柔性电子齿轮箱设计及精度控制方法研究

柔性电子齿轮箱设计及精度控制方法研究电子齿轮箱是一种特殊的多轴同步运动控制技术,可以实现复杂的多轴耦合联动关系,具有传动比范围宽、传动精度高、调整方便等特点。电子齿轮箱的基本功能是代替机械传动链,实现两个或多个运动的定速比或变速比控制,保证各轴运动之间严格的同步关系。在数控齿轮加工机床中,采用电子齿轮箱控制模块,可以实现多坐标轴按照给定的约束关系进行同步运动。采用软件式电子齿轮箱控制策略,不仅可以实现滚齿机和插齿机等齿轮机床加工常规圆柱齿轮对多轴联动的要求,还能实现非圆齿轮加工的变比传动要求。在齿轮的展成加工过程中,齿轮形状的产生依赖于刀具与工件的耦合运动及进给附加运动的多轴联动关系,该运动关系由电子齿轮箱控制实现,其精度控制不仅包含刀具路径轨迹本身的轮廓精度,还包含从运动轴与主运动轴之间的同步精度。本文设计了适用于齿轮数控展成加工的柔性电子齿轮箱结构,使其在自主研发的齿轮加工数控系统中实现,并深入研究了电子齿轮箱的精度控制方法。论文的主要研究内容如下：1.通过对滚齿、插齿及非圆齿轮加工原理的分析和研究,推导出滚齿加工数学模型、插齿加工数学模型及非圆齿轮加工数学模型,构建了一种主从式复合结构的柔性电子齿轮箱,通过电子齿轮箱控制系数和数控轴定义的改变,形成滚齿加工电子齿轮箱、插齿加工电子齿轮箱(电子螺旋导轨)及非圆齿轮加工电子齿轮箱,提出柔性电子齿轮箱的概念,充分展现了软件式电子齿轮箱具有易改变、可重构的柔性特征。2.提出将柔性电子齿轮箱与插补模块相结合,形成柔性电子齿轮箱插补模块,在嵌入式多CPU数控系统硬件平台上,采用模块化可重构思想,设计了数控系统总体架构,详细剖析了数控系统软件内部的信息流向,将柔性电子齿轮箱无缝地嵌入在齿轮加工数控系统中。在自行开发的嵌入式齿轮加工数控系统中实现了柔性电子齿轮箱的NC控制,通过程序运行实验数据与理论计算数据的对比分析,说明了柔性电子齿轮箱软件执行的正确性。3.详细研究了数控系统常用轮廓精度和跟踪精度的基本控制策略,分析其控制结构和试用条件,建立了柔性电子齿轮箱的基本控制模型。根据柔性电子齿轮箱的结构特点,选择合适的增益匹配方式,推导出增益匹配数学模型,并在闭环数控实验平台上验证了增益匹配模型的有效性。考虑到增益匹配在一定程度上会带来跟踪精度的降低,结合柔性电子齿轮箱运动过程中刀具轨迹的特点,将交叉耦合控制模型应用在有多轴联动要求的进给轴之间,建立其交叉耦合补偿模型,并在闭环数控实验平台上验证了交叉耦合控制模型的有效性。由于本文所提出的电子齿轮箱控制模型对工作台回转轴的跟踪精度有较高要求,故研究了零相前馈控制方法,可以在精确建立系统模型并且系统超前信号已知的情况下实现单轴的高精度跟踪控制。4.研究了由前馈控制器和交叉耦合控制器构成的复合式交叉耦合控制器的实现原理,并详细分析了该控制结构的设计步骤及系统稳定性,证明该控制器可以同时提高系统的轮廓精度和跟踪精度。以圆柱斜齿轮的轴向滚切为例,从加工工艺和几何的角度分析了电子齿轮箱控制误差的产生原因,并对相关误差的计算公式进行推导,结合主从式电子齿轮箱的结构特点与复合式交叉耦合控制器的设计原理,构建了复合式交叉耦合柔性电子齿轮箱结构模型,采用Matlab仿真的形式验证了复合式交叉耦合柔性电子齿轮箱具有较好的控制效果。.研究了模糊控制原理和生物免疫调节机理,将两者与PID控制相结合,构成模糊免疫PID控制器,并将这种智能控制算法应用在复合式交叉耦合电子齿轮箱的位置控制环节,仿真结果表明该控制方法可以进一步提高电子齿轮箱的控制精度。5.将复合式交叉耦合柔性电子齿轮箱模型与主从式电子齿轮箱模型分别嵌入齿轮加工数控系统中,采用轴向滚切法进行实验,实验结果表明复合式交叉耦合柔性电子齿轮箱具有较好的控制精度,并在此基础上做了对角滚切实验及电子齿轮箱控制精度分析,验证了圆柱齿轮滚切加工电子齿轮箱软件具有精确的控制功能；采用电子螺旋导轨实现圆柱斜齿轮插齿加工运动控制实验,并对运动过程中各轴的位置轨迹及各轴的跟踪误差进行采集和分析,结果表明电子螺旋导轨可以精确实现圆柱斜齿轮的插齿加工运动控制；采用非圆滚齿加工电子齿轮箱实现一阶椭圆齿轮的加工运动控制,采用非圆插齿电子齿轮箱实现三阶椭圆齿轮的加工运动控制,并分别对运动过程数据进行了采样分析,实验结果表明柔性电子齿轮箱可以精确实现非圆齿轮加工所要求的多轴联动运动控制关系。6.最后本文将电子齿轮箱控制软件成功的应用于自主研发的齿轮加工数控系统中,并将该数控系统与重庆机床厂生产的YS3118CNC5滚齿机床及天津第一机床总厂生产的YK5132B插齿机床配套。在自主研发的滚齿数控系统的控制下,完成了标准