电子齿轮箱控制误差与齿轮加工误差的映射规律及补偿研究

Electronic gearbox (EGB) is mainly used for realize the generative and differential motion control in the gear numerical control machine tools. The gear processing quality is directly determined by the control precision of the EGB. Firstly, the project is start with the generating processing technology. The mechanism of the EGB control error is studied, which is combined with the EGB control model and the motion platform model. Then the EGB control error estimate model is constructed. Secondly, the mathematical relationship of the several key precision evaluation indicators with the single axis tracking error and the synchronization error of the EGB is derived from the view of geometry theory. Then the mapping mechanism between EGB control error and gear machining error is derived. Finally, the weight coefficients of each axis impact on the gear generating machining error are determined, combined with the idea of multi-axis cross coupling control method. The cross coupling control compensation model of EGB error is designed, and the EGB control error is distributed on each axis according to the weight ratio, to improve the EGB control effect..The contributions of the project will be the technical basis of the high speed and high precision motion control of gear machining tools, such as high speed dry hobbing machine, power skiving machine, power honing machine and worm gear grinding machine. At the same time, the contributions of this project can also be used for many areas which are associated with the multi-axis coupling control.

电子齿轮箱主要用于实现齿轮数控加工机床的展成和差动运动控制，其精度控制的效果直接决定了齿轮加工的优劣。本项目首先从齿轮的展成法加工工艺着手，结合电子齿轮箱控制模型及运动平台的结构模型，研究电子齿轮箱控制误差的产生机理，构建电子齿轮箱控制误差的估算模型；然后从几何理论角度将齿轮的几项关键精度评价指标与电子齿轮箱控制的各轴跟踪误差和同步误差建立数学关系，推导电子齿轮箱控制误差与齿轮展成加工误差之间的映射规律；最后，结合多轴交叉耦合控制的思想，确定各坐标轴对齿轮展成加工误差影响的权重系数，设计电子齿轮箱控制误差交叉耦合补偿模型，将电子齿轮箱控制误差按照各轴的权重比分配在各坐标轴上，从而提高电子齿轮箱的精度控制效果。. 项目研究成果为实现高速干式滚齿、强力刮齿、强力珩齿、蜗杆砂轮磨齿等齿轮加工机床的高速高精度运动控制，提供技术基础，同时也可用于与多轴耦合联动控制有关的各个领域中。

齿轮具有传动平稳、传动比精确、承载能力大、传动效率高及工作可靠等优点，在很大程度上决定着系统装备的性能，具有重要的战略地位。齿轮加工精度、质量和寿命将直接影响各类机械设备与仪器的效率、动态特性、整体质量及先进性等。本项目所涉及的电子齿轮箱是一种多轴耦合联动控制方法，其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。齿轮的展成法数控加工是刀具切削刃在三维空间中的非自由切削，其成型原理是在电子齿轮箱的控制下，机床刀具与齿轮毛坯按照齿轮的啮合原理做展成运动，由分布在基本蜗杆面上的若干切削刃包络形成齿轮齿廓，同时由同步轴向进给运动加工出全齿宽，其成型过程具有其自身的特点和复杂性。本项目以基于电子齿轮箱架构的多轴耦合同步控制为展开点，从齿轮展成加工原理的角度系统研究了齿轮加工误差的产生原因，推导出电子齿轮箱控制误差与齿轮加工误差之间的映射规律；针对齿轮数控加工原理及齿轮展成误差产生原因，构建了基于电子齿轮箱的齿轮加工误差在线估测模型；采用不对称交叉耦合补偿策略，构建了复合式电子齿轮箱交叉耦合控制模型进行齿轮加工误差的在线补偿。项目在自主研发的齿轮加工数控系统实验平台上分别开展了基于电子齿轮箱的齿轮加工误差预测实验和电子齿轮箱控制系统轮廓误差预补偿控制仿真和实验，实验结果表明所推导的映射规律模型能够用于预测齿轮加工过程中由电子齿轮箱控制误差引起的齿轮加工误差；采用本项目所提复合式交叉耦合补偿方法，可以明显降低齿轮加工的稳态误差。项目研究成果和研究思路不仅可以应用于各种齿轮数控加工设备（包括：滚齿、插齿、车齿、强力珩齿、蜗杆砂轮磨齿等），还可扩展到具有多轴耦合联动要求的其他相关领域。