零传动滚齿机关键技术研究与应用

论文摘要

“零传动”又称直接驱动,在一般加工机床上用“电主轴”实现机床的主运动,可以较好地解决“外联”传动链长的问题,随着直线电机技术的逐渐成熟,直线运动也开始实现零传动。但对传动原理异常复杂、“内联”传动精度要求非常高的齿轮加工机床而言,由于缺乏理论作指导,在20世纪90年代以前国内外一直没有见到“零传动”技术在齿轮加工机床中成功应用的先例,齿轮加工机床一直沿用传统的传动方式,造成机床的传动结构异常复杂、传动效率低、传动精度差、磨损严重、切削速度低。一直到进入二十一世纪,“干切削”、“高速切削”、“高精度切削”、“硬齿面切削”等现代加工工艺进入齿轮加工领域,基于传统机械传动链的机床难于满足这些需求,因此国外的部分厂家才开始研制“零传动”齿轮加工机床,但机床的售价很高,设计原理和技术资料严格保密,形成了技术垄断的局面。为了打破国外的技术垄断,尽快提高我国齿轮加工机床的设计/制造水平,本文提出以“零传动”功能部件为核心,对机床设计/制造中关键的理论和技术进行深入系统的研究,研制成功一台基于零传动功能部件的高速、高精度滚齿机原型,为我国机床行业赶超世界先进水平打下坚实的基础。零传动滚齿机的滚刀主轴回转运动和工件主轴回转运动均去掉一般数控滚齿机中的高精度齿轮副和蜗轮副,采用内置主轴电机(电主轴,用于滚刀主轴)、内置力矩电机(DDR电机,用于工件主轴)分别驱动,这样就消除了由于传动装置而产生的误差,提高了滚齿机的加工精度。零传动滚齿机突破了传统齿轮加工机床的结构设计原理,研究和开发高速、高精度零传动滚齿机是齿轮机床的重大变革。针对零传动高速滚齿机的六项关键设计技术:总体布局设计技术、速度匹配性设计技术、传动系统设计技术、床身及排屑系统设计技术、滚刀主轴及工件主轴直接驱动结构设计技术、直驱滚刀主轴及工件主轴编码器选取技术进行了详细的分析与研究。将多体系统理论与齿轮啮合原理结合起来,根据数控滚齿机运动的实际情况,在比较全面地考虑了由于制造误差、安装误差、运动控制不精确以及其它原因引起的机床部件初始位置误差与运动误差等因素后,对数控滚齿机的滚齿啮合进行了分析,推导出包含误差影响因素在内的工件齿面方程,建立了工件齿面误差模型。该模型包含了由于制造、安装、运动控制不精确和刀具、床身、工件热变形

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 齿轮加工技术
• 1.2 传统滚齿机分析
• 1.3 数控滚齿机分析
• 1.4 滚齿加工技术的发展趋势
• 1.5 零传动滚齿机及其关键技术的研究进展
• 1.5.1 零传动滚齿机国内外研究进展
• 1.5.2 电主轴
• 1.5.3 力矩电机
• 1.6 课题来源及研究意义
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 课题的研究意义
• 1.7 本文研究的主要内容
• 2 零传动滚齿机设计关键技术研究
• 2.1 零传动滚齿机概述
• 2.1.1 机床用途及产品适用范围
• 2.1.2 设计输入——技术规格参数和性能参数
• 2.1.3 零传动滚齿机需要研究的关键技术
• 2.2 滚齿机床的传动系统研究
• 2.2.1 传统滚齿机床的传动原理
• 2.2.2 普通数控滚齿机床传动原理
• 2.2.3 零传动滚齿机的传动原理
• 2.3 滚刀主轴——工件主轴速度匹配性设计研究
• 2.3.1 滚刀主轴最高转速的设计
• 2.3.2 滚刀主轴最低转速的设计
• 2.3.3 工件主轴最高转速的设计
• 2.3.4 工件主轴最低转速的设计
• 2.4 零传动滚齿机床的总体布局研究
• 2.4.1 影响总体布局设计的主要因素分析
• 2.4.2 滚齿机总体布局方案比较分析
• 2.4.3 零传动滚齿机总体布局设计
• 2.5 零传动滚齿机床的传动系统设计
• 2.5.1 零传动滚齿机运动概述
• 2.5.2 零传动滚齿机各运动轴的传动设计
• 2.6 床身及排屑系统设计
• 2.6.1 高速干式切削对床身设计的要求
• 2.6.2 床身结构及排屑系统设计
• 2.7 滚刀主轴及工件主轴直接驱动结构设计
• 2.7.1 传统滚齿机和普通数控滚齿机刀具主轴与工件主轴结构
• 2.7.2 零传动滚齿机滚刀主轴结构设计技术
• 2.7.3 零传动滚齿机工件轴结构设计
• 2.8 直驱滚刀主轴、工件主轴编码器选取技术研究
• 2.8.1 直驱工件主轴的精度分析与编码器的选取
• 2.8.2 直驱滚刀主轴的精度分析与编码器的选取
• 2.9 本章小结
• 3 基于多体系统的零传动滚齿机空间误差建模
• 3.1 多体系统误差分析建模的运动学理论
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 多体系统的基本描述方法
• 3.1.3 理想运动的变换矩阵
• 3.1.4 实际运动的变换矩阵
• 3.1.5 多体系统的运动学方程
• 3.1.6 多体系统的约束
• 3.2 数控滚齿机滚齿啮合运动模型的建立
• 3.2.1 基本坐标系的建立及其关系
• 3.2.2 数控滚齿机滚齿运动坐标系变换关系
• 3.2.3 滚齿啮合方程式的建立
• 3.3 基于多体系统理论的数控滚齿机滚齿啮合分析
• 3.3.1 数控滚齿机拓扑结构描述
• 3.3.2 零传动滚齿机坐标系的设定
• 3.3.3 理想运动的变换矩阵
• 3.3.4 各体之间的误差变换矩阵
• 3.3.5 相邻体间变换矩阵的建立
• 3.4 工件齿面空间综合误差模型的建立
• 3.5 工件齿面几何空间误差模型的建立
• 3.6 仿真示例
• 3.7 本章小结
• 4 滚齿机传动精度研究
• 4.1 机械传动链传动误差分析
• 4.1.1 单个齿轮传动误差的分析计算
• 4.1.2 工作台运动偏心所产生的传动误差
• 4.1.3 传动链传动总误差的计算
• 4.2 齿轮传动误差对伺服系统性能的影响
• 4.2.1 伺服系统数学模型的建立
• 4.2.2 闭环内前向通道上动力齿轮传动装置传动误差的影响
• 4.2.3 闭环外动力齿轮传动装置传动误差的影响
• 4.3 数控齿轮加工机床内联传动的实现及传动误差分析
• 4.3.1 电子齿轮箱的系统结构形式
• 4.3.2 电子齿轮箱传动精度分析
• 4.3.3 软件电子齿轮箱实现原理及传动误差分析
• 4.3.4 控制系统的动态误差
• 4.4 传统滚齿机、普通数控滚齿机、零传动滚齿机传动误差的比较
• 4.4.1 传统滚齿机传动误差分析
• 4.4.2 普通数控滚齿机传动误差分析
• 4.4.3 零传动滚齿机传动误差分析
• 4.5 本章小结
• 5 零传动滚齿机动刚度研究
• 5.1 机床动态特性
• 5.1.1 机床动态特性的概念和评价指标
• 5.1.2 提高加工系统动态特性的措施
• 5.2 提高传统滚齿机和普通数控滚齿机动态特性的措施
• 5.2.1 提高传统滚齿机动态特性的措施
• 5.2.2 提高普通数控滚齿机动态特性的措施
• 5.3 静刚度和动刚度
• 5.3.1 静刚度和动刚度的概念
• 5.3.2 零传动对伺服动刚度带来的问题
• 5.4 提高零传动滚齿机系统动刚度的措施
• 5.4.1 附加可调惯性阻尼器提高系统刚度
• 5.4.2 加速度反馈提高系统刚度
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A:作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录 B:作者在攻读博士学位期间完成和参加的科研项目
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书