摘　要：提出了一種基于實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)齒輪修形的新方法，設(shè)計(jì)并制作了電化學(xué)齒輪修形的加工裝置，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法在已知修形量及修形區(qū)域的情況下求取了加工施電規(guī)律，加工實(shí)例說明該方法是實(shí)用可行的，在實(shí)際生產(chǎn)中有較大的應(yīng)用與推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)　電化學(xué)　齒輪修形　實(shí)時(shí)控制▲

1　概述

　　隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，齒輪修形的意義愈來愈受到廣大學(xué)者和機(jī)械制造業(yè)的廣泛關(guān)注與重視［1］。與之相應(yīng)的各種工藝方法也在不斷地完善和發(fā)展［2］，但特殊結(jié)構(gòu)和性能(如雙聯(lián)齒、多聯(lián)齒、硬齒面、高精度、螺旋齒、工程大尺寸齒輪等)的齒輪修形難題國內(nèi)外還未找到滿意的解決方法［3］。
　　電化學(xué)齒輪修形的啟示源于用電化學(xué)的方法對齒輪進(jìn)行去毛刺和倒圓角，當(dāng)兩個(gè)電極間有電流通過時(shí)，電極尖角處的電流密度總是高于其它地方，因此去毛刺用的陰極總是將它的尖角靠近毛刺的根部溶解、脫落。這樣不僅能起到去除齒輪在機(jī)械加工中留下的毛刺，而且還能達(dá)到光整加工的目的。
　　電化學(xué)齒輪修形的基本思想是在陽極齒輪溶解去除的基礎(chǔ)上，加入控制電場中的電力線分布狀態(tài)的理論而形成的工藝方法。通過控制電力線，根據(jù)去除規(guī)律控制電參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)方法對齒面的不均勻去除，使其達(dá)到修形的要求。修形的同時(shí)可提高齒形精度、降低齒面表面粗糙度、摩擦系數(shù)及嚙合噪聲，提高其抗膠合能力和使用壽命。電化學(xué)齒輪修形仍屬于電化學(xué)加工的范疇，因此具有加工成本低、適應(yīng)性強(qiáng)，無需復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，加工設(shè)備的成本低，可加工結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、齒面硬度很高的各種汽車齒輪。操作簡便、便于批量生產(chǎn)，是一種實(shí)用、高效、經(jīng)濟(jì)的加工方法，課題研究的前景是十分樂觀的。
　　為了提高工藝適應(yīng)性，便于自動化生產(chǎn)，作者在前人工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作了實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)齒輪修形新裝置。

2　實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)修形裝置

　　圖1為實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)齒輪修形裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。修形加工時(shí)，將被加工齒輪經(jīng)前處理后安裝在回轉(zhuǎn)軸上支承，回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)11與齒輪回轉(zhuǎn)軸之間通過絕緣聯(lián)軸器12聯(lián)在一起，在回轉(zhuǎn)軸的另一端有角位移傳感器2，可用來檢測齒輪的轉(zhuǎn)角，并將位置信號輸送給計(jì)算機(jī)，作為控制步進(jìn)電機(jī)11 的基準(zhǔn)；陰極滑塊17通過螺紋傳動機(jī)構(gòu)與絲桿相連，絲桿的一端通過一對齒輪傳動機(jī)構(gòu)被步進(jìn)電機(jī)10驅(qū)動，另一端同樣裝有角位移傳感器2，用來檢測陰極滑塊 17相對齒面的位置，并輸送給計(jì)算機(jī)3作為計(jì)算機(jī)控制電化學(xué)修形施加電流的主要依據(jù)；在絲桿的兩端各有換向繼電器開關(guān)，當(dāng)滑塊左行至極限位置時(shí)，換向開關(guān) 15將信號輸送給轉(zhuǎn)速換向控制器9，控制器9即改變步進(jìn)電機(jī)10的轉(zhuǎn)向，從而使絲桿帶動滑塊右行，同理當(dāng)滑塊右行至極限位置后左行開關(guān)將信號輸送給控制器 9，通過控制器9控制步進(jìn)電機(jī)10的轉(zhuǎn)向又能使滑塊左行。

圖1　實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)齒輪修形裝置示意圖

1、2.角位移傳感器　3.控制用計(jì)算機(jī)　4.D/A轉(zhuǎn)換器
5.A/D轉(zhuǎn)換器　6.放大器　7.可控電源　8.檢流器　9.轉(zhuǎn)速換向控制器
10、11.步進(jìn)電機(jī)　12.絕緣聯(lián)軸節(jié)　13.電刷　14.電化學(xué)加工槽(內(nèi)裝DTU#1電解液)
15、16.左、右行開關(guān)　17.陰極滑塊　18.齒輪工件

　　在具體對某一輪齒進(jìn)行修形加工時(shí)，為了保證滑塊始終沿輪齒頂移動，只要輪齒以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，滑塊沿齒輪軸向以相應(yīng)的速度移動［1］，即可實(shí)現(xiàn)輪齒與滑塊相對確定的位置關(guān)系。由于滑塊是通過絲杠帶動，而輪齒的旋轉(zhuǎn)又是通過步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動的，因而計(jì)算機(jī)易通過轉(zhuǎn)速換向控制器控制步進(jìn)電機(jī)10和11的轉(zhuǎn)速，達(dá)到滑塊在被加工輪齒表面相對移動的目的。
　　由于輪齒在不同部位的修形量不同，而用電化學(xué)加工的方法對齒輪進(jìn)行修形主要是控制不同位置的金屬蝕除量來滿足修形的要求。
　　根據(jù)法拉第電解定律V=ηkIt=ηkQ可知，一定材料的齒輪電化學(xué)修形加工時(shí)，電化學(xué)當(dāng)量是確定的，金屬蝕除量主要取決于加工電流的大小及加工時(shí)間的長短，我們所設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)齒輪修形裝置實(shí)際上就是控制這兩個(gè)參數(shù)。在修形加工時(shí)，根據(jù)修形量和修形區(qū)域的要求及齒輪材料的性質(zhì)，控制系統(tǒng)可根據(jù)角位移傳感器1和2檢測到輪齒與滑塊的相對位置，控制可控電源施加在陰極滑塊與陽極齒輪間的電流大小(即電化學(xué)加工電流)；與此同時(shí)，控制系統(tǒng)還能調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)10和11的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制陰極滑塊相對輪齒面在不同位置時(shí)的移動速率，實(shí)質(zhì)上是控制了輪齒不同部位的電化學(xué)加工時(shí)間。通過對以上兩個(gè)參數(shù)的控制，可使輪齒在不同部位的金屬蝕除量不同，從而達(dá)到整個(gè)輪齒齒向修鼓和齒廓修緣的目的。當(dāng)加工一個(gè)輪齒后，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)11旋轉(zhuǎn)至與之相鄰的另一個(gè)齒位，根據(jù)同樣的原理，系統(tǒng)通過控制輪齒在不同位置時(shí)滑塊與輪齒的相對移動速率與施電電流的大小，使該輪齒在一定的位置時(shí)對應(yīng)一定的金屬蝕除量，從而滿足修形的要求，如此往復(fù)，直至所有的輪齒都加工完畢。為了提高施電電流的控制精度，本裝置采用了閉環(huán)控制方式，即根據(jù)集流環(huán)采集的滑塊與輪齒在不同位置實(shí)際電化學(xué)修形加工電流的信號，通過檢流器檢驗(yàn)出電流的大小，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號輸送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將此值與目標(biāo)電流值(目標(biāo)電流值是針對輪齒某處采用電化學(xué)修形時(shí)優(yōu)化出來的最佳加工電流)進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際檢測的電流大于目標(biāo)電流時(shí)，控制系統(tǒng)即控制可控電流減小施加在滑塊與輪齒陽極間的電流量，反之則增加施加電流量。

3　實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)齒輪修形的加工過程及其控制軟件的設(shè)計(jì)

　　以上分析了實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)修形加工硬件的設(shè)計(jì)和加工機(jī)理，接下來需解決的問題是如何編制控制程序，實(shí)現(xiàn)根據(jù)輪齒在不同位置上的修形量要求來對施加電流和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。針對實(shí)時(shí)控制電化學(xué)齒輪修形的特點(diǎn)，作者將控制軟件按功能設(shè)計(jì)成三個(gè)模塊，其簡要功能和相互關(guān)系如圖2～圖4所示。

圖2　控制模塊之一

圖3　控制模塊之二

圖4　控制模塊之三

　　加工量輸入模塊的主要功能是把需修形齒輪的輪齒各點(diǎn)的位置(相對于滑塊移動軌跡上的位置)及其對應(yīng)的修形加工量E(x)以一定的格式形成磁盤上的文本文件*.dat(當(dāng)然也可命名為其它文件名)。*.dat保存了輪齒各點(diǎn)處在滑塊相對于輪齒表面移動軌跡坐標(biāo)系中的位置對參數(shù)及相應(yīng)的修形量等數(shù)據(jù)，這個(gè)程序可完全脫離現(xiàn)場，由使用者在加工前根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。這樣便提高了該裝置用于齒輪修形時(shí)的通用性(即可針對不同齒輪的修形加工特點(diǎn)編制加工數(shù)據(jù))；電化學(xué)加工電流及步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速形成模塊的主要功能是從磁盤上讀取*.dat文件，獲得輪齒上的位置量及對應(yīng)的加工量，然后控制系統(tǒng)根據(jù)加工模型計(jì)算出與各點(diǎn)加工量相對應(yīng)的施加電流的大小及滑塊相對移動速率，并以一定的格式存儲在磁盤上，形成*.jg文件供現(xiàn)場加工使用；現(xiàn)場加工模塊是實(shí)時(shí)控制電化學(xué)齒輪修形的主要模塊，它用于現(xiàn)場控制，完成加工任務(wù)。首先它從*.jg文件中讀取加工信息——獲得滑塊相對輪齒表面所處的位置及與之相應(yīng)的修形加工量、電化學(xué)修形計(jì)算機(jī)加工電流、滑塊相對于輪齒表面的移動速率等，然后實(shí)時(shí)測量滑塊與輪齒面的相對位置、采集實(shí)際加工電流及滑塊實(shí)際相對于加工輪齒面上的移動速率信號，與計(jì)算值比較，并根據(jù)差值及時(shí)地調(diào)節(jié)可控電源及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之達(dá)到滿意的效果。
　　由上圖的控制過程分析可知，要成功地實(shí)現(xiàn)上述修形加工，必須解決兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：①準(zhǔn)確地控制施加電流規(guī)律；②要建立合適的化學(xué)修形加工模型，以使計(jì)算出來的陰極滑塊速度及施加電流能達(dá)到滿意加工的目的。實(shí)際上，加工所用的直流可控電源受其本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的電壓波動的影響，其輸出電壓不穩(wěn)定，這樣使得電化學(xué)修形加工電流也會隨著直流可控電源的輸出電壓變動；其次在電化學(xué)加工過程中，由于電解液導(dǎo)電性能的變化(如溫度對電解液導(dǎo)電性能的影響、電解質(zhì)濃度對導(dǎo)電性能的影響等)，使得加工過程中同一輸出電壓對應(yīng)的電化學(xué)加工電流隨時(shí)間變化而不同；另外，陰極滑塊與輪齒面間的間隙大小變化、電解液的流動、氣泡的產(chǎn)生等也會影響施加電流的變化，因而控制好電化學(xué)加工電流的大小，使其快速、穩(wěn)定、精確地達(dá)到要求的加工電流是高精度齒輪電化學(xué)修形必須解決的問題。
　　在模擬系統(tǒng)中，過程控制的方法是將被測參數(shù)如溫度、壓力等，由傳感器變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號送入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進(jìn)行比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變輸入量，以達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的。這種系統(tǒng)多用電動(或氣動)單元組合儀表來完成。而在數(shù)字系統(tǒng)中，則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)過程是先把過程參數(shù)進(jìn)行采集，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換通道將模擬量變成數(shù)字量，這些數(shù)字量通過計(jì)算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)，達(dá)到給定值。因此數(shù)字調(diào)節(jié)器是控制規(guī)律設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
　　根據(jù)偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器(簡稱PID調(diào)節(jié)器)，是目前過程控制中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)成熟的一種調(diào)節(jié)器。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。其主要特點(diǎn)是：(1)技術(shù)成熟；PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用PI、PD、帶死區(qū)的PID控制等；(2)不需求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；(3)控制效果好。雖然計(jì)算機(jī)控制是非連續(xù)的，但由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來越快，因此用數(shù)字PID完全可代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。PID調(diào)節(jié)電化學(xué)加工電流時(shí)，首先由集流環(huán)采取實(shí)際加工電流樣本，通過A/D板轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識的數(shù)字信號，并與計(jì)算值相比較。如果所測值比計(jì)算值大，則系統(tǒng)調(diào)節(jié)可控電源減少輸出電流值，反之則增大輸出電流，很顯然所用控制系統(tǒng)運(yùn)算速度越快，則控制精度越高。
　　本系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是如何根據(jù)輪齒上某點(diǎn)的位置及要求修形蝕除量較為準(zhǔn)確地反求取修形加工控制參數(shù)。
　　由于齒輪在電化學(xué)修形加工過程中，電解液的化學(xué)成份、加工間隙及施電電流的大小將會發(fā)生微小的變化，安裝加工設(shè)置時(shí)也會存在一定的誤差，從而造成各個(gè)變量、參數(shù)之間交互作用，而齒輪修形量是不是準(zhǔn)確，修形區(qū)域是否得當(dāng)，直接取決于施電電流及運(yùn)動參數(shù)的控制精度，因此實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)齒輪修形工藝的關(guān)鍵在于能及時(shí)準(zhǔn)確地根據(jù)齒輪修形的要求和特點(diǎn)，精確地施入加工電流。經(jīng)過大量的論證與實(shí)驗(yàn)，我們利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，避開了加工控制數(shù)學(xué)模型內(nèi)部各個(gè)參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系，建立了由n維空間向m維空間的映射關(guān)系，從而根據(jù)不同類型的齒輪特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，在給定修形區(qū)域及修形量的情況下，反求出加工施電規(guī)律。通過對實(shí)際生產(chǎn)齒輪的修形加工，得到了滿意的結(jié)果［4，5］。

4　結(jié)論

　　(1)電化學(xué)齒輪修形是一種極有價(jià)值的修形工藝，具有實(shí)用、高效、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，對解決硬齒面、高強(qiáng)度、高韌性、大尺寸及特殊結(jié)構(gòu)的齒輪修形難題具有獨(dú)到的優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中值得很好地推廣；
　　(2)為了便于修形加工的自動化，作者設(shè)計(jì)并制作了實(shí)時(shí)控制的電化學(xué)齒輪修形加工的新裝置，并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制方法，在已知修形量及修形區(qū)域的情況下，求取了加工施電規(guī)律；
　　(3)對實(shí)際齒輪修形加工結(jié)果的說明，基于智能控制的電化學(xué)齒輪修形工藝是一種實(shí)用可行、適應(yīng)性廣的齒輪修形新方法為解決當(dāng)前齒輪修形加工面臨的難題提出了一種廣闊的思路。