基于智能控制的电化学齿轮修形新工艺的研究

摘　要：提出了一种基于实时控制的电化学齿轮修形的新方法，设计并制作了电化学齿轮修形的加工装置，利用人工神经网络的方法在已知修形量及修形区域的情况下求取了加工施电规律，加工实例说明该方法是实用可行的，在实际生产中有较大的应用与推广价值。
关键词：人工神经网络　电化学　齿轮修形　实时控制▲

1　概述

　　随着现代机械工业的发展，齿轮修形的意义愈来愈受到广大学者和机械制造业的广泛关注与重视［1］。与之相应的各种工艺方法也在不断地完善和发展［2］，但特殊结构和性能(如双联齿、多联齿、硬齿面、高精度、螺旋齿、工程大尺寸齿轮等)的齿轮修形难题国内外还未找到满意的解决方法［3］。
　　电化学齿轮修形的启示源于用电化学的方法对齿轮进行去毛刺和倒圆角，当两个电极间有电流通过时，电极尖角处的电流密度总是高于其它地方，因此去毛刺用的阴极总是将它的尖角靠近毛刺的根部溶解、脱落。这样不仅能起到去除齿轮在机械加工中留下的毛刺，而且还能达到光整加工的目的。
　　电化学齿轮修形的基本思想是在阳极齿轮溶解去除的基础上，加入控制电场中的电力线分布状态的理论而形成的工艺方法。通过控制电力线，根据去除规律控制电参数和运动参数方法对齿面的不均匀去除，使其达到修形的要求。修形的同时可提高齿形精度、降低齿面表面粗糙度、摩擦系数及啮合噪声，提高其抗胶合能力和使用寿命。电化学齿轮修形仍属于电化学加工的范畴，因此具有加工成本低、适应性强，无需复杂的机械运动，加工设备的成本低，可加工结构形状复杂、齿面硬度很高的各种汽车齿轮。操作简便、便于批量生产，是一种实用、高效、经济的加工方法，课题研究的前景是十分乐观的。
　　为了提高工艺适应性，便于自动化生产，作者在前人工作的基础上，设计并制作了实时控制的电化学齿轮修形新装置。

2　实时控制的电化学修形装置

　　图1为实时控制的电化学齿轮修形装置的结构简图。修形加工时，将被加工齿轮经前处理后安装在回转轴上支承，回转轴的转动用步进电机驱动，步进电机11与齿轮回转轴之间通过绝缘联轴器12联在一起，在回转轴的另一端有角位移传感器2，可用来检测齿轮的转角，并将位置信号输送给计算机，作为控制步进电机11 的基准；阴极滑块17通过螺纹传动机构与丝杆相连，丝杆的一端通过一对齿轮传动机构被步进电机10驱动，另一端同样装有角位移传感器2，用来检测阴极滑块 17相对齿面的位置，并输送给计算机3作为计算机控制电化学修形施加电流的主要依据；在丝杆的两端各有换向继电器开关，当滑块左行至极限位置时，换向开关 15将信号输送给转速换向控制器9，控制器9即改变步进电机10的转向，从而使丝杆带动滑块右行，同理当滑块右行至极限位置后左行开关将信号输送给控制器 9，通过控制器9控制步进电机10的转向又能使滑块左行。

图1　实时控制的电化学齿轮修形装置示意图

1、2.角位移传感器　3.控制用计算机　4.D/A转换器
5.A/D转换器　6.放大器　7.可控电源　8.检流器　9.转速换向控制器
10、11.步进电机　12.绝缘联轴节　13.电刷　14.电化学加工槽(内装DTU#1电解液)
15、16.左、右行开关　17.阴极滑块　18.齿轮工件

　　在具体对某一轮齿进行修形加工时，为了保证滑块始终沿轮齿顶移动，只要轮齿以一定的转速旋转，滑块沿齿轮轴向以相应的速度移动［1］，即可实现轮齿与滑块相对确定的位置关系。由于滑块是通过丝杠带动，而轮齿的旋转又是通过步进电机直接驱动的，因而计算机易通过转速换向控制器控制步进电机10和11的转速，达到滑块在被加工轮齿表面相对移动的目的。
　　由于轮齿在不同部位的修形量不同，而用电化学加工的方法对齿轮进行修形主要是控制不同位置的金属蚀除量来满足修形的要求。
　　根据法拉第电解定律V=ηkIt=ηkQ可知，一定材料的齿轮电化学修形加工时，电化学当量是确定的，金属蚀除量主要取决于加工电流的大小及加工时间的长短，我们所设计的实时控制的电化学齿轮修形装置实际上就是控制这两个参数。在修形加工时，根据修形量和修形区域的要求及齿轮材料的性质，控制系统可根据角位移传感器1和2检测到轮齿与滑块的相对位置，控制可控电源施加在阴极滑块与阳极齿轮间的电流大小(即电化学加工电流)；与此同时，控制系统还能调节步进电机10和11的转速，达到控制阴极滑块相对轮齿面在不同位置时的移动速率，实质上是控制了轮齿不同部位的电化学加工时间。通过对以上两个参数的控制，可使轮齿在不同部位的金属蚀除量不同，从而达到整个轮齿齿向修鼓和齿廓修缘的目的。当加工一个轮齿后，控制系统调节步进电机11旋转至与之相邻的另一个齿位，根据同样的原理，系统通过控制轮齿在不同位置时滑块与轮齿的相对移动速率与施电电流的大小，使该轮齿在一定的位置时对应一定的金属蚀除量，从而满足修形的要求，如此往复，直至所有的轮齿都加工完毕。为了提高施电电流的控制精度，本装置采用了闭环控制方式，即根据集流环采集的滑块与轮齿在不同位置实际电化学修形加工电流的信号，通过检流器检验出电流的大小，并经A/D转换器转换成数值信号输送给计算机，计算机将此值与目标电流值(目标电流值是针对轮齿某处采用电化学修形时优化出来的最佳加工电流)进行比较，当实际检测的电流大于目标电流时，控制系统即控制可控电流减小施加在滑块与轮齿阳极间的电流量，反之则增加施加电流量。

3　实时控制的电化学齿轮修形的加工过程及其控制软件的设计

　　以上分析了实时控制的电化学修形加工硬件的设计和加工机理，接下来需解决的问题是如何编制控制程序，实现根据轮齿在不同位置上的修形量要求来对施加电流和步进电机进行准确控制。针对实时控制电化学齿轮修形的特点，作者将控制软件按功能设计成三个模块，其简要功能和相互关系如图2～图4所示。

图2　控制模块之一

图3　控制模块之二

图4　控制模块之三

　　加工量输入模块的主要功能是把需修形齿轮的轮齿各点的位置(相对于滑块移动轨迹上的位置)及其对应的修形加工量E(x)以一定的格式形成磁盘上的文本文件*.dat(当然也可命名为其它文件名)。*.dat保存了轮齿各点处在滑块相对于轮齿表面移动轨迹坐标系中的位置对参数及相应的修形量等数据，这个程序可完全脱离现场，由使用者在加工前根据需要进行数据输入。这样便提高了该装置用于齿轮修形时的通用性(即可针对不同齿轮的修形加工特点编制加工数据)；电化学加工电流及步进电机转速形成模块的主要功能是从磁盘上读取*.dat文件，获得轮齿上的位置量及对应的加工量，然后控制系统根据加工模型计算出与各点加工量相对应的施加电流的大小及滑块相对移动速率，并以一定的格式存储在磁盘上，形成*.jg文件供现场加工使用；现场加工模块是实时控制电化学齿轮修形的主要模块，它用于现场控制，完成加工任务。首先它从*.jg文件中读取加工信息——获得滑块相对轮齿表面所处的位置及与之相应的修形加工量、电化学修形计算机加工电流、滑块相对于轮齿表面的移动速率等，然后实时测量滑块与轮齿面的相对位置、采集实际加工电流及滑块实际相对于加工轮齿面上的移动速率信号，与计算值比较，并根据差值及时地调节可控电源及步进电机的转速，使之达到满意的效果。
　　由上图的控制过程分析可知，要成功地实现上述修形加工，必须解决两个关键技术：①准确地控制施加电流规律；②要建立合适的化学修形加工模型，以使计算出来的阴极滑块速度及施加电流能达到满意加工的目的。实际上，加工所用的直流可控电源受其本身设计结构的电压波动的影响，其输出电压不稳定，这样使得电化学修形加工电流也会随着直流可控电源的输出电压变动；其次在电化学加工过程中，由于电解液导电性能的变化(如温度对电解液导电性能的影响、电解质浓度对导电性能的影响等)，使得加工过程中同一输出电压对应的电化学加工电流随时间变化而不同；另外，阴极滑块与轮齿面间的间隙大小变化、电解液的流动、气泡的产生等也会影响施加电流的变化，因而控制好电化学加工电流的大小，使其快速、稳定、精确地达到要求的加工电流是高精度齿轮电化学修形必须解决的问题。
　　在模拟系统中，过程控制的方法是将被测参数如温度、压力等，由传感器变换成统一的标准信号送入调节器，在调节器中与给定值进行比较，然后把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变输入量，以达到自动调节的目的。这种系统多用电动(或气动)单元组合仪表来完成。而在数字系统中，则是用数字调节器来代替模拟调节器，其调节过程是先把过程参数进行采集，并通过模数转换通道将模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产，达到给定值。因此数字调节器是控制规律设计的关键。
　　根据偏差的比例、积分、微分进行控制的调节器(简称PID调节器)，是目前过程控制中应用最广泛、技术成熟的一种调节器。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。其主要特点是：(1)技术成熟；PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；(2)不需求出系统的数学模型；(3)控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。PID调节电化学加工电流时，首先由集流环采取实际加工电流样本，通过A/D板转换为系统可识的数字信号，并与计算值相比较。如果所测值比计算值大，则系统调节可控电源减少输出电流值，反之则增大输出电流，很显然所用控制系统运算速度越快，则控制精度越高。
　　本系统的另一个关键技术是如何根据轮齿上某点的位置及要求修形蚀除量较为准确地反求取修形加工控制参数。
　　由于齿轮在电化学修形加工过程中，电解液的化学成份、加工间隙及施电电流的大小将会发生微小的变化，安装加工设置时也会存在一定的误差，从而造成各个变量、参数之间交互作用，而齿轮修形量是不是准确，修形区域是否得当，直接取决于施电电流及运动参数的控制精度，因此实时控制的电化学齿轮修形工艺的关键在于能及时准确地根据齿轮修形的要求和特点，精确地施入加工电流。经过大量的论证与实验，我们利用人工神经网络，避开了加工控制数学模型内部各个参数之间的复杂关系，建立了由n维空间向m维空间的映射关系，从而根据不同类型的齿轮特点，通过实验数据的训练，在给定修形区域及修形量的情况下，反求出加工施电规律。通过对实际生产齿轮的修形加工，得到了满意的结果［4，5］。

4　结论

　　(1)电化学齿轮修形是一种极有价值的修形工艺，具有实用、高效、经济等特点，对解决硬齿面、高强度、高韧性、大尺寸及特殊结构的齿轮修形难题具有独到的优势，在实际应用中值得很好地推广；
　　(2)为了便于修形加工的自动化，作者设计并制作了实时控制的电化学齿轮修形加工的新装置，并利用人工神经网络的智能控制方法，在已知修形量及修形区域的情况下，求取了加工施电规律；
　　(3)对实际齿轮修形加工结果的说明，基于智能控制的电化学齿轮修形工艺是一种实用可行、适应性广的齿轮修形新方法为解决当前齿轮修形加工面临的难题提出了一种广阔的思路。