摘　要：提出了一種基于實時控制的電化學齒輪修形的新方法，設計并制作了電化學齒輪修形的加工裝置，利用人工神經網絡的方法在已知修形量及修形區域的情況下求取了加工施電規律，加工實例說明該方法是實用可行的，在實際生產中有較大的應用與推廣價值。
關鍵詞：人工神經網絡　電化學　齒輪修形　實時控制▲

1　概述

　　隨著現代機械工業的發展，齒輪修形的意義愈來愈受到廣大學者和機械制造業的廣泛關注與重視［1］。與之相應的各種工藝方法也在不斷地完善和發展［2］，但特殊結構和性能(如雙聯齒、多聯齒、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外還未找到滿意的解決方法［3］。
　　電化學齒輪修形的啟示源于用電化學的方法對齒輪進行去毛刺和倒圓角，當兩個電極間有電流通過時，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械加工中留下的毛刺，而且還能達到光整加工的目的。
　　電化學齒輪修形的基本思想是在陽極齒輪溶解去除的基礎上，加入控制電場中的電力線分布狀態的理論而形成的工藝方法。通過控制電力線，根據去除規律控制電參數和運動參數方法對齒面的不均勻去除，使其達到修形的要求。修形的同時可提高齒形精度、降低齒面表面粗糙度、摩擦系數及嚙合噪聲，提高其抗膠合能力和使用壽命。電化學齒輪修形仍屬于電化學加工的范疇，因此具有加工成本低、適應性強，無需復雜的機械運動，加工設備的成本低，可加工結構形狀復雜、齒面硬度很高的各種汽車齒輪。操作簡便、便于批量生產，是一種實用、高效、經濟的加工方法，課題研究的前景是十分樂觀的。
　　為了提高工藝適應性，便于自動化生產，作者在前人工作的基礎上，設計并制作了實時控制的電化學齒輪修形新裝置。

2　實時控制的電化學修形裝置

　　圖1為實時控制的電化學齒輪修形裝置的結構簡圖。修形加工時，將被加工齒輪經前處理后安裝在回轉軸上支承，回轉軸的轉動用步進電機驅動，步進電機11與齒輪回轉軸之間通過絕緣聯軸器12聯在一起，在回轉軸的另一端有角位移傳感器2，可用來檢測齒輪的轉角，并將位置信號輸送給計算機，作為控制步進電機11 的基準；陰極滑塊17通過螺紋傳動機構與絲桿相連，絲桿的一端通過一對齒輪傳動機構被步進電機10驅動，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，并輸送給計算機3作為計算機控制電化學修形施加電流的主要依據；在絲桿的兩端各有換向繼電器開關，當滑塊左行至極限位置時，換向開關 15將信號輸送給轉速換向控制器9，控制器9即改變步進電機10的轉向，從而使絲桿帶動滑塊右行，同理當滑塊右行至極限位置后左行開關將信號輸送給控制器 9，通過控制器9控制步進電機10的轉向又能使滑塊左行。

圖1　實時控制的電化學齒輪修形裝置示意圖

1、2.角位移傳感器　3.控制用計算機　4.D/A轉換器
5.A/D轉換器　6.放大器　7.可控電源　8.檢流器　9.轉速換向控制器
10、11.步進電機　12.絕緣聯軸節　13.電刷　14.電化學加工槽(內裝DTU#1電解液)
15、16.左、右行開關　17.陰極滑塊　18.齒輪工件

　　在具體對某一輪齒進行修形加工時，為了保證滑塊始終沿輪齒頂移動，只要輪齒以一定的轉速旋轉，滑塊沿齒輪軸向以相應的速度移動［1］，即可實現輪齒與滑塊相對確定的位置關系。由于滑塊是通過絲杠帶動，而輪齒的旋轉又是通過步進電機直接驅動的，因而計算機易通過轉速換向控制器控制步進電機10和11的轉速，達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，而用電化學加工的方法對齒輪進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。
　　根據法拉第電解定律V=ηkIt=ηkQ可知，一定材料的齒輪電化學修形加工時，電化學當量是確定的，金屬蝕除量主要取決于加工電流的大小及加工時間的長短，我們所設計的實時控制的電化學齒輪修形裝置實際上就是控制這兩個參數。在修形加工時，根據修形量和修形區域的要求及齒輪材料的性質，控制系統可根據角位移傳感器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(即電化學加工電流)；與此同時，控制系統還能調節步進電機10和11的轉速，達到控制陰極滑塊相對輪齒面在不同位置時的移動速率，實質上是控制了輪齒不同部位的電化學加工時間。通過對以上兩個參數的控制，可使輪齒在不同部位的金屬蝕除量不同，從而達到整個輪齒齒向修鼓和齒廓修緣的目的。當加工一個輪齒后，控制系統調節步進電機11旋轉至與之相鄰的另一個齒位，根據同樣的原理，系統通過控制輪齒在不同位置時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對應一定的金屬蝕除量，從而滿足修形的要求，如此往復，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，本裝置采用了閉環控制方式，即根據集流環采集的滑塊與輪齒在不同位置實際電化學修形加工電流的信號，通過檢流器檢驗出電流的大小，并經A/D轉換器轉換成數值信號輸送給計算機，計算機將此值與目標電流值(目標電流值是針對輪齒某處采用電化學修形時優化出來的最佳加工電流)進行比較，當實際檢測的電流大于目標電流時，控制系統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　實時控制的電化學齒輪修形的加工過程及其控制軟件的設計

　　以上分析了實時控制的電化學修形加工硬件的設計和加工機理，接下來需解決的問題是如何編制控制程序，實現根據輪齒在不同位置上的修形量要求來對施加電流和步進電機進行準確控制。針對實時控制電化學齒輪修形的特點，作者將控制軟件按功能設計成三個模塊，其簡要功能和相互關系如圖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的位置(相對于滑塊移動軌跡上的位置)及其對應的修形加工量E(x)以一定的格式形成磁盤上的文本文件*.dat(當然也可命名為其它文件名)。*.dat保存了輪齒各點處在滑塊相對于輪齒表面移動軌跡坐標系中的位置對參數及相應的修形量等數據，這個程序可完全脫離現場，由使用者在加工前根據需要進行數據輸入。這樣便提高了該裝置用于齒輪修形時的通用性(即可針對不同齒輪的修形加工特點編制加工數據)；電化學加工電流及步進電機轉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的加工量，然后控制系統根據加工模型計算出與各點加工量相對應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文件供現場加工使用；現場加工模塊是實時控制電化學齒輪修形的主要模塊，它用于現場控制，完成加工任務。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的修形加工量、電化學修形計算機加工電流、滑塊相對于輪齒表面的移動速率等，然后實時測量滑塊與輪齒面的相對位置、采集實際加工電流及滑塊實際相對于加工輪齒面上的移動速率信號，與計算值比較，并根據差值及時地調節可控電源及步進電機的轉速，使之達到滿意的效果。
　　由上圖的控制過程分析可知，要成功地實現上述修形加工，必須解決兩個關鍵技術：①準確地控制施加電流規律；②要建立合適的化學修形加工模型，以使計算出來的陰極滑塊速度及施加電流能達到滿意加工的目的。實際上，加工所用的直流可控電源受其本身設計結構的電壓波動的影響，其輸出電壓不穩定，這樣使得電化學修形加工電流也會隨著直流可控電源的輸出電壓變動；其次在電化學加工過程中，由于電解液導電性能的變化(如溫度對電解液導電性能的影響、電解質濃度對導電性能的影響等)，使得加工過程中同一輸出電壓對應的電化學加工電流隨時間變化而不同；另外，陰極滑塊與輪齒面間的間隙大小變化、電解液的流動、氣泡的產生等也會影響施加電流的變化，因而控制好電化學加工電流的大小，使其快速、穩定、精確地達到要求的加工電流是高精度齒輪電化學修形必須解決的問題。
　　在模擬系統中，過程控制的方法是將被測參數如溫度、壓力等，由傳感器變換成統一的標準信號送入調節器，在調節器中與給定值進行比較，然后把比較出的差值經PID運算后送到執行機構，改變輸入量，以達到自動調節的目的。這種系統多用電動(或氣動)單元組合儀表來完成。而在數字系統中，則是用數字調節器來代替模擬調節器，其調節過程是先把過程參數進行采集，并通過模數轉換通道將模擬量變成數字量，這些數字量通過計算機按一定控制算法進行運算處理，運算結果由模擬量輸出通道輸出，并通過執行機構去控制生產，達到給定值。因此數字調節器是控制規律設計的關鍵。
　　根據偏差的比例、積分、微分進行控制的調節器(簡稱PID調節器)，是目前過程控制中應用最廣泛、技術成熟的一種調節器。它結構簡單，參數易于調整，在長期的應用中積累了豐富的經驗。其主要特點是：(1)技術成熟；PID調節是連續系統理論中技術最成熟、應用最廣泛的控制方法，它的結構靈活，不僅可實現常規的PID調節，而且還可根據系統的要求，采用PI、PD、帶死區的PID控制等；(2)不需求出系統的數學模型；(3)控制效果好。雖然計算機控制是非連續的，但由于計算機的運算速度越來越快，因此用數字PID完全可代替模擬調節器，并且能得到比較滿意的效果。PID調節電化學加工電流時，首先由集流環采取實際加工電流樣本，通過A/D板轉換為系統可識的數字信號，并與計算值相比較。如果所測值比計算值大，則系統調節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運算速度越快，則控制精度越高。
　　本系統的另一個關鍵技術是如何根據輪齒上某點的位置及要求修形蝕除量較為準確地反求取修形加工控制參數。
　　由于齒輪在電化學修形加工過程中，電解液的化學成份、加工間隙及施電電流的大小將會發生微小的變化，安裝加工設置時也會存在一定的誤差，從而造成各個變量、參數之間交互作用，而齒輪修形量是不是準確，修形區域是否得當，直接取決于施電電流及運動參數的控制精度，因此實時控制的電化學齒輪修形工藝的關鍵在于能及時準確地根據齒輪修形的要求和特點，精確地施入加工電流。經過大量的論證與實驗，我們利用人工神經網絡，避開了加工控制數學模型內部各個參數之間的復雜關系，建立了由n維空間向m維空間的映射關系，從而根據不同類型的齒輪特點，通過實驗數據的訓練，在給定修形區域及修形量的情況下，反求出加工施電規律。通過對實際生產齒輪的修形加工，得到了滿意的結果［4，5］。

4　結論

　　(1)電化學齒輪修形是一種極有價值的修形工藝，具有實用、高效、經濟等特點，對解決硬齒面、高強度、高韌性、大尺寸及特殊結構的齒輪修形難題具有獨到的優勢，在實際應用中值得很好地推廣；
　　(2)為了便于修形加工的自動化，作者設計并制作了實時控制的電化學齒輪修形加工的新裝置，并利用人工神經網絡的智能控制方法，在已知修形量及修形區域的情況下，求取了加工施電規律；
　　(3)對實際齒輪修形加工結果的說明，基于智能控制的電化學齒輪修形工藝是一種實用可行、適應性廣的齒輪修形新方法為解決當前齒輪修形加工面臨的難題提出了一種廣闊的思路。