（机械设计及理论专业论文）数控滚齿加工自动编程系统的研究与开发.pdf

硕卜等f 沦义 摘要 齿轮是机械行业的重要基础件，滚齿法是齿轮加工中广泛应用的方法。齿轮加工采 用手工编程需人工进行工艺处理、数值计算、编写程序、输入和校验程序等步骤，其计 算量大，出错率高且编程效率低。通用c a d c a m 自动编程软件，如u g 、p r o e 等， 需首先建立零件的精确几何造型，提取零件的几何和工艺信息生成数控代码。而绘制齿 轮的精确齿形困难，故齿轮数控加工不适用于c a d c a m 通用软件编程。 为有效解决这一问题，根据齿轮的形状和大小可由有限个参数确定的特点，本论文 提出了一种适合滚齿加工的自动编程方法。其核心是通过人机交互界面输入一定的齿轮 参数、滚刀参数、工艺参数等参数，在运算库和工艺库的支撑下，经参数处理模块自动 生成齿轮数控加工的n c 程序。 本论文针对渐开线齿轮，重点研究了非圆齿轮中应用较广的椭圆齿轮和卵形齿轮的 自动编程。在分析非圆齿轮数控滚齿加工原理的基础上，建立了椭圆齿轮和卵形齿轮滚 齿加工的数学模型。根据有限个参数即可确定齿轮形状的特征，分析了滚齿加工的自动 编程思想，在此基础上研究了滚齿加工自动编程系统的架构。采用面向对象技术，完成 人机界面、参数处理和仿真模块的设计。针对滚齿加工中切削参数依赖于操作人员经验 选择的缺陷，对切削参数的优化进行了研究，建立了滚齿切削参数的多目标优化模型。 编程系统具备自动生成n c 代码，参数输入与校验，工艺知识查询与优化等功能。 应用数控滚齿加工自动编程系统，可避免手工编程的不足，缩短齿轮生产周期，提 高数控机床的利用率，降低职业技术门槛。 关键词：齿轮；自动编程；滚齿加工；数控编程； a b s t r a c t t h e g e a ri sa ni m p o r t a n te l e m e n ti nm a c h i n eb u i l d i n g ，a n dg e a rh o b b i n gi s o n e o ft h em o s tw i d e l ya p p l i e dp r o c e s s i n gm e t h o d s t h em a n u a lp r o g r a m m i n gm e t h o do f g e a rh o b b i n g ，w h i c hu s e sm a n p o w e rt oc a r r yo np r o c e s s i n gp r o c e d u r e ，c o m p u t i n g c o m p i l i n gp r o g r a m m i n g s ，i n p u t i n gp r o g r a m m i n g s ，c h e c k i n gp r o g r a m m i n g sa n d s oo n ， u s u a l l yl e a d st oh u g ec a l c u l a t i n gw o r k ，h i g he r r o rr a t ea n dl o we f f i c i e n c y g e n e r a l c a d c a ma u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs o f t w a r e ，s u c ha sp r o e ，u ga n ds oo n ，n e e d st h e p r e c i s eg e o m e t r ym o d l e o fp a r t sa n dt h e ne x t r a c tt h eg e o m e t r ya n dp r o c e s s i n f o r m a t i o nt og e n e r a t en cc o d e h o w e v e r ，t h ep r e c i s ep r o f i l eo fg e a ri sh a r dt o d r a w , s oi td o e sn o ta d a p tt oc a d c a ms o f t w a r et og e n e r a t en c c o d e i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e me f f e c t i v e l y ，a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i ct h a tt h e f i n i t ep a r a m e t e r sd e t e r m i n et h es h a p ea n ds i z eo fg e a r ，t h i st h e s i sp r o p o s eas u i t a b l e a u t o p r o g r a m m i n gm e t h o do fg e a rh o b b i n g t h ec o r eo ft h em e t h o di si n p u t t i n g a c e r t a i ng e a rp a r a m e t e r s ，h o bp a r a m e t e r s ，t e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n ds oo nt h r o u g h p e o p l e m a c h i n ei n t e r f a c e ，w h i c ha u t o m a t i c a l l yg e n e r a t en c c o d eo fg e a rh o b b i n gb y p a r a m e t e rp r o c e s s i n gm o d u l ei ns u p p o r to ft h eo p e r a t i o n a la n dt e c h n o l o g yd a t a b a s e i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c he m p h a s i si sp u to na u t o p r o g r a m m i n go fe l l i p t i c a l g e a ra n do v a lg e a rw h i c hi sw i d e l ya p p l i e di nn o n - c i r c u l a rg e a r o nt h eb a s eo ft h e p r o c e s s i n gt h e o r yo fn o n c i r c u l a rg e a rh o b b i n g ，t h em a t h e m a t i c a lm o d eo fm a c h i n i n g e l l i p t i c a la n do v a lg e a r si se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tf i n i t e p a r a m e t e r sd e t e r m i n eg e a rs h a p e ，t h ei d e ao fa u t o p r o g r a m m i n go ft h ep r o c e s s i n go f g e a rh o b b i n g i sa n a l y z e d ，o nt h eb a s e o fw h i c hs t u d y t h es k e l e t o no ft h e a u t o p r o g r a m m i n gs y s t e mo ft h eg e a r h o bp r o c e s s i n g a d o p t i n go b j e c t 。o r i e n t e d t e c h n o l o g y ，p e o p l e m a c h i n ei n t e r f a c ei sr e a l i z e da n dp a r a m e t e rp r o c e s s i n gm o d u l e ， s i m u l a t i o nm o d u l ei sd e s i g n e d b e c a u s eo ft h eh a n d i c a pt h a tt h ec u t t i n gp a r a m e t e r s d e p e n do nt h ee x p e r i e n c eo fo p e r a t o r s ，t h eo p t i m i z a t i o no fc u t t i n gp a r a m e t e r s i s s t u d i e da n dm u l t i o b je c t i v e o p t i m i z a t i o n m o d e lf o r g e a r h o b p a r a m e t e r s i s e s t a b l i s h e d t h ep r o g r a m m i n gs y s t e mh a st h ef u n c t i o no fg e n e r a t i n gn cc o d e s ， p a r a m e t e r si n p u t t i n ga n dv a l i d a t i o n ，t h ei n q u e r o ft h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n d o p t i m i z a t i o na n ds oo n t h ea u t o p r o g r a m m i n gs y s t e mo fc n cg e a rh o b b i n g ，c a na v o i dt h es h o r t a g eo f m a n u a lp r o g r a m m i n g ，s h o r t e nt h ep r o d u c t i o np e r i o do fg e a r ，i m p r o v et h eu t i l i z a t i o n l i 硕l j 学付论文 e f f i c i e n c yo fc n c m a c h i n e sa n dd e c r e a s et h ep r o f e s s i o n a lt e c h n i c a lt h r e s h o l d k e yw o r d s ：g e a r ；a u t o m a t i cp r o g r a m m i n g ；g e a rh o b b i n g ；n cp r o g r a m m i n i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 余栽日期：知叼年彳月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：知刁年6 月7 日 e l 期：力们乡年歹月乡日 反 击 工疑水挺挪 硕i ：学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术的发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新换代周 期越来越短，多品种、小批量的生产比重明显增加；同时，复杂形状的零件越来 越多，精度要求也越来越高；此外，激烈的市场竞争要求产品的生产周期越来越 短，传统的的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零 件的高效高质量加工要求。因此，近几十年来，能有效地解决复杂、精密、小批 多变零件加工问题的数控加工技术得到了迅速发展和广泛应用。 数控加工技术是2 0 世纪4 0 年代后期为适应复杂外形零件加工而发展起来的 一种自动化加工技术，其研究起源于飞机制造业。1 9 4 7 年，美国帕森斯( p a r s o n s ) 公司为了精确地制造直升机机翼、螺旋桨叶片和框架等，提出了用数字信息来控 制机床自动加工外形复杂零件的设想。他们利用电子计算机对机翼加工路径进行 数字处理，并考虑刀具直径对加工路径的影响，使得加工精度达到士o 0 3 8 l m m ， 从当时的水平来看该精度还是相当高的1 1 】。1 9 4 9 年美国空军为了能在短时间内制 造出经常变更设计的火箭零件，与p a r s o n 公司和麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t s i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ，m i t ) 伺服机构研究所合作，于1 9 5 2 年研制成功世上第一 台数控机床一三坐标立式铣床，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数 控加工技术的序幕。 数控加工过程包括由给定的零件加工要求( 零件图纸、c a d 数据或实物模型) 进行加工的全过程。一般来说，数控加工技术涉及数控机床加工工艺和数控编程 技术两大方面。 数控机床是一种按照输入的数字程序信息进行自动加工的机床，它集现代机 械制造技术、自动控制技术及计算机信息技术于一体，是高效率、高精度、高柔 性和高自动化的现代机械加工设备。数控机床的运动可控性为数控加工提供了物 质基础，但数控机床是按照提供给它的指令信息一加工程序来执行运动的。因此， 零件加工程序的编制( 简称数控编程，包括从分析加工要求到获得合格的零件程 序的全过程) 是实现数控加工的重要环节。特别是对复杂零件的加工，其编程工 作的重要性甚至超过数控机床本身。 数控编程技术涉及制造工艺、计算机技术、数学、计算几何、微分几何、人 工智能等众多学科领域知识，它所追求的目标是如何更有效地获得满足各种零件 加工要求的高质量数控加工程序，以更充分地发挥数控机床的性能、获得更高的 加工效率与加工质量。理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格零 数拧滚| | 上i 加t 自动编柑系统的研了e j 7 fz 乏 件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，以使数控机床能 安全、可靠、有效地工作。 齿轮是机械行业中广泛应用的关键零件之一，随着现代制造技术的飞速发展， 齿轮的数控加工技术得到了广泛应用。目前，滚齿是国内、外应用最广的切齿方 法，一些国家滚齿机的拥有量约占所有齿轮机床总量的4 5 5 0 1 。现有的齿 轮加工数控机床，一般都采用手工编程方法，即通过人工来进行工艺处理、数值 计算、编写程序、键盘输入程序、程序校验等各步骤。手工编程方法主要的不足 之处是：对编程人员的职业技术要求比较高；手工编程中，坐标运动量的分析计 算复杂，容易出错，从而影响齿轮的加工质量；效率比较低，生产周期长。现今 的商业c a d c a m 集成数控编程系统多属于通用性的计算机辅助数控编程软件， 具有广而博的通用性，使得其在具体应用时不能很好地处理特定的零件。本课题 “数控滚齿加工自动编程系统的研究与开发 就是在这一背景下产生的。 1 2 数控自动编程发展概述 随着数控机床的出现与普及，数控编程也不断地发展和变化。数控编程的方 法总的来说分为手工编程和自动编程。手工编程由于效率比较低，对复杂的加工 无法实现。随着计算机在制造业的应用，出现了自动编程系统，并由于其先进性、 高效率、高质量的优点，自动编程得到了长足的发展。 1 2 1 国内外数控自动编程发展概况 自动编程( a u t o m a t i cp r o g r a m m i n g ) 的含义是计算机辅助编程( c o m p u t e r a i d e dp r o g r a m m i n g ) 。最早研究数控自动编程技术的国家是美国。19 5 2 年，美国 研制出第一台数控铣床。1 9 5 3 年，美国麻省理工学院伺服机构实验室，在美国空 军的资助下，着手研究数控自动编程，19 5 5 年公布了a p t 系统( a u t o m a t i c a l l y p r o g r a m m e dt o o l ss y s t e m ) ，1 9 5 9 年开始用于生产。其后，a p t 几经发展，形成了 诸如a p t i i 、a p t i i i ( 立体切削用) 、a p t i v ( 算法改进，增加多坐标曲面加工编 程功能) 、a p t a c ( a d v a n c e dc o n t o u r i n g ) ( 增加切削数据库管理系统) 和a p t - - i v s s ( s c u l p t u r e ds u r f a c e ) ( 增加雕塑曲面加工编程功能) 等先进版本。 a p t 是一个数控自动编程语言系统，其语言词汇丰富，能够定义的几何类型 多，并且配有1 0 0 0 多种后置处理程序，可靠性较高，用户易于二次开发，能够处 理二维轮廓、三维曲面的铣削加工，包括刀轴可倾斜的多坐标加工。但是a p t 系 统太庞大，较难掌握，而且占用内存大，需要使用大型计算机，费用昂贵。为此， 在a p t 的基础上，世界各国又各自发展了带有一定特色和专用性更强的a p t 衍生语 言，如美国的c o m p a c t 、a d a p t ，德国的e x a p t ，日本的h a p t 、f a p t ，英国的 z c l ，法国的i f a p t ，意大利的m o d a p t 等。 后来出现的这些系统都i ：l a p t 系统小，而且特色鲜明。比如，美国的a d a p t 2 坝l j 宁 、? f 仑义 系统不仅适用于小型计算机，可用于两坐标切削，而且能与a p t i i i 相配使用其后 置处理程序，不需要再重新设计，其程序系统采用了可以剪辑的模块式结构，可 以根据需要增加和删减程序，使用方便灵活。德国的e x a p t 系统分为e x a p t - i ( 用 于点位加工) ，e x a p t - i i ( 用于车削加工) 、e x a p t - i i i ( 用于连续铣削加工) 三种， 它简化了a p t 语言中的图形描述部分，把重点转移到了加工工艺上，具有切削条 件自动选择和加工顺序自动决策的功能。与其它语言系统相比，它最主要的特点 是：语言简练，容易掌握和使用，书写工作量小。除能够描述零件的儿何形状，通 过计算机自动地计算出几何参数外，还能够进行工艺描述，并通过计算机自动地 确定工艺参数，甚至可以部分的解决生产工艺过程最佳化的问题。该系统将刀具 材料及加工顺序等的有关数据以文件的形式独立存储起来，使用时可检索，既方 便又灵活。 我国自6 0 年代中期开始研究数控自动编程系统，7 0 年代以后，以a p t 为基础 研制出了一些数控自动编程语言系统，如s k c 1 ( 2 5 维) 、s k c 2 ( 四坐标平面变斜 角) 、s k c 3 ( 五坐标平面变斜角) 、z c x 1 ( 2 5 维) 、z b c 1 ( 2 5 3 维) 等具有平面铣 削加工、车削加工等编程功能的系统。后来又研制出具有复杂曲面编程功能的 c a m 2 5 l 等多功能语言系统。随着计算机技术的发展，又推出了在微机上使用的 h z a p t ，e a p t ，s a p t ，m a p t 等微机数控自动编程系统。 采用a p t 语言编制数控程序具有程序简练、走刀控制灵活等优点，使数控加 工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素的“高级语言” 级。但a p t 仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几 何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀 具轨迹的验证手段；难以和c a d 系统及c a p p 系统有效连接；不易做到自动化和集 成化。 6 0 年代中期，计算机图形显示器( 以下简称图像仪) 的出现，引起了数控编程 方法上的一场变革。以计算机辅助设计( c a d ) 软件为基础，利用c a d 软件的图形 编辑功能将零件的几何图形绘制到计算机图形显示器上，形成零件的图形文件， 然后调用数控编程模块，采用人机交互的方式在计算机图形显示器上指定被加工 的部位，再输入相应的加工参数，计算机便可自动进行必要的数学处理并编制出 数控加工程序，同时在计算机图形显示器上动态地显示出刀具的加工轨迹。这种 编程方法就叫图形交互自动编程。也是目前国内外先进的c a d c a m 软件所普遍采 用的数控编程方法。 1 9 7 2 年，美国洛克西德加里福尼亚飞机公司首先研究成功采用图像仪辅助设 计、绘图和编制数控加工程序的一体化系统c a d a m 系统，从此揭开了c a d c a m 一体化数控编程的序幕。 1 9 7 5 年，法国达索飞机公司引进c a d a m 系统，为已有的二维加工系统 3 数p ：j 矗ic r , d i l _ in ，：7 j 并f 罕彳! 刁的f f j l 歹e j 7 之 c a l i b r b 增加二维设计和绘图功能，1 9 7 8 年进一步扩充，开发出了满足三维设计、 分析和n c 加工要求的c a t i a 系统。8 0 年代初，该公司将c a t i a 用于飞机吹风模型 的设计和加工，使研制周期从6 个月下降为1 个月。目前己成为应用最广泛的 c a d c a m 集成数控编程系统之一，在航空和汽车工业具有广泛的应用。 从8 0 年代以后，各种不同的c a d c a m 集成数控编程系统如雨后春笋般地发展 起来，典型的有m a s t e r c a m 、p r o e n g i n e e r ，还有e u c l i d 、s u r f c a m 、c i m a t r o n 等。 其中p r o e n g i n e e r 是美国p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 开发的一套 c a d c a m 系统，是近年来相继推出的c a d c a m 软件中较为成功的一种，目前已 广泛应用于机械、航空、航天和汽车工业，尤其是在各种各样的模具制造业中发 挥了重要作用。 我国在引进国p , c a d c a m 系统的同时，也开展了自行研制工作。2 0 世纪8 0 年代以后，首先在航空工业开始集成化的数控编程系统的研究和开发工作，如西 北工业大学研制成功的能进行曲面的3 - 5 轴加工的n p u g n c p 图形编程系统；北京 航空航天大学与第二汽车制造厂合作完成的汽车模具、气道内复杂型腔模具的三 轴加工软件；北京航空航天大学开发的金银花软件，能够处理大型复杂零件设计， 装配零件数目可达1 0 0 0 多个，具备零件设计、装配设计、工程图纸设计、高级曲 面设计、高级渲染、三维标准件模块，广泛的数据交换接口，可与多种 c a d c a e c a m c a p p 系统交换产品数据；南京航空航天大学自行研制开发的超人 2 0 0 0c a d c a m 等。 虽然我们也有自己的c a d c a m 软件产品，但国内软件产品远远不如国外的 成型软件，我国还没有开发出具有自己特色的大型的工程化、商业化的软件系统。 从三维图形设计到工程数据库，国内还没有一套能代替国外产品的软件。因此， 我国现阶段主要是研究开发面向工业化、实用化的软件。 1 2 2 数控自动编程发展趋势 数控自动编程是指利用计算机进行走刀路线及加工参数的自动决策，生成符 合所使用的数控机床指令格式的数控程序。自2 0 世纪8 0 年代以来，先进制造技术 在世界范围内得到了迅速发展，作为先进制造技术组成部分的数控自动编程技术， 也在不断发展以适应新的制造环境及其支撑平台，并呈现出如下发展趋势： 1 ) 集成化 集成化是指数控编程系统与其它系统如计算机辅助设计系统、加工过程控制 系统、质量控制系统等的集成。集成化的目的是便于各系统间的信息反馈和并行 处理，提高编程系统以至整个产品设计制造过程的效率与质量。对于编程系统与 c a d 系统，目前应用较广的是以实体造型几何数据库为核心的集成方法，可直接 从c a d 数据库中提取所需要的几何信息及拓扑信息进行数控编程，但这种方式仍 4 坝f ：学位论义 然需要较多的人工干预。另一种仍处于研究与开发之中的是以产品模型数据库为 核心的集成化方法。产品模型的建立采用新一代的特征造型技术，包括了产品的 完备信息，因此有利于根据模型所包含的几何与非几何信息来自动确定加工方案、 进给速度、主轴速度和切削深度等。 2 ) 智能化 数控加工的效率与质量极大地取决于加工方案与加工参数的合理选择，包括 合适的机床、刀具形状与刀具尺寸、刀具相对加工表面的姿态、走刀路线、主轴 速度、切削深度和进给速度等。为了优化这些参数，必须知道在复杂的切削状态 下这些参数与刀具受力、磨损、加工表面质量及机床颤振等众多因素之间的关系。 在复杂形状零件的加工过程中，切削状态往往一直是变化的，其优化措施还必须 具有动态自适应的特点。对于加工方案与参数的自动选择与优化是数控编程走向 智能化与自动化的重要标志和要解决的关键问题。在建立工艺数据库的基础上， 采取自动特征识别和基于特征与知识的编程是解决该问题的重要途径。 3 ) 测量编程加工一体化 在反求工程领域，采用快速扫描方法获取复杂实物上的坐标，通过数据处理 生成零件的三维实体模型，再采用c a d c a m 软件进行数控编程。这种集测量、建 模和加工于一体的3 m ( m e a s u r i n g ，m o d e l i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ) 集成化技术，其魅 力不仅表现在产品的质量检测上，而且表现在对模型的迅速测量、现场造型、编 辑和立即加工上。这一切将显著缩短从实物到模型再到产品的生产转换周期，提 高设计和加工效率。 1 3 本论文的主要内容和意义 1 3 1 论文的主要内容 本论文主要是根据齿轮滚齿加工的特殊性，研究非圆齿轮中广泛应用的椭圆 齿轮和卵形齿轮的自动编程系统，即通过输入一些基本参数，如齿轮参数、刀具 参数、工艺参数等参数自动生成齿轮n c 程序。 本论文的主要内容有： ( 1 ) 在分析非圆齿轮数控滚齿加工原理的基础上，建立了椭圆齿轮和卵形齿 轮自动编程的数学模型，并以此为基础研究其自动编程技术； ( 2 ) 基于决定齿轮形状和大小的参数是有限的、固定的特性，分析了数控滚 齿加工自动编程系统的核心思想，在此基础上设计了系统的总体架构； ( 3 ) 研究切削参数对数控滚齿加工的影响，建立了切削参数的多目标优化模 型。 5 数拧；衮街洲r f l l 动绵杞系统的例了e j i 吸 1 3 2 论文的意义 数控加工采用手工编程需人工进行工艺处理、数值计算、程序编写和校验等 步骤，计算量大，出错率高且编程效率低。采用通用c a d c a m 自动编程软件， 如p r o e 、u g 等，需建立零件的精确几何造型，提取零件的几何和工艺信息生成 数控代码。非圆齿轮的齿廓只有在节点处为理论齿形，这些通用软件绘制精确的 齿形较为困难，且其价格昂贵，不可能广泛采用。 数控滚齿加工自动编程系统的研发，大大缩短了齿轮的生产周期，提高了数 控滚齿机床的利用率。采用自动编程系统可以避免手工编程中的繁杂计算，只需 要输入一些参数即可，降低了操作人员的劳动强度和职业技术门槛。同时，自动 编程系统具有参数验证和工艺参数的优化决策功能，克服了工艺参数的选择依赖 于工人经验的缺陷，因而可大大减少n c 程序的出错概率，提高齿轮加工质量的 稳定性和加工效率。自动编程系统可代替昂贵的通用c a d c a m 软件，且不需要 进行专人技术培训，从而降低生产成本。由此可见，数控滚齿加工自动编程系统 的研究与开发对齿轮的数控加工的发展具有重要的意义。 1 4 论文结构 本论文针对齿轮数控加工采用手工编程效率不高、计算繁杂，采用通用 c a d c a m 软件成本昂贵且难于精确建立齿形的问题，基于齿轮类零件的特殊性 研究了一种适合于齿轮自动编程的方法。 本论文共分为六章，各章的内容结构安排如下： 第一章为绪论部分，介绍课题背景、研究意义以及国内外研究现状。根据目 前研究领域存在的问题提出了本课题研究方向，并简要说明了本课题的研究内容。 第二章为数控编程的研究，对数控编程中手工编程和自动编程进行了介绍， 特别是对自动编程中a p t 语言编程、数控图形编程进行了详细的研究，对其它一 些数控自动编程也进行了研究。 第三章是数控滚齿加工自动编程的数学模型。主要研究了非圆齿轮齿廓的形 成原理、非圆齿轮数控滚齿加工联动关系及加工原理，并在此基础上建立了椭圆 齿轮和卵形齿轮自动编程的数学模型。 第四章是自动编程系统的总体设计。分析了数控滚齿加工自动编程系统的思 想，在此基础上设计了自动编程系统的整体架构，将其划分参数输入模块、参数 处理模块、后置处理和动态仿真模块，并对各功能模块进行了详细分析。 第五章是自动编程系统的研究与开发。采用面向对象技术，对自动编程系统 进行研究。利用v i s u a lc + + 开发自动编程软件，实现了人机界面，详细研究了滚齿 加工中工艺参数的优化模型，并对数控滚齿加工的仿真进行了探讨。 6 顶 j 学位论文 第六章对本论文的研究进行总结，提出了进一步研究需解决和完善的相关问 题。 1 5 本章小结 本章主要简述了课题的研究背景、内容和意义，介绍了国内外数控自动编程 技术的发展历史、现状及发展趋势，在此基础上，根据齿轮形状的特殊性研究适 合齿轮加工的自动编程技术。 7 数托：滚一枷r 门功编柙系统的研究j 丌发 第2 章数控编程技术的研究 在数控机床上加工零件时，从分析零件图纸到获得数控机床所需的控制介质 的全过程即为程序编制，简称数控编程。一般来说，数控编程过程，主要包括： 分析零件图纸、工艺处理、数学处理、编写程序单、输入数控系统及程序校验， 如图2 1 所示。 图2 1 数控编程过程 2 1 数控编程的内容和步骤 在数控编程前，应了解所用数控机床的规格、性能、c n c 系统所具备的功能 及编程指令格式等。编制程序时，应先对零件图样规定的技术要求、零件的几何 形状、尺寸及工艺要求进行分析，确定加工方法和加工路线，选择夹具、切削刀 具和切削参数，再进行数值计算，获得刀位数据。然后按数控机床规定的代码和 程序格式，将工件的尺寸、运动方式、刀位数据、切削参数( 主轴转速、进给速度、 切削深度等) 以及辅助功能( 换刀、主轴转向、冷却液开关等) 编制成n c 程序，并 输入数控系统，由数控系统控制机床自动进行加工。其具体步骤为： 1 分析零件图纸 拿到零件图样或样品后，应认真分析零件的几何形状、加工内容、加工精度、 表面粗糙度等技术要求，确定是否适合采用数控机床加工。根据数控加工的特点， 我国的国情和国内外大量应用实践，一般可将零件分为：最适应类、较适应类和 不太适应类啼1 。 “ 2 确定工艺过程 确定工艺过程又称工艺处理，主要任务是：确定走刀路线和安排工步顺序、 确定定位基准与夹紧方案、选择夹具、选择刀具、确定对刀点和换刀点，确定加 工用量等。 ( 1 ) 工件装夹与夹具 8 顾f 学位论义 与在一般机床上加工一样，要合理选择工件的定位基准与装夹方案，此外还 要注意以下几点：减少装夹次数，尽可能做到一次装夹后能加工出全部待加工 表面，以充分发挥数控机床的效能；缩短工件的定位和夹紧过程，以减少辅助 时间；使用组合夹具，缩短生产准备周期，重复使用夹具零件降低加工成本； 所用夹具应便于安装，便于调整工件坐标系和机床坐标系的尺寸关系。 ( 2 ) 选择工件原点和编程坐标系 数控加工程序的编制要正确地选择工件原点及工件坐标系( 或称之为编程原 点、编程坐标系) 。工件坐标系是编程人员在编程时使用的，由编程人员以工件图 样上的某一固定点为原点( 也称工件原点) 所建立的坐标系，编程尺寸都按工件坐 标系中的尺寸确定。工件原点及工件坐标系的选择原则如下： 所选的工件原点及工件坐标系应使程序编制简单； 工件原点应选在容易找正、并在加工过程中便于检查的位置； 引起的加工误差小。 ( 3 ) 选择合理的走刀路线 走刀路线是数控加工中刀具相对于工件的运动轨迹。确定加工路线时，应根 据被加工零件的加工余量、加工精度和粗糙度要求，以及机床、刀具等的具体情 况加以考虑。例如，是采用顺铣还是逆铣，是一次走刀还是多次走刀等。确定加 工路线还应使数值计算简单，程序段少。走刀路线的选择应从以下几个方面考虑： 尽量缩短走刀路线，减少空走刀行程，提高生产效率； 合理选取起刀点、切入点和切入方式，保证切入过程平稳，没有冲击； 有利于提高加工精度和表面粗糙度； 保证加工过程的安全性，避免干涉； 有利于简化数值计算，减少程序段数目和编程工作量。 ( 4 ) 确定切削用量 切削用量包括切削速度、切削深度和宽度。数控加工的切削用量一般可比普 通加工的切削用量高，具体可查阅切削用量数据库或切削用量手册。 3 计算刀位数据 刀位数据是刀具中心轨迹数据的简称。根据零件加工面的几何尺寸、加工路 线、刀具形状和刀具半径补偿方式计算刀具中心运动轨迹，计算刀具中心轨迹除 了考虑加工面的理论轮廓尺寸外，还需考虑切入、切出、过渡等辅助运动轨迹。 4 程序的编写和校验 选定工件原点和工件坐标系，规划好走刀路线，选择了刀具、切削用量、刀 具形状和切削条件，计算出刀具刀位数据，数控编程所需的数据已准备就绪，编 程员使用数控机床的程序指令，按照规定的格式，逐段编写n c 程序。数控程序的 校验是检查程序是否有错误或缺陷( 常用检验方法有计算机图形仿真和在机床上 9 数拧滚禹加t 自功编秤系统的f i j 宄j 丌发 试切) ，对n c 程序作修改、完善和优化，直至成功地加工出合格的零件。 2 2 数控编程方法 数控编程的方法有很多，通常分为手工编程和自动编程，其中自动编程又分 为语言编程和c a d c a m 集成编程。 2 2 1 手工编程 数控编程的各个步骤，即从零件图样分析、工艺处理、确定加工路线和工艺 参数、几何计算、编写n c 程序和程序的校验，主要由人工来完成，如图2 2 所示。 零件图纸n c 机床 几何信息工艺信息 加工空间范围 工件轮廓 材料 刀具 工件几何形状 表面质量 主轴转速 尺寸公差 表而粗糙度 进给量 切削速度 工件刚度 其它参数 之毒多 上艺分析 ( 1 ) 对刀点 ( 4 ) 切削用量 ( 2 ) 加_ l 路线 ( 5 ) 切削方式及 ( 3 ) 刀具选择 辅助性上艺 数值计算 ( 1 ) 零件轮廓各连接点的计算 ( 2 ) 中心插补点计算 ( 3 ) 刀具中心轨迹计算 ( 4 ) 辅助计算 8 编写程序清单 顺序号语句1语句2 ”语句n n 0 0 1 g 0 1g 9 0m 8 0l f n 0 0 2 t i m o o m l f i 输入数控机床 图2 2 手工编程 对于点位加工和几何形状不太复杂的零件，数控编程较简单，程序段不多， l o 硕f 。学位论文 手工编程即可实现。但对轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件，特 别是空间复杂曲面零件，以及几何元素虽不复杂，但程序量很大的零件，计算及 编写程序则相当繁琐，工作量大，容易出错，且校对困难，采用手工编程是难以 完成的，必须采用自动编程。 2 2 2 自动编程 数控自动编程是指利用计算机部分或全部地完成手工编程的内容。与手工编 程相比，尽管自动编程需要完成的内容不变，但随着科学技术的发展，数控自动 编程系统的实现方式和结构也在不断发展。 最早出现的自动编程系统为语言输入方式的自动编程系统。编程人员根据加 工零件的几何尺寸，工艺要求、切削参数及辅助信息，使用规定的数控语言编写 零件加工源程序，将其输入计算机中，计算机便自动处理，生成刀位数据，编写 出零件加工程序。后来又出现了图形交互式自动编程系统，语音自动编程系统及 数字化技术自动编程系统。 1 a p t 语言编程 a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 是自动编程工具的简称，是一种对工件、 刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动等进行定义时所使用的一种接近英语的 符号语言。具有丰富的词汇，用来定义几何元素、几何轮廓、加工方法、加工路 线和刀具等。用a p t 语言来描述零件的尺寸大小、几何元素问的相互关系及走刀 路线、工艺参数等而编写出来的零件加工程序称为零件加工源程序，将零件加工 源程序输入计算机，由预先存储在计算机里的编译程序将其翻译成能够进行计算、 处理的形式，然后经过运算，生成刀位数据( c ld a t a ) 文件。该文件是对刀具 加工轨迹的描述，但它是一个中性文件，与机床上具体的控制器类型无关，所以 需进一步经后置处理器处理成特定机床控制器可以接受的代码，以操纵机床进行 真正的加工。其编程过程如图2 3 所示。 a p t 语言编程用面向制造的高级语言描述零件的几何形状、加工方法和加工 过程，相当于数控编程由汇编语言级进入高级语言级，编程效率明显提高，编写 代码错误也大大减少。随着技术及应用需求的不断发展，a p t 语言编程系统也日 益暴露出它的缺点和不足： ( 1 ) 零件的设计与加工之间是通过工艺人员对图纸解释和工艺规划来传递信 息，对操作者要求很高，且阻碍了设计与制造的一体化； ( 2 ) 用a p t 语言描述零件模型一方面受语言描述能力的限制，同时也使a p t 系 统几何定义部分过于庞大，零件源程序冗长，而且抽象，不容易发现错误和纠正 错误； ( 3 ) a p t 语言缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验 数拧滚尚加t 门功编羊口系统的研究j 开发 证手段； 臣圃圆i，。j 恒囹怔四 厂j l i 鍪笙翌! | 图2 3a p t 语言编程 2 c a d c a m 集成编程 c a d c a m 集成编程是一种计算机辅助编程技术，它是通过专用的计算机软件 来实现的。这种软件通常以计算机辅助设计( c a d ) 软件为基础，利用c a d 软件的 图形编辑功能，将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件。然后 调用数控编程模块，采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定要加工的零件部位、 加工方式和加工方向，输入相应的加工工艺参数，通过软件系统的处理自动生成 刀具路径文件，并动态地显示刀具运动的加工轨迹，生成适合指定数控系统的数 控加工程序。其中零件c a d 模型的描述方法较多，适用于数控编程的主要有表面 模型和实体模型。 以实体模型为基础的数控编程方法比以表面模型为基础的数控编程方法较为 复杂。这两种方法的差别在于：基于表面模型的数控编程系统的零件设计功能( 或 几何造型功能) 是专为数控编程服务的( 图2 4 a ) ，针对性很强，也容易使用，典型 的软件系统有c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 、s u r f c a m 等数控编程系统；实体模型一般都 不是专为数控编程服务的，为了用于数控编程往往需要对实体模型进行可加工性 分析，识别加工特征( 加工表面或加工区域) ，并对加工特征进行加工工艺规划， 然后才进行数控编程，其过程如图2 4 b 所示。 c a d c a m 集成数控编程系统与a p t 语言编程比较，有以下几个特点： 1 ) 这种编程方法不需要像a p t 语言编程那样，用数控编程语言去编写描绘零 件几何形状、加工走刀过程及后置处理的源程序，而是在计算机上直接面向零件 的几何图形以光标指点、菜单选择及交互对话的方式进行编程，其编程结果也以 图形的方式显示在计算机上。所以该方法具有简便、直观、准确、便于检查的优 1 2 坝i j 掌1 节沦义 点。 2 ) 通常图形交互自动编程软件和相应的c a d 软件是有机地联系在一起的一体 化软件系统，既可用来进行计算机辅助设计，又可以直接调用设计好的零件图进 行交互编程，可以实现c a d c a m - - 体化。 3 ) 这种编程方法的整个编程过程是交互进行的，而不是像a p t 语言编程那样， 事先用数控语言编好源程序，然后由计算机以批处理的方式运行，生成数控加工 程序。这种交互式的编程方法简单易学，在编程过程中可以随时发现问题进行修 改。 4 ) 编程过程中，图形数据的提取、节点数据的计算、程序的编制及输出都是 由计算机自动进行的。因此，编程的速度快、效率高、准确性好。 l 零件几何建模 j l 工艺规划 i 刀位数据文件 a ) 基于表面模型 图2 4c a d c a m 集成编程 2 2 3 其它自动编程系统 1 语音编程系统 语音编程就是利用人的声音作为输入，并与计算机和显示装置直接对话的方 法，令计算机输出零件加工程序。这种自动编程主要有两种方法：一种是将自动编 程语言分解为孤立的每一个词汇。因此，可以用语音对每一个孤立的词汇进行语 音输入，该方法简单可靠，但效率低。另一种是对自动编程语言的语句用一串语 音( 即一句话) 来代替，输入计算机，整个操作过程用语音命令来执行。这种方法 效率高，但语音识别难度大n 别。 在编程之前，系统须熟悉编程人员的声音，也就是在第一次使用该系统