零传动滚齿机关键技术研究与应用

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、工件热变形以及其它因素引起的初始位置误差与运动误差，反映了机床误差的实际变化规律。模型的建立为机床误差进行有效预测、控制和补偿，进一步提高机床加工精度奠定了理论基础。 对影响齿轮加工机床传动精度的各个因素：机械传动机构、伺服机构、数控系统内联传动，进行了详细全面分析，并对传统滚齿机、普通数控滚齿机、零传动滚齿机的传动误差进行了比较。传统机械传动链滚齿机已经不适合新型机床对传动精度与传动速度的要求，普通数控滚齿机C轴和B轴间的同步误差与诸多因素有关：数控系统的性能、电机的性能、编码器的分辨率及安装位置、机械传动链的传动误差等。零传动滚齿机C轴和B轴间的同步误差只取决于数控系统和检测编码器，C轴和B轴间的同步误差明显小于普通数控滚齿机。 零传动滚齿机的刀具轴及工件轴的等效转动惯量极小，负载转矩的波动容易引起大的回转振动。提出在滚刀主轴和工件主轴的伺服机构中利用可以降低扭振的可调式惯性阻尼器，来稳定地提高位置环路增益，并且通过加速度反馈增加工作台的惯性，从而可实现零传动系统既具有较高的系统刚度以克服负载转矩波动的影响，同时又使系统具有良好的稳定性。