基于UG的齿轮刀具设计及切齿仿真加工研究.pdf

作 者 简 介 :黄 勇 (1959 - ) ,男 ,华 东 交 大 机 电 工 程 学 院 副 教 授 、 硕 士 生导 师 。 E2mail: nc3000 tom. com收 稿 日 期 : 2006 - 09 - 25第 22卷 第 6期2 0 0 6年 1 1月FOOD & MACH INERY食 品 与 机 械 Vol. 22, No. 6Nov. , 2006基 于 UG的 齿 轮 刀 具 设 计 及 切 齿 仿 真 加 工 研 究R e sea rch of de sign and m ach in ing sim ula tio n o f gea r cu tte r ba sed on U G黄 勇HUAN G Yong(华 东 交 通 大 学 ,江 西 南 昌 330013)( East China J iaotong U niversity, N anchang, J iangxi 330013, China)摘 要 :利 用 计 算 机 仿 真 技 术 ,结 合 计 算 机 图 形 学 技 术 ,在 企 业普 遍 使 用 的 UG CAD平 台 上 ,对 常 用 齿 轮 刀 具 进 行 参 数 设 计计 算 并 仿 真 加 工 齿 轮 ,对 形 成 齿 廓 的 过 程 进 行 动 态 仿 真 ,帮助 刀 具 设 计 者 验 证 刀 具 的 齿 形 参 数 合 理 与 否 ,减 少 甚 至 避 免试 切 ,直 接 降 低 齿 轮 的 试 切 、 调 试 费 用 ,缩 短 试 制 周 期 。 同时 ,提 出 把 C /S结 构 引 入 到 UG二 次 开 发 中 ,实 现 了 MFC、UG/Open和 C /S结 构 三 者 相 结 合 的 应 用 。关 键 词 : UG/Open;MFC; C /S;齿 轮 刀 具 ;参 数 设 计 计 算 ;仿 真加 工Abstract: In order to help the cutter designer to exam ine the cutter toothshape parameters, reduce or even avoid trying cutting, decrease spendingsand cut down cycle of manufacture, this paper utilizes computer simula2tion technology and computer graphics technology to design parameters ofthe gear cutter and simulate the course of machining dynam ically. Mean2while, by incorporatingMFC into UG secondary development, app licationof combination of UG, MFC /Open and C /S structure is realized.Keywords:UG/Open;MFC; C /S; Gear cutter; Parameter design and com2putation; Machining simulation齿 轮 刀 具 的 齿 形 参 数 对 齿 轮 齿 廓 的 影 响 很 大 。 设 计 人员 在 设 计 过 程 中 ,一 般 根 据 产 品 要 求 ,通 过 进 行 刀 具 参 数 筛选 ,得 出 一 组 符 合 要 求 的 刀 具 参 数 以 后 ,再 通 过 试 切 来 检 验刀 具 的 齿 形 参 数 是 否 合 理 ,然 后 再 检 验 切 制 出 的 齿 廓 是 否 满足 要 求 。 如 果 刀 具 不 合 格 ,就 不 能 正 常 地 用 于 生 产 ,甚 至 报废 。 如 果 对 每 一 把 刀 具 都 要 进 行 试 切 和 检 验 ,势 必 造 成 原 材料 的 浪 费 ,且 十 分 费 时 ,会 造 成 不 必 要 的 损 失 而 增 加 生 产 成本 。 因 此 ,设 计 人 员 迫 切 需 要 采 用 计 算 机 仿 真 等 技 术 来 改 变传 统 的 设 计 方 法 ,以 提 高 设 计 效 率 ,减 轻 劳 动 强 度 。1 UG二 次 开 发 简 介UG软 件 提 供 了 CAD /CAE /CAM 业 界 最 先 进 的 编 程 工具 集 ,以 满 足 用 户 二 次 开 发 的 需 要 ,这 组 工 具 集 称 之 为 UG/Open,是 一 系 列 UG开 发 工 具 的 总 称 ,它 们 随 UG一 起 发 布 ,以 开 放 性 架 构 面 向 不 同 的 软 件 平 台 提 供 灵 活 的 开 发 支 持 。UG/Open包 括 以 下 几 个 部 分 3 : UG/Open AP I开 发 工 具 ,为UG软 件 提 供 直 接 的 编 程 接 口 ,支 持 C、 C + +和 Java等 面 向对 象 的 高 级 语 言 ; UG/Open GR IP开 发 工 具 是 UG内 部 开 发语 言 ,具 有 通 俗 、 易 懂 的 特 点 ,是 UG二 次 开 发 时 期 的 主 要 语言 ; UG/Open Menuscrip t开 发 工 具 ,对 UG软 件 操 作 界 面 进 行用 户 化 开 发 ; UG/Open U IStyle是 一 个 可 视 化 编 辑 器 ,利 用 该工 具 可 为 UG/Open应 用 程 序 开 发 友 好 的 交 互 界 面 。2 切 齿 加 工 仿 真 原 理齿 轮 的 切 削 加 工 方 法 主 要 有 仿 形 法 和 展 成 法 。 仿 形 法切 制 齿 轮 的 基 本 原 理 是 刀 刃 的 形 状 和 被 切 齿 槽 的 形 状 相 同 。用 这 种 方 法 加 工 出 来 的 齿 轮 精 度 较 低 ,而 且 因 切 削 不 连 续 而使 生 产 率 低 下 ,但 它 可 以 用 普 通 铣 床 加 工 ,所 以 仿 形 法 常 用于 修 配 和 小 量 生 产 。 展 成 法 是 目 前 齿 轮 切 削 加 工 中 最 常 用的 一 种 方 法 。 其 基 本 原 理 是 当 一 对 齿 轮 啮 合 传 动 时 ,两 轮 的齿 廓 曲 线 互 为 包 络 线 。 假 设 有 一 对 齿 轮 和 齿 条 啮 合 传 动 ,将齿 条 的 齿 廓 做 成 刀 刃 ,而 与 之 啮 合 的 齿 轮 看 作 被 加 工 的 毛坯 。 若 保 证 齿 条 刀 具 以 v = r 的 速 度 作 平 移 ,齿 轮 毛 坯 以 等 速 转 动 与 之 匹 配 ,则 齿 条 刀 刃 在 移 动 过 程 中 所 有 位 置 的 包络 线 就 是 被 加 工 齿 轮 的 齿 廓 曲 线 1, 2 。当 刀 具 的 分 度 线 与 齿 轮 毛 坯 的 分 度 圆 相 切 时 ,见 图 1( a) ,刀 具 移 动 的 速 度 等 于 齿 轮 毛 坯 分 度 圆 的 线 速 度 ,加 工 出来 的 齿 轮 的 压 力 角 等 于 刀 具 的 齿 形 角 ,刀 具 在 分 度 线 上 的齿 厚 s 等 于 齿 轮 在 分 度 圆 上 的 齿 槽 宽 e,即 :e = s = n /2当 刀 具 的 分 度 线 与 齿 轮 毛 坯 的 分 度 圆 偏 移 一 个 距 离 xm时 , 见 图 1 ( b) ,刀 具 移 动 的 速 度 等 于 齿 轮 毛 坯 分 度 圆 的 线 速度 ,与 齿 轮 分 度 圆 相 切 的 是 齿 条 刀 具 的 节 线 ,是 刀 具 的 节 线99 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 与 齿 轮 分 度 圆 作 纯 滚 动 ,刀 具 在 节 线 上 的 齿 厚 s 等 于 齿 轮 在分 度 圆 上 的 齿 槽 宽 e,即 :e = s = m ( /2 - 2xtg )图 1 齿 轮 加 工 原 理3 系 统 的 实 现3. 1 系 统 的 组 成系 统 采 用 C /S结 构 ,主 要 由 客 户 层 和 数 据 层 组 成 。 客 户层 主 要 完 成 加 工 仿 真 和 信 息 管 理 及 数 据 计 算 。 其 中 加 工 仿真 部 分 主 要 是 完 成 刀 具 切 齿 加 工 仿 真 ,其 加 工 参 数 可 以 由 用户 自 己 输 入 ,也 可 以 从 后 台 数 据 信 息 中 调 入 。 信 息 管 理 及 数据 计 算 部 分 主 要 完 成 用 户 对 齿 轮 参 数 库 的 输 入 、 刀 具 参 数 的计 算 及 齿 轮 参 数 库 和 刀 具 参 数 库 的 管 理 。 数 据 层 主 要 用 来存 储 齿 轮 及 齿 轮 刀 具 的 相 应 数 据 信 息 。 系 统 的 组 成 见 图 2。图 2 系 统 的 组 成3. 2 关 键 核 心 模 块 分 析3. 2. 1 刀 具 参 数 计 算 模 块 该 模 块 通 过 用 户 界 面 模 块 传 递过 来 的 设 计 参 数 ,根 据 齿 轮 刀 具 设 计 理 论 完 成 刀 具 参 数 的 设计 计 算 。 该 模 块 的 主 要 功 能 是 完 成 刀 具 结 构 参 数 、 齿 形 等 的确 定 ,并 把 计 算 结 果 存 入 数 据 库 管 理 模 块 ,为 图 形 加 工 仿 真模 块 提 供 数 据 支 持 。 该 模 块 涉 及 到 大 量 的 复 杂 的 数 学 计 算 ,该 模 块 的 设 计 质 量 决 定 了 刀 具 参 数 的 设 计 结 果 。3. 2. 2 图 形 加 工 仿 真 模 块 该 模 块 主 要 通 过 UG/Open AP I与 UG/Open GR IP和 MFC类 与 UG/Open AP I混 合 编 程 的 技术 完 成 从 数 据 库 中 调 用 相 应 的 参 数 返 回 给 UG/Open U IStyler界 面 ,同 时 把 参 数 又 传 递 给 UG/Open GR IP加 工 仿 真 程 序 ,使 得 图 形 加 工 仿 真 得 以 实 现 。3. 2. 3 数 据 库 管 理 模 块 本 系 统 中 的 数 据 库 主 要 用 于 储 存齿 轮 刀 具 设 计 的 结 果 尺 寸 以 及 数 据 库 常 用 的 维 护 功 能 等 ,为图 形 加 工 仿 真 模 块 提 供 数 据 支 持 。3. 3 关 键 技 术3. 3. 1 刀 具 与 齿 轮 毛 坯 参 数 化 设 计 由 于 刀 具 的 模 型 比 较复 杂 ,一 般 得 到 整 体 的 参 数 化 设 计 比 较 麻 烦 ,因 而 ,对 刀 具 的实 体 模 型 做 一 简 化 ,只 考 虑 与 刀 具 法 向 齿 形 一 致 的 齿 条 刀 具的 参 数 化 设 计 的 研 究 。 其 中 ,参 数 化 建 模 主 要 通 过 UG/OpenGR IP程 序 实 现 。 通 过 计 算 得 到 的 齿 条 刀 具 上 关 键 点 的 数据 ,应 用 GR IP中 的 实 体 建 模 命 令 ,如 point、 line、 fillet、 matrix、transf、 solext等 完 成 刀 具 与 毛 坯 的 实 体 造 型 。 由 于 在 UG/Open AP I作 为 UG的 模 块 对 用 户 开 放 之 前 , UG的 开 发 工 具是 GR IP,并 且 具 有 简 单 、 易 学 、 易 用 ,与 UG结 合 紧 密 等 特 点 ,因 而 ,选 择 UG/Open GR IP程 序 作 为 实 体 建 模 的 语 言 是 一 种很 好 的 、 切 实 可 行 的 方 案 3 。3. 3. 2 UG二 次 开 发 中 调 用 MFC的 方 法 UG/Open应 用 程序 尽 管 从 UG 15. 0推 出 微 机 以 来 ,一 直 采 用 M icrosoft V isualC + +作 为 编 译 器 ,但 是 UG/Open AP I中 没 直 接 提 供 对 MFC的 支 持 ,所 以 在 UG开 发 中 还 不 能 直 接 调 用 MFC。 同 目 前 流行 的 W indows应 用 程 序 开 发 工 具 相 比 , UG应 用 程 序 界 面 的专 用 工 具 U IStyler中 包 含 的 控 件 较 少 ,功 能 有 限 ,使 得 在 开 发灵 活 性 应 用 时 受 到 一 定 的 局 限 ,使 用 起 来 很 不 方 便 ,有 的 功能 甚 至 难 以 实 现 。 目 前 ,还 没 有 公 开 UG/Open AP I中 调 用M icrosoft Fundament Class(MFC)的 方 法 ,所 以 无 法 使 用 MFC来 编 写 UG应 用 程 序 的 界 面 4 。 为 了 让 程 序 支 持 MFC,必 须对 应 用 程 序 结 构 做 出 如 下 改 变 :(1) 在 VC 的 应 用 程 序 创 建 向 导 中 选 择 MFC AppW izard( dll) ,并 在 Project name和 Location中 分 别 写 入 项 目 名 称 和路 径 ;(2) 选 择 应 用 程 序 类 型 为 : Regular DLL using sharedMFC DLL;(3) 单 击 Finish按 钮 ,结 束 创 建 应 用 程 序 的 过 程 ;(4) 将 UG库 文 件 ( libugopenint. lib和 libufun. lib)加 入所 创 建 项 目 的 Project/Setting的 L ink选 项 中 ;(5) 编 制 程 序 。 在 应 用 程 序 中 的 全 局 对 象 类 theApp的下 面 添 加 UG/Open函 数 入 口 ufusr。 这 个 过 程 很 简 单 ,可 以把 UG所 提 供 的 例 子 程 序 中 的 主 函 数 直 接 复 制 过 来 ,或 者 采用 UG/Open AppW izard创 建 一 个 项 目 ,然 后 复 制 主 函 数 。#include #include #include #include #include 001机 械 与 设 计 2006年 第 6期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. #include extern C D llExport void ufusr( char 3 param, int 3 re2turnCode, int rlen )/3 Initialize the AP I environment 3 /int errorCode = UF_initialize ( ) ;if ( 0 = = errorCode )/3 TODO: Add your app lication code here 3 / /实 现 所 需 功 能 的 函 数 调 用 ,如 :AfxMessageBox ( I have realized how to call MFCin UG development! ) ;/3 Term inate the AP I environment 3 /errorCode = UF_term inate ( ) ;extern C int ufusr_ask_unload ( void )return ( UF_UNLOAD_UG_TERM INATE ) ;(6) 在 VC 中 编 译 连 接 后 生 成 动 态 连 接 库 文 件 ( 3 .d11) ,打 开 UG,选 择 File /Execute UG/Open /U ser Function,在Execute U ser Function对 话 框 中 选 择 要 执 行 的 动 态 连 接 库 。上 述 所 介 绍 是 最 一 般 的 方 法 ,其 中 UG/Open函 数 入 口ufusr也 可 以 换 成 自 己 定 义 的 名 字 。 不 过 ,这 时 的 DLL文 件是 供 其 它 的 UG AP I程 序 调 用 的 。3. 3. 3 齿 轮 刀 具 参 数 计 算 模 块 的 实 现 该 模 块 是 本 系 统 的主 要 功 能 之 一 。 根 据 齿 轮 刀 具 相 关 理 论 ,利 用 VC 程 序 开 发语 言 。 通 过 用 户 界 面 传 递 过 来 的 设 计 参 数 ,完 成 了 普 通 滚 刀和 剃 前 滚 刀 的 参 数 计 算 。 并 把 计 算 结 果 存 入 数 据 库 管 理 模块 ,为 图 形 加 工 仿 真 模 块 提 供 数 据 支 持 。 为 设 计 人 员 提 供 了参 考 ,在 一 定 程 度 上 减 轻 了 设 计 强 度 ,提 高 了 设 计 效 率 。3. 3. 4 图 形 加 工 仿 真 模 块 的 设 计 该 功 能 是 通 过 UG/OpenGR IP实 现 刀 具 加 工 齿 轮 毛 坯 的 切 齿 模 拟 。 基 本 思 想 是 根 据范 成 法 ,用 刀 具 加 工 齿 轮 毛 坯 ,根 据 被 加 工 齿 轮 的 旋 向 ,将 齿条 刀 具 旋 转 一 个 螺 旋 角 ,当 齿 轮 毛 坯 每 当 转 过 一 个 角 度时 ,刀 具 就 移 动 (Mn3 Zn / (23 cos ) ) 3 3 /180,其 中 Mn是 模 数 , Zn是 齿 数 , 是 螺 旋 角 。仿 真 加 工 程 序 的 关 键 程 序 如 下 : 齿 轮 滚 切k = 0ja = 3 毛 坯 转 过 角 度 控 制do / lb30: , j, 2360 / ja + 30, 1mat3 =matrix/ transl, - D0 /23 ja /1803 p i, 0, 0 刀 具移 动 距 阵k = k +D0 /23 ja /1803 p iifthen /k 53 tn /cosf(B) 当 刀 具 移 动 距 离 超 过 53tn /cosf(B) ,刀 具 往 回 退 ,再 和 毛 坯 进 行 切 削mat5 = matrix/ transl, tn /cosf (B ) - D0 /2 3 ja /180 3p i, 0, 0hob ( j) = transf/mat5, hob ( j - 1)k = 43 tn /cosf(B)elsehob ( j) = transf/mat3, hob ( j - 1)endifmat4 =matrix/xyrot, - ja 毛 坯 旋 转 矩 阵gear2 ( j - 1) = subtra /gear1 ( j - 1) , with, hob ( j - 1) 刀 具 和 毛 坯 进 行 布 尔 减 运 算gear1 ( j) = transf/mat4, gear2 ( j - 1)delete /gear2 ( j - 1)lb30:delete /hob (360 / ja + 10)mask /om it, 70delete /allL100:Halt4 运 行 实 例(1) 启 动 UG,选 择 齿 轮 刀 具 参 数 数 据 管 理 ,进 入 齿 轮 刀具 参 数 数 据 管 理 主 界 面 ,读 取 数 据 库 服 务 器 上 的 数 据 ,见 图3、 图 4。图 3 系 统 主 菜 单图 4 齿 轮 刀 具 数 据 管 理 主 界 面101第 22卷 第 6期 黄 勇 :基 于 UG的 齿 轮 刀 具 设 计 及 切 齿 仿 真 加 工 研 究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. (2) 添 加 齿 轮 相 关 参 数 到 数 据 库 服 务 器 上 的 齿 轮 参 数库 中 ,见 图 5。图 5 齿 轮 参 数 添 加 界 面(3)计 算 刀 具 参 数 ,并 添 加 到 数 据 库 服 务 器 上 的 刀 具 相应 参 数 库 中 ,见 图 6。图 6 刀 具 参 数 计 算 界 面(4) 进 行 加 工 程 序 仿 真 ,选 择 主 菜 单 的 剃 前 滚 刀 - - 一 次 修 缘 、 带 凸 台 ,进 入 加 工 仿 真 主 界 面 ,见 图 7。图 7 仿 真 加 工 主 界 面(5) 点 击 剃 前 滚 刀 参 数 库 ,读 取 数 据 库 服 务 器 上