内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究.docx

沈阳工业大学硕士学位论文 内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究 姓名：金钰申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：王可20070301沈阳工业大学硕士学位论文摘要近年来，随着机械工业的发展，各种不弼形状的异形螺杆在石油、化工、轻工、军 工、造船、橡胶等行业的通用机械应用日益广泛。在单螺杆泵转子中，双头、三头螺旋 转子是截面呈光滑凸形规律的螺旋曲面，具有较大的社会需求量，目前主要采用外包络 方法加工，即用盘形铣刀加工，使工件与刀刃的回转面以外切式接触方式包络加工出螺 旋曲面。本文将传统的旋风铣削技术的切削平稳、效率高的特点与数控技术轨迹控制灵活的 特点相结合，研究了内旋风数控包络铣削这项新技术。此方法利用铣刀中心与工件的相 对运动，通过刀具内圆环旋转轨迹内切包络出螺旋表面。内旋风包络铣削是一种高效、 经济、实用的螺杆加工方法，此前人们多在内旋风包络铣削中利用成形刀具来加工三角 及梯形螺纹，与数控技术结合后使轨迹控制问题灵活化、简单化。使用这种技术对截面 廓形为凸形的复杂螺杆(简称凸螺杆)螺旋曲面进行数控铣削加工时，不但刀刃回转面 与工件表面的接触线较长，切削平稳，加工效率高，而且加工出的螺旋表面粗糙度值较 低。这种加工技术是将内旋风式铣削的高效性和包络法的高柔性结合一体的数控加工技 术。针对截面廓形为凸形的螺杆螺旋曲面特性，并根据包络原理，充分利用螺旋曲面的 特性，给出了有效的刀具轨迹算法，分析了主要影响参数，并验证了该方法的可行性。本文在对自由曲面、螺旋曲面的加工方法及步骤进行详细的研究和归纳总结的基础 上，确定了采用包络旋风铣削方法来求解凸螺杆螺旋曲面的加工刀具空间轨迹的方法和 步骤，解决了如何合理规划走刀路线、合理的步距点、减少加工误差等一系列求解空间 刀具轨迹数控技术关键问题，并且运用c+BuILDER编程语言，在Windows2000的操 作系统下研制了内旋风铣削多头螺杆专用数控软件，此软件是一套集工艺参数输入、刀 具轨迹计算、图形显示、NC程序文件生成等多功能于一体的专用CAM软件。关键词：旋风铣削，数控包络，凸形螺杆内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究Study on Technology of Inner Whirlwind Enveloping Milling for ScrewAbstractMany of variform abnormity screw apply increasingly abroad in oil，chemical engineering，light industry，war industry，shipbuilding，rubber and SO on along谢m mechanic industry developing recentlyIn single screw pump whose rotor has double or triple heads，the rotor whose section line has characteristiCS of discipline，convexity and smoothness iSclassical helical surfaceExternal envelope method is adopted for NC milling techniqueExternal turning face of cutter blade is made contact workpiece to envelope helical surface of spiral rod with dish t001It is cutting smooth and efficient when cutting with traditional whirlwind millingmethodAnd that CNC technique makes the trace controlled neatlyAnd that CNC technique trait of trace controlled neatlyIn this thesis，combined these two together，we study on new method of inner whirlwind envelopeThe relative movementtrace between milling cuttercenter and workpiece is used to envelope the helical surface relying on the rolling innercircular trace of the cutterInner whirlwind enveloping milling，which is greatly efficient， economical and practical，is a machining technology for milling screwWe usually machine triangular thread and trapezoidal thread by from tool of mill head with whirlwindTrace controlling becomes neat and simple after combined with CNC techniqueWhen the workpeice whose section line has convexity iS machined by the technology，not only thegyratory surface of cutting edge contacts the surface of workpiece in longer line，cutting smoothly，and the machining time is diminished，but also the magnitude of helical siRface roughness is reducedThis machining method combines highly efficiency of inner whirlwindand highly flexible of envelope to CNC machining methodAccording to characteristic of screw，this thesis studies a sort of arithmetic about spatial path of cutting tools，analyzesprimary effect parameter，and proves feasibility ofthis methodIn this thesis，the method and steps for studying toolpath are confirmed based on research and summary of machining and technique of free surface and spiral surfaceSome problems are solved here，such as program reasonable tool route，definition of reasonable machining points，and reduction the errorThe accuracy of machining workpiece is analyzed沈阳工业大学硕十学位论文also in the articleAbove arithmetic and simulation are realized with C+BULIDER, generate a software of inner whirlwind milling multihead screw in Windows 2000This software is a suit of CAM software for calculating the trace of tool，displaying of graphics， and creating CNC fileKey Words：Whirlwind Milling，CNC Enveloping，Convexity Screw独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。签名：垒量日期：兰!丑：兰：!关于论文使用授权的说明本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。(保密的论文在解密后应遵循此规定)沈阳工业大学硕士学位论文1绪论11选题背景螺杆被广泛的应用于压缩机、冷冻机、螺杆泵等产品。随着螺杆应用范围的不断增 加，不同螺杆的应用目的也不尽相刚11，其种类主要可分为单螺杆泵转子、多螺杆泵转子、 螺杆马达转子和螺旋推进器转子等几大类。几年来由于螺杆机械应用范围的扩大，品种 增多，以及质量地不断提高，对螺杆加工行业也就提出了越来越高的技术要求。这些螺 杆螺旋曲面成形机理各异，螺杆型线也复杂多样，这给螺杆的加工带来很大的困难12】。 尤其是对螺杆的加工精度要求也在不断的提高，因此研究螺旋面数控加工是一种重要课题【31。为了尽快追赶国际先进制造技术趋势，沈阳工业大学专用数控开发中心，自1993 年以来，在单螺杆泵(马达)转子加工的三自由度无瞬心外包络铣削加工方法研究，刀 具轨迹、干涉处理、误差分析、大型数控螺杆铣床的动态设计、自定心跟刀架和可回转 头等关键部件新结构运用及密齿刀具的结构设计等方面潜心研究，研制出LXK系列螺 杆专用数控机床【41，创造了巨大地经济和社会效益，使我国螺杆制造技术和产品质量与 发达国家水平日益趋近。三自由度无瞬心外包络铣削法无论从理论研究还是在应用技术 方面都取得了成功，为了进步提高螺杆加工精度，减少加工周期，针对截面廓形为凸 形且需求量大23头螺杆，提出一种高效、经济、实用的加工方法包络旋风铣削 法。以往旋风铣削用于加工各种三角、梯形、矩形等螺纹，都是成形铣削，而本文应用 内旋风铣的圆形轨迹内切包络加工螺杆，充分利用了它的优点。这种方法扩大三自由度 包络法的加工工艺方法，将内旋风铣削技术的高效性与无瞬心包络方法的高柔性很好的 结合起来，具有切屑接触线长，切削平稳，加工精度高，加工效率高等优点【5】，赶超了 国际螺杆转子加工的技术水平，自2002年我中心开始着手对凸螺杆转子加工方法进行 研究，在三自由度无瞬心外包络铣削加工方法的基础上研究三自由度包络旋风数控铣削 加工方法。本课题就在此背景下产生的。本课题从空间啮合原理出发，利用螺旋曲面的成型特 性和无瞬心包络方法中的最小有向距离理论，论证了包络旋风数控铣削相应加工方法及内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究其刀具运动轨迹计算方法的正确性，编制出相应的专用数控加工软件，从理论上给以论 述说明。12螺杆泵及螺杆转子简介螺杆泵属容积式转子泵，它是由泵内螺杆齿形与泵套形成的若干密封腔的位移来吸 入和排出液体的。螺杆泵按螺杆数目通常分为单螺杆泵、双、三和血螺杆泵，它们各有 优点，在推广应用螺杆泵时必须有选择，只有充分利用其各自的特点，才能更好的实现 节能、节材、增效益或满足某种特殊要求。本课题以主要研究对象单螺杆泵和单螺杆马 达作以介绍：如图11单螺杆泵的泵套是由非金属弹性材料(通常是橡胶)制做的，内孔呈螺旋槽 状，它与一条螺旋状的金属螺杆之间形成若干密封腔。金属螺杆作偏心旋转运动，使密 封腔由泵的低压区位移至高压区，完成吸入、排出液体和形成压力的全过程。除了一般 介质外，单螺杆泵可以输送悬浮液及含金属颗粒、含纤维等的特殊介质。在处理污水、 泥浆时，常用单螺杆泵，通常工作压力不高f7】。1排出体2转子3定子4万向节5中间轴6吸入室7轴密封8轴承座 图11单螺杆泵组成结构Fig11 Form configurationofsingle sorewpump单螺杆马达是和单螺杆泵是一对相同工作原理的逆工作器，主要作为石油行业上螺 杆钻具的动力部件束使用。马达和泵的参数选择是不同的，泵的转子大多数是单头或双 头的，而马达转子的头数则在39头之间，但它们共同的特点是表面圆滑【81。沈阳工业大学硕士学位论文由于螺杆泵具有流量平稳、压力脉动小、有自吸能力、噪声低、效率高、寿命长、 体积小、工作可靠等许多特点，使得它的的应用范围很广。螺杆泵的优点是输送介质时 不形成涡流、可输送粘度范围宽广的各种介质，既可以输送各种粘度的润滑性或腐蚀性 介质，也可以输送各种粘度的非牛顿液体，还可以气液混输、固液混输。广泛应用于海上平台工程、石油化工、航运、电力、机械液压系统、食品、造纸、制糖、军工和污水处理等工业部门。 普遍应用于各个行业的有我们常见的用于紧固和机械传动的梯形、矩形和锯齿形等螺杆外，近年来，随着现代工业的发展，各种形状不同的异形螺杆广泛应用于石油钻采、 化工、轻工、军工、造船、橡胶等行业的通用机械61。按其形状可分为单螺杆泵(马达) 转子、多螺杆泵转子和螺旋推进器转子等几大类。13螺旋曲面铣削加工技术研究螺杆泵是一种技术水平要求很高的产品。它的应用范围正在不断扩大，需求量连年 增长。由于它是流量和压力脉动小的产品，又是节能和节材产品，它的发展受到各级行 政、企业领导的高度重视。随着国民经济的长足发展，迄今全国螺秆泵生产厂总计三十 余家，多数厂生产单螺杆泵，这样对单螺杆转子的需求量尤其大，这就需要有一种效率 高的加工方法生产这类螺杆转子【9】。单螺杆泵和单螺杆马达按截面的头数不同可分为单头、双头和多头螺杆转子。单螺 杆泵大多数是单头和双头的【。本文只论述单螺杆泵(马达)转子的加工技术技术研究。 单螺杆泵和螺杆马达螺旋面的形成原理比较复杂，加工难度较大，制造精度不亦易保证。大量资料显示对螺旋面的加工有主要以下几种方法：131成形铣削法 成形铣削法，如图12所示的指状铣削和盘形成形铣削，在多头螺杆的加工中得到了一定程度的应用。世界上成形螺杆铣床是以英国HOLROYD公司为代表，该公司1953年就推出了包含有刀具设计、刀具制造刃磨及螺杆铣削技术为一体的螺杆成形铣 床及相关技术，该机床于1976年获英国女王科技成就奖之后，其螺杆成形铣刀制造技 术成果又于1993年获得了英国女王科技成就奖，产品覆盖世界各地。但成形刀具的制内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究造及成形法原理决定的此法加工的螺旋面表面质量难于进一步提高，且同成形铣削法一 样存在硬齿面磨削、加工效率低、加工精度差等不足。成形法是在80年代国内不具备 现代化螺杆加工设备的条件下产生的。它曾在我国螺杆钻具研制的初期阶段起到了积极 的推动作用。目前国内只有上此项目较早且产量不大的企业还在使用这种工艺方法11-ml。、图12成形法加工螺杆示意图Fig12Sketchmapofmachining screwwith shaped132圆环形盘铣刀外旋风包络铣削法 随着数控技术的发展，我国传统的成形法加工螺杆逐渐被淘汰，开始采用无瞬心包络法加工螺旋曲面螺杆。无瞬心外包络数控螺杆铣削工艺方法是80年代之后国际上的 先进制造技术。无瞬心包络铣削法加工的数控运动原理如图13所示，刀具安装角万等 于工件廓形中径处的螺旋角，刀具旋转运动刀为切削主运动，工件的转动C与刀具的径 向运动x在数控系统的控制下进行插补，形成了螺杆截面内的包络运动。当一个包络面 形成后，C、z两轴插补形成铣刀沿螺旋线方向的迸给运动，循环以上程序便可包络出工件的复杂螺旋表面。用此加工方法可以加工出任意截面轮廓形状、任意头数、任意螺 旋角和旋向的单螺杆泵和螺杆马达转子，刀具采用标准的硬质合金机夹刀片，其切削速 度高的特点大大提高了工件加工效率f13】。单件加工时|日J一般是成形法的l8110。目|ji国内螺杆钻具行业的大型生产厂和新上此项目的厂家都选择了此加工技术，部分原来 采用成形加工的企业也进行了改造。此法的研制在螺旋面加工方面迈进了一大步，但实一4一沈阳工业大学硕士学位论文际应用中只限于大导程螺杆的加工，目前已在螺杆钻具多头螺杆转子的加工中获得了广 泛的应用【“l。圆环形盘铣刀外旋风包络铣削技术以奥地利Weingartner公司为代表，该 公司于80年代收购了原来另一家从事此项技术研究与推广工作的奥地利LINSINGER 公司，在当时成为世界上唯一的从事用盘铣刀包络铣削螺杆的公司。他们于80年代初 将这项技术与数控技术相结合推向市场，对成形铣削法形成了挑战，开始在部分螺杆的 加工上替代成形法。但是，直到90年代初其空间包络理论的自动编程系统尚不够完善。 在国内，我们从1994年开始从事包络铣削理论及应用技术的研究，并与德国的 LEISTRITZ公司几乎同时完成，已成为世界上三个从事此项技术研究、推广及制造此 种专用数控螺杆铣床的单位。并在90年代末与Weingartner、LEISTKITZ公司都完成了空间包络理论的CAM编程系统的研究工作。刀具旋工件图1,3无瞬心外包络法加王螺杆示意图F螗13 Sketch map ofmachining sc犯w with outer envelopillg133内旋风包络铣削法2002年，奥地利Weingrtner公司最新推出内旋风包络铣痢螺旋曲面的新技术【体17】；2003年，我校开始研究此项技术。此方法是单螺杆泵(马达)转子加工中最简单、最易 掌握的一种铣削法，所用设备是在车床上配以旋风铣头，并把铣刀的刀尖回转直径调整 为工件直径的值，控制工件每转一周让铣头在轴向上进给一个导程，国内企业对单螺杆 的加工都采用这种方法，而国外较多的在数控机床上来实现；内旋风包络铣削法，与定内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究径旋风铣削法不同，这种方法必须在数控机床上才能实现，加工时铣刀的回转半径要大 于工件截面上的最大曲率半径，依靠鼠C、z三个轴的联动来实现截面曲线和螺旋方 向的包络运动如图14示，此法加工效率比外包络铣削方法的效率更高、表面质量更好， 但参数的选择和数控程序的编制难度大，可用在嫘杆泵或螺杆马达转子中双头或三头凸形螺杆的加工，是国际上最先进的螺杆加工方法，由于这类螺杆转子需求量逐年增加， 对其方法的研究更加尤为重要11引。内旋风包络铣削法铣削螺杆时，刀具回转面与工件表 面的接触线较长，切屑也较长，因此切削较平稳，加工出来的螺旋面光洁度也较高。但 是内旋风包络铣削法铣头的铣刀直径与刀头数量受工件直径及所用机床中心高度的限 制。圆环形盘铣刀外旋风包络铣削法加工螺杆时，刀具回转面与工件接触线较短，其切削平稳性及加工出工件螺旋面光洁度都差一些，但圆环形盘铣刀外旋风包络铣削法的铣 刀头结构受机床和工件尺寸的限制转子。厂 兹 匿图14内包络旋风铣Bq加工螺杆示意图Fig14Sketchmapofmachining SClgwwithinnerenveloping14数控加工自动编程系统(CAM)发展及关键技术分析141数控加工自动编程系统发展 近年来，随着大量进口数控机床的引进和国产数控机床的研制，目荫我国拥有的数控机床和加工中心中，三坐标机床占主流，四轴或五轴联动的数控加工机床也在逐渐涌沈阳工业大学硕士学位论文现。特殊螺旋曲面零件的制造已开始迈入CAM的行列，加工精度和加工效率都得到了 很大的提高，而加工难度和劳动强度也随之大幅度减小。计算机数控编程的方法有：手工编程、数控语言编程、CADCAM系统编程和自动 编程。由计算机进行工艺处理、数值计算、编写零件加工程序、自动地输出零件加工程 序单，并将程序自动地记录到穿孔纸带或其它的控制介质上，亦可由通讯接口将程序直 接送到数控系统，控制机床迸行加工，这种方法称为自动编程【191。随着计算机技术及信息处理的发展，在CADCAM一体化基础上，逐步形成了柔 性制造系统(FMs)及计算机集成制造系统(CIMS)的概念。为了适应FMS及CIMS 发展的需要，数控编程系统正向通用化、集成化和智能化方向发展【201。而随着微机的出现和发展，国内外都相继开发了适用于各种微机的NC自动编程 系统。这种专用自动编程系统的着眼点不是放在功能齐全上，而是放在如何简化程序和 提高效率上，因此这类系统容易掌握，便于使用，且成本较低。目前国内外常见的CAM软件有许多，主要可分为两大类：一类是与CAD软件一 体化集成的，如著名的美国PTC公司的ProEngineer、UGs公司的I-DEAS和 Unigraphics、法国达索飞机公司的CATIA、以色列CIMATRON公司的CIMATRON、 法国MARADATAVIsION公司的EuclidIS、华正软件工程所的国产软件CAXA等，这 类软件是属于CADCAM一体化集成的，都在某些方面具有特长，如ProE的造型功能 较强、I-DEAS的有限元分析和优化功能较强、UG的CAM模块比较成熟、EuclidIS的曲面造型功能比较强等，所以一些大型企业往往同时需要使用几种CADCAM软件系统才能满足自己的需求，结果导致软件之间进行数据交换时丢失信息21-23。目前产品信息在各不同的CADCAM系统之间的集成主要是通过建立统一的产品 数据交换标准来实现的，如IGES标准、PDDI标准、PDES标准和STEP标准等。但是 在朝着集成化目标发展的过程中遇到了很大的困难。以IGES为代表的产品数据交换标 准，尽管在支持几何数据的交换方面己达到实用化程度，但它只支持物理层上的数据交 换，难以满足信息集成的需要。如一个圆柱面通过IGES文件格式读入，得到的可能是 一个有多个直纹面拼合的面，其精度多取决于读入的精度设置，这样在加工中会因为精度内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究过高，而产生过长的代码，而精度过低，则加工的产品粗糙度会增加。如果软件能认得 它是圆柱面，则通过短短的几句代码，即可获得很好的加工效果。另一类CAM软件为独立的CAM软件，这一类软件往往只有CAM功能，而不具 备产品设计和绘图的能力，主要依靠数据转换接口来读入产品数据，如DelCAM的 PowerMill等。这类软件同样也存在着与CAD系统的集成问题。目前也主要是通过标准 的产品数据交换文件来实现。以上介绍了目前国内常见的两大类CAM软件，不同的软件有不同的特色。第一类 软件大多是一些高档的三维CADCAM集成系统，它们往往具有强有力的产品设计与造 型功能，功能覆盖整个机械设计的全过程，但这类产品往往价格比较昂贵，对技术人员 的要求很高，不一定适合国内许多企业的现状【州。第二类软件灵活性好，可与不同的 CAD系统相配合，但由于产品数据交换标准的最终完善还需相当一段时间，所以不可能完全实现与各CAD系统的无缝集成，实现信息流的真正共享。142曲面数控加工中关键技术分析在曲面数控加工中，刀触点是曲面表面和刀具表面接触的点；刀位点是在NC加工中 用于刀具定位的参考点，对于给定的加工刀具，加工刀具轨迹的生成就是对于给定的加 工参数(包括加工精度、加工路径的形式以及加工策略等)，由零件曲面计算一系列的刀具 位置，即系列的刀位点，并和这些刀位点相应的加工进给量和走刀速度一起形成数控加 工代码，用于数控加工。加工刀具轨迹生成的关键是曲面加工刀具的刀位数据，而刀位数 据可以从其相应的刀触数据计算得到。刀具轨迹生成是自由曲面零件数控加工中最重要的内容。在自由曲面的多坐标数控 加工中，刀具轨迹的优劣直接影响其加工精度和加工效率。有关这方面的研究文献较多， 主要是针对三轴数控加工和五轴数控加工，归纳起来，对于自由曲面的加工，由曲面模 型生成无干涉刀位轨迹主要有以下几种策略1251：第一种是曲面模型无干涉刀触点轨迹刀位轨迹。这种策略由曲面模型直接 产生无干涉的刀触点轨迹，适用于刀轴矢量固定的三轴数控加工，由于需要进行数值迭 代运算，适用于模型及计算不太复杂的刀具轨迹生成。沈阳工业大学硕士学位论文第二种是曲面模型刀触点轨迹无干涉刀位轨迹。其基本思路是首先生成不 考虑干涉问题的刀触点轨迹，然后通过干涉检查与处理，生成无干涉刀位轨迹。这种策 略非常适用于四、五轴数控加工，因为在四五轴数控加工中，由于刀轴控制的灵活性， 很难由刀位点确定刀触点和刀轴的最佳偏转角度，所以四五轴数控加工尤其是非球头刀 加工进刀具轨迹的生成算法基本采用该策略。第三种是曲面模型偏置面模型无干涉刀位轨迹。根据加工参数和选用的刀 具，计算原始瞳面所对应刀心点曲面，称为刀位面或偏置面，用偏置面模型直接生成无 干涉刀位轨迹。显然，若用球头刀进行加工，不论是三轴数控加工或四、五轴数控加工， 偏置面都是原始曲面的等距面。但若用环形刀或端铣刀加工，只有刀轴矢量固定的三轴 数控加工，可以根据原始曲面构造出刀心点曲面，对于四、五轴数控加工，由于刀轴矢 量方位难以确定，致使非球头刀加工时偏置曲面的生成与处理匿难。第四种是曲面模型点阵模型无干涉刀位轨迹。其基本思路是首先将被加工曲面在精度控制范围内用点阵代替，建立点阵模型，典型的有Zmap得到曲面的Zbuffer数据，然后刀位轨迹通过“逆向偏置”方法从曲面的卜bu他r数据中产生。这种策略思路简单，算法稳定，适用于三轴数控加工。刀具轨迹的生成方法有多种，比较常用的有参数线法、截面法、投影法、多面体法 等，近年来，关于自由曲面数控加工刀具轨迹的研究得到了较大的发展，对刀具轨迹的 长度、连续性及轨迹方向一致性等的控制得到了进一步的加强，使刀具轨迹在提高曲 面的加工精度和加工效率上得到了更好的优化。文献在等参数法的基础上提出了自适应 等参数线法，较好了解决了等参数线法的冗余刀具轨迹。文献在控制相邻轨迹间的残留 高度不变的条件下，提出了等残留高度法。基于曲面离散生成三角面片的多面体刀具轨 迹生成也得到了很好的研究。等参数线加工方法是一种常用的刀具规划方法，也是多轴数控加工中生成刀具轨迹 的主要方法。该方法刀具沿曲面的“向和V向等参数线运动，适用于参数线分布比较均 匀的曲面加工。它的优点是刀具轨迹计算简单、速度快；缺点是刀具轨迹排列较密、加 工效率不高。等参数法虽能得到较平整的轨迹曲线，但轨迹排列以轨迹间最小切削宽度内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究为依据，以牺牲大多数刀位点的切削宽度为代价，轨迹排列很密，自然得不到较高的效 率。后来在对等参数线法进行改进的同时，提出自适应等参数线法。自适应等参数线法 具有等参数线法计算简单的优点，并克服了等参数线法有时加工效率不高的缺点261。截面法的基本思想是采用一组截面去截取加工曲面或加工曲面的偏置面(TJ位面)， 截出一系列的交线作为切削刀具的走刀轨迹。即为CC路径截面线法和CL路径截面线 法。若截取的是加工曲面的原始曲面，则刀具与加工曲面的刀触点在同一截平面内，若截取的是偏置面(一般即为刀位面)，则刀具的刀位点在同一截面内口7J。对于单一曲面的 加工，采用刀具沿截面与加工曲面的交线运动效果要好一些，因为刀具与加工曲面的切 触点被限制在同一截平面内；对予组合曲面的加工，采用截面与加工曲面的刀位面求 交生成刀具轨迹要简单得多，因为交线位于同一截面内，连接处理容易进行。CL路径截面线法生成刀具轨迹的计算方法主要有两种f281：(1)直接构造零件曲面的刀具偏置面，由截面与偏置面求交得到刀具轨迹。构造 偏置面时，可在前述离散零件面后，将离散后的三角形顶点沿法矢方向偏置一个刀具半 径值，然后按照未偏置时三角形顶点的拓扑关系依次连接偏置后的三角形各顶点，得到 偏置的三角形网格。根据组合曲面的形状，作一组平行于Cartesain坐标系中某一坐标面的平面，比如yyi，求出截平面与曲面偏置的三角形网格的交线。每个小三角形内的交线长度决定了加工时的走刀步长。(2)不直接构造零件曲面的偏置面，而是通过迭代计算直接在截面上求取刀具与 被加工面相切的一系列刀位点，由此构成刀具轨迹。同样，为了便于计算刀具到曲面 的距离，一般也是先将曲面转化为多面体，从而将刀具与曲面的距离求解转化为对离散 平面的距离求解对于复杂曲面的加工，截面法加工效果明显，容易实现曲面间的光滑走 刀。其不足之处在于计算比较复杂，如果曲面求交算法的可靠性不高或精度低，那么可 能会导致计算结果错误或者轨迹不满足精度要求。采用截面法加工曲面时，如果曲面各处都比较平坦，则可以生成分布比较均匀的 刀具轨迹，加工后可使零件表面上的残留高度比较均匀。但是截面法加工的截面间距不沈阳工业大学硕士学位论文易控制，难以与曲面实际形状相吻合，导致在曲面的平坦处轨迹较为密集，而在陡处轨 迹比较稀疏，加工后表面的残留高度不均匀，表面质量不一致，加工效率也不高自由曲面数控加工要达到指定的加工精度，零件表面的残留高度必须控制在允许 的误差范围内，在等参数线加工方式中，为了达到指定的加工精度要求，刀触点轨迹的 分布是按照最小加工带宽度决定的，这样相邻的刀具轨迹有大量的重复走刀，导致加工 效率低下。截平面法的加工带宽度一般都是等距的，往往根据所允许的最大残留高度来 确定加工带宽度，对于曲率变化较大的曲顽，加工效率较低。相比之下，等残留高度法是通过控制相邻轨迹间距离使轨迹间的残留高度不变，从 而在己知一条加工轨迹，刀具半径和允许残留高度的前提下，下一条刀具轨迹可以计算 出来a在精加工阶段，利用球头刀进行等残留高度加工能使加工后零件表面的残留高度 均匀，提高加工效率并获得较好的加工质量【291。还有最小有向距离法，将在第四章详细论述。 曲面加工的刀具轨迹在理论上是由刀具与曲面的啮合关系所确定的复杂曲线，但由于插补能力的限制，该曲线轨迹只能用一系列的小直线段进行逼近，再由CNC机床作 线性运动来近似成型【30】。显然，走刀步长(逼近线段)过大将使曲线成为明显的折线，使 轮廓精度降低及表面质量恶化，后续处理工作量加大，整体效率降低。但步长过小又将 导致零件程序十分庞大，使用不便和效率下降，且步长过小容易使数控机床产生速度波 动和平均速度下降，从而影响效率和质量【3“。因此，在数控编程中，步长和行距的选择 是非常重要的，它关系到被加工零件的精度和加工费用。步长、行距必须根据加工精度 要求及占用数控机床的机时来综合考虑1321。曲面加工刀具轨迹步长计算方法可分为三类：等步长法、步长筛选法和步长估计法。 (1)等步长法包括等参数步长法和等距离步长法，等参数的逼近是对曲线参数进行 等距分割(也即等参数步长)，然后将每一节点的参数值代入曲线表达式中计算出该点 坐标，将各相邻离散点用直线顺序相连即构成逼近原曲线的刀具轨迹等参数离散逼近的 特点是算法简单稳定，但不能保证各逼近线段与原曲线之间误差的一致性。等步长逼近 使各相邻离散点之自J的距离相等。等步长逼近比等参数逼近的计算要复杂的多，且由于内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究曲线在各处曲率不等，各逼近段内的逼近误差也各不相等，因此其步长也只能按最不利 情况下来选取，也难得到高质量的零件程序。等参数步长离散法应用于参数线法生成刀 具轨迹，而等距离步长法则可应用于各种刀具轨迹生成方法中【33】。(2)所谓步长筛选法是先以小的等参数步长或等距离步长对刀具轨迹进行密集离 散，然后再校核各离散轨迹段内的实际逼近误差，并将不必要的刀位点删除，从而使所 剩下的各刀具轨迹段内的误差分布比较均匀。(3)步长估计法是根据当前刀具接触点处的局部几何形状与走刀方向来估计满足精 度要求的走刀步长，再由此确定下一刀位点的位置。步长估计的常见方法是对理论刀具 轨迹和接触点路径进行弧弦逼近，由弦高误差来确定加工误差和进给步长，对于曲面加 工，这种方法(也包括上述步长筛选法)对误差的估计是近似的。考虑到本铣床为专用数控铣床，需要高效加工，如果用普通的CAM软件，生成的 数据较多，计算量较大。所以编制相应的专用编程软件，来更好的实现螺杆转子加工的 高效性及简易性。143开发平台简介 在软件方面，选择了开发平台C+Biulder是由著名的Borland公司开发的可视化软件开发系统，它是Bortand公司继Delphi之后开发的又一通用的ClientServer结构的开发工具。C+Biulder作为面向对象的可视化软件开发系统，具有以下特点34】： C+Biulder是一个可视化的快速应用程序开发工具，具有高效、优化的源代码编译器，可视化的应用程序开发环境和可扩展的数据库技术，适用于各种类型的可视化程序开发。C+Biulder的编程语言c+是个面向对象的结构化语言，Borland公司在Pascal 方面所做的大量工作使之可以产生紧凑、高效的执行代码。c什为效率最高的高级编程 语言，其执行速度仅次于汇编语言，却具有汇编语言所无法达到的种种优点，同时 Windows也是利用C语言编写而成的，这两者可以达到极为完美的连接，这一点是作 为解释性语言Visual Basic所望尘莫及的。C+Biulder有完善的异常处理机制，可以自动处理异常状况。一12沈阳工业大学硕士学位论文C+Biulder具有功能强大而又使用方便的数据库支持能力，可以支持多种数据库。C+Biulder具有操作系统无关性，利用它在Windows环境下开发的程序可以直接 在Windows环境下运行。用C+Biulder开发的应用程序可以调用C十+的DLL和OCL控件，同样，C十+程 序也可以调用c十+Biulder编写的DLL。全面支持Windows及Windows NT的0LE自动化、Active、多线程、MAPI和 Unieode等功能。具有强大的Internet开发功能，为网络应用程序提供了大量的组件。C+Builder50作为一个优秀的程序开发环境，为用户提供了一种方便、快捷的应 用程序开发工具，它基于当前应用最广泛的Microsoft Windows操作系统，使用了其 中最先进的用户界面和设计思想，采用了完整的面向对象程序语言。对于广大程序开发 人员来讲，使用C+Builder50开发应用程序，将会大大的提高编程效率。基于以上原因，考虑到本软件开发所需要用到的组件以及要有美观而实用的用户界 面，所以本软件的开发采用C+Builder作为开发平台，来完成这个既便于用户操作且 功能强大，又有友好的用户界面的应用软件的开发。软件开发的方法主要有两种：结构化的程序设计和面向对象的程序设计【3卯。结构化设计方法(Structured Desigl卜奄D)是由自顶向下进行软件系统的总体设计 思想发展而成的。该方法使得数据流图可以向结构图进行系统的转换，因而也称为面向 数据流的设计方法。在设计过程中主要是采用模块化设计方法。结构化方法的优点可以 概括为：子程序对程序其它部份没有或尽可能少有副作用，从而为共享代码奠定基础。由于结构化方法的模块分解与功能抽象，自顶向下，分而治之的手段和技术路线，能有 效地将一个较复杂、中大规模的程序系统的设计任务分成许多易于控制、处理、可独立 编程的子任务、子程序模块。但从本质上说，结构化方法仍是一种面向数据过程的设计 方法，它把数据和过程分离为相互独立的实体，程序员在编程时，必须时时刻刻考虑所 要处理的数据结构和类型，编程麻烦且设计出的程序可重用的成分很少。另一方面，如内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究果用户在工程后期对数据格式或实现方案提出任何改变请求，那么整个设计将前功尽 弃，一切重来。面向对象程序设计是对结构化程序设计的继承和发展，它吸收了结构化程序设计的 全部优点，同时又考虑到现实世界与计算机解空间的关系，认为现实世界是由一系列彼 此相关并且能够相互通信的实体组成，这些实体就是面向对象方法中的对象，而一些对象的共性的抽象描述，就是面向对象方法中的核心类。面向对象的程序设计方法就是运用面向对象的观点来描述现实问题，然后用计算机 语言来描述并处理浚问题。这种描述和处理是通过类与对象实现的，是对现实问题的高 度概括、分类和抽象。每个对象都具有自己的数据和相应的处理函数，整个程序是由一 系列相互作用的对象来构成，对象之间的作用是通过发送消息来实现。这样的程序、数据和操作很好地封装在对象中，数据的访问权限也可以得到有效的控制，数据结构和格 式的改变只是局限于拥有该数据的对象和类中，因此修改也较为方便。同时，通过由现 有的类进行派生，可以得到更多具有特殊功能的新类，对更为复杂的问题进行描述，达 到对现有源代码的最大限度的重用，实现。15课题主要工作结合目前自由曲面加工技术的发展动态和螺旋曲面的加工现状，针对采用包络旋风 法加工螺旋面时，刀触点和刀具轨迹的计算方法进行研究，建立工件和刀具数学模型， 编制相应算法的运算程序，生成相应的数控软件，实现刀具在任意位子的切削点在工件 的理论表面上。同时将以实例计算出加工双头螺杆转子的刀轨路径。具体内容概括如下：第一，建立简单、可靠的工件和刀具数学模型。 第二，合理规划走刀步距，离散步距过大将使轮廓的理论加工精度减低，但步距过小又将导致零件程序编程效率低，影响加工效率和表面质量。本文将通过以往外包络法经验和仿真解决这一矛盾。第三，应用最小有向距离方法，计算确定刀具触点位置，得到刀具轨迹数据，针对 被加工螺旋曲面廓形及内圆环铣刀包络原理的复杂性及程序编制的不易实现性，以 Windows2000为开发平台，以C十+BUILDERS0作为开发工具，以软件的实用性、开放性、沈阳工业大学硕士学位论文可扩展性及可支持性为研制原则，开发一套基于Windows2000，包括工艺参数选择、数控 程序生成等SCAM功能的数控软件。第四，合理选择刀具参数：用实例进行验证刀具运动轨道计算，并根据计算出的数 据进行误差分析，尤其是刀具安装角度因素对加工质量和加工误差影响，进而探求最佳 安装角。16题的目的及意义本课题在无瞬心外包络法铣削理论的基础上，针对大型凸螺杆转子的特性，提出了 采用三坐标数控包络内旋风铣削的方法，进一步提高了螺杆的加工效率和表面质量，完 善了国内螺杆铣削的方法。凸形螺杆高效铣削技术及设备项目开发研制成功，代替了进 口同类机床，提高了自动化、智能化程度，紧跟国际加工螺杆转子的步伐，将带来良好 的经济效益和社会效益，促进我国单螺杆的生产量的增长，满足市场需求。同时，利用 这种新技术可以继续开发新产品，应用于其他行业的特殊流体机械制造中，具有重要理 论价值和广泛的前景。内旋风包络铣削多头螺杆工艺方法研究2包络旋风铣削基本原理21包络旋风法理论基础在用包络旋风法加工凸螺杆螺旋曲面时，采用了最小有向距离算法，应用此算法的 前提条件是刀具曲面和工件曲面都是一阶连续、可微曲面。下面就此分别说明它们的连 续性。刀具曲面是否连续不仅取决于它的曲面方程是否连续、可微，而且还要由实际切削 情况而定。球头铣刀的曲面显而易见是连续、可微的。平底立铣刀在只有侧刃参加成型 切削时，刀具曲面是连续的，端刃参与包络成型时，刀具曲面不连续、可微，需要对刀 尖部位进行处理。对于本文采用内铣刀盘而言，工件已加工表面只是由刀尖圆弧部分回转形成的圆坏 面包络成型时，刀具曲面是连续、可微的；当双锥面的主切削刃也参加成型铣削时，可 以将双锥面和圆环面切削刃分别视为连续可微曲面，在利用投影法时应根据接触点的位 霞分别计算。由上述分析可知，内铣刀的刀尖圆弧及双锥面和螺旋曲面均连续、可微。 在机械加工中，一般有解析曲面和列表点所表示的自由曲面。对于解析曲面需要根据解析式，判断工件曲面的连续性。如果曲面解析式连续、可微，那么曲面也连续、可 微，可直接采用投影法计算接触点坐标。对于以离散点所表示的列表曲线和以列表点所 表示的自由曲面一般采用曲面拟合方法将其转化为Bezier曲面和B一样条曲面等，使其光滑连续