基于非均匀啮合的齿轮插削精度优化方法研究

作     者：曹泽 

作者单位：天津职业技术师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：阎兵;刘福聪

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：插齿机 非均匀啮合 误差评价 LSTM 精度优化 

摘      要：齿轮在机械系统中用于传递动力和运动,高精度齿轮可以提供更准确和可靠的传动效果,从而提高机械系统的性能和效率,其广泛应用于航空航天、汽车、机床和精密仪器等领域。插齿是加工圆柱齿轮的重要技术之一,常规插齿加工精度可以达到GB 6-7级,无法满足高精齿轮GB5级的加工需求,并且对于高精度偏心齿轮、扇形齿轮、内齿轮和短退刀槽齿轮加工尚没有理想的磨齿机。以数控插齿机作为研究对象,受机床零件加工精度、装配精度、机床控制精度和机床稳定性等多方面因素的制约,开发更高精度的插齿机存在较大困难。以数控插齿机作为研究对象,研究由误差在机测量、综合误差建模与评价、误差补偿系统等组成的高精度插削方法变得极其重要。本文研究的目的是在现有加工能力、检测和控制技术条件下对齿轮的插削加工工艺进行优化,针对齿轮的齿距累积总偏差和齿圈径向跳动公差建立了基于数据增强理论的长短时记忆网络预测模型,根据预测结果优化插齿加工轨迹参数,实现基于非均匀啮合的齿轮插削精度优化方法研究,提高插齿机加工精度。主要研究内容:(1)分析了数控插齿机加工原理,建立了插齿机物理模型和插齿加工工艺模型。探究了插齿机刀具径向进给轴、刀具旋转轴和工件旋转轴运动误差与齿距累积总偏差和齿圈径向跳动公差的映射关系,为研究基于非均匀啮合的齿轮插削精度优化方法提供理论依据。(2)设计了基于全坐标检测的齿轮误差评价方法。采用三坐标测量仪对工件齿廓表面进行数据点检测,利用曲线拟合算法对数据点进行拟合,进而通过区域遍历方法寻优确定齿廓渐开线的位置,求解齿轮的齿距累积总偏差和齿圈径向跳动公差,实现误差评价。(3)搭建了基于数据增强算法的长短时记忆网络预测模型。采用数据增强算法对齿轮误差数据进行特征提取,然后利用长短时记忆网络模型对待加工齿轮的齿距累积总偏差和齿圈径向跳动公差进行预测,比较了三种长短时记忆网络模型在对齿轮误差预测时的准确性,选择单层长短时记忆网络模型的误差预测结果用于误差补偿,为优化插齿加工工艺,建立基于非均匀啮合的齿轮插削方案提供了数据依据。(4)基于插齿机各轴运动误差与齿轮误差的映射关系对预测结果进行解耦,在Vericut环境下设计了“变中心距、变刀具与工件相对啮合位置的非均匀啮合齿轮插削工艺仿真实验,验证了基于非均匀啮合的齿轮插削精度优化方法的可行性。(5)以YK5132C数控插齿机为研究对象,进行基于非均匀啮合原理的插齿加工实验,在ADAMS环境下构建齿轮数字滚检仿真实验平台进行精度验证。首先对插齿机加工的一批齿轮工件进行误差评价,并对待加工齿轮误差进行预测,根据预测结果优化加工工艺进行工件试切,之后利用数字滚检仿真实验平台对工艺优化前后所加工齿轮工件进行数字滚检对比,工艺优化后的齿轮加工精度得到明显提高,验证了研究方法的可行性和准确性。通过对插齿机进行基于非均匀啮合的齿轮插削精度优化方法的研究,可以提高数控插齿机的加工精度、降低高精度齿轮生产成本,对于提高齿轮加工质量、生产效率、推动精密齿轮加工技术的发展以及助力我国制造业智能化进展具有重要的理论意义和现实意义。