（机械电子工程专业论文）数控成形法铣齿加工的研究及其加工仿真系统开发.pdf

硕士学位论文 摘要 随着大型船舶、重型机械、风力发电等行业的发展，对大模数、大直径齿轮的需求 不断扩大，齿轮加工效率变得越来越重要，高效率的数控成形法铣齿和磨齿加工在这种 背景下越来越受到关注，因此研究成形法齿轮加工有着重要的现实意义。本文从计算机 仿真技术、计算机图形学、并行工程等多学科交叉的虚拟制造技术出发，以数控成形法 铣齿加工为研究对象；基于成形法铣齿加工原理，根据所需要制造的齿轮实现了加工该 齿轮的盘铣刀轴截面齿形的设计计算和参数化建模，并对该加工过程进行三维动态仿真； 对成形法加工齿轮在完成虚拟装配后进行传动仿真分析，初步检验了刀具齿形设计的正 确性。 首先，分析数控成形法铣齿加工原理。由坐标法设计了加工直齿时渐开线齿廓盘铣 刀齿形；由空间接触线法推导加工斜齿时的渐开线齿廓盘铣刀与斜齿轮的接触条件方程， 计算出加工斜齿时盘铣刀轴截面齿形；基于u g o p e ng r i p 实现了盘形铣刀轴截面齿形计 算和铣刀参数化建模的程序。 其次，选择u g 的二次开发技术作为开发平台，a c c e s s 作为数据库开发工具，分析 开发加工仿真系统时开发环境的设置，制定加工仿真软件的总体开发流程和各功能模块 的开发流程；利用u g o p e nm e n u s c r i p t 制作了系统菜单和利用u g o p e nu i s t y l e r 制作 各个应用模块的对话框；基于m f co d b c 数据库技术开发了盘铣刀数据库管理模块；基于 u g o p e ng r i p 完成了铣刀和毛坯的参数化建模后，实现了成形法铣削外齿斜齿轮、内齿 斜齿轮、外齿直齿轮、内齿直齿轮四种类型的三维动态加工模拟仿真，并得到对应的成 形法加工齿轮参数化模型。 最后，基于尺寸驱动技术实现成形法加工齿轮与精确建模齿轮自动虚拟装配，并对 齿轮啮合传动进行运动仿真及分析；由齿轮传动仿真转速与理论转速作比较，比较后发 现两者的结果比较相一致，由此得出齿轮传动仿真过程比较平稳的结论；初步检验了成 形法加工齿轮齿形的正确性，得出的结论证明了盘铣刀轴截面齿形设计计算的正确性。 关键词：盘形铣刀轴截顶齿形成形法铣齿加工仿真u g o p e n a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g es h i p ，h e a v ym a c h i n e r y , w i n dp o w e rg e n e r a t i o na n d o t h e ri n d u s t r i e s ，t h ed e m a n do fb i gm o d u l u sa n dl a r g ed i a m e t e rg e a r sb e c o m em o r e a n dm o r ei n s i s t e n t ，a n di ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt od e v e l o pt h ep r o c e s s i n g e f f i c i e n c y a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，t h en cf o r mg e a rm i l l i n ga n dg r i n d i n gb ep a i d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o t h u s ，t h e r ei sg r e a tt h e o r e t i ca n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et o r e s e a r c ho nf o r m i n gm e t h o dm i l l i n gg e a r t h i sa r t i c l es t a r t e df r o mi n t e r d i s c i p l i n a r y v i r t u a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y o f c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c o m p u t e rg r a p h i c s ， c o n c u r r e n te n g i n e e r i n ge t c ，u s i n gf o r m i n gm e t h o dm i l l i n gg e a ra sr e s e a r c ho b je c t ， b a s e do np r i n c i p l eo ff o r m i n gp r o c e s sm i l l i n gg e a r , r e a l i z e dd e s i g nc a l c u l a t i o n so f t o o t hp r o f i l ea n dp a r a m e t r i cm o d e l i n gi nd i s k t y p eg e a rm i l l i n gc u t t e ro fp r o c e s s i n g t h i sg e a ra c c o r d i n gt ot h en e e dt om a n u f a c t u r eg e a r s ，t h i sm a c h i n i n gp r o c e s si s s i m u l a t e di nt h r e ed i m e n s i o n ，a n dm o t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i si sg i v e nf o rf o r m i n g m e t h o dm a c h i n i n gg e a ra f t e ra u t o m a t i cv i r t u a la s s e m b l e ，t h ev a l i d i t yo fd e s i g n c a l c u l a t i n gm e t h o do ft o o t hp r o f i l ei st e s t e dp r e l i m i n a r i l y f i r s t ，a n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ff o r m i n gm e t h o dm i l l i n gg e a r , a c c o r d i n gt os p a c e c o n t a c tl i n em e t h o dd e d u c e dt h ec o n t a c tc o n d i t i o n se q u a t i o no fh e l i c a lg e a rb e t w e e n t h ed i s cm i l l i n gc u t t e ru s e df o rm a n u f a c t u r i n gh e l i c a lw h e e l ，a n dc a l c u l a t et o o t h p r o f i l ei nd i s k - t y p eg e a rm i l l i n gc u t t e r t h ec o m p u t a t i o np r o g r a mo f t h em i l l i n gc u t t e r t o o t hp r o f i l ef o rc o m p u t a t i o na n dc u t t e rf o rp a r a m e t e r i z e dm o d e l i n gw a sd e s i g n e di n u g g r i p s e c o n d l y c h o o s e du go p e nt e c h n i q u ea sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n dc h o o s e d a c c e s sa sd a t a b a s ed e v e l o p m e n tt o o l s ，a n di n t r o d u c e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s e t t i n g si nu ga n dv c + + ，t h e nf o r m u l a t e dt h ew h o l ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n de a c h f u n c t i o nm o d u l eo fs o f t w a r es y s t e m u s e du g o p e nm e n u s c r i p t t od e v e l o ps y s t e m m e n u ，a n du s e du g o p e nu l s t y l e rt od e v e l o pd i a l o go fa p p l i c a t i o nm o d u l e b a s e do n m f co d b cd a t a b a s et e c h n o l o g yd e v e l o p e dd i s k t y p eg e a rm i l l i n gc u t t e rd a t a b a s e m a n a g e m e n tm o d u l e b a s e do nu g o p e ng r i p r e a l i z e dp a r a m e t r i cm o d e l i n go f m i l l i n gc u t t e r sa n dg e a rb l a n k s ，c o m p l e t e df o u rt y p e so f3dd y n a m i cm a c h i n i n g s i m u l a t i o no ff o r m i n gm e t h o dm i l l i n ge x t e r h e l i c a lg e a r 、i n t e r - h e l i c a lg e a r 、e x t e r - s t r a i g h tg e a r 、i n t e r s t r a i g h tg e a r , a n dg e tt h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t r i cm o d e l i n go f i i f o r m i n gm e t h o dm a c h i n i n gg e a r 硕士学位论文 a tl a s t ，b a s e do nt h ed i m e n s i o nd r i v i n gt e c h n i q u e s ，r e a l i z et h ea u t o m a t i cv i r t u a l a s s e m b l eb e t w e e nf o r m i n gm e t h o dm a c h i n i n gg e a ra n dp r e c i s em o d e l i n gg e a r , a n d m o t i o ns i m u l a t i o na n da n a l y s i si sg i v e nf o rt h em e s h i n gd r i v e so fg e a r s ，t h es p e e d o b t a i n e df o r mt h es i m u l a t i o no fg e a rd r i v ei sc o m p a r e dw i t ht h et h e o r ys p e e do fg e a r d r i v ea n dg o o da g r e e m e n ti sa c h i e v e d i tf o l l o w st h a tt h es i m u l a t i o no fm e s h i n gg e a r d r i v ei ss t a b l e ，t h ev a l i d i t yo ft o o t hc u r v eo ff o r m i n gm e t h o dm a c h i n i n gg e a ri st e s t e d p r e l i m i n a r i l y t h e r e f o r e ，c o m e t ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec o r r e c t n e s so fd e s i g n c a l c u l a t i n gm e t h o do ft o o t hp r o f i l ei nd i s k - t y p eg e a rm i l l i n gc u t t e ri sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：d i c k t y p ec u t t e r ；t o o t hp r o f i l e ；f o r m i n gm e t h o dm i l l i n gg e a r ； m a c h i n i n gs i m u l a t i o n ；u g o p e n i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 数控成形法铣齿加工方法的发展现状一1 1 2 加工仿真技术的介绍3 1 3 本文的研究来源与意义5 1 4 本文主要研究内容一6 第2 章数控成形法铣齿加工原理与盘铣刀轴截面齿形计算9 2 1 数控成形法铣齿加工原理9 2 1 1数控成形法铣齿加工中的坐标系9 2 1 2 数控成形法铣齿加工原理的分析9 2 2 加工直齿圆柱齿轮时盘铣刀轴截面渐开线齿形设计与计算1 1 2 2 1查表分套法和近似代圆弧法设计盘铣刀齿形1 1 2 2 2坐标法计算加工直齿轮时盘铣刀渐开线齿形1 2 2 3 加工斜齿圆柱齿轮时盘铣刀轴截面渐开线齿形设计与计算1 5 2 3 1加工斜齿圆柱齿轮时盘铣刀轴截面齿形的研究方法1 5 2 3 2 加工外齿斜齿轮时盘铣刀与斜齿轮的接触条件分析1 6 2 3 3加工外齿斜齿轮时盘铣刀轴截面齿形的计算2 2 2 3 4 加工内齿斜齿轮时盘铣刀轴截面齿形的分析与计算2 6 2 4 本章小结2 7 第3 章成形法铣齿加工仿真软件的系统设计2 8 3 1开发平台的选择2 8 3 1 1 开发平台的比较和选择2 8 3 1 2u g 软件及其二次开发技术2 9 3 1 3 数据库工具的比较和选择31 3 2 开发环境设置3 2 3 2 1 工程的文档结构3 2 3 2 2u g 中的设置3 3 i v 硕士学位论文 3 2 3v c + + 中的设置3 5 3 3 加工仿真系统的开发流程3 7 3 3 1系统总体注册程序设计3 7 3 3 2 系统菜单和主界面的开发3 8 3 3 3 对话框应用程序设计流程3 9 3 3 4 盘铣刀数据库管理系统开发流程4 1 3 3 5 代码调试和编译链接过程4l 3 4 本章小结4 2 第4 章成形法铣齿加工仿真主要模块开发及运行实例4 3 4 1 系统菜单和主界面的开发4 3 4 1 1u g o p e nm e n u s c r i p t 开发加工仿真系统的主菜单4 3 4 1 。2u o o p e nu i s t y l e r 开发加工仿真系统各应用模块的对话框4 5 4 2 数据库管理模块开发4 7 4 2 1 基于y a v co d b c 的数据库系统开发技术介绍4 7 4 2 2u g o p e n 与m f c 联合开发数据库管理模块4 9 4 2 3u g o p e n 与m f c 的交互技术实现访问后台数据库5 3 4 3 成形法铣齿材料切除仿真模块开发5 5 4 3 1 成形法铣齿材料切除仿真模块的基本思路5 5 4 3 2 成形法铣齿材料切除仿真模块的实现过程5 6 4 3 3u g o p e na p i 调用u g o p e ng r i p 实现人机交互6 0 4 4 成形法铣齿加工仿真运行实例6 2 4 4 1成形法铣削外齿直齿轮加工仿真实例6 2 4 4 2 成形法铣削外齿斜齿轮加工仿真实例6 3 4 5本章小结6 5 第5 章成形法加工齿轮的啮合虚拟装配与运动仿真分析6 6 5 1 成形法加工齿轮的啮合虚拟装配6 6 5 1 1 齿轮啮合虚拟装配的实现方法和原理6 6 5 1 2 齿轮啮合虚拟装配的开发实例6 8 5 2 基于u g 齿轮啮合运动仿真7 3 v a b s t r a c t 5 2 1 运动仿真模块的介绍7 3 5 2 2 齿轮啮合运动仿真实例7 3 5 2 3 啮合运动仿真结果与分析7 4 5 3 本章小结7 6 第6 章总结和展望7 7 6 1 结论7 7 6 2 展望7 8 参考文献7 9 攻读硕士学位期间取得的成果8 3 致谢8 4 附录8 5 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 数控成形法铣齿加工方法的发展现状 齿轮作为机械传动中的关键零部件，被广泛地应用于船舶、航空、车辆、仪 表、工程和运输机械、机床等装备行业。齿轮传动与带、链、摩擦、液压等其他 机械传动形式相比，具有传动精度和效率高、传动平稳、承载能力高、功率范围 大、可靠性好、结构紧凑、成本低和使用寿命长等特点，因此应用非常广泛。由 于齿轮在机械行业中的突出作用，齿轮的生产水平是一个国家工业水平的象征之 一。 齿轮加工方法很多，有铸造、热扎、冲压、冷挤、模锻、粉末冶金和切削法 等。其中切削法应用最为广泛，切削法加工也有很多种，从加工原理可分为范成 法和成形法两大类。 范成法又称展成法，它是利用一对齿轮相啮合传动，两轮的齿廓线互为共轭 包络线的原理来进行加工的方法，主要有滚齿和插齿。其中滚齿 1 2 】的切削过程 是连续的，因此生产效率很高，齿轮加工精度较高，通常用于中小模数齿轮加工。 展成法加工的另一种方法是插齿，该方法的主要优点是可以展成加工内啮合齿 轮，加工精度比滚齿要高，但该方法在整个齿轮切削过程是不连续的，在插刀与 工件接触的瞬间冲击比较大，对刀具的使用寿命有很大的影响。文献【3 】提出了 数控插削斜齿轮的方法，根据斜齿轮齿面成形原理，实现了数控化插齿加工。文 献 4 】分析了用范成法加工椭圆外啮合齿轮及内啮合齿轮时刀具与椭圆齿轮节曲 线间的位置关系。文献 5 】提出了在插齿机上加工锥齿轮的方法。范成法通常用 于中小模数齿轮加工，在大模数齿轮加工中应用比较少。 成形法铣齿加工，这种方法简单，不需要专门的齿轮机床，但生产率低，切 出的齿轮精度也较低，该方法主要适用于加工大模数大直径的齿轮 6 。8 】。近些年 来，随着航空航天、大型船舶、重型工程机械、风力发电等行业的发展，市场对 大模数、大直径齿轮的需求数量越来越多，质量要求也越来越高。目前市场上大 直径齿轮加工均是外齿在滚齿机床上加工，内齿在插齿机床加工以及成形铣齿用 指状铣刀在铣齿机床上进行齿形加工的方法。但此类方法普遍存在加工效率低， 机床制造成本高、机床齿加工的功能单一等缺点。因此开发种新的用于大直径 第1 章绪论 内、外齿轮及各种大直径链轮加工的高效、多功能数控成形铣齿机床是当前齿轮 加工业发展的迫切需要。随着科学技术的发展，特别是以下几种技术给成形法铣 齿技术注入了新的生机。 1 ) 数控技术的发展可以满足铣齿所要求的各种复杂运动 自从2 0 世纪中叶数控技术出现以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。 计算机数控系统是数控机床的核心，它接受载体送来的加工信息，经计算和处理 后去控制机床的各种复杂的具体动作，其实质是应用了“微分”原理，其工作原 理与过程如下： ( 1 ) 数控系统根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按机床对应的坐标轴， 以最小移动量( 脉冲当量) 进行微分，并计算出各轴需要移动的脉冲数。 ( 2 ) 通过数控系统的插补软件或插补运算器，把要求的轨迹用以“最小移动 单位 为单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。 ( 3 ) 数控系统根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉 冲，并通过伺服驱动使机床坐标轴按分配的脉冲运动。 由上可见，只要数控机床的最小移动量( 脉冲当量) 足够小，所用的拟合折 线就完全可以等效代替理论曲线。其次，只要改变坐标轴的脉冲分配方式，既可 以改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的。同时，只要改变分配脉 冲的频率，既可以改变坐标轴( 刀具) 的运动速度。这样就实现了数控机床控制 刀具移动轨迹的目的。显然，当数控机床的联动轴数越多，机床加工轮廓的性能 就越强。数控技术中轮廓控制切削原理是刀具与工件相对位移的轨迹进行连续控 制，能实现加工出曲面、齿轮、锥度等复杂形状的零件的复杂运动。 2 ) 测量技术的发展可以满足机床的快速和准确分度及插补加工要求 提高数控机床的精度主要有两种途径，一是“硬件”方法，即提高机床部件 的加工、装配精度，此方法不仅受到加工机床精度等级的约束，而且随着加工精 度的提高，加工成本呈指数级增加。二是“软件 的方法，该方法利用先进的实 时测量技术获取执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信 号形式，充分利用数控机床的可编程、智能性，将运动部件现实位置反馈到位置 控制单元进行误差补偿，以实施闭环控制。所以，测量技术的发展满足了成形法 铣齿加工回转工作台的准确分度及插补加工，为铣齿加工齿轮工件的精度提供了 保障。 硕士学位论文 3 ) 高速铣齿加工技术提高了齿轮加工效率 高速切削加工是在上世纪2 0 年代由德国的萨洛蒙博士提出，1 9 3 1 年4 月 他发表了著名的切削速度与切削温度理论。高速铣齿就是采用高效盘形铣刀以较 高的切削速度进行铣齿加工的方法。在传统的齿轮加工中，通常因使用整体合金 盘形铣刀，造成齿轮加工效率低，刀具寿命短，而且齿轮刀具制作成本较高和重 磨困难等原因而在齿轮加工业中使用较少。随着高效盘形齿轮铣刀的研究和制作 技术的突破，特别是可转位盘形齿轮铣刀的成功应用为高速数控铣床机床的成功 研制提供了必要的基础条件。高速铣齿与传统的齿轮加工相比具有显著优点： ( 1 ) 随着切削速度和进给速度的提高，单位时间的材料切除率大大增加，从 而缩短了切削加工工时，提高了生产效率，降低了加工成本。 ( 2 ) 较高的切削速度使得大量的切削热来不及传给工件就被切屑带走，工件 表面受热变形小，提高加工精度和表面质量，适合加工容易热变形的零件。 ( 3 ) 由于采用了较高的切削速度和进给速度，允许采用较小的每齿进给量行 切削加工。切削力大幅度减少，切削热也随之下降，工艺系统变形减小。 ( 4 ) 采用热硬性好的刀具材料，常常可以不用切削液进行干切削，减少了环 境污染，并且可加工高硬材料 综上所述，数控高效成形铣齿机正是在这种背景下应运而生，首先在美国、 瑞士和德国发展并应用，国内近几年才开始重视使用数控高效成形铣齿机来加工 大直径、大模数齿轮及各种大直径链轮。数控成形铣齿机床上成形盘铣刀能够一 次性加工出齿轮形状，大大提高了金属的切除率，能以最经济的价格获得最大的 效益。我国在高精、超大、超重齿轮的制造技术和国际水平还有一定的差距，对 数控高效成形铣齿机床的研究尚属起步，有待进一步深入研究。因此研究数控成 形铣齿加工有非常重要的现实意义。 1 2 加工仿真技术的介绍 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 技术是由计算机仿真、建模技术、计算机图 形学、人工智能、并行工程和多媒体技术等多学科交叉形成的综合系统技术，是 敏捷制造的关键技术之一【9 】。其目的就是要是在产品设计阶段，借助建模与仿真 技术，及时和并行地模拟出产品将来加工过程，并预测及评价产品性能和产品的 可制造性，从而更有效、更经济和更柔性地组织生产，达到产品的开发周期和成 3 第l 章绪论 本最小化、产品设计质量的最优化和生产效率的最大化。 加工仿真技术作为虚拟制造的关键技术之一，它是利用计算机软件来模拟数 控加工过程，并将加工过程和加工结果中的信息在计算机中用图形、数字、图表 等方式表达出来，以达到供人们判断、验证和控制数控加工过程和结果的正确性、 合理性以及加工效率高低等目的的方法。它也可以在计算机上模拟出加工走刀和 零件切削的全过程，直接观察在切削过程中可能遇到的问题，反复调试直到得到 满意的结果，而不实际占用和消耗机床、工件等资源。同时利用计算机加工还可 以实现一些以前无法完成的工作。可以预先对结果进行估计，统计各种加工数据 并对加工过程进行优化，实现智能化的加工【l 们。 加工仿真可分为几何仿真和物理仿真两个方面，几何仿真不考虑切削参数、 切削力及其它因素的影响，只仿真刀具和工件几何形体的相对运动，可为物理仿 真提供必要的切削几何信息。几何仿真的对象不仅有刀具和工件，还可以包括夹 具、工作台、刀库、主轴箱等，还有声音、光照效果等。物理仿真则须通过仿真 切削过程的动态特性来预测加工精度和加工表面质量，为调整和优化切削参数提 供依据，最终达到优化切削过程的目的。 文献【1 1 】以复杂曲面的数控加工为研究对象，运用计算机图形学、计算几何、 数学规划、有限元等技术对虚拟制造环境下曲面虚拟加工的理论方法和关键技术 进行了较为系统的研究。文献 1 2 】以虚拟数字化齿面磨削展成加工为例，开展数 字化齿面展成加工的仿真研究，基于o p e n g l 开发一个数字化齿面加工仿真系统， 对磨削模型和求解方法的正确性进行检查，为实际的数字化齿面展成加工实验做 准备。 文献【1 3 】介绍了在a u t o c a d 平台上，采用v b a 开发工具，利用布尔运算， 对展成法和成形法直齿轮加工过程进行三维动态仿真。文献 1 4 】介绍了采用v b a 开发工具，利用布尔运算，对成形法斜齿轮加工过程进行三维动态仿真。文献 1 5 】 介绍了基于v b 的运行环境，以程序语言为技术基础，开发成形法加工直齿圆柱 齿轮的仿真程序。文献【1 6 利用计算机辅助教学( c a i ) 软件，对直齿轮范成力n - r - 过 程进行计算机仿真，在教学过程中取得明显的成效。 国内在齿轮加工仿真上主要集中在单个齿轮的模拟切削加工，并没有实现参 数化，而国外文献t 1 7 建立了一个可以根据所需要制造的齿轮生成加工该齿轮的 刀具模型，并对该加工过程进仿真。文献 1 8 首先建立了滚齿切削过程模型，然 4 硕士学位论文 后对切削过程的切削力进行分析，进而对刀具的磨损进行预测，最后对切削过程 进行优化。文献【1 9 】首先对滚齿切削加工过程进行仿真，最后滚削过程刀具的磨 损进行分析。 1 3 本文的研究来源与意义 本课题来源于2 0 0 9 年江苏科技型企业技术创新资金项目“高效铣内外 齿机床关键技术研究”它属于国家科技部科技创新基金“先进制造技术 领域中 重点支持的“面向行业的高性能专用数控工艺设备”的范畴，是我国未来1 5 年 力争突破的1 6 个重大科技专项之一“高档数控机床与基础制造技术”的主要研 究内容。 本课题的意义有以下4 点： 1 )实现齿轮盘形铣刀的齿形计算和参数化建模一体化 本文根据坐标法设计了加工直齿圆柱齿轮时盘铣刀轴截面渐开线齿形，根据 空间接触线法计算了加工斜齿圆柱齿轮时盘铣刀轴截面渐开线齿形。详细推导了 空间接触线法设计盘铣刀齿形的计算过程，该算法避开了包络理论，算法简单。 在盘铣刀建模实现方法上，传统上一般由通用c a d 人机交互绘图方式设计 刀具。首先需人工查阅设计资料，然后在数值计算软件中( 如m a t l a b ) 中实 现复杂繁琐的计算过程，把得到的关键点数值或者曲线数据保存为数据文件以供 在c a d 图形软件中采用交互绘图完成刀具的建模过程。这种方法劳动强度大， 效率低、集成化低、出错率高，对设计人员的专业技术要求较高，难以满足现代 效率优先的原则。u g 的一个重要模块u g o p e ng r i p 在数值分析计算和建模两 方面都有优势，可弥补算法实现和建模实现分离的缺点，本文将计算铣刀轴截面 渐开线齿形的算法与盘铣刀参数化建模统一在g r i p 中实现，避免数据的转换与 传递，高效而精确的实现齿轮盘铣刀截形的计算和参数化建模的一体化。 2 ) 直观再现复杂加工工艺过程 本论文从数控成形法铣齿加工原理出发，基于v c + + 和u g 平台，对成形法 铣齿加工过程进行三维动态仿真模拟。通过分析加工过程中每个瞬间铣刀与齿轮 毛坯的相互位置关系，记录铣刀在齿坯上的痕迹并进行曲线包络，同时并通过曲 线包络的位置对齿坯进行实体布尔运算，这样就模拟了盘铣刀成形法铣削圆柱齿 轮的加工过程，并且生成齿轮的参数化模型。真实直观的再现了复杂加工工艺的 气 第1 章绪论 过程和效果，能够让人们对成形法铣齿加工过程有一个形象、清楚的认识。 3 ) 复杂的零件的制造法造型 当前，基于加工过程的齿轮实体建模主要有两种方式：一种是根据齿轮加工 原理，选择并计算齿面上的离散点，进行表面重构；另一种是基于加工过程的仿 真，再现加工过程，获得具有真实齿面的齿轮。前者需要求解非线性方程，求解 复杂，并且难以反映加工工艺性参数；后者是本文研究的内容，属于制造法造型 的范畴，即利用刀具和工件毛坯的三维实体作布尔运算的方法来得到齿轮工件的 三维实体。曾受到计算机速度的限制，难以加工出真实齿面，计算机技术的升级 使得这一方法得以实现。 4 ) 检验盘形铣刀齿形设计正确性 在盘铣刀设计中，一般根据被加工齿轮的参数要求，通过进行刀具廓形设计， 得到符合要求的刀具廓形后，再通过试切来检验所设计的刀具齿形的正确性。如 果试切加工后发现切制出来的齿轮达不到产品参数要求，说明刀具设计不合理， 该刀具就不能投入应用。刀具材料一般是高速钢或涂层硬质合金钢等昂贵的材 料，如果对每设计的一把刀具都要进行试切检验，势必造成刀具材料和毛坯材料 浪费，而且十分费时。本文基于虚拟制造思想在计算机上实现成形法铣齿模拟仿 真加工过程，通过分析成形法加工齿轮齿形的正确性，检验出刀具设计的正确性， 初步代替实际试切。 本论文开发的成形法铣齿加工仿真系统，做了到盘形铣刀齿形设计、铣刀建 模、铣齿加工仿真、齿轮工件装配的一体化及自动化，因此本系统集成的任务不 仅在于将所有功能罗列出来，放在统一界面上，更重要的是实现数据流向的畅通， 并为各有关部分所共享。 1 4 本文主要研究内容 本论文基于虚拟制造思想，以数控成形法铣齿加工为研究对象，通过研究盘 形铣刀轴截面齿形的计算方法，开发了成形法铣齿加工仿真系统，图1 - 1 为本文 研究方法与开发路线。 硕士学位论文 v c h 和u g o 弦n 平台 成形法铣齿加工原理研究v l 娜o d b c 平台 i 齿轮盘彤铣刀轴截面齿形设计计算 l u g i g r i p 盘铣j - 7 - - - - - 维参数化建模 ，l 袈翁萋熏系， 铣齿加工仿真系统交互界面模块成形法铣齿材科切除仿真模块盘铣刀参敦数据管理模块 l 上上 l 成形法加工齿轮精确建模齿轮 l l 齿轮啮合自动虚拟装配 上 _ 齿轮啮合传动运动仿真分析 判断成形法加工齿轮齿 l f他 h t ， 孙“ 人 堂竺鼎冀：篓竽发i 传动仿真转速与理论转逮的比较 了7 且 计的下礴悻i 一 “”“。二， 图l - i 数控成形法铣齿加工的研究及仿真系统开发的路线 f i g 1 1r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tl i n eo f n cf o r m i n gm e t h o dm i l l i n gg e a r 本文主要分为以下四个章节进行介绍： 第二章：分析了成形法铣齿加工原理，介绍了加工直齿圆柱齿轮时盘铣刀齿 形的几种计算方法，选择坐标法精确设计了加工直齿时盘铣刀齿形。基于成形法 铣齿加工原理，由空间接触线法推导加工斜齿时的渐开线齿廓盘铣刀与斜齿轮的 接触条件方程，计算出加工斜齿轮时盘铣刀轴截面渐开线齿形。最后给出了 u g o p e ng r i p 实现计算轴截面齿形和参数化建模程序流程图。 第三章：通过分析开发加工仿真系统的几种平台和工具，选择基于u g 的二 次开发技术用于本加工仿真系统的开发。介绍了在开发前u g 和v c + + 中开发环 境的设置准备工作，并制定开发成形法铣齿加工仿真系统的总体开发流程，也分 别详细制定各个功能模块的开发流程。 第四章：基于u g o p e n 和v i s u a lc + + 平台开发了加工仿真系统交互界面模 块，基于o d b c 数据系统开发技术实现盘铣刀参数数据管理模块开发，根据数 第1 章绪论 控成形法铣齿加工原理，完成了铣齿材料切除过程仿真模块，从而实现了整个数 控成形法铣齿加工仿真软件系统的开发。最后给出了成形法铣外齿直齿轮和成形 法铣外齿斜齿轮的加工仿真实例，得到对应的齿轮参数化模型。 第五章：基于尺寸驱动的虚拟装配方法，实现了成形法加工齿轮与精确建模 齿轮的自动化精确装配，对齿轮啮合传动进行运动仿真及分析，由传动仿真的仿 真转速与理论转速的比较，初步检验成形法加工齿轮齿形的正确性，从而证明刀 具设计正确性和加工参数设置正确性。 文章的最后总结全文的研究工作，并对该加工仿真系统的需改进的地方进行 展望。 硕士学位论文 第2 章数控成形法铣齿加工原理与盘铣刀轴截面齿形计算 2 1 数控成形法铣齿加工原理 2 1 1 数控成形法铣齿加工中的坐标系 根据齿轮的空间啮合原理，建立成形法铣齿加工坐标系，如图2 1 所示。 刀具坐标系为( d 沛d ，蛳z d ) ，其如轴与刀具轴线重合，( d 只z ) 歹 b 一f 工a ，两- 、系，其 x 轴与刀具坐标系的x d 轴重合。 图2 1 铣刀与工件的坐标关系图 f i g 2 - 1c o o r d i n a t i o nr e l a t i o n s h i po fc u t t e ra n dw o r k 设刀具坐标系的如轴与工件坐标系的z 轴的夹角为( z = 9 0 。侈，声为螺旋 角，加工直齿时为o ) ，两坐标系的变换关系为 2 0 】： f x o = a - x y o = 一y c o s e z s i n e( 2 - 1 ) lz 。= - y s i n + z c o s 【z o 2 乞+ z 乞 f z = 口一 y = 一y 0c o s e z 0s i n y - ( 2 2 ) 【z = 一y os i n e + z o c o s e 2 1 2 数控成形法铣齿加工原理的分析 在盘形铣刀加工直齿圆柱齿轮时候，按仿形原理加工，刀具齿形与被切齿轮 齿槽形状的相应点完全重合。 用盘形铣刀加工斜齿圆柱齿轮时，刀具与被切齿轮在切齿过程中无瞬心，刀 绕自身轴线旋转形成切削运动，同时相对于工件作螺旋送进，从而完成加工。齿 第2 章数控成形法铣齿加工原理与盘铣刀轴截面齿形计算 轮上被铣出的齿槽表面，是铣刀刀刃绕自身轴线旋转形成的回转面相对于工件作 螺旋运动时所形成的包络面。 图2 - 2 机床部件相对运动示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a po fr e l a t i v em o v e m e n tf o rt h em a c h i n e 图2 2 所示为南京工业大学机电一体研究所研制的极坐标数控成型铣齿机部 件相对运动示意图 2 1 1 。由x ，z 两个直线运动轴，a ，c 为2 个旋转运动轴。4 个进给运动轴由各自相应的伺服系统驱动，x 、z 、c 为3 个联动轴，a 轴为 可控调整轴，可对螺旋角度进行调整。盘铣刀位置由a 轴、y 轴和x 轴运动决 定，齿轮位置由c 轴决定。数控铣齿机各个模块的运动并非独立，x 轴立柱的 移动会带动z 轴和a 轴一起移动。在加工直齿轮时，a 轴调为0 。，由x 、z 轴 的联动完成加工过程，加工一个齿的过程中c 轴保持不动，完成一个齿的加工 后才做旋转分度。在加工斜齿轮时，a 轴先调整出需要的螺旋角，然后固定。通 过x 、c 轴插补运动，包络加工出工件的一个齿轮截面廓形，再通过z 、c 轴的 插补运动沿工件螺旋线方向移动一个进给量至下一个加工截面。重复上述插补运 动，包络加工出齿轮工件的螺旋表面。齿轮坯和盘铣刀在加工过程中任意时刻的 位置坐标可由上述与之相关轴的位置经坐标变换确定。铣齿机加工斜齿过程中铣 刀以匀角速度q 自转，并以v ，沿z 轴匀速进给运动，齿坯以匀角速度绕z 轴 转动，且满足关系： t 觚= 等 ( 2 - 3 ) 硕士学位论文 式中：y f 铣刀沿z 轴匀速进给运动速度； 仁齿轮分度圆直径； 卜螺旋角； 吃齿坯绕z 轴匀角速度。 2 2 加工直齿圆柱齿轮时盘铣刀轴截面渐开线齿形设计与计算 盘铣刀成形法加工直齿轮时候，其齿形或齿形的运动轨迹都都符合齿轮齿槽 的形状。因此，当刀具前角为零度时，可直接按齿轮的渐开线齿形作为刀具的齿 形 2 3 1 。 一般有三种方法来设计直齿圆柱齿轮铣刀齿形。一种是齿轮铣刀的分套法， 另一种圆弧替代渐开线齿形法，还有一种是坐标法。第一和第二种设计铣刀齿形 的方法是当加工精度要求不高时候的近似方法，而坐标法通过计算齿形各点较为 精确，论文中按坐标法设计铣刀轴截面齿形。 2 2 1 查表分套法和近似代圆弧法设计盘铣刀齿形 1 ) 查表分套法 模数相同而齿数不同的齿轮，其齿形是不同的：齿数愈少基圆直径愈小，渐 开线齿形曲率半径小；当齿数较多时，则正好相反。因此，同模数而不同齿数的 齿轮要求不同的铣刀加工，这就需要很多种规格的铣刀，使生产成本提高，刀具 管理复杂。当齿轮精度要求不高时，可以把齿数接近的齿轮用同一把铣刀加工。 这虽使齿形产生一些误差，但可大大减少刀具的规格 2 3 1 。 每号铣刀的齿形，是按该铣刀可加工的最小齿数的齿轮齿槽形状设计的。因 为铣刀齿形曲率半径较小，故切出的齿轮啮合时存在的危险性小，而齿形的高度 则是按每号中齿数最多的齿轮齿形高度来设计 2 4 1 。设计步骤是根据模数、齿数 等参数查表找到对应的铣刀号，然后根据需要的精确度高低在表中选择铣刀渐开 线齿形部分的坐标值，从而完成轴截面齿形的设计。 2 ) 近似代圆弧法 2 4 】 当加工精度不高的齿轮时候，也可采用近似法，即用圆弧来代替渐开线齿形。 用这种方法，不仅计算简化，而且还能使铲磨铣刀齿形时修整砂轮容易，便于制 造磨齿形的齿形铣刀。 第2 章数控成形法铣齿加工原理与盘铣刀轴截面齿形计算 当齿轮齿数z r b 时，基圆吃至齿根圆，的部分为渐开线。齿根圆0 以下部分不参与啮 合，没有必要采用渐开线，因此渐开线的起点从处开始，即压力角口，= 口，。在 摹 第2 章数控成形法铣齿加工原理与盘铣刀轴截面齿形计算 这种情况下齿根圆大于基圆时，齿廓曲线完全是渐开线。 无论上述哪种情况，渐开线的终点均在最大圆半径乃处，此时压力角 吒= 。根据上述计算步骤，可用g r i p 语言编程实现加工直齿轮时盘铣刀渐开 线齿形计算，程序流程图如图2 5 所示。 定义变置、实体 l 输入模数轧齿数铣刀半径f 的弦压力角啦变位系数珏 工 计簿r b 砖t i l t 分度圆半径i t , 分度圆压