加工误差驱动的数控插齿机设计方法研究

论文摘要

齿轮加工机床是典型的复杂机械多体系统,是军事国防、航空航天、化工、冶金、采矿、风力发电的关键制造装备。齿轮加工机床精度要求高,功能、结构复杂,体积、自重大,传统的经验设计或缺少系统级优化的“现代设计”难以胜任,迫切需要先进的设计理论、方法和技术的指导与支撑。本文在分析齿轮加工机床的系统性能和加工误差产生机理的基础上,提出了加工误差描述方法;以“性能驱动设计”为基本理念,以齿轮加工误差为驱动,以广义确定性多体系统为理论基础,研究了数控插齿机加工误差精细分析和系统集成设计方法。本文主要研究工作和成果如下:1.系统分析了数控插齿机性能和齿轮误差,研究了插齿加工误差的产生原因和齿面几何误差的形成机理,确定了在齿轮啮合线上计算齿轮几何加工误差的一致性评价准则。2.根据插齿机的概念运动构型和典型误差形式,将广义确定性多体系统理论和齿轮啮合理论相结合,考虑数控机床运动副的运动特性和齿轮展成加工要求,建立了描述齿轮加工机床双运动链构型的广义确定性多体系统模型。3.通过分析插齿刀插削瞬时形成渐开螺旋面的几何特性和啮合特性,建立了刀具-工件子系统的多体系统模型;基于该模型建立了插齿加工的误差模型,将广义多体系统运动学理论和共轭曲面的离散解析原理相结合,实现了加工误差求解。4.根据数控插齿机传动链系统特点,分析了传动链精度及其对齿轮加工误差的影响,将传动链误差的传递模型和平面齿轮啮合微分几何原理相结合,建立了反映加工误差的啮合线增量误差模型。5.基于上述理论成果和iSIGHT软件集成平台,提出了插齿机系统设计方法及集成软件框架,并以YK51200数控插齿机产品设计为例,验证了插齿机系统设计方法和集成软件平台的有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 齿轮加工技术的发展现状和趋势
• 1.1.1 齿轮加工方法
• 1.1.2 国内外齿轮加工技术的发展现状和趋势
• 1.2 国内外插齿机的发展现状和趋势
• 1.2.1 数控插齿机概述
• 1.2.2 数控插齿加工技术发展趋势
• 1.3 现代设计方法
• 1.4 齿轮加工误差研究
• 1.5 课题的来源及意义
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 齿轮加工误差驱动的插齿机设计路线
• 2.1 数控插齿机概述
• 2.1.1 数控插齿机简介
• 2.1.2 插齿机的性能要求
• 2.2 齿轮的性能要求和加工误差
• 2.2.1 齿轮的性能要求
• 2.2.2 齿轮误差描述方法
• 2.2.3 齿轮误差分类
• 2.2.4 齿轮加工误差的评价准则
• 2.3 插齿加工误差产生机理
• 2.3.1 插齿加工误差产生机理
• 2.3.2 插齿加工单项工艺系统误差引起的啮合线增量
• 2.4 齿轮几何加工误差驱动的插齿机设计技术路线
• 2.4.1 性能驱动设计方法概述
• 2.4.2 齿轮几何加工误差驱动的插齿机设计技术路线
• 2.5 本章小结
• 第三章 插齿机加工误差的广义确定性多体模型
• 3.1 广义确定性多体系统理论
• 3.1.1 多体系统的拓扑结构描述方法
• 3.1.2 多体系统体间位姿变换模型
• 3.1.3 多体系统误差位姿变换模型
• 3.1.4 小转动运动的变换矩阵
• 3.1.5 误差传递模型的一般形式
• 3.2 工艺系统原始误差分析
• 3.3 基于多体理论的多轴数控机床加工误差模型
• 3.3.1 基于多体理论的数控加工误差模型主要内容
• 3.3.2 单坐标轴运动副相邻典型体的误差传递模型
• 3.3.3 单坐标轴运动副的运动特性
• 3.3.4 单坐标轴运动副相邻典型体的运动学参数
• 3.4 基于多体理论的齿轮展成加工误差模型
• 3.4.1 数控齿轮机床运动构型分析
• 3.4.2 啮合接触方程
• 3.4.3 齿轮加工机床的误差模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于齿轮啮合理论的插齿加工几何误差精细模型
• 4.1 数控插齿机加工原理及工艺参数
• 4.1.1 插齿加工运动
• 4.1.2 插齿加工模式
• 4.1.3 插齿工艺参数
• 4.2 插齿加工过程及误差建模简化假设
• 4.3 理想条件下插齿加工几何分析
• 4.3.1 插齿刀刀刃的渐开线模型
• 4.3.2 渐开螺旋面方程
• 4.3.3 渐开螺旋面的瞬时啮合接触点
• 4.3.4 渐开螺旋面的特征曲线
• 4.3.5 理想情况下插齿加工齿面加工接触迹
• 4.4 基于共轭曲面离散解析原理的插齿加工齿面几何计算
• 4.4.1 共轭曲面离散解析原理
• 4.4.2 基于共轭曲面离散解析原理的插齿加工计算
• 4.5 插齿机加工误差计算步骤
• 4.6 本章小结
• 第五章 计及传动链误差的数控插齿机加工误差模型
• 5.1 传动链综合回转误差
• 5.1.1 传动元件误差传递公式
• 5.1.2 传动元件的切向线性误差
• 5.1.3 传动链综合回转误差公式
• 5.2 基于传动链误差的数控插齿机加工误差模型
• 5.2.1 插齿加工误差的啮合线增量表示法
• 5.2.2 数控插齿机工作台和刀轴传动链综合回转误差公式
• 5.2.3 插齿加工的节曲线方程
• 5.2.4 啮合线上的节点与曲率中心的距离
• 5.2.5 插齿加工误差模型
• 5.3 本章小结
• 第六章 加工误差驱动的插齿机设计软件框架
• 6.1 iSIGHT 的多学科设计环境简介
• 6.2 基于iSIGHT 的插齿机性能驱动设计软件框架
• 6.3 基于iSIGHT 的YK51200 数控插齿机集成设计框架
• 6.3.1 YK51200 数控插齿机参数定义
• 6.3.2 插齿机三维几何结构
• 6.3.3 插齿机结构及模态分析
• 6.4 插齿机加工误差计算实例
• 6.4.1 理想情况下插齿加工齿面加工接触迹
• 6.4.2 YK51200 型数控插齿机传动链综合回转误差
• 6.4.3 计及传动链回转误差的数控插齿机加工误差计算
• 6.4.4 多误差作用的插齿加工误差计算
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢