滚齿运动控制卡中的电子齿轮箱结构

1、滚齿运动控制卡中的电子齿轮箱结构控制卡是连接数控系统与伺服机构直接的“桥梁S是数控系统的核心单元.数控系统的性能、加工梢度一定程度上依聯运动控制卡的高速处理能力和控制陡力对电动机控制己经不单纯是过占的仅仅提供动力的控制，而上升为对速度、位置、转矩的辅确控制，不再是单纯的电力拖动技术，而是“运动控制S运动控制便SE控机械运动实现将确的位置控制*連度.加速度控制"转毎或力的控制，理想运动控制要求伺服系统能够在最短时间内的实际輸出要完全复现指令信号的要求，即要求系统响应速度足够快，跟踪精度足够高，系统执行指令稳定.因此在数控系统中.对伺服系统的控制集略的研究一直是数控系统的研究中的重点，由

2、丁滾齿中的特定的传动关系，要求控制的轴的速度实时性越好、越精确则范成运动完成的越好*加工出的齿轮精度越高.3.2控制卡中电子齿轮箱模块滾齿机床的离精度数控化发展除了要求机械结构更加合理化外.更览要求滚齿运动关系的精密合成,当机械结构的制造精度达到一定极限以后.再靠单純的提升机械结构制造精度和安装稱度来提高整个机床的精度.将会使成本大幅增加而精度提岛却有限.因此必须？求合理的控制方法，滾齿机床的多軸联动与普通数控机床的不同.普適数控多轴联动要求是轨迹的合成，而渡齿多轴联动不但要求轨迹的合成更要求传动件首.末端件宓須保证严格的传动比关系.为提高滚齿中传动链的传动粘度，科研人员一直在寻求一种能实现两

3、种特定比关系的传动装置，I960年英国人JXoxham出的电子齿轮箝CElectronicGearBox),目的在于用电气自动控制技术代替原来机械传动机构，来获得高蒂度，高质蚩前加工，电子齿轮箱的出现不但为炭轮加工提供了一条崭新的控制方向，也为以往难以加工如凸轮加工、非圆齿轮加工等.与机械式相比电子为轮笛有着独蒔的优势.*3.1电子齿望箱与机械式齿轮箱性能比较比较蓼教电子齿轮箱_机械传动議屣鬲精便rtf圮了器件徃质决定】一目由原件制透輸厦浹定前微电子产品质园可熬遼度范围电子无级调連.平滑过渡有限的特宦传动比.阶梯跳跃动态补偿可以实滉动态补偿功能无法做到动态补偿功能曆损情况无磨损，元件老化慢随时

4、间增加机械磨损加剧维护成本性能好价格低厉期维护范围扩大，维持高辆度成本增加321滚齿电子齿轮箱的结构类型分齿中形成范成运动的两个轴联动运动有两种模式：(1)跟踪式电子齿轮箱，又可称之为自同步电子齿轮箱(ActiveSynchronousEBG),信息传递关系如图3.1图3.1跟踩式电子齿轮箱信息关系(2)并列式电子齿轮箱，又可成之为他同步电子齿轮箱(PassiveSynchronousEGB),同步模组Z何信息如图32.图3.2#列武电子齿轮箱信息关系在跟踪式的电子齿轮箱中，滚刀运动是主运动，齿坯轴是从运动，从运动实时取得主运动信号后，按特定传动比的要求进行信息处理后驱动从电机伺服.从结构形式

5、看类似于一个半闭坏系统.从并列式电子齿轮箱结构可以看出，形式范成运动的主运动和从运动在接受指令后，彼此独立完成相关信息处理，二者在分齿信息处理时没有信息相关联，各个轴信息处理模块仅仅是按照上位机的指令处理，因此分齿运动系统更像一个开环的系统.日于跟踪时能实时监测到主运动的变化，以调节从运动，因此分齿精度更高03.3基于锁相环控制的电子齿轮箱原理在第2克的联动关系中可以看出在展成法的滚齿中的联动关系与脉冲关系。任徐切EI柱直齿齿轮时候滚刀与工件之间的范成运动应该保持严格的内传动链关系，要求（224）、（2-25）式中K/Z的值必须严格保证，不能自T）舍五入现彖，以避免在滾切过稈中引起积累误差梵他

6、中间计算数值允许有舍入计算但所有的舍入误差和的最大值不得超出所允许的加工精度值W为了保持两者之间的严格的传动比关系，一般的主轴速度追踪是通过安装主轴上的码盘在得到主轴速度后通过一定的比例进行运算处理，然后发出脉冲序列控制工作台转速，从而保持范成运动。但是这冲方式在从原理上讲存在速度误差的，在数控化时采用具有同步锁相的电子齿轮箱代替传统滚齿机中的靠挂轮传动的分齿运动。如前文所讲采用跟踪式的电子齿轮箱结构，在实际工作中主轴B轴采用变频器在一个模数齿轮范围内采用恒速的方式，这样采用基于锁相环技术原理的电子齿轮箱结构不仅精度高，成本低，而且能实现较岛的稳态控制（优于0.02%）卩儿锁相环（PLL.Ph

7、aseLockedLoop）是频率与相位的同步控制系统，实现输入参考信号与反馈信号频率相等，相位差恒定.如果将这个控制思想引入到电机速度控制，能实现稳态精度很高的转速控制），锁相控制能获得较高稳态精度的原因在于锁相环把相位作为控制信号，传递相位信息的光电编码器只存在瞬吋的信号抖动，一个周期的平均误差为零，能甥准确传递相位信息。而在实际中伺服电机的存在时间常数几，因此采用跟踪式的电子齿轮箱形式在对主信号的跟踪总是存在滞后现象的，在应用中应该是滞后现象尽可能小，使其达到误差范围内的“无差”跟踪.圆柱齿轮滚切加工中的电子齿轮箱形式在滚齿过程中滚刀和工件Z间传动比：(3-D根据同步锁相环槪念，滚齿中范

8、成运动的形成过程也可以利用锁相环控制思想，由于采用数字控制方式，在实现上更加容易，滚齿联动锁相结构关系如图3.4所示.人为来口主轴伺服电机的速度信号，在电子齿轮箱中仅作为参考信号，不做控制作用，乙为来自工件轴伺服电机的售号.其中厶'、厶'是为满足滾齿关系分频整形处理后的信号，以便电子齿轮箱能准确分齿.中的VCO功能部分图3.3基于同步锁相瓯理的电子齿轮箱npulseA3)图3.4电子锁相中鉴相原理从图3.3可以看岀，锁相环路的实质是一个负反馈系统，鉴频鉴相器的作用是把给定信号与反馈信号比较，较后产生一个与和位差大小成正比的电压，低通滤波器的作用是消除坏路中的高频成份，保证回路的

9、稳定性和改善系统的动态性能，当锁相环回路应用于伺服系统时，伺服驱动器与伺服电机及伺服电机共同构成了锁相环的压控振荡器.范成运动的形成需要B、C轴之间形成严格的传动比关系，BC联动精度直接影响到分齿精度与齿面波纹，为此采用锁相环原理的主轴速度跟踪方式，根据锁相环的原理卩由图3.5中B轴与C轴相位比较后产生一个与相位差大小成正比的电压，用这个与相位差产生正比的电压作为控制信号控制C轴何服.理想情况下系统在稳定锁定状态下有:(3-3)实际上由于伺服电机的时间常数以及机床坐标轴的惯t的存在则在锁定状态下：£丄-力丄=85£JCKZ(3-4)在实际应用中如果把误差0控制在误差许可范围

10、£之内，且克积累误差不超过滚齿耕度误差的要求，可以认为是理想的锁定状态，根据伺服电机的编码器检测电路，角速度可以表示为：2/rf©二一厶Pb(3-5)Pc(3-6)式中：Pb、仇分别为B轴和C轴编码器的分辨率如果我们在B轴和C轴中采用相同分辨率的编码器，则B轴和C轴的传动比关系可以写为：%fc(3-7)把(3-7)代人(3-3)可得：3丄JL畋X?z(3-8)即二者脉冲频率关系为：(3-9)从(37)可以看出滚刀B轴C工件轴之间的展成关系中的传动比可以通过改变脉冲关系来实现滚齿加工控制，如果在控制卡中能够实现厶、乙的脉冲可以实现调节，即传动比i是实时变化的，及滚切不冋齿轮的

11、齿轮时候采用不同的脉冲频率.根据式(230)在节曲线外凸的非圆齿轮滚齿加工时由于传动比的是变传动比控制卩叫因此在滚切非圆齿轮时，根据设计出的非圆齿轮方程,插补计算方式如果做得实时调节联动轴的脉冲关系，则能实现非圆齿轮的滚齿加工中的变速比分齿运动.非圆齿轮加工中的电子齿轮箱结构传动比为非匀速的足根据传动比函数与主运动的位置变化，控制系统需要处理主运动位置和主运动速度|3537)因此要求能完成非匀速比传动的电子齿轮箱的瞬时传动比可以刷新，目前解决变速比传动齿轮加工中展成运动和差动运动发展方向是采用软便结合的方式，近年来随菇恢入式系统的高速发展，基于Linux等嵌入式系统的滚齿控制系统其巨大的灵活性

12、日渐显现以往的硬件数字电路实现的变速度传动用嵌入式系统来实现结构不但更加紧凑而且更加灵活.图3.53度式非匀遼比电子齿轮箱结构图3.6非圆豪齿轮电子齿轮紀结构采用锁相环电子齿轮箱稳态精度分析在图3.3中锁相伺服结构中低通滤波器通常选用PI结构卩町的即:(3-9)则在锁相环节环节的输入输出之间的传递函数可以写为:(3-10)心沪和邙嗖J也则稳态阶段相位误差根据控制原理】可以写为:lim0(/)=lims-E($)旳($)把(3-10)式代人(3-11)可得lim0(/)=lim$%)输入信号为单位阶跃信号：0M=-S(3-11)(312)(3-13)把(3-13)代人(312)可以看出:Iim0

13、二lim(j)#0(3-H)(3-H)Of。即含有低通濾波器的锁相环节为“有差锁相”，要通过调节各个坏节中的参数，使得其锁相误差最小，在下而将针对全数字锁相环研究与实现.电子齿轮箱的传动比的最终实现耍乘伺服驱动系统，其何服系统是一个跟踪随动系统，根据工作特点，性能要求具体表现在以下几个方面I均：(1) 动态与稳态性能控制系统的动态性能指标以系统的阶跃响应来衡量，具体的指标有最大超调量与过渡过程的时间.稳态性能指标用稳态误左箕量，变速比电子齿轮箱要求具有良好的跟踪能力，这就要求伺服系统阶跃响应的过渡过程的时间短且无超调。实现复杂传动函数的变速比电子齿轮箱系统稳态误差不可能趋于零，但要求伺服系统必须具有很好的动态性能与足够高的频率响应。(2) 鲁樟性能变速比电子齿轮箱取消了大部分或全部的机械传动链，各种干扰没有或经过很少的缓冲与减弱就直接作用在被控对彖上，直接形响系统的动态性能、稳态性能以及忌定性.其中，负我惯煲的变化与切削力的干扰是对系统性能影响最严重的干扰因素.负载的变化将导致系统模里参数与传递函数发生较大变化，切削力干扰将导致系统的动态过程负鞍。因此要求伺服控制系统具冇较高的鲁棒性能.(3) 跟踪能力变速比电子齿轮箱采用跟踪随动原理，因而从运动相对于主运动存在跟踪滞后'在实现复杂的变速比传动关系时，受伺