多轴联动数控磨齿机主轴转速跟踪误差分析与实时补偿研究

摘要

随着齿轮磨削加工技术在全球的迅速发展,多轴联动数控磨齿机特别是五轴及五轴以上多联动数控磨齿机已成为实现大型、异形、复杂齿轮的高精度高效率加工的重要手段。在高速、高精度加工环境下,精密磨削数控磨齿机由于加工过程中受到的磨削转矩变化而使主轴转速跟踪误差变大的问题逐渐凸显出来,成为了影响高性能数控磨齿机加工精度的一个重要因素。提高精密磨削齿轮加工精度,减小由主轴转速跟踪误差造成的齿形误差已成为当务之急。为解决此问题,本文对磨削转矩变化引起的刀具主轴和工作台主轴上的转速跟踪误差在齿轮渐开线轨迹上产生的误差量进行研究,采用模糊控制原理对误差量进行实时补偿,利用单片机实现这种模糊补偿控制并进行模拟实验,为实际应用提供了技术参考。
　　 论文完成的主要研究工作包括以下几个方面:
　　 (1)为了分析研究齿轮在磨削加工过程中的受力情况,在PRO/E环境下对多轴联动数控磨齿机的工作台与刀架进行实体建模,利用ADAMS对齿轮的磨削加工进行动力学分析,获得了磨削加工中齿轮所受的磨削转矩变化规律以及具体参数,并把分析结果作为后续工作的理论基础。
　　 (2)为了分析磨削转矩变化引起的主轴转速跟踪误差以及主轴跟踪误差在齿轮渐开线轨迹上的误差量,在Matlab/Simulink环境下建立工作台伺服电机模型,分析了由于磨削转矩变化引起的刀具主轴和工作台主轴上的转速跟踪误差。建立了基于连续展成法磨削齿轮渐开螺旋线的渐开线方程,并用Simulink实现其插补控制,分析了由于跟踪误差在齿轮渐开线轨迹上产生的误差量。
　　 (3)通过对渐开线的误差变化趋势分析,利用模糊控制原理,建立了模糊控制补偿器,并将模糊控制补偿器加入位置随动系统,对主轴转速跟踪误差造成的误差量进行补偿,再从模糊补偿控制系统的特性上分析了其稳定性。
　　 (4)分析和研究了模糊补偿控制器的单片机实现方法,提出了基于STC89C52单片机的主轴转速跟踪误差的模糊补偿控制系统并对所提出的控制方案进行了模拟实验。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 磨齿机主轴转速跟踪误差的研究意义

1．2 磨齿机主轴转速跟踪误差分析及补偿的研究现状

1．3 学位论文的主要研究内容

2 数控磨齿机的加工模型建立及动力学分析

2．1 蜗杆砂轮磨齿加工的理论分析

2．2 基于PRO／E的磨齿机工作台与刀架实体建模

2．3 基于ADAMS的齿轮加工动力学分析

2．3．1 磨齿机加工模型简化及添加约束

2．3．2 齿轮磨削加工时的参数设定

2．3．3 仿真控制及计算分析

2．4 小结

3 基于Matlab／Simulink的转速跟踪误差建模与分析

3．1 采用Matlab／Simulink建立跟踪误差的意义

3．2 工作台伺服电机模型建立

3．2．1 建立工作台伺服电机的数学模型

3．2．2 建立各模块的Simulink模型

3．2．3 仿真计算与分析

3．3 展成法磨削齿轮渐开螺旋线的理论计算及插补控制分析

3．3．1 展成法磨削的渐开线方程计算

3．3．2 渐开线的插补控制仿真

3．3．3 转速跟踪误差在渐开线上的误差分析

3．4 小结

4 基于模糊控制的跟踪误差实时补偿研究

4．1 模糊控制的基本原理

4．1．1 模糊控制的数学基础

4．1．2 模糊控制的理论基础

4．2 转速跟踪误差的模糊控制补偿器设计

4．2．1 模糊语言变量设计

4．2．2 模糊变量的隶属函数设计

4．2．3 模糊规则的确定

4．2．4 模糊控制器的补偿控制分析

4．3 模糊控制补偿器的特性分析

4．4 小结

5 利用89C52单片机实现模糊补偿控制的模拟实验

5．1 模糊补偿控制器的硬件组成

5．1．1 STC89C52系列单片机

5．1．2 串口通信

5．2 模糊补偿控制的单片机实现方法

5．2．1 模糊查询表的单片机实现

5．2．2 模糊补偿控制的软件流程

5．2．3 串行通信的软件实现

5．3 基于单片机的模糊控制补偿器模拟实验分析

5．4 小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录