零传动滚齿机精度控制及颤振抑制技术研究

论文摘要

“零传动”又称直接驱动,即取消动力源与最终执行部件之间的所有机械传动环节。机床中常用的零传动功能部件有电主轴、直线电机和力矩电机等。零传动技术为提高机床性能提供了诸多好处:最大限度地减小了传动误差、为高速加工提供了可能、提高了机床执行部件的运动灵敏性等。目前,国外的先进滚齿机已大量采用了该项技术并取得了很好的成效,但其设计原理和技术均严格保密。为打破这种技术垄断局面,笔者所在课题组与国内某机床厂合作研发了一台基于零传动功能部件的数控滚齿机原型,并对相关理论和技术进行了比较系统的研究,其研究成果为提高我国齿轮加工机床的设计和制造水平打下基础。将零传动技术应用于滚齿机,不是单一针对零传动功能部件设计和制造技术的研究,也不是简单地将零传动功能部件置换进机床的工程处理过程,而是需要解决一系列从整体到局部的设计关键理论和技术问题。在这些问题中,既有滚齿机独有的问题,也有常规机床的共性问题。本文主要围绕零传动滚齿机精度控制理论和技术展开,并对机床的抗颤振结构优化问题进行了比较深入的探索。(1)对影响普通数控滚齿机展成运动精度的主要因素及其作用规律进行了分析,发现其展成运动误差仍然主要来自于机械传动环节,所以在原机床框架下进一步提高机床展成运动精度的空间不大;在此基础上,分析了零传动对提高展成运动精度的作用机理,研究结果表明:应用零传动技术在解决这一问题上具有先天的优势。因此,零传动滚齿机的精度控制重点,应当是机床两主轴之间的位姿精度和主轴部件的抗扰动能力。(2)实现机床精度的合理控制,建立一个有效的机床误差模型是必要的。根据滚齿机的结构和运动特点,机床的误差建模采用多体系统理论与齿轮啮合原理相结合的方法。该模型量化地描述了滚齿机各个组成部分之间的位姿和运动关系,尤其反映了各误差源对位姿、运动的作用规律和各误差源之间的关系,是机床精度控制工作的理论基础。(3)将加工误差敏感方向与机床误差源的传递规律相结合,提出了“机床敏感误差”(机床中对最终加工精度影响程度高的源误差)的概念,由此衍生出“敏感设计参数”和“误差敏感度”概念;以“抓主要矛盾”的思想,确定了针对机床敏感误差的机床精度控制策略。为实施机床的误差敏感度分析,以重构的方式将机床的理论误差模型简化为拥有两个子模型的工程误差模型,合理地将中间部件的位姿误差、运动误差参量与复杂的滚齿空间啮合关系分开,大大提高了模型的可操作性和使用的灵活性,同时使分析结果更具针对性。文中详细介绍了两个子模型的建立和使用方法,示例展示了其可行性和使用效果。(4)在分析综合国内外相关研究状况的基础上,以机床抗颤振结构优化为目的,对再生型切削颤振模型进行了系统的研究。根据研究结果,将机床加工系统简化为只具有两个弹性体的单自由度再生颤振模型,该模型能提高机床抗颤振结构优化的效率。基于此模型,一个“只对机床薄弱部件进行结构优化”的新构思被提出,并讨论了优化目标参数、数学模型和优化算法。试验研究结果展示了切削颤振产生和发展的过程和特征,同时验证了本文理论分析的正确性。以YK3610滚齿机样机的滚刀主轴系统为对象,对抗颤振结构优化的效果进行了模拟试验,取得了令人满意的结果。(5)介绍了YK3610样机的初步评估试验,试验数据反映了样机的主要性能,也揭示样机存在的一些问题,为该机床的调整和改进提供了第一手资料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 齿轮加工与滚齿机
• 1.1.1 齿轮加工
• 1.1.2 滚齿与滚齿机
• 1.2 零传动技术在滚齿机中的应用
• 1.2.1 零传动技术与干式滚齿
• 1.2.2 零传动技术
• 1.2.3 零传动滚齿机的优点和现状
• 1.2.4 零传动功能部件研究现状
• 1.2.5 零传动技术应用于滚齿机的主要问题
• 1.3 课题来源及研究意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题的研究意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 零传动对提高滚齿机展成运动精度的机理分析
• 2.1 加工精度控制技术概述
• 2.1.1 机械加工精度与误差源
• 2.1.2 控制加工精度的措施和途径
• 2.2 滚齿误差的分类
• 2.3 滚齿机展成运动的机械传动误差
• 2.3.1 传动副
• 2.3.2 传动链累积传动误差
• 2.3.3 减小传动链传动误差的途径
• 2.4 数控滚齿机展成运动的控制误差
• 2.4.1 一般伺服系统数学模型
• 2.4.2 机械传动副对伺服控制精度的影响
• 2.4.3 跟随误差
• 2.4.4 电子齿轮箱的运动协调误差
• 2.5 数控滚齿机展成运动误差的综合与评价
• 2.5.1 工件轴系统的传动误差
• 2.5.2 滚刀轴系统的传动误差
• 2.5.3 数控滚齿机展成运动误差综合
• 2.5.4 数控滚齿机展成运动精度评价
• 2.6 零传动滚齿机的展成运动精度分析
• 2.6.1 零传动对提高展成运动精度的作用机理
• 2.6.2 零传动滚齿机精度控制总结
• 2.7 本章小结
• 3 滚齿机全误差建模技术研究
• 3.1 机床误差建模技术概述
• 3.2 滚齿机误差建模基础
• 3.2.1 基于多体系统理论的机床拓扑结构描述方法
• 3.2.2 相邻体之间的理想运动变换矩阵
• 3.2.3 相邻体之间的实际运动变换矩阵
• 3.2.4 多体系统的运动学方程
• 3.2.5 多体系统的约束
• 3.3 滚齿啮合运动模型的建立
• 3.3.1 基本坐标系的建立及其关系
• 3.3.2 滚齿机滚齿运动坐标系变换关系
• 3.3.3 滚齿啮合方程式的建立
• 3.4 YK3610 滚齿机两主轴的运动及位姿误差建模
• 3.4.1 YK3610 拓扑结构描述和低序体阵列
• 3.4.2 YK3610 的理想运动变换矩阵
• 3.4.3 各体之间的误差变换矩阵
• 3.4.4 相邻体间的特征变换矩阵
• 3.5 滚齿综合误差模型和几何误差模型
• 3.5.1 滚齿齿面的综合误差模型
• 3.5.2 滚齿机几何误差模型
• 3.6 本章小结
• 4 基于误差敏感性的机床精度控制技术研究
• 4.1 机床精度控制策略
• 4.1.1 机床精度控制技术现状
• 4.1.2 机床敏感误差
• 4.1.3 针对敏感误差的机床精度控制策略
• 4.2 滚齿机工程误差模型的建立原理
• 4.2.1 建立滚齿机工程误差模型的原因
• 4.2.2 滚齿机工程误差模型的建立原理
• 4.3 滚齿机直接误差模型的建立与应用
• 4.3.1 滚齿啮合方程的再分析
• 4.3.2 滚齿机直接误差模型建立
• 4.3.3 直接误差模型使用方法
• 4.3.4 分析示例
• 4.4 滚齿机间接误差模型的建立与应用
• 4.4.1 间接误差模型及其基本计算
• 4.4.2 间接误差模型使用方法
• 4.4.3 YK3610 的敏感误差分析示例
• 4.5 本章小结
• 5 面向薄弱部件的机床抗颤振结构优化技术研究
• 5.1 切削颤振及其控制方法
• 5.1.1 切削颤振及其危害
• 5.1.2 颤振抑制技术的国内外研究现状
• 5.1.3 抗颤振结构优化与颤振监控的关系
• 5.2 机床抗颤振薄弱环节的理论分析
• 5.2.1 再生型颤振成因与模型分析
• 5.2.2 机床颤振模型分析和推论
• 5.2.3 再生型颤振模型拓展及其稳定性分析
• 5.3 切削颤振试验与分析
• 5.3.1 切削颤振试验
• 5.3.2 部件激振试验
• 5.3.3 试验结论
• 5.4 机床抗颤振结构优化改进方法
• 5.4.1 机床抗颤振设计的主要障碍
• 5.4.2 针对机床抗颤振薄弱部件的结构优化方法
• 5.4.3 YK3610 抗颤振结构优化的效果模拟
• 5.5 本章小结
• 6 零传动滚齿机的精度试验与分析
• 6.1 机床相对振动测试
• 6.1.1 工件主轴径向相对振动试验（带尾架顶尖）
• 6.1.2 工件主轴径向相对振动试验（不带尾架顶尖）
• 6.1.3 滚刀主轴径向相对振动试验
• 6.2 机床主轴部件温升与热变形试验
• 6.2.1 工件主轴温升和热变形
• 6.2.2 滚刀主轴温升和热变形
• 6.3 机床主轴部件静刚度测试
• 6.3.1 工件主轴系统径向静刚度
• 6.3.2 工件主轴径向静刚度
• 6.3.3 工件主轴系统轴向静刚度
• 6.4 抗振性负荷切削试验
• 6.5 滚齿切削精度试验
• 6.5.1 高效加工精度试验
• 6.5.2 精切加工精度试验
• 6.5.3 第二次精切试验
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录