基于Pro／E的斜齿轮参数化建模及仿真加工

2006年第6期 设计与研究 文章编号：10012265(2006 00102 基于的斜齿轮参数化建模及仿真加工 冯显英，胡滨，葛荣雨 (山东大学机械工程学院，济南250061) 摘要：文章以渐开线斜齿圆柱齿轮为例，介绍了斜齿轮在系统中 将其实现，解决了参数不同的同类齿轮反复建造的问题。并基于 通过后置处理器生成了加工斜齿轮的数控程序。对异型曲面零件的。 关键词：；斜齿轮；参数化设计；仿真加工 中图分类号：献标识码：A U E 5006 1，an as of AD of is in n is on of nd of C of a of ； 引言 虚拟制造(M)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。 其目的就是要在产品设计阶段，借助建模与仿真技术， 快速模拟出产品未来制造的过程，并预测及评价产品 性能和产品的可制造性，从而更加有效、经济和柔性地 组织生产，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设 计质量的最优化和生产效率的最大化。显然，产品的 三维造型和加工模拟仿真技术作为虚拟制造的关键技 术之一就显得尤为重要。 是当今比较流行的不仅 有强大的三维造型功能，而且其特有的可对零件进行仿真加工，并经过相应的后处理器自 动生成所需的数控加工程序，解决了复杂零件的数控 加工编程问题。本文基于，实现了斜齿轮类零件 的参数化建模，避免了这类零件的重复造型，同时对斜 齿轮的加工过程进行了动态仿真，给出了基于数控成 形铣削的斜齿轮加工实现的一般方法。 l 斜齿轮的参数化建模 2】 斜齿轮轮齿的精确三维造型是斜齿轮零件的设计 和加工仿真的基础，在环境下，利用主菜单中 工具选项下的参数和关系两个功能可以精确 的实现斜齿轮轮齿的齿廓设计，其设计步骤如下。 11设置斜齿轮的基本参数 进入的零件设计界面后，点击工具参数， 进入参数对话框，将斜齿轮的各参数依次添加到参数 列表框中。具体有：斜齿轮的法面模数数z、压 力角旋角顶高系数隙系数 位系数 、斜齿轮宽度 ，以上参数均要输入所 需设计的斜齿轮的参数数值；对于齿轮齿顶高 根高胛、分度圆直径D、基圆直径顶圆直径收藕日期：20051216 基金项目：教育部回国留学人员基金资助项目(2004527)；山东省自然科学基金资助项目(作者简介：冯显英(1965一)，男，山东大学机械工程学院教授，博士，研究领域为智能化精密检测技术、计算机数控技术等，(E21。 维普资讯 设计与研究 组合机床与自动化加工技术 齿根圆直径根据齿轮 基本几何参数按确定的关系式自动计算。 12设置斜齿轮关系式 首先，绘制斜齿轮的基本圆即4个任意尺寸的同 心圆，然后点击工其关系，在关系对话框中添加下列 公式： )F=(XX)=+2B=一2分别确定齿轮的分度圆直径、基圆直径、齿顶圆 直径、齿根圆直径的关系式。并设置这4个同心圆分 别代表分度圆、基圆、齿顶圆和齿根圆，即可再生为斜 齿轮的基本圆尺寸。 13斜齿轮建模 点击曲线从方程，在记事本中添加下列渐开线方 程式，以生成一个渐开线齿廓曲线。 r= t45 X=r r 80 Y r 80 z=0 将上述渐开线进行镜像、倒圆角和剪切处理，再经 复制、沿齿轮的中心线旋转“2D”角度等 处理，创建出斜齿轮两端的齿廓曲线，并创建出斜齿轮 的螺旋形齿槽。将两端的齿廓曲线采用扫描混合的方 法生成斜齿轮的一个轮齿，然后再使用特征阵列的方 法创建出其它的轮齿，然后再开键槽、倒角，最终生成 斜齿轮模型。 本文取参数：Z=20，0，B=30， 6。则所生成的斜齿轮模型如图1所示。 图1 给定参数的斜齿轮模型 在主菜单中点击工具参数，修改其中的参数，然 后再点击主菜单中的编W,再生，即可得到新的斜齿轮 模型，即实现了斜齿轮这类零件的参数化建模。 2 2 加工仿真 进行 制造加工，首先要有零件、毛坯和刀具模型，然后根据 模型数据库提供的几何信息，建立操作，定义，进行动态仿真，最后输出数控加工程序。要进行斜 齿轮的仿真加工，首先要明确斜齿轮的加工方法，即明 确毛坯和铣刀之问的位置关系和运动关系。本文所进 行的斜齿轮仿真加工采用仿形法，利用与斜齿轮齿槽 形状相同的指状铣刀直接加工出斜齿轮齿廓，是在五 轴数控立式铣床上进行的。 在数控机床中，将圆柱形毛坯固定在工作台上，使 其轴线方向竖直向上，然后旋转工作台，使毛坯轴线沿 水平方向。在加工过程中，铣刀除沿自身中心轴的旋 转运动外，还要沿毛坯轴线方向做直线进给运动，同时 毛坯沿自身轴线做旋转运动。其中，铣刀的直线运动 和毛坯的旋转运动必须满足一定的关系，才能加工出 斜齿轮的螺旋形齿槽。经分析可知，铣刀沿轴线移动 齿宽B，毛坯沿轴线旋转的弧度为2D，加 工完一个齿后，毛坯绕轴线作分度转动，以便加工下一 个齿。 21操作设置 (1)进入入图1所示的斜齿轮 为零件模型，并创建毛坯模型，将零件模型和毛坯模型 组装在一起为加工模型。 (2)进行C置机床类 型为五轴铣床，定义工件坐标系，退刀面，刀具，加工参 数等设置。需要注意的是，在设置刀具时。义的刀具形状没有我们所需的成形刀具模型，我们 需要创建一把与斜齿轮齿槽形状相同的指状铣刀。 (3)定义加工：疗法为轨迹加工法，选择斜齿轮齿槽 为加工轨迹路径，使铣刀沿着轮齿齿槽进行运动，保存 22表面成形仿真 221 斜齿轮表面成形运动分析 结合现有数控加工中心和斜齿轮的创成特点，分 析渐开线齿廓的表面成形运动，其渐开线母线由成形 法形成，斜齿轮齿廓的螺旋型导线则由轨迹法成形。 轨迹法的成形由工件轴的旋转运动和刀具轴沿工件轴 的轴向运动这两个单元运动联动复合而成。 222动态加工仿真 运用加工仿真模块，点击演示路径屏幕演 示，进行动态仿真，如图2、3所示。在仿真过程中，毛 坯是静止不动的，铣刀的运动轨迹是沿斜齿轮的螺旋 形齿槽进行运动，实际上是沿毛坯轴线的直线运动和 沿毛坯轴线的旋转运动的合成。仿真过程简单直观， 还可以进行过切检测，若有过切，在信息提示窗口会有 提示。 (下转第5页) 维普资讯 设计与研究 作为最一般的使用，需要先处理相应的数据，然后 再进行数据显示，本文中的数据处理软件即是一例。 在本文的数据处理软件中，使用数据文件来进行数据 输入。在使用绘图类从数据文件中读人 数据，然后，使用相应的算法(莱以特准则、罗曼诺夫准 则、格鲁布斯准则、狄克松准则)进行数据的处理，得到 另外的数据组，这时，再对实验数据进行设置。为了能 够比较分析数据处理的结果，本文将前述四种处理结 果在同一个视图中显示。 4各种处理方法之比较 为比较各种方法的处理结果，编制了异常数据处 理软件，它的界面和普通的的区别。而且，它采用了+中最常用的文 档视结构。本文使用的实验数据是分为1组16 个测量值)，之所以这样处理，是根据大直径测量仪测 量时处理数据的方法。 其运行结果如图3和图4所示。 图3数据处理的条形图显示 图4数据处理的线性图显示 5结论 从图中，可以看出，对于1正后的 莱以特准则能够很好的剔除大直径测量仪中的异常 值，使用这种方法进行计算而得到的结果，最大值与最 小值之差最小，数据具有很好的稳定性，在大直径测量 仪的实践中通过大量的实验数据也进一步证明了该结 论。 通过本文开发的异常数据处理软件，已经成功地 运用于大直径测量仪的实际研究中，并取得了非常好 的测量结果。实验表明，采用这种数据处理方法可以 把大直径测量仪的测量精度提高到参考文献 1何光渝北京：科学出版 社，2002：263268 2梁晋文，陈林才，何贡误差理论与数据处理M北京：中 国计量出版社，2001：223255 3孙景慧，林亨用机 械设计与制造，2001(6)：1113 (编辑江复) (上接第2页) 图2斜齿轮的动态加工仿真 3后置处理 仿真加工所生成的刀位文件(只是刀具位置 文件，还不是数控程序，因此刀位文件还需经过相应的 后处理器以生成数控加工程序。依据我们现有的 对刀位文件进行相应的后置处理，以生成可行的数控 加工代码文件，以上步骤均可在 文件(缺省名为此后置处理操作 完成。 4结束语 本文基于，完成了对斜齿圆柱齿轮参数化建 模及仿真加工过程，解决了斜齿轮轮齿齿廓的建模问 题，并提出了在五轴数控铣床上进