关键词：
齿轮展成加工
误差建模
电子齿轮箱
齿面偏差
误差补偿
摘要：
齿轮凭借优异的传动性能广泛应用在新能源汽车、风力发电、轨道交通和工业机器人等领域,齿轮的精度和质量直接决定了高端装备的使用寿命、稳定性和可靠性。齿轮展成法加工相较于成型法加工具有生产效率高、加工柔性好等特点,但由于机床本体制造误差及齿轮生产中的过程误差会导致齿轮精度下降和废品率上升,严重时还会干扰企业正常生产节拍。因此,对齿轮数控机床展成加工误差产生原因、齿轮加工误差数学建模与智能误差补偿方法进行研究具有重要意义。
机床多源误差因素导致刀具与工件产生相对位姿误差,使得实际切削点偏离理论切削点是齿轮精度下降的根本原因。通过调研关于齿轮加工误差研究国内外现状,发现存在误差因素繁杂、各因素权重系数不固定从而误差建模不准确及补偿效果不理想的问题。因此,为了进一步改善齿轮数控机床展成加工质量,本文围绕滚齿加工误差估测及振动控制、蜗杆砂轮磨齿加工误差分析、齿面高阶拓扑修形方法、基于电子齿轮箱的齿面误差补偿方法、西门子840Dsl系统二次开发及齿面误差补偿技术等方面,探讨齿轮展成加工误差成因,构建齿轮综合误差建模与补偿方法,以期为高精、高效的齿轮展成加工制造及优化齿轮服役性能等方面起到积极作用。本文的主要研究内容包括:
(1)通过对齿轮数控机床机构和展成加工原理进行研究,剖析了几何误差、力误差、热误差、控制误差分别对机床的影响规律,归纳了各误差因素引入的移动性、转角性、垂直度误差项,应用多体系统理论和齐次坐标变换法,建立了齿轮数控机床展成加工误差模型。进一步研究工艺系统振动对机床的影响,主要探究受迫振动和自激振动的成因及抑制方法。
(2)研究滚齿加工振动特性,根据轮齿几何特征、工件轴振动位移和齿轮关键精度评价指标,建立了齿形偏差、齿距偏差及螺旋线偏差的数学估测模型。设计并进行滚齿机模态试验和齿轮加工正交实验,采集滚齿加工中工件轴的振动加速度,在频域内对振动加速度进行二次积分以获得工件轴振动位移,并使用齿轮误差估测模型对齿轮加工误差进行估测,通过比较齿轮误差估测值与实际误差检测值来验证该模型的有效性。此外,还对振动加速度进行时/频域分析,探究振动频率与切削颤振间的关系,绘制工艺参数与实验结果的平均主效应图,确定工艺参数对加工振动的影响顺序,完成了滚齿加工振动控制。
(3)根据蜗杆砂轮磨齿机主要结构和各轴间运动关系,建立蜗杆砂轮修整和展成磨齿加工数学模型,探究了蜗杆砂轮微小位姿误差对齿面偏差的影响规律,以及蜗杆砂轮偏心误差和倾角误差与齿面平均偏差间的映射规律。提出一种考虑修形齿轮传动误差的齿面高阶拓扑修形方法,建立了修形齿轮传动误差模型,将各轴的修形运动使用多项式进行描述,在此基础上研究了各轴微小运动与齿面偏差间的映射关系,使用智能算法对各轴运动系数进行优化,通过数值仿真比较多目标优化修形齿面与理想修形齿面、传统修形齿面在齿面偏差、传动误差及齿面接触特性方面差异,验证了所提方法的有效性。
(4)分析了齿轮加工数控系统中主从式结构和平行式结构电子齿轮箱优缺点,构建了复合式结构电子齿轮箱模型,提出一种基于电子齿轮箱的齿面误差补偿方法。运用运动学逆解方法对误差齿面进行解耦,并推导了X轴、Y轴、Z轴补偿量计算公式,建立了齿面误差补偿电子齿轮箱控制模型。使用该补偿方法对误差齿面进行补偿仿真,结果表明补偿后的齿面偏差最大值及均方根值相较于未补偿齿面分别降低了约32%和25%,齿面误差得到有效降低。
(5)研究西门子840Dsl数控系统软、硬件架构,结合蜗杆砂轮磨齿工艺实际需求,在蜗杆砂轮磨齿机的西门子840Dsl数控系统上进行二次开发,设计了人机交互界面主要功能模块,建立了蜗杆砂轮修整及磨齿加工的自动编程功能。研究了西门子840Dsl数控系统误差补偿附加轴使用方法,采用复合式电子齿轮箱的齿面误差补偿方法,建立了齿面误差对应的Y轴、Z轴补偿量与误差补偿附加轴运动量间的换算关系,在西门子840Dsl数控系统上构建了齿面误差补偿电子齿轮箱并编写齿面误差补偿程序,进行齿面误差补偿加工实验和齿面检测,补偿后的齿面检测结果表明齿轮精度得到有效提升。
欢迎来到三峡大学图书馆！
