（机械电子工程专业论文）磨齿机数控砂轮修形系统专用软件的开发.pdf

磨齿机数控砂轮修形系统专用软件的开发 学科：机械电子工程 研究生签字：易诌i 良 指导教师签字： 摘要 大平面磨齿机y 7 1 2 5 修形齿轮的关键在于其配套的砂轮修形系统。现有的砂轮修形 系统中修形曲线是靠工人不断试磨形成的，这对工人的操作技能有很高的要求，尤其当要 修磨特殊齿形时就有很大的困难。同时每一台数控砂轮修形系统都要配备一台工控机，使 得该系统的价格较高。针对这一问题，我们构想了一套主从式的数控砂轮修形系统。用上 位机的砂轮修形系统专用软件完成砂轮修形曲线的生成，用s t c 8 9 c 5 2 单片机最小系统 控制金刚笔修形，u 盘读写模块进行通信。本文的工作是主从式数控砂轮修形系统上位机 的专用软件开发。 首先，作者用两种方法建立了大平面磨齿机y 7 1 2 5 的磨削模型。一种是根据齿形方程 计算砂轮截形。它是利用齿轮啮合理论和磨齿机磨齿原理，运用齿形法线法根据齿轮坐标 系中的齿形方程精确的计算出砂轮的截形方程，依此确定磨削齿轮刀具的砂轮的截形曲 线。另一种方法是根据齿形测量曲线计算砂轮截形。它是通过分析齿轮刀具和砂轮的运动 关系，建立齿轮刀具齿形上的点和砂轮截形上点的一一对应关系，从而找到计算砂轮截形 的方法。两种方法都具有各自的特点和优点，运用这两种方法形成磨制齿轮刀具的砂轮截 形曲线具有很大的实用价值，克服了生产中依据经验修形的问题。 其次，根据所建y 7 1 2 5 磨齿机磨削模型中砂轮截形的计算方法，对修形三种常用的 齿轮刀具：修缘插齿刀、剃前插齿刀和修形剃齿刀建立了齿形方程，给出了修形这三种齿 轮刀具的砂轮截形的计算方法。 最后，作者对该磨齿机数控砂轮修形系统专用软件进行了模块化设计。在系统中，用 户直接输入这三种刀具的基本参数就可以直接生成磨制该刀具的砂轮的修形曲线，并对金 刚笔的修形运动进行仿真。同时保留了编写数控程序控制修形的功能。 该系统的研制简化了砂轮修形曲线的生成问题，用户只需输入刀具参数就得到准确的 修形曲线。同时也降低了砂轮修形系统的成本，有很高的使用价值和前景。 关键词：y 7 1 2 5 磨齿机；齿轮刀具；啮合理论；砂轮截形 d e v e l o p m e n t o fs p e c i a ls o f t w a r eb a s e do nc n cg r i n d i n g m a c h i n ea b r a s i v ew h e e lm o d i f i c a t i o ns y s t e m d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t ur e 办肋z 从 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：了：趴 a b s t r a c t t h ek e yt e c h n o l o g yo fc u t t i n gt o o l sm o d i f i c a t i o no nb i gf l a tg r i n d i n ga b r a s i v ew h e e l m a c l l i n ey 712 5i si t sa b r a s i v ew h e e lm o d i f i c a t i o ns y s t e m t h em o d i f i c a t i o nc u r v eo fe x i s t i n g s y s t e mi sf o r m e db yt h ew o r k e r sc o n t i n u o u s l yg r i n d i n gt e s t i td e m a n d sh i g ho p e r a t i o n a ls k i l l s e s p e c i a l l yi ti sd i f f i c u l tw h e ng r i n d i n gw h e e lo fs p e c i a lt o o t h a n da l s oe v e r yc n c a b r a s i v e w h e e lm o d i f i c a t i o ns y s t e mm u s tb ee q u i p p e dw i t has y s t e mo fi n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r s o t h ep r i c eo ft h es y s t e mi sv e r yh i g h f o rt h e s ep r o b l e m sw ed e v e l o p e da s e to fm a s t e r - s l a v e c o n 仃o lm o ( 1 ec n ca b r a s i v ew h e e lm o d i f i c a t i o ns y s t e mw h i c hu s i n gs p e c i a ls o f t w a r et of o r m m o d i f i c a t i o nc u r v eo fg e a rc u t t i n gt o o l s ，u s i n gs m a l l e s ts i n g l e c h i ps t c 8 9 c 5 2m i c r o c o m p u t e r s y s t e mt oc o n t r o ld i a m o n dp e n t om o d i f y u s bd i s kr e a d w r i t em o d u l ei su s e df o rt h ec o r r e c t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a s t e ra n dt h es l a v ed e v i c e f i r s t m ea u t h o rh a su s e dt w ow a y st os e tu pg r i n d i n gm o d e lo fy 7 1 2 5 t h ef i r s ti s a c c o r d i n gt ot h ep r o f i l ee q u a t i o no fg r i n d i n gw h e e lt o o b t a i nt h ep r o f i l ee q u a t i o no fg e a r c o o r d i n a t e t h i sm e t h o di sd e p e n d e do nt h ep r i n c i p l eo fy 7 12 5g r i n d i n gm a c h i n ea n dt h e t h e o r yo fg e a rm e s ha c c o r d i n gt ot h et o o t hn o r m a ll a w t h ep r o f i l ee q u a t i o no fg r i n d i n g w h e e l i so b t a mo nt 1 1 eb a s i so ft h ep r o f i l ee q u a t i o no fg e a rc o o r d i n a t e t h ep r o f i l ec u r v e o fg r i n d i n g w h i c hc a na c c u r a t e l yg r m dg e a rc u r i n gt o o l si sg a i n e d a n o t h e rm e t h o di sc a l c u l a t i n gt h e g r i n d i n gw h e e lp r o f i l eb a s e do nt h em e a s u r e m e n tc u r v e i te s t a b l i s h t h eo n e t o - o n er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep o i n to ng e a rc u t t i n gt o o t ho fg e a rc u r i n ga n dt h ep o i n to ng r i n d i n gw h e e lb y a n a l y s i st h em o v e m e n tr e l a t i o n so fg e a rc u t t i n gt o o l sa n dg r i n d i n gw h e e l b o t hm e t h o d sh a v e t l l e i ro w i lc h a r a c t e r sa n da d v a n t a g e s t h e r ea r eg r e a tp r a c t i c a lv a l u e sb yu s i n gt h e s et w o m e t h o d st of o r mt h em o d i f i c a t i o nc u r v eo fg e a rc u t t i n gt o o l s ，g e t t i n go v e rt h ep r o b l e mo f g r i n d i n gb ye x p e r i e n c e s e c o n d l y , t h et o o t he q u a t i o n so ft h r e e c o m m o ng e a rc u t t i n gt o o l si se s t a b l i s h e d ， g e a r - s h a p i n g - t o o l ，p r e s h a v i n g c u t t e ra n dg e a r - s h a v i n g 。c u r e ra c c o r d i n gt ot h em e t h o da b o v e g i v et h ep r o f i l eo fg r i n d i n gw h e e l sc a l c u l a t i o nw a y o ft h e s et h r e ec u t t i n gt o o l s f i n a l l y , i ti sd e s i g n e das p e c i a ls o f t w a r eb a s e d o nc n c g r i n d i n gm a c h i n ea b r a s i v ew h e e l m o d i f i c a t i o ns y s t e mb ym o d u l a rm e t h o d i nt h es y s t e m ，i tc a nd i r e c t l yf o r mt h em o d i f i c a t i o n c u r v eo ft h e s ec u t t i n gt o o l sb yt h eu s e ri n p u tt h eb a s i cp a r a m e t e r s i ta l s os i m u l a t e dt h e m o d i f i c a t i o nm o v e m e n to fd i a m o n dp e n i tr e s e r v et h ef u n c t i o no fw r i t en cp r o g r a mt oc o n t r o l t h em o d i f i c a t i o n t h ed e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e ms i m p l i f i e dt h ef o r m a t i o no fm o d i f i c a t i o nc a lv eo f g r i n d i n gw h e e l ，u s e r so n l yn e e d st oe n t e rt h et o o lp a r a m e t e r st h ea c c u r a t em o d i f i c a t i o nc u r v e c o u l db eg a i n e d a tt h es a m et i m ei ta l s or e d u c et h ec o s to ft h es y s t e mw i t hh i g hv a l u ea n d p r o s p e c t s k e y w o r d s ：y 7 12 5g r i n d i n gm a c h i n e ；g e a rc u t t i n gt o o l s ；t h e o r yo fg e a rm e s h ；p r o f i l eo f g r i n d i n g 主要符号表 y 7 1 2 5 磨齿机安装角 凸轮的基圆半径 斜齿条的基圆螺旋角 基圆齿槽半角 渐开线展开角 渐开线曲率半径 基圆半径 齿轮齿数 齿轮模数 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿形角 间隙系数 齿顶高系数 变位系数 插齿刀分圆半径。 分圆压力角 插齿刀的顶刃后角 插齿刀修缘齿形角 插齿刀前角 基圆齿厚所对圆心半角 剃前插齿刀凸角厚度 剃前插齿刀凸角宽度 略铀屏町甜 p 0 z m以办吩矗口 吃哆7 f h f 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业学院有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属西安工业学院。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果 或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍为西安工业学院。学院有权保留送交的学位 论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导老师签名 日期：2 0 0 易璐 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，学位论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或 他人己申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：左步孑骈 指导老师签名： 日期： 2 0 0 5 7 l 绪论 1 1 选题的目的及意义 1 绪论 修形齿轮刀具的关键在于砂轮的修形系统，砂轮修整精度的高低是影响工件表面质量 和精度的关键因素。大平面砂轮型磨齿机y 7 1 2 5 是我国齿轮加工的重要设备，主要用来 磨削剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具和标准齿轮。但由于其修形系统采用的是机械式靠模修整 装置，砂轮的形状由靠模来决定。砂轮的修形精度与靠模的制造精度、安装精度及操作者 技术熟练程度有关。当刀具齿形有微小的变化时，相应的，砂轮的截形也随之而变，这就 需要重新制造靠模板。因而，这种修形方法的效率是很低的，且不具有通用性【。 y 7 1 2 5 磨齿机在国内应用广泛，在短期内进口一台先进的高档数控磨床在资金方面为 各企业也带来了二定的困扰。因此在原有的y 7 1 2 5 磨齿机的基础上对该磨床进行数控化 改造成为了当务之急。用较低的成本来达到较高磨齿精度和生产效率，这样就可以为企业 降低成本，提高利润，满足企业的生产需要【2 】。 西安工业大学研制并出售的砂轮修形系统，用于y 7 1 2 5 磨齿机上，以代替原来机床上 使用的机械式砂轮修整器可适应磨削修形剃齿刀、修形插齿刀以及齿轮的给定齿形。该系 统包括两大部分：砂轮修整器机械部分和驱动系统；数控系统这部分由工业控制 机控制，它包括工控机、显示器和驱动系统。砂轮型面形状由软件控制，这样就可方便的 磨出各种形状的修形剃齿刀和插齿刀。生产效率、加工质量都有较大程度的提高。用户通 过编写修形曲线数控程序来控制修形器金刚笔修形。砂轮的修形曲线也是靠不断试磨形成 的。工人需要根据产品的测量报告反复修改数控程序，不断试磨，才能得到精准的砂轮截 形曲线。这就对操作工人的个人技能有了更高的要求。同时每一台数控砂轮修形系统都要 配备一台工控机，使得该系统的价格较高，加之该系统放在生产车间中，占地面积较大， 砂轮修整环境较恶劣，电磁干扰严重；步进电机的大功率、高电平的信号也会对微机造成 干扰。 因此为了再次降低成本及避免原有数控砂轮修形系统的弊端，我们构想了一种以 s t c 8 9 c 5 2 为核心器件的数控砂轮修形系统。提出了一种主从式控制模式，即用基于 w i n d o w s 操作系统的台式机作为上位机，完成修形各种齿轮刀具的砂轮截形曲线的生成 和修形器金刚笔修形运动的仿真，用单片机最小系统实现修形器金钢笔x 轴，z 轴联动 控制，完成自动加工，手动加工，限位保护，复位的功能。采用u 盘读写模块实现上位 机与下位机的正确通信。 其中修形各种齿轮刀具的砂轮截形曲线的生成，和以前系统中通过编写数控程序不 同。新系统中运用了齿轮啮合理论建立了y 7 1 2 5 磨齿机的磨削模型，加入了砂轮截形的 计算功能。通过输入修缘插齿刀、剃前插齿刀和修形剃齿刀这三种齿轮刀具的主要参数， 西安丁业大学硕士学位论文 就可以自动生成出磨制这三种齿轮刀具所需的砂轮截形曲线来。随着输入的刀具基本参数 的改变，相应系统生成的砂轮截形曲线也随之改变。该功能的引入提高了新系统砂轮修 形曲线的精确性，同时具有很大的通用性。避免了经验修形的弊端，提高了磨齿精度。另 外，上位机可以和现有的齿轮测量中心配套，使齿轮测量中心测得的齿轮，剃齿刀及插齿 刀的参数能够直接用于砂轮修形系统中，计算拟合出砂轮的截形曲线，再由下位机控制修 形。磨齿机使用砂轮修整出的齿轮刀具可送入齿轮测量中心进行检测，可检测出加工齿轮 刀具是否合格，再将测得参数送入数控砂轮修形系统中，对砂轮的截形曲线进行修整，再 进行修形，从而形成了个闭环系统。 这样以来，我们就可以把上位机单独放在一个专门的操作间内，工人用它得出修形曲 线。把下位机安装在y 7 1 2 5 磨齿机上控制砂轮修形器进行修形。用一台上位机可以完成 对多台磨齿机砂轮的修形控制。实现了“一对多”的控制方式。该系统的研制在生产实践 方面有着重大的意义。 1 2 磨齿机数控化改造的目的和意义 1 2 1 磨齿机的发展现状分析 综合国内外磨齿机的发展，已经形成了多种规格和功能的系列产品。德国、日本、美 国、意大利的数控磨齿机都有很大的发展【3 j 。在国外数控磨齿机领域取得成就并且水平比 较高的有德国的尼利斯( n i l e s ) 公司、赫夫勒( h o f l e r ) 公司、k a p p 公司、r e i s h a u e r 公 司、g l e a s o n 公t 4 j 。 n i l e s 公司生产磨齿机的历史有6 0 多年，已生产了近3 0 种型号的磨齿机。8 0 年代中 期，该公司开发研制了c n c 磨齿机。9 0 年代，为了在大规模磨齿机的竞争中取得优势， 研制的z s t 3 5 c n c 和z s t 4 0 c n c 大规模数控磨齿机，可加工直径为3 5m 和4m 的齿轮。 h o f l e r 公司8 0 年代初期就开始研制c n c 锥面砂轮磨齿机。随后开发了h 8 0 3 等系列 的磨齿机，首次对砂轮修整器采用了c n c 控制。在1 9 8 9 年第8 届汉诺威欧洲机床博览 会上展出的新一代n o v a c n c 系列磨齿机，可加工直径为4 8 0 、6 5 0 和9 0 0 m m 的齿轮，各 种运动均由c n c 控制，齿向误差和齿距误差仅为l1 t m 。 k a p p 公司是世界上生产成形砂轮磨齿机的王牌企业，公司自成立至今，不仅向世界 上提供了各类成形砂轮磨齿机及成形齿轮刀具，同时还提供该公司开发的先进工艺技术， 并提供不同的按加工要求选择的模具方案。k x 3 0 0 p 磨齿中心是在k x 系列磨齿机基础上 开发成功的模块化新产品。可选择上述加工工艺过程中无需修整砂轮的新型加工工艺( 连 续磨齿、间断磨齿、复合方式磨齿) ，适用于外斜齿和直齿淬硬齿轮精加工。特别适用于 飞机制造行业中传动装置及其配件、齿轮箱、行星齿轮、泵叶轮等类似工件的大批量及重 复性批量生产。 r e i s h a u e r 公司在2 0 0 3 年推出了新概念的r z l 5 0 磨齿机( 复合工件主轴、c 轴驱动) 。 特别适合于硬齿面齿轮的大批量精加工生产。它的主要特点是使用齿廓两侧修形程序，使 2 l 绪论 左右两侧齿廓不同的修形成为可能，砂轮修整方便快捷。 在国内磨齿机生产的主要厂家有秦川机床厂、上海机床厂、重庆机床厂的单位。尤其 是秦川机床厂是我国生产齿轮磨齿机系列最全的厂家，现己形成七个系列2 0 0 余种规格的 齿轮磨床。 1 2 2 数控化改造的意义 虽然磨齿机有了很大的发展和相当的规模，但是与世界先进水平相比还有很大的差 距。国内磨齿机产品品种、规格都比较齐全。价格较为便宜，一般是国外同类产品机床销 售价的1 7 到l 3 。工作精度可以稳定达到4 到5 级要求，可以满足高精度齿轮的加工要 求。但是同国外的磨齿机相比较仍然存在一定的差距。在精度上国外的磨齿机几乎全部采 用c n c 控制，加上采用高精度轴承、直线电动机、高速主轴、高精度导轨、滚柱丝杠、 光栅等，使机床的加工精度有了较大的提高。由于在机床机构设计、零件加工质量和一致 性、测试手段及装配要求方面我国同国外存在较大差距，致使国外的机床工作精度和稳定 性方面比国产机床更高一些。在效率、柔性化和功能复合化方面也有较大差距。 但是在国内仍有相当大的一部分普通的机床，对于绝大多数企业无论是从生产规模和 资金状况而言，淘汰这些普通机床，购置先进的数控磨齿机是很不现实的。因此在短期内 实现功能、性能更高的数控磨齿机的更新替代是不可行的，我们不能丢弃正在大量使用的 这些较老的机床。为此，我们必须在现有机床的基础上进行数控化改造。提高它们的磨齿； 质量和精度，使它们能够达到与先进数控磨齿机近似的精度和效率。这样不仅可以为国内 的企业降低生产成本，而且提高了磨齿精度和生产率【5 1 【7 1 。 通过了对国内外磨齿机发展现状的分析，在我国实现磨齿机数控化改造具有很大的现 实意义。这也是本课题的着眼点所在。y 7 1 2 5 型磨齿机是一种年代较久远的大平面砂轮磨 齿机，目前在国内应用较多。其存在的主要问题是自动化程度低，机床主要靠工人手工调 节和操作，工人劳动强度大、生产效率低下，加工精度随工人的操作水平变动较大。实现 现有大平面磨齿机y 7 1 2 5 的数控化改造将会为我国齿轮制造行业带来很大的实用性和经 济效益。 1 3c n c 修整法的发展及现状 c n c 修整法是一种柔性很大的修整方法。主要由电机控制修形器金刚笔的运动，通 过软件程序的编写控制金刚笔修形出所需要的各种砂轮的截形曲线。易于实现自动化，加 之还可以利用软件进行磨削误差的补偿，因此这种修整方法就有很大的实用价值，也是砂 轮修形器的一个发展方向【8 1 1 9 。 1 3 1国外c n c 修整法的发展概况 c n c 修整法在国外开展的较早，首先是日本的津田展宏用变态圆弧逼近渐开线砂轮截 形，研制了数控圆弧修形器。提高了齿轮的磨削精度。随之，各国纷纷开始了数控砂轮修 西安丁业大学硕士学位论文 形器的研制。德国研制的c n c 成形砂轮修形器也成功的用在了h s s 3 5 0 数控螺纹磨床上。 英国的d i a f o r m 公司在1 9 8 2 年就成功地研制了数控修形器，采用直流伺服电机系统和光 栅反馈元件，金刚笔的运动精度达到了o 0 1m m ，把磨削的加工水平提高了一大步。 r e i s h a u e r 公司研制的一种两坐标砂轮修形系统，利用两根金刚笔分别修整两个砂轮的两 个侧面，用直流电机进行驱动，检测元件用脉冲传感器，提高了修形效率【1 0 】。 1 3 2国内c n c 修整法的发展及应用 我国在c n c 砂轮修形器的研制方面也取得了一定的成果。西安交通大学在19 8 7 年研 制成功x j d 1 型微机控制成型砂轮修整系统，并通过了省级鉴定【u 】。该系统的使用精度达 n o 0 1m m 。后来他们经过十几年的研究形成的s x 系列数控砂轮修形系统已在国内数十余 家齿轮厂获得了广泛的应用。数控砂轮修形系统主要用于国产y 7 1 2 5 磨齿机上，以替代机 床上原有的机械靠模砂轮修整器。系统的机械修形部分均采用原机床上修整器的底座安装 尺寸，故安装时不需要对机床作任何改装，十分方便。修整器系统具有结构简单，维修方 便，重复定位精度高等优点。 秦川机床厂与重庆大学合作开发的数控修整器应用于公司的大平面砂轮磨齿机上，生 产出了我国汽车工业急需的可磨径向剃齿刀的数控磨齿机，填补了国内空白。上海机床厂 也研制成功了金刚滚轮两坐标砂轮修整系统。 浙江汤齿集团有限公司也成功的用数控技术改造y 7 1 2 5 a 磨齿机砂轮修整器。以 m c s 5 1 系列单片机8 0 3 l 为核心的主板电路；以芯片8 2 9 7 为核心的键盘显示电路，主要包 括数码显示电路和键盘接口电路。步进电机驱动接口电路，包括标准的步进电机驱动模块 与主板间的接口电路和驱动模块与步进电机间的接口电路。该系统的主要功能有：实行x ， z 两坐标控制。x 为沿砂轮径向，y 为沿砂轮轴向；具有r a m 掉电保护功能；用户可用十 进制方式编制加工程序；十进制方式显示编程参数及加工坐标值；经程序算出剃齿刀修形 量和修形曲线，并通过单片机控制机上键盘，输入修形长度和最大修形量两参数后，就可 随机的获得被磨剃齿刀所需要的齿轮廓形形状。且可通过键盘任意改变修形曲线的上、下 位置。具有安全保护和软件限位功能。 2 0 0 4 年，洛阳轴承工模具公司成功的研制了一种新型双坐标数控砂轮修整器。该产品 由洛阳轴承工模具制造公司和装备研究所共同研制，主要用于轴承磨加工工序对砂轮复杂 形面的修整。按照技术要求，该产品的机械和电气部分，分别采用了滚珠丝杠、直线导轨、 柔性连轴器和双数控触摸式人机界面电气系统。一次可存储5 0 个不同型号的数据程序，既 可满足直线和圆弧形状砂轮端面的修整，又能根据不同要求，精确地对砂轮形面进行复杂 的曲线修整。该产品的成功研制，是洛轴在数控砂轮修整器方面的一次技术性突破，其 机械性能、砂轮形面修整的精度和能力，目前在行业内处于领先水平，具有较高的实际应 用和推广价值【1 2 】 【1 4 l 。 4 1 绪论 1 4 课题研究的主要内容 在本课题的研究中，y 7 1 2 5 磨齿机的磨削模型的建立及磨削齿轮刀具的砂轮截形计算 是一个关键及难点，为修形曲线精确化奠定了良好的理论基础，克服了生产中依据经验修 形的问题。这也是本课题的创新点和核心所在。 课题的主要内容包括以下几点： 1 ) 对于软件所要应用的大平面磨齿机y 7 1 2 5 磨齿原理进行了研究。查阅了大平面磨 齿机y 7 1 2 5 的详细资料，详细了解了该机床的工作原理，给出了磨制各种齿轮刀具的机床 调整参数的计算方法。 2 ) 学习了齿轮啮合原理，根据大平面磨齿机的磨齿原理建立了磨削数学模型。根据 齿轮坐标系中的齿形方程计算出砂轮的截形方程，从而得到了磨削该齿轮刀具的砂轮截形 曲线。对建立的磨削数学模型进行了基础的验证，编写了磨削给定齿形齿轮的砂轮截形计 算的程序，可根据齿轮的相关参数算出砂轮的截形，并且与生产实践中的砂轮截形曲线一 致，证实了算法的可行性。 3 ) 根据齿轮刀具和砂轮的运动关系，建立齿轮刀具齿形上的点和砂轮截形上点的一 一对应关系。研究了由生产实践中的齿形测量曲线计算砂轮截形的方法。 4 ) 定性的分析了修形修缘插齿刀、剃前插齿刀、修形剃齿刀时砂轮的截形曲线。根 据已研究的磨削模型中砂轮截形的算法，分别研究了磨削修缘插齿刀、剃前插齿刀及修形 剃齿刀这三种齿轮刀具的砂轮截形的计算方法。 5 ) 编制磨齿机数控砂轮修形系统专用软件，该软件的主要功能是输入修缘插齿刀、 剃前插齿刀及修形剃齿刀这三种齿轮刀具的基本参数系统会自动生成磨削该刀具的砂轮 截形曲线，并能将所生成的砂轮修形曲线的坐标值保存成t x t 文件为下位机的金刚笔修形 做准备，及修形器金刚笔修形的仿真模块。同时仍保留了以前系统通过编写数控程序控制 修形的模块。 6 ) 该专用软件连同砂轮修形器硬件系统一起在大平面磨齿机y 7 1 2 5 进行修形测试，并 进行系统误差分析。 1 5 本章小结 本章首先对本课题的目的和意义作了详细的论述。并对国内外相关领域的发展及研究 现状作了分析。为本课题的研制提供了一定的背景知识和帮助，最后对论文主要研究的内 容作了概括。 5 阿安刚k 人中硕十学化论文 2y 7 12 5 磨齿机磨齿原理和系统总体结构简介 2 1y 7 1 2 5 磨齿机概述 y 7 1 2 5 型磨齿机( 图21 ) 是种生产年代较久的大平面砂轮型磨齿机，日前在国内 应用比较多。型号中的第二位数字l ，足人甲面砂轮型的旧编号，照新的编号这一位数字 本来应是4 ，但足按照规定，这种生产已久的机床型号小再变动，所以仍用1 t ”i 。 图2 iy 7 1 2 5 型磨齿机 y 7 1 2 5 型磨齿机的用途，主要是磨削插齿刀、剃齿刀等齿轮刀具和标准齿轮的渐开线 齿形。y 7 1 2 5 型磨齿机可以磨削的齿轮规格如r ：齿轮直径2 0 2 5 0 埘埘，模数l 8 m m ， 8 1 2 0 牙，螺旋角o 。4 5 。砂轮直径为4 0 0 m m 。 2 1 1 机床的磨齿原理 y 7 1 2 5 足利用齿条和齿轮啮合原理i 作的如图22 所示，砂轮的工作端面相当于“假 想直齿条”的一个牙齿侧面。靡荫时，砂轮的位置固定不动，为形成磨削训到与节线纯滚 动，齿轮一面旋转，它的中心同时要沿着和矿胪平行的方向做展成运动。这个展成关系 靠一个渐丌线凸轮3 和档块4 米实现。砂轮端面作为“似想齿条”与齿轮啮台时纯滚动节 线是倾斜的，故需要调整工作台i 使其倾斜一个d 。的角度( 丁件头架滑座2 沿着工作 台的导轨滑动) ，即齿条牙齿的端血压力角，在这里也就是磨削角。渐开线凸轮的基圆半 径h 决定磨削的节圆半径。设被磨齿轮基圆半径一，则自以下关系式： rr c o s d 。= 上= 土一( 21 ) “7 i 2y 7 1 2 5 磨齿机磨齿原理和系统总体结构简介 口安- - 般在2 0 。上下较为合适，大约为1 3 。 - - 2 5 。根据被磨齿轮的基圆半径，选择 合适的凸轮，使口安在合适的范围内。 图2 2y 7 12 5 磨齿机的磨齿原理 1 ) 在磨直齿轮时，只要把工作台按( 2 1 ) 式计算的口安值调整一个角度，如图2 3 ( a ) 所 示，就使砂轮的工作端面相当于“假想齿条”牙齿的一个侧面了。 2 ) 在磨斜齿轮时，为了使砂轮的工作端面相当于“假想齿条 牙齿的一个侧面，除 了将工作台调整一个口安角外，还要转动立柱，使砂轮轴线在水平面彳一彳内转过一个角度， 如图2 3 ( b ) 所示，这个角度是斜齿条的基圆螺旋角，也就是被磨齿轮的基圆柱螺旋角岛。 伊。 j j 热瓜 心 - y 影心拶 、“乡 一 、 oj l | l 精| l 枯 ( a ) 磨直齿轮 ij 0 、 ： lt弋 ( b ) 磨斜齿轮( c ) 磨插齿刀 图2 3 磨制不同齿轮刀具砂轮位置的调整 7 两安工业大学硕士学位论文 3 ) 在磨插齿刀时，由于插齿刀的齿侧表面是渐开线螺旋面，相当于斜齿轮的齿侧面， 故磨齿形时应按插齿刀的侧刃后角转动砂轮平面，如图2 3 ( c ) 所示。插齿刀的侧刃后角即 基圆螺旋角风。 t a n o ! _ c = t a r t 危o = s i n a i , , t a n a e ( 2 2 ) t a n 口， t a n a 向= - 上一 ( 2 3 ) p l t a n y t a n 口。 其中，口r 为基准齿形角，口j i f 为刀具齿形角，y 为前角，吼为顶刃后角。 2 1 2 机床的传动系统 y 7 1 2 5 磨齿机的传动系统由砂轮旋转运动( 主运动) 传动装置以及分度机构和头架摆 动机构的传动装置所组成的，砂轮是由功率为1 5 瓦、转速为1 4 1 0 转分的电动机通过三 角形皮带来带动的。两组皮带轮的直径相同，所以砂轮的转速与电动机相同。 头架摆动机构和分度机构的运动是由功率为1 1 瓦、转速为9 2 5 转分的电动机带动 的，通过有极皮带轮将4 种不同的转速2 6 7 转分、4 3 2 转分、5 2 3 转分、7 1 4 转分( 已 考虑皮带有2 的滑动) 传给主蜗杆轴。 蜗杆轴带动的两个运动链运动：头架摆动运动和分度运动。下面就简单的介绍了这两 个运动的实现过程。 1 ) 摆动运动：摆动运动( 即展成运动) 是由渐开线凸轮及挡块实现的，其传动路线 为：蜗杆带动蜗轮旋转，在蜗轮轴上装有曲柄摇杆机构的主曲柄，然后至连杆、双臂杆摆 动、马刀形杠杆( 连于摇杆) ，马刀形杠杆另一端与头架摆动机构主体铰链，摆动主体与 外主轴相连联，在主轴上装有渐开线凸轮( 靠模板) ，凸轮的靠模面支撑在可调节的档块 的端面上，依靠配重锤使它们经常接触。当摆动机构往复摆动时，凸轮也一起摆动，因此 头架获得沿滑座导轨的往复运动，在返回程时，是借配重锤作用而使头架回复原位的。主 曲柄转一转，工件头架往复移动一次，就磨出一个齿面，随即由分度机构分过一齿。 2 ) 分度运动：主蜗杆经过两对锥齿轮使软轴转动，软轴后端连接着蜗杆，使蜗轮转 动。蜗轮的前面装着凸轮。当工件头架每次行程的终了开始分度时，凸轮顶起卡在分度盘 槽中的定位爪，蜗轮带动马尔吉斯盘转过1 4 转，这一转动在经过分度机构交换齿轮和齿 轮传给分度盘，使分度盘转过一个角度。在凸轮继续转动时，定位爪由落下插入分度盘， 使分度盘转过一个角度。在凸轮继续转动时，定位爪又落下插入分度盘的下一个槽中，完 成分度动作。 除了上述主要传动外。还有一系列辅助调整机构及操纵机构，这里就不再累述了【1 7 1 。 2 2 系统的总体结构 我们开发的磨齿机砂轮修形系统主要的优点是：使用一台p c 机可以同时控制生产车 8 2y 7 1 2 5 磨齿机磨齿原理和系统总体结构简介 间的多台砂轮修形器进行修形，实现了“一对多的控制。用基于w i n d o w s 操作系统的 台式机作为上位机，完成砂轮修形曲线的计算及加工形状的仿真，用单片机最小系统实现 修形器金钢笔x 轴，z 轴联动控制，完成自动加工，手动加工，限位保护，复位的功能。 采用u 盘读写模块实现上位机与下位机的正确通信。这种设计可以大大的降低砂轮修形 器的生产成本，同时砂轮修形曲线的计算模块的引入也提高了修形的准确性和通用性。系 统的原理框图如图2 4 所示。 图2 4 系统的总体结构框图 本系统具有以下功能： ( 1 ) x 方向和z 方向的两坐标控制； ( 2 ) 可直接输入所磨削的剃齿刀、插齿刀等的基本参数直接形成磨削这些齿轮刀具的砂 轮截形曲线的坐标值；用户也可用十进制编制加工程序形成修形曲线。 ( 3 ) 在液晶显示器上显示加工中的实时坐标值，和金刚笔的运动速度； ( 4 ) 具有软件限位保护； ( 5 ) 具有机械原点； 2 3 修形器的机械结构 我们采用已经成熟的机械结构。这里将它的具体情况作一个简要的介绍。由使用要求 可知，本系统的机械执行机构，需要具有x 和z 向两个坐标的运动，是一个两轴联动系 统。但实际使用中所要求的运动轨迹在z 方向上移动量较小，最大仅有2 5 m m 。若x 、z 向均采用平直导轨，不易实现且机构的体积较大，制造成本亦较高，所以机械部分采用x 轴平动，z 轴采用摆动代替平动的设计方案f 1 8 】。机械机构示意如图2 5 所示。 根据修形插齿刀和剃齿刀加工的实际情况，设定x 向总行程为2 8 m m ，z 向总行程为 2 5m m ，就可以满足实际生产中各种修形的要求。 9 西安工业大学硕士学位论文 2 4 本章小结 图2 5 机械系统结构 本章通过查阅了大平面磨齿机y 7 1 2 5 的详细资料，详细了解了该机床的工作原理、磨 制各种齿轮刀具的机床调整参数的计算方法、机床的传动系统、砂轮修形器的机械结构。 为下文建立修形各种齿轮刀具的磨削模型打下了良好的理论依据。对磨齿机数控砂轮修形 器的系统总体结构作了分析，并介绍了它所具有的功能。 1 0 3y 7 1 2 5 型磨齿机磨削模型的建立 3y 7 12 5 型磨齿机磨削模型的建立 齿轮啮合原理是研究新的齿轮传动形式和研究新的齿轮加工技术的很好的理论方 法，通过这种方法的分析、计算和理论高度的概括和科学的抽象，可以更正确、更完善的 反映齿轮啮合的本质，并可以从中发现齿轮传动中难以得到的规律【2 0 1 。本文研究的磨 齿过程实际上是以固定砂轮面作为齿条，相对运动由被加工齿轮的斜向运动来完成，这样 的磨齿过程实际上就是砂轮面与被加工齿轮的啮合过程 2 1 】。 3 1 根据齿形方程计算砂轮截形 该方法是运用磨齿机y 7 1 2 5 的磨齿原理和齿轮啮合原理建立了磨削齿轮刀具的数学 模型，依据齿形法线法由齿轮坐标系中的齿形方程得到砂轮坐标系中的截形方程，具体的 算法如下。 3 1 1 坐标系的建立 在上一章中，我们详细的介绍了y 7 1 2 5 磨齿机磨齿原理。由磨齿啮合工作原理，y 7 1 2 5 磨齿机是砂轮的大平面与被磨齿轮的单齿面啮合，通过摩擦起到磨齿的目的。其中砂轮轴 固定，砂轮绕其轴线高速旋转；被磨齿轮沿着与水平成安装角的形一形方向( 图2 2 往复移动，并绕轴线转动，伤角为被磨齿轮绕初始坐标系转过的角度 2 2 1 。相应的我们可 以看作是齿轮在形一形方向不动，砂轮在该方向做往复运动。y 7 1 2 5 是利用齿条和齿轮啮 合原理工作的，根据这种运动关系建立图3 1 的坐标系： 图3 i 齿轮与砂轮啮合的坐标系 西安工业大学硕士学位论文 作固定坐标系s ( o ，一x ，y ) ，齿轮的中心为d 2 ，节圆的半径为r 2 即凸轮的基圆半径， 节点为o i 。以。为原点作与齿轮2 固联并随它一起转动的坐标系蔓( o ：，- - x 2 ，) 坐标系，在 以0 1 为圆点作固定的坐标系s ( d l ，一五，咒) ，m 轴与y 轴夹角为口安，与此同时，而轴与 节线方向( o ，d ，) 夹角为口安。再作一个与砂轮固联并随它起移动的坐标系s ( d 3 一屯，乃) ， 在起始位置，s 与s 重合。 1 ) 迎到s 的坐标变换： 卜z 圈y c o s 够：- s i n 够2 习 ， t = t 2 = 常数 2 ) s 到s 的坐标变换： 享 = a 。r 手 毛。= 一c s o t s ：0 口嘻安c s 。i n 苫a 安安 = 忙常数 3 ) 曼到s 的坐标变换： m ：目 ic o s 略c o s 仍+ s i n 略s i n 仍一c o s 略s i r 仍+ s i n 略c o s 仍 m 2 = m o 2 i _ s i n c r 安c o s 仍+ c o s o r 安s i n c p 2s i n a 安s i n 锡+ c o s 口安c o s 仍 1 0 0 ic o s ( 一仍) s i n ( a 安一仍) _ s i n a 安i = l s i n ( a 安一仍) c o s ( a 安一仍) 一c o s o f _ 安i 【- 0 0 1 j 融。豳”雕竿 1 2 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 咯吩 证， s c 吨吨 1j 嗨嗨 l s 0 l s c 呸眨 一 一 3y 7 1 2 5 型磨齿机磨削模型的建立 5 ) s 到墨的坐标变换： 蓍 = a 乞。 i 肋= 乙。 。= ic o s ；c s 。i n 了c c 安安 毛= f = 常数 6 ) 最到s 3 的坐标变换： 融：圈 ic o s o ：安c o s 仍+ s i n o r 安s i n q 2 一c o s 口安s i n e p 2 + s i n a 安c o s q ，2 2 卜略鼢x 螂略血一h s ，i n q 2 ：溅唧0 s 伤 c o s ( a 安一仍) s i n ( a 安一仍) - r 2s i n a r 安+ s f a 2c o s a 安 - - i s i n ( a 安一仍) c o s ( a 安一仍) 一r 2 c o s 魄一，2 仍s i n a 安l l 001 j ( 3 5 ) ( 3 6 ) 3 1 2 齿形法线法求解砂轮截形 这种方法是直接利用齿形啮合基本定理，这里就不做详细介绍了。在图3 1 中，齿轮 2 在坐标系墨中作转动，砂轮在& 中作平动。根据齿轮和砂轮的相对速度已知齿轮齿 形的法矢= 0 的条件，可以在齿轮坐标系中求得一点m ，它的法线通过瞬心点d 1 ，则m 点 就是齿轮齿形和砂轮的接触点。齿轮转过一个角度，齿形转至另一位置，同样可以在其上 求得法线通过此时瞬心点的m 7 点，过程中一系列的接触点的位置，在固定坐标系s 中的 轨迹就称为啮合线。接触点在移动着的砂轮坐标系s 3 中的轨迹就是所要求的砂轮截形田】。 齿形方程式确的计算公式 显函数式 y 2 = 厂(