（机械电子工程专业论文）齿轮滚刀参数化设计系统的研究.pdf

d i s s e i t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 姆o f1 c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho nt h ep a r a m e t i u cd e s i g n s y s t e mo fg e a rh o b c a n d i d a t e ：s u nq i a n g i i a d v i s o r ：f e n gd i n g z h o n gj i ns h o u s o n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y j u n2 0 1 0j u nz u l u 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 江铴汐 日期：碜月弓日 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 人授权浙江工业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 、不保姒 ( 请在以上相应方框内打 ) 日期：7 彩年乡月多日 日砚沙p 年多月乡日 浙江工业火学硕士学位论文 齿轮滚刀参数化设计系统的研究 摘要 作为传动系统中主要的传动件之一，齿轮及其加工制造水平对传动领域以及整个制造 业的发展都有极其重要的作用，而齿轮滚刀，作为齿轮加工的重要加工工具，其设计与制 造水平的高低将严重影响齿轮精度的高低，从而影响着齿轮行业的发展。由于齿轮滚刀自 身的结构复杂、专用性强，因此，齿轮滚刀需要为被加工齿轮“量身定做才能满足加工 要求。同时，随着机械产品向着“高、精、特方向的发展，其常用零部件齿轮也逐渐趋 向于个性化和多样化，这就对齿轮滚刀的设计及制造提出了更高的要求。而传统的采用手 工或通用c a d 低效绘图的齿轮滚刀设计方法，工作量大、效率低、精度差、且易出错， 已不能满足对齿轮加工的需求，并严重制约着齿轮产品的发展。 为了改变这一现状，必需要采用先进的信息化技术，彻底改变齿轮滚刀设计方法，提 高滚刀设计效率及可靠度，推进齿轮产品的发展。为此，本文基于参数化设计思想和应用 实践经验，以面向对象语言v i s 叫b a s i c6 o 为开发工具，借助a u t o c a d 二次开发功能， 根据齿轮滚刀的设计理论，进而完成了齿轮滚刀参数化设计系统的开发。本文的主要研究 内容包括：完成齿轮滚刀的设计和绘图过程，同时对滚刀齿形进行优化；求解并分析滚刀 加工出的齿轮齿廓参数，以判断滚刀设计的合理性；开发了一套齿轮滚刀参数化设计系统； 建立基于s q ls e r v e r 的数据库系统，从而使数据维护更加科学。 试用结果表明，此齿轮滚刀设计系统能大大提高滚刀设计效率，缩短设计周期，提高 设计的可靠度，从而为进一步实现c a d c a p p c a m 的集成奠定基础。 关键字：齿轮滚刀，参数化设计，s u a lb a s i c6 o ，a u t o c a d 二次开发 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n t h ep a r a m e t 砒cd e s i g n s y s t e mo fg e a rh o b a b s t r a c t a so n eo ft l l em 旬o r 仃a i l s m i s s i o np a r t si i l 也e “v el i i l es y s t e m ，t h eg e a ra i l dm el e v e lo f p r o c e s s i n gp l a y 锄i m p o n a i l tp a r ti nt l l ed e v e l o p m e mo ft h e 仃a n s m i s s i o na r e aa i l dt h ee n t i r e m a n u f a c t l l r i n gi 1 1 d u s t l 了t h eg e a rh o bi sa i li m p o r t 锄tp r o c e s s i n gt 0 0 1f o rg e a rm a c l l i l l i n g ，w k l e 龀1 e v e lo ft l l ed e s i 卿n ga 1 1 dp r o d u c t i o no ft 1 1 eg e a rh o bw o u l ds e r i o u s l ya 船c tt l l ea c c 咖yo f t h em a c h i n e dg e 虬a i l d 向i r c h e ra 虢c tt l l ed e v e l o p m e n to ft h eg e a ri n d u s t l yb e c a u s eo ft 1 1 e c o m p l e xs t l l j c t u r ea n dt h es 仃o n ga p p r o p r ia _ b i l i t y ，t l l eg e a rh o bn e e dt 0b et a i l o r - m a d et om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fh o b b i n gf o rt h em a c l l i ：n e dg e a lm e 卸w l l i l e ，i tp u t sf o r v 阻r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s f o rt h ed e s i g l la n dm a i l u f a c t u r eo ft l l eg e a rh o bm a tt l l eg e u t i l i z e d 丘e q u e n n yi i lm a c k n e ， t r e n d st ob ei n d i v i d u a l 锄dd i v e r s i f i e d ，a st l l ed e v e l o p m e n to fm a c l l i n e 巧t o w 丽sn l eo r i e mo f t o pg r a d e ，e x q u i s i t e ，d i s t i n c t i v e n e s s ”h o w e v e r ，吐l e n a d i t i o n a lm e t h o do fd e s i g l l i n gh o b ， d e p e n d i n go nm a n l 墙lo ru i l i v e r s a lc a d ，m a yb r i n gh e a 、，) rw o r l d o a d ，l o we 伍c i e n c y ，l o w a c c u r a c ya 1 1 de r r o r p r o n e ，s oi tc a n n ol o n g e rm e e tt l l ed e m a l l do fg e a rc 戚i n g 锄de v e nr e s t r i c t s t h ed e v e l o p m e mo fg e a rs e v e r e l y t oc h a n g e “ss i n 州o n ，i ti so f 铲e a tn e c e s s 时t oa d o p tt h ea d v a j l c e di n f o n l l a t i o n t e c l l l l o l o g yt oc o m p l e t e l yc h a n g en l em e t l l o d so fd e s i g n i n gh o b ，s ot h a tt oe i l l l a n c em ee 伍c i e n c y 锄dr e l i a b i l i t ) ro fd e s i g l l i n gh o b ，a n dt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fg e a li nt l l i st 1 1 e s i s ，b a s e do n 廿1 e p 钺i i n e t r i cd e s i g i l a n dt l l e 印p l i c a t i o no fp m c t i c a l e x p e r i e n c e ，、) l ，i t l l 也eh e l po ft h e o b j e c t o r i e m e d1 a 1 1 9 u a g e s u a lb a s i c6 0 嬲t h ed e v e l o p m e n tt o o la n da u t o c a ds e c o n d a 巧 d e v e l o p m e m ，a c c o r d i n gt ot l l ep r o c e s so fd e s i g l l i n gh o b ，t 1 1 ed e s i 髓s y s t e mo ft 1 1 eg e a rh o bi s d e v e l o p e d t m sp 印e rm a i m yo b t a i l l s t l l e f o l l o 诵n gc o m e n t s ：c o m p l e t i n gt l l ep r o c e s so f d e s i g l l i n g 锄dd i a w i n go fg e a rh o b ，a sw e n 嬲o p t i m i z i n gm eh o bt o o t hp r o f i l e ；c a l c u l a t i n ga n d a n a i y z i n gt h ep 2 u r 锄e t e r so ft l l em a c l l i n e dg e a rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i 够o fd e s i g n ；d e v e l o p i n gt l l e d e s i g ns y s t e mo fg e a rh o b ；e s t a b l i s h i n gt h ed a t a b a s es y s t e mb a s e do nt l l es q ls e r v e r ，t om a k e 浙江工业人学硕士学位论文 d a t am a i n t e n a n c em o r es c i e m i f i c 1 1 1p r a c t i c ei th a sb e e np r o v e dm a tt l l i ss y s t e mc 觚g r e a t l ye n h 锄c et h ee m c i e n c yo f d e s i 伊曲gh o b ，s h o r t e nt 1 1 ed e s i 印c y c l e ，血p r o 、，et 1 1 er e l i a b i l 时o fd e s i 印，a n dl a yt h ef o u i l d a t i o n f o r 缸恤e ri m e g r a t i n gc a d c a p p c a m k 蚋r o r d s ： g e a rh o b ，p a r 锄e t r i cd e s i g l l v i s u a lb a s i c 6 o ， a u t o c a ds e c o n ( 埘 d e v e l o p m e n t ， 浙江工业大学硕士学位论文 目冰 j l 奄要i 第l 章绪论1 1 1课题背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 一 1 2 1 参数化设计- 2 1 2 2 齿轮滚刀设计一4 1 3 研究内容及技术路线一6 1 3 1 研究内容6 1 3 2 技术路线6 一 第2 章滚刀参数化设计理论研究8 2 1 参数化设计8 2 1 1 参数化设计8 2 1 2 参数化设计的实现8 2 1 2 参数化设计的优点9 2 2 滚齿加工原理9 2 2 1 齿轮加工方法9 2 2 2 滚齿加工原理1 0 2 3 齿轮滚刀参数化设计过程一1 1 2 3 1 齿轮滚刀设计原始参数1 2 2 3 2 齿轮滚刀设计过程1 3 2 4 滚齿设计计算2 0 2 4 1 平面齿廓啮合方程的求法- 2 0 - 2 4 2 滚刀模型一2 1 2 4 3 滚齿模型的建立2 4 2 4 4 齿轮齿廓求解过程2 4 2 5 齿轮滚刀齿形优化一2 8 2 5 1 齿轮有效渐开线高度的计算- 2 9 - 2 5 2 齿轮滚刀齿顶圆角半径最大值- 3 1 一 第3 章系统开发工具3 3 3 1 系统开发环境3 3 3 2 系统应用软件3 3 3 2 1 a u t o c a d 二次开发3 3 3 2 2v b 语言简介一3 5 - 3 2 3a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术3 6 3 2 4s q ls e r v e r 数据库技术3 7 3 3 软件接口设计一3 8 3 3 1v b 与a u t 0 c a d 的连接3 8 3 3 2v b 访问数据库技术3 9 第4 章系统软件开发4 1 4 1 系统设计总述4 1 4 1 1需求分析一4 1 - 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 2 系统总体结构- 4 2 4 2 系统各功能模块设计一4 2 4 2 1用户界面设计一4 2 - 4 2 2 滚刀设计模块- 4 5 4 2 3 滚齿设计计算模块4 5 4 2 4 齿形优化流程4 6 4 2 5 图像处理设计- 4 7 - 4 3 数据库设计一4 9 - 4 3 1 数据管理系统设计5 0 4 3 2 权限管理系统设计5 2 - 4 4 帮助文件的编制一5 4 - 第5 章系统实例及应用效果- 5 5 - 5 1 系统实例一5 5 - 5 2 系统应用效果分析- 5 8 5 2 1 参数化设计应用效果一5 8 5 2 2 优化设计应用效果一s 9 - 第6 章总结与展望6 1 - 6 1总结一6 1 6 2 展望一6 2 - 参考文献一6 3 致谢一6 6 一 攻读学位期间参加的科研项目和成果6 7 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 作为齿轮加工的重要刀具，齿轮滚刀的结构复杂、专用性强，齿轮滚刀需要为被加工 齿轮“量身定做 才能满足加工要求，同时，随着齿轮个性化需求的增加，齿轮滚刀也趋 向个性化和多样化，这样，齿轮滚刀的设计与制造的复杂程度都将加大。而传统的主要依 赖于手工作业去完成设计中的计算和绘图的齿轮滚刀设计方法，工作量大、效率低、精度 差、且易出错，设计结果往往只是可行而非最优。随着c a d 技术的出现，c a d 绘图软件在 齿轮刀具设计上的应用较普遍，因为它能减少设计工作量，缩短设计周期，提高设计可靠 性。但大多数企业在实际应用时，只是利用了c a d 系统最初的设计思想，也即是c a d 系 统所构造的产品模型都是几何图素( 点、线、圆等) 的简单堆叠，只是描述了设计产品的 形状，没有包含设计者的设计思想，因而难以实时对设计进行改动，生成新的产品实例l l j 。 因此可以说，设计人员只是把c a d 用于绘图，并非真正意义上的计算机辅助设计，虽然甩 掉了手工绘图板，却换来了计算机图板。由于齿轮滚刀的设计与开发水平制约着齿轮产品 的开发和制造水平，所以其设计方法仍需改进。 c a d 技术的发展改变了原有的设计思想，同时参数化设计已成为当今主流的c a d 的核 心技术。所谓参数化设计【2 】( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 是指零件或部件的形状比较定型，用一组 参数约束该几何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋 予不同的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息的 模型。参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题，可使c a d 系统具有交互式绘图和 自动绘图的功能。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁 琐的设计计算、绘图工作中解脱出来。同时，随着c a d 技术在机械制造业中的使用日益广 泛，开发刀具的c a d 专业软件具有很高的使用价值和广泛的应用前景。 目前许多齿轮制造企业中，对滚刀的需求量非常大，每年都要花费大量成本在滚刀的 设计、试制等方面。就笔者所调研的企业而言，每年在滚刀相关方面的费用就达上千万， 并且要花费很多的时间和人力在滚刀的研究上。但是，目前很多齿轮制造企业，尤其是在 一些小规模制造企业中，并没有专门的研发人员，很多企业里的老专家虽然很有经验，技 术也很好，但是缺乏开发系统所需要的相关计算机知识及数学知识。因此，结合企业的需 】 浙江工业大学硕+ 学位论文 求，开发齿轮滚刀相关的信息化系统，能够解决企业的实际问题，降低企业成本，提高企 业竞争力，并有利于齿轮相关行业的发展。 基于此，本课题结合了浙江台州某齿轮厂的具体需求，以参数化设计为基础，在研究 啮合原理和复杂刀具设计原理的基础上，以v i s u a db a s i c6 0 为开发工具，借助a u t o c a d 的 二次开发功能，实现了v i s u a m a s i c6 0 与a u t o c a d 绘图软件信息的集成，最终开发出一套齿 轮滚刀参数化设计系统。在此系统中，只需通过人机交互输入基本参数，系统便能自动设 计出齿轮滚刀，并生成齿轮滚刀的二维工程图纸，实现设计和绘图的信息集成，从而大大 提高了设计效率，缩短设计周期，为进一步实c a d c a p p c a m 的集成奠定了基础；进一步 通过本系统，能够得出滚刀加工出的齿轮参数，以检验滚刀设计的合理性，这能有效的避 免通过试切来检验滚刀是否满足要求的情况，提高了设计的可靠度，给企业降低了成本； 同时，滚刀设计与验证的集成设计，弥补了齿轮刀具设计方面的不足，对于其他机械产品 的设计都有一定的借鉴意义，具有广阔的发展前景。 齿轮滚刀是对齿轮零件进行加工的重要生产工具，同时，滚刀的性能会直接影响齿轮 加工的效率、精度和表面质量，进而影响齿轮的质量。而齿轮不仅在机械传动领域应用广 泛，在整个机械行业中也被广泛使用。因此，研究和改进齿轮滚刀的设计方法，不仅能促 进齿轮行业的发展，同时对整个机械制造业也具有重要的现实意义和经济意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 参数化设计 c a d 技术发展至今，已经历了二维绘图、线框模型、自由曲面造型、三维实体造型、 特征造型等重要的发展阶段，其间又有参数化、变量化等辅助技术的出现。其中，参数化 设计是c a d 技术在实际设计应用中被提出来、并得到发展的、有着强大实用价值的技术。 参数化设计( p 麟l i i l e t r i cd e s i 印) 也称变量化设计( v 2 u r i a t i o n a ld e s i g n ) 是美国麻省理 工学院g o s s 硼教授提出的。参数化研究工作最早可追溯到6 0 年代早期，有“计算机图形 学之父 誉称的s u t h e r l a l l d 在他开发的s k e t c h p a d ( 人机图形通信系统) 系统中，首次将几 何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置【3 】。 参数化设计是c a d 领域里的一大研究热点，但是直到1 9 8 7 年底美国p t c 公司 ( p 娥吼e t r i ct e c h n o l o g ) ，c o 印o r a t i o n ) 推出了以参数化、特征设计为基础的新一代实体造型 软件p r 0 e n g i n e e r 后，c a d 领域才真正认识到参数化设计的巨大威力。而德国西门子公司 浙江工业大学硕士学位论文 提出把初次设计从生产过程中分离出去，通过标准化、系列化来减少产品零件数量的“合 理化工程”思想，使具有参数化设计功能的c a d 系统，进一步把初次设计从生产过程中 分离出来，有效地缩短设计周期，提高生产效率和经济效益【4 】。 c a d 技术在国内发展的比较晚，但是由于其应用广泛，而参数化设计也已成为c a d 的核心技术之一，所以，国内学者关于参数化设计在c a d 中的应用也做了许多研究。 顾晓华、仲梁维【5 】提出了一种基于知识工程的参数化设计方法，其通过为产品建立一 个产品知识库，不仅能完成参数化设计的尺寸驱动和特征驱动，而且能实时地检验设计， 提出设计建议，进行人机对话，是一种智能化c a d 。文中提出了一种c a t i a 知识工程顾问 模块，通过此模块开发人员可以把产品的设计知识用知识工程原理表达出来。 杨华甫、倪子伟【6 】发表了基于约束的参数化设计在c a d 中的应用的文章，文中以齿轮 为例，介绍了其在a u t o c a d 中的参数化设计过程，但对于基于约束的参数化设计的概念及 应用介绍的不够详细。 戴磊、关振群等【7 j 研究了一种三维参数化结构形状优化设计平台p o s h a p e ，将c a d 中的参数化几何造型技术应用在结构分析和优化设计中，为复杂三维机械零部件的设计提 供一种通用的工具。文中以c d 6 1 4 0 a 车床的导轨部分为例，在三维参数化特征造型c a d 系 统中，以三维实体结构几何模型为对象，以几何尺寸参数为优化设计变量，采用p o s h a p e 对结构进行了形状优化设计。 秦可、庄越挺等【8 j 发表了服装c a d 中三维人体模型的参数化研究一文，提出了一种3 d 人体模型的参数化方法：首先通过三角面片求交的采样策略得到采样点，然后使用b 样条 曲线构造人体轮廓线，最后由用户交互得到3 d 人体模型的参数化信息，建立3 d 人体模型的 参数化模板。 姜培昌、王好臣等【9 】发表了基于u 刚a v e o p e n 的啮合齿轮参数化设计的文章，文中 介绍了利用v c + + 6 0 和u gn x o p e n 技术实现渐开线斜齿轮的参数化设计过程，体现了参 数化设计在u g 中的应用。 刘文生和汪凌【l o 】介绍了基于p r o e 软件的c a d 模型的参数化设计方法，通过基于p r o e 模型的参数化设计方法，利用a u t o m a t i o ng a t e w a y 控件作接口，实现和p r o e 连接， 开发用户交互界面，对常用机械零件轴进行二次开发，以生成其三维实体模型。 沈博【1 1 】在基于a u t o c a d 的标准件的参数化设计的文章中，分析和研究机械设计和计算 机辅助设计c a d 的特点，采用了模块化设计思想，利用a u t o c a dv b a 对机械零件进行参 数化设计，在a u t o c a d 平台上对标准件建立数据库并进行参数化绘图，使用了知识工程的 浙江工业大学硕士学位论文 参数化设计方法对机械零件进行了参数化设计 1 2 2 齿轮滚刀设计 国外齿轮制造技术相对比较成熟，早期就有学者对滚刀的设计进行研究，其发展水平 相对较高。如磨前滚刀，其设计和使用已有百年的历史，意大利s u 、西班牙f h u s a 等公 司的磨前滚刀都己得到广泛应用，代表着世界先进水平。f 砌d k i l l e i 和c h e r k a s l l i n v p 【1 2 】 对几种能在被加工齿轮根部产生根切的滚刀设计方案进行比较，并分析了各自的优缺点； h h m a b i e 等【1 3 1 对用于加工非标准中心距啮合的直齿轮的滚刀设计进行了研究，其中利用 了数值技术；d h k i n l 【1 4 】从参数化设计的角度对滚刀进行了研究，其在文中还分析了滚刀 设计误差对齿轮加工的影响。此外，对于一些新型滚刀和特殊形状滚刀，国外学者也有 所研究。 j e n k u e ih s i e h 、h 啪g c h it s e n g 等【1 5 1 提出了一种用于加工直齿条型刀具的新型滚刀， 此滚刀有三个大小不同的压力角，分别用于形成被加工刀具的渐开线面、前角和后角，其 设计方法利用了常规滚刀设计时需要避免的根切现象。文中给出了设计过程，并对加工出 的刀具的切削角、根切程度以及顶部宽度等进行了分析。 v 砌ok i r o v 【1 6 】介绍了锥蜗杆滚刀的设计，文中比较了锥蜗杆滚刀和普通螺旋滚刀，阐 述了锥蜗杆滚刀的基本几何参数的设计过程，并介绍了强度计算的方法，同时，对滚刀加 工斜齿轮的情况进行了分析。 v d i i i l i t r i o u 、a a m o n i a d i s 【1 刀对齿轮加工过程进行研究时，通过建立滚刀加工齿轮的 三维模型，借助三维c a d 平台，对齿轮加工过程进行三维模拟，并介绍了一种称为h o b 3 d 的三维软件。 我国的滚刀设计技术起步较晚发展也较缓慢，但由于滚刀的重要性，很多学者及企业 技术人员都不断地对其进行研究，目前，国内在滚刀设计方面也取得了很大的成就。 刘海红、童荣辉1 8 】对干式滚齿切削加工刀具的参数化设计及其优化设计进行了分析研 究。其所实现的干式滚刀的参数化设计主要通过改变滚刀模数、压力角等基本参数来实现 滚刀相应尺寸的变化，然后利用v b 编程软件和c a d 软件，开发了干式滚刀设计的应用软 件系统，并实现了干式滚刀零件图的绘制，文中也对高速干式滚刀的优化理论进行了介绍。 杨选文、余功炎等【l9 】从滚齿加工提高生产效率的角度出发，论述了当前滚刀设计的两 种发展趋势，一是采用新型的高硬度合金材料，以提高滚切线速度进而缩短滚齿时间； 另一种发展趋势是将滚刀外径向小直径方向设计，并在文中给出了后一种发展趋势的理论 浙江工业人学硕士学位论文 依据。 李威、刘延军等【2 0 1 从齿轮啮合和滚刀设计的基本原理出发，提出了非对称渐开线圆柱 齿轮滚刀的设计方法，实现了非对称齿轮滚刀的参数化实体模型，为进一步进行双压力角 非对称齿廓齿轮的研究提供了有效的加工设计方法。 唐超军【2 l 】应用空间啮合理论和数值计算方法，建立了从工件齿形到滚刀刃形，再到铲 磨砂轮廓形的一系列计算公式。该算法以任意工件齿形为计算对象，能根据工件的齿形直 接计算任意齿形的齿轮滚刀刃形。同时，结合c a d c 剐技术和专家系统技术，开发出了 齿轮滚刀设计制造专家系统。 田光辉【2 2 】利用v i s u a lc + + 软件，基于面向对象技术和参数化设计方法，开发出了8 种变 位齿轮刀具的c a d 设计系统，并把每个刀具子系统分为用户界面、设计计算、图形处理和 数据库系统4 个模块。同时，文中对渐开线函数的反向求值进行了介绍，但是其参数化绘 图模块没有借助于已有的绘图软件，而是采用自主开发的绘图软件，所以有其局限性和不 足之处。 张博林【2 3 1 在其硕士论文基于齿轮仿真加工的齿轮刀具设计研究中，提出了系统的总体 设计方案及功能模块的划分，并对系统数据库的建立和齿轮刀具设计计算过程中的设计资 料处理办法进行了论述，利用计算机仿真技术，对常用齿轮刀具进行参数设计计算并仿真 加工。但是文中没有对滚刀的设计过程进行详细的说明，例如滚刀的触角、渐开线起始圆 直径等一些重要参数没有给出详细计算过程，同时，其仿真加工的原理描述的也过于简单。 总之，国内外学者对于滚刀设计及其相应的参数化设计系统都做了较多的研究工作， 但是总的看来，三维的滚刀设计，研究的相对较少，尤其是国内，且大多数文献对三维设 计的介绍很笼统，这是因为滚刀三维设计仍处于探索阶段，可借鉴的经验也较少；再就是 由于有些文献的保密性，导致关于滚刀三维设计的知识共享不足，使得初学者对其研究的 难度加大。目前我国大多数企业在实际应用时，二维设计己能满足其要求，尤其是在齿轮 加工仿真时，二维仿真模型能够比较准确的反映仿真结果。所以，本文仍以二维c a d 为平 台，对滚刀二维参数化设计进行研究。同时，虽然滚刀设计c a d 系统的发展也已比较成熟， 但是比较完善的集设计、优化与验证于一体的滚刀设计系统仍就比较少。本文就是针对齿 轮滚刀，在详细论述其设计过程、优化过程以及滚齿设计计算过程的基础上，开发一套基 于优化的并能对设计结果进行验证的齿轮滚刀参数化设计系统。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本文的主要研究内容： 1 、探讨齿轮滚刀设计过程及滚齿过程的原理和方法，同时，结合企业实际需求，将 成熟的设计理论和设计工作者长期积累的经验融入到设计中； 2 、以参数化设计为基础，以v i s u a lb a s i c6 o 为开发工具，利用其强大数据处理功能及 其数据库接口技术，完成齿轮滚刀的结构参数计算、齿形设计以及关键部位的优化等过程； 3 、实现了v i s 砌b 嬲i c6 0 与a u t o c a d 绘图软件信息的集成，最终能够通过人机交互输 入基本参数，自动生成齿轮滚刀的二维工程图纸，从而提高设计效率和可靠性，缩短设计 周期，为进一步实现c a d c a p p c a m 的集成奠定了基础； 4 、根据滚齿过程理论，在设计出滚刀后，对其加工的齿轮参数进行求解及分析，以 检验滚刀设计的合理性，进而开发出一套完整的齿轮滚刀设计系统； 5 、建立滚刀设计系统的数据库系统，以便对滚刀设计相关的信息以及用户权限等信 息进行更好的管理，从而使系统更加完善。 1 3 2 技术路线 本文通过研究啮合原理及刀具设计原理，同时查阅大量的相关文献，最终，在参数化 设计的基础上，以v i s u a lb a s i c6 o 为开发工具，完成了设计中的相关数据处理；通过 a u 幻c a d 的二次开发功能，实现了v i s u a l b a s i c6 o 与a u t o c a d 绘图软件信息的集成，开发 出了齿轮滚刀设计系统；基于s q ls e n ，e r 2 0 0 0 数据库平台，建立本系统的数据库。本系统 通过参数化绘图与高级语言的接口程序，实现了设计图纸的自动生成，数据库系统的开发 又对系统的数据维护与管理提供了保障，本文研究技术路线见图1 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 图1 1 技术路线 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章滚刀参数化设计理论研究 2 1 参数化设计 2 1 1 参数化设计 企业成败的关键问题之一是能否快速开发出新产品并缩短产品的上市周期。因此产品 的设计要有充分的柔性，并且设计过程模型要能准确地反映设计的实际活动，同时又能够 迅速地重构，使产品的设计信息能够重用。几乎所有产品的设计都是改进型产品设计，而 且大约7 0 的原来产品的设计信息在新产品的设计时被重新利用，参数化设计技术就在这 样的背景下应运而生。 参数化设计是指通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部 分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动，即参数驱动，其中进行驱动所需的几何信息和拓 扑信息可借助编程工具由计算机自动提取。参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋 予不同的参数序列值时，就可驱动原几何图形达到新的几何图形。 参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者首先进行草图设 计，勾画出设计轮廓，然后输人精确尺寸值来完成最终的设计。参数化设计的主体思想是 用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇在形状或功 能上具有相似性的设计方案。参数化方法的本质即是基于约束的产品描述方法。 2 1 2 参数化设计的实现 一般说来，实现参数化设计，必须具备如下几个条件【2 4 】： ( 1 ) 在产品设计模型中，应能够包含几何拓扑关系和各种约束关系； ( 2 ) 几何图形应能由尺寸驱动； ( 3 ) 设计参数与几何图形尺寸之间具有对应关系； 满足上述条件的产品几何图形，既描述了产品的几何形状，又包含了设计者的设计思 想和设计知识，因此，它是产品的设计模型，当给定设计参数一组具体设计数据后，该模 型会自动生成整个设计结果。 参数化设计的实现有两种常用的方法：第一种是通过借助现有的软件平台进行二次开 发来实现；另一种是利用自主开发软件来实现。自主开发软件需要设计者具备很多的软件 8 浙江工业人学硕士学位论文 开发的知识和很强的编程能力，这对一般的工程人员来说是比较难的，需要专门的软件工 程师来完成。本文在开发齿轮滚刀设计系统时，是运用面向对象的编程语言s u a lb a s i c ， 在a u t o c a d 的平台上进行二次开发来实现系统的参数化设计和绘图。对于v i s m lb a s i c 和 a u t 0 c a d 将在后面章节中做介绍。 2 1 2 参数化设计的优点 参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动态设 计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作 用，体现出很高的应用价值，能否实现参数化目前已成为评价c a d 系统优劣的重要技术 指标。参数化设计技术是实现快速设计的最常用方法，其具有以下几方面的优点： ( 1 ) 对设计人员的初始设计要求低：无须精确绘图，只须勾绘草图即可，然后可通过 适当的约束得到所需精确图形。 ( 2 ) 便于系列化设计：一次设计成型后，可通过尺寸的修改得到同种规格零件的不同 尺寸系列。 ( 3 ) 便于编辑、修改，能满足反复设计需要：当在设计中发现有不适当的部分时，设 计者可通过修改约束而方便地得到新的设计。 ( 4 ) 大规模定制设计：在传统的基于零部件的参数化设计的基础上，将产品族的开发 过程与定制产品设计过程加以分离，将产品族设计分为两个阶段，第一阶段：对企业的客 户群进行定位，建立相应产品族主结构，形成完善的变型机制：第二阶段：在产品族模型 的基础上，以配置设计为主要设计手段，完成产品的定制设计，快速响应用户的需求。 2 2 滚齿加工原理 2 2 1 齿轮加工方法 齿轮加工方法有很多种，按其加工原理可分为成型法和范成法【2 5 1 。 成形法原理是利用与被加工齿轮齿槽法面截形相一致的刀具齿形，在齿坯上加工出齿 轮的齿形。成形法加工齿轮是按逐个齿进行加工的，且不连续，所以精度和效率都较低， 但可以在普通铣床上加工，通用性较强。 范成法亦称展成法、共扼法或包络法，是目前齿轮加工中最常用的一种方法。它是根 据一对齿轮啮合传动时，两轮的齿廓互为共轭曲线的原理来加工的，利用此方法的刀具分 9 浙江工业大学硕上学位论文 齿轮型刀具( 如齿轮插刀) 和齿条型刀具( 如齿条插刀和齿轮滚刀等) 两大类。模数和齿 形角相同而齿数不同的齿轮可以用同一把刀具加工，这是范成法的突出特点，并且范成法 加工的精度和效率都较高。 利用齿轮滚刀加工齿轮，即滚齿，就是按照范成法的原理来加工齿轮的。 2 2 2 滚齿加工原理 在滚齿过程中，滚刀可看作是一个齿数很少，只有一个或几个，螺旋角很大的斜齿轮， 所以滚齿过程相当于一对交错的螺旋齿轮啮合的过程。从渐开线螺旋齿轮啮合原理可知， 任一渐开线螺旋齿轮均有一个假象齿条( 也称相当齿条) 与其啮合，在滚齿过程中，与被 加工齿轮相啮合，代表滚刀的假象齿条的，就是与滚刀渐开线螺旋面相啮合的齿条，即“公 共齿条”。 因此，在滚齿过程中，用“公共齿条代替滚刀，滚齿啮合就相当于齿轮齿条的啮合， 即当滚刀转一圈，相当于“公共齿条”移动一个或几个齿距，被加工齿轮也相应转过一个 或几个齿距，在齿坏上切出齿槽，形成渐开线齿面。同时，切出齿轮齿形的是“公共齿条 的法向截形，而不是滚刀的法向或轴向齿形，也就是说滚刀与齿轮的创成作用实际是“公 共齿条的法向齿形与被加工齿轮的创成作用【2 6 1 。 图2 1 为滚齿加工的工作原理示意图。当齿轮滚刀按给定的切削速度旋转时，便在工 件上逐渐切出渐开线的齿形，齿形的形成是由滚刀在连续旋转中依次对工件切削的若干条 包络线包络而成的。 图2 1 滚齿加工原理图 在滚齿切削过程中，滚刀和被加工齿轮要有以下运动： 浙江工业大学硕士学位论文 1 滚刀的旋转运动：即滚刀绕其自身轴线的旋转，其切削速度由滚齿机上变速齿轮 的传动比决定； 2 被加工齿轮的旋转运动：其运动的速度必须和滚刀的旋转速度保持协调以保持与 滚刀的啮合关系不变。单头滚刀转一转，齿轮绕本身轴线转过一个齿；多头滚刀 转一转，齿轮转过的齿数与滚刀头数相等； 3 滚刀垂直进给运动：即滚刀沿被加工齿轮轴线自上而下的垂直移动，这是保证切 出整个齿宽所必需的运动； 4 滚刀横向进给运动：即滚刀沿被加工齿轮径向的水平运动，这是保证切出全齿深 所必需的运动； 5 滚刀沿轴线运动：即滚刀沿