003031)的资助下,对弧齿锥齿轮数控加工理论进行了研究和探讨,自主开发设计基于运动控制器的开放式数控系统,研制具有自主知识产权的弧齿锥齿轮数控铣齿机控制系统。 首先研究了弧齿锥齿轮的加工原理、齿面修正的方法以及机床参数的调整计算。在保证弧齿锥齿轮加工过程中刀盘相对于工件的运动关系的基础上,通过矢量变换实现铣齿加工的数控展成运动。将数控轴的展成运动表示为五次参数样条函数,以工件齿轮的转角作为参数,大大减少了计算时间,插补算法易于实现,可以保证实现精确地数控展成运动。 考虑到采用拟牛顿法来求解齿面接触点时,计算过程容易发散,同时没有考虑变量的区间约束问题,提出将接触点求解转换为约束优化求极小值问题,采用复合形法进行求解。考虑到复合形法搜索速度较慢,当变量个数较多时尤其如此。本文根据大轮和小轮在接触点法线重合这一条件,对问题进行简化,建立了只含有3个设计变量的约束优化问题。对数控加工切削产生的弧齿锥齿轮进行齿面接触分析,提出在数控系统中对切齿计算进行修正以改善轮齿齿面接触状况的方法。 其次提出一种参数曲线插补的自适应加减速控制方法。在插补预处理中,对轮廓误差引起的速度变化曲线进行分析,在保证加加速度满足要求的同时,对加速度的变化进行控制。这样,不仅可以保证插补的轮廓误差满足要求,而且可以使进给速度变化平滑,有效地避免了加速度和加加速度的变化对机械本体造成的冲击。将这种参数曲线插补的自适应加减速控制方法与弧齿锥齿轮数控切齿加工相结合,提出了弧齿锥齿轮数控加工高精度参数插补控制算法,应用于自主开发的弧齿锥齿轮数控铣齿机中,实现切齿加工的控制。 自主研发了基于运动控制器的六轴四联动开放式数控系统。该数控系统基于PC总线,采用486级微处理器及可编程逻辑器件(CPLD、FPGA)为核心构成运动控制器。基于上述的弧齿锥齿轮数控加工理论,研制开发了拥有自主知识产权的弧齿锥齿轮数控铣齿机控制系统。通过实际加工,验证了本文中所提出的弧齿锥齿轮数控加工理论的正确性与有效性。 利用自主开发的弧齿锥齿轮铣齿机加工高精度弧齿锥齿轮,可以打破国外在弧齿锥齿轮数控加工技术上的垄断,为提高我国齿轮与机床制造业的水平作出贡献。