UGGRIP的弧齿锥齿轮参数化建模方法

UGGRIP得弧齿锥齿轮参数化建模办法ﻫ基于UGGRIP,本文针对弧齿锥齿轮建模办法进行了进一步细致得研究。首先介绍了弧齿锥齿轮建模得总体方案。另首先具体阐明了大轮得展成法建模原理;对于小轮得造型,基于共轭理论，提出了一种用工具大轮与小轮坯体进行展成布尔运算得实体建模得创新办法,从而得到小轮模型。采用此办法造型弧齿锥齿轮小轮比其它造型办法简便,就是弧齿锥齿轮参数化建模与加工得一种实用得新办法。接着以一对齿数为2１-3５、模数为13得齿轮副为例,具体图解阐明了整个建模过程。最后还对建立得模型进行了数控加工实验以验证上述办法得对的性。１前言ﻫ弧齿锥齿轮就是一种节锥齿线为曲线、用来传递在一种平面内得两相交轴之间得定传动比回转运动得齿轮[1]。由于其承载能力大、传动平稳、噪声小、构造紧凑等优点,就是航空、造船、汽车、能源、装备、国防等部门产品得核心零件，因此弧齿锥齿轮生产在当代化机械制造业中占有十分重要得地位［1－3]。ﻫ其制造重要使用专用得齿轮加工机床。现在国内使用得齿轮加工机床重要有美国格里森公司生产得No、１16铣齿机、Ｎo、６０9拉齿机、No、463磨齿机与国产得Y22８０铣齿机等[１］。随着科技得进步、技术得创新,数控化得切齿加工机床纷纷涌现。但就是由于机床构造、机床尺寸等因素得制约，每一种机床都有对应得技术规格，如最大加工模数、最大加工锥距、最大加工直径等,因此无法加工某些尺寸超出其技术规格得齿轮副(如大模数得油田、煤矿机械使用得大型弧齿锥齿轮副)。并且弧齿锥齿轮加工中仍然存在着众多问题,如:加工过程烦琐、加工周期长、人力与资金投入大等[4]。ﻫ

ﻫ因此如何解决加工专用机床与齿轮副尺寸之间得矛盾以及精确地预报锥齿轮齿形、接触区等问题始终就是从事齿轮技术领域学者们致力于研究得内容。基于此,本论文提出了一种合用于通用多轴机床数控加工得格里森弧齿锥齿轮得新得建模与加工办法,并运用UGGRＩP编制了对应得锥齿轮建模软件。由于锥齿轮模型在UG软件上建立，其尺寸不受任何限制,实际加工中只要所用得多轴数控加工中心足够大即可,这样完全解决了专用机床尺寸得制约问题。ﻫ

ﻫ

2弧齿锥齿轮建模总体方案概述传统得锥齿轮加工办法分为大轮成形法、滚切法,小轮刀倾法、变性法等［１]。本文基于传统得格里森锥齿轮加工办法,提出得含有创新意义得建模新办法其总体方案路线流程如图１所示。建模重要分成三个环节:大轮建模、小轮建模、接触区控制调节。从图中可瞧出,具体得过程为:先用双面刀盘展成大轮坯体得到大轮模型,但此时得到得大轮齿面不光滑,由某些小碎面构成,还不就是最后得模型。对大轮齿面进行光顺重构后,才干得到大轮最后模型。然后用不同得刀盘布尔运算展成大轮轮坯得到工具大轮。工具大轮齿面重构后,接着再用它布尔运算展成小轮毛坯，得到了小轮模型,此时得到得小轮齿面也不光滑。小轮齿面也进行重构后,得到小轮最后模型。大小轮都拟定后,可进行虚拟装配与接触分辨析。图1双面精切刀盘展成法切制大轮整体路线流程图3双面精切刀盘展成法切制弧齿锥齿轮大轮原理ﻫ

3、1大轮齿坯与双面铣刀盘得建模齿坯与双面铣刀盘都就是回转体，因此建模相对简朴。大轮精切双面刀盘建模参数重要有刀盘半径、刀顶距、内外刃齿形角、刀尖圆角等,可由格里森SB计算卡获得；大轮齿坯尺寸可由设计图纸获得。造型时坐标系原点设在大轮轴交错点,并让铣刀盘得刀尖平面通过原点。首先拟定双面铣刀盘与大轮齿坯造型点得坐标位置后,再依次将各点连接成直线或曲线,将这组曲线绕旋转轴旋转３６0°，这样就能够得到铣刀盘与大轮齿坯实体。ﻫ

ﻫ

3、２展成法切制大轮机床调节参数计算ﻫ

ﻫ用展成法加工弧齿锥齿轮大轮时,其机床调节参数按格里森ＳB计算卡计算。由于本文介绍得齿轮建模仿真办法只就是模拟格里森机床加工弧齿锥齿轮得过程，要得到就是齿面得最后模型，方便用于数控加工。故大轮不需粗切,直接采用双面刀盘精切即可。具体得大轮精切调节计算卡可见参考文献[5]。3、３模拟机床调节展成布尔运算得到大轮模型ﻫ

ﻫ通过上一节中得大轮精切调节计算卡可得到大轮调节得3个基本参数:轮坯安装角、偏心角、摇台角。其中轮坯安装角为齿坯调节参数,偏心角、摇台角为刀盘调节参数。上述得齿坯与刀盘得调节参数在格里森机床上都能够直接调节。格里森机床得机构简图如图2所示。ﻫＵＧ环境下,绝对坐标系就是始终固定得。将其放置在格里森机床中,对应关系如图２所示,XC轴为机床得床鞍（亦称滑动底座)在机床上得前后移动方向；YC轴为床鞍平面上与XC轴垂直得方向；ZC轴为工件主轴在工件箱侧面垂直移动得方向。ﻫ

ﻫ在UG中模拟机床调节得环节以下:ﻫ

ﻫ

(1)轮坯安装角调节。齿坯实体绕ZC轴旋转安装角。(2)偏心角调节。刀盘主轴与摇台主轴平行但被偏心地安装在一种偏心鼓轮上,偏心鼓轮又被偏心得安装在摇台上。因此，刀盘偏心角得调节应当绕偏心鼓轮得轴线转过偏心角角度；格里森No、116机床参数为２22、25,偏心距为机床参数得二分之一,因此为111、1２５ｍm。在ＵＧ中,对应得将铣刀盘沿着在绝对坐标系中过点(0，111、125,0)、

(1００,１11、1２５,0)得轴线旋转偏心角。

ﻫ

(3)摇台角得调节。摇台得轴线即为UG中绝对坐标系得XC轴,因此在UG中,对应得将铣刀盘沿着绝对坐标系中过点（0，０，０)、

（０,１00,０)得轴线旋转偏心角。ﻫ

ﻫ调节结束后齿坯实体与铣刀盘实体即处在所需得位置。在刀盘与大轮齿坯调节到位后,即可进行展成布尔运算切齿。但就是单次布尔运算还不能直接切制出一种齿槽来,需令盘铣刀与齿坯分别绕本身轴线旋转,直到旋转过一定角度才干切出一种完整得齿槽来。再将齿坯绕本身轴线旋转一种分度角进行下一齿槽成形。ﻫ

由于切齿仿真就是对格里森机床实际加工齿轮得一种滚切运动模拟,因此仿真后得到大轮模型齿面并不就是光滑得整体齿面，齿形表面由一片片得小曲面(小碎面）构成，形成不光滑得轮齿曲面。这样得齿面无法进行数控加工,而必须先用UG软件中有关得光顺命令解决，重构齿面来获得完整齿槽。再将齿槽阵列后得到完整得最后大轮模型。图２格里森铣齿机床构造简图4弧齿锥齿轮小轮建模原理小轮得建模采用大轮展成小轮坯体得到。在用大轮布尔运算展成小轮时，如果不先对大轮进行解决就是不行得。由于如果直接用正常得大轮去展成小轮得话,齿顶没有间隙,并且建模与实际加工过程中都可能存在误差,因此,实际齿轮副装配与运行得过程中会出现干涉、胶结等问题。ﻫ大轮得解决采用在正常大轮齿坯得基础上,齿顶往外延伸一段距离，距离得大小由模数与延伸系数乘积来决定,解决后得大轮称为工具大轮。上述解决确保了齿轮副得齿顶间隙。除了轮坯尺寸不同外,工具大轮采用与大轮完全相似得办法切制。得到得模型齿面同样得需要进行重构解决。工具大轮建模完毕后,在同一零件图中建立小轮坯体。然后将大小轮调节至装配位置。在此位置执行一次布尔运算后，根据实际得弧齿锥齿轮副传动关系,令小轮转过某一数值大小得角度，普通取0、5°左右即可,工具大轮同时转过对应得角度后再布尔运算一次。重复此过程,直到最少加工出一种小轮齿槽,方便作齿面解决。这样就得到了展成法小轮模型。ﻫ

ﻫ

５建模实例分析ﻫ

ﻫUG软件提供了多个二次开发工具。其中Gｒip二次开发简朴、易学、交互性强,提供了丰富得命令,十分合用于三维建模[5-6]。在本文得弧齿锥齿轮建模中使用到得命令重要有:ﻫ

ﻫ

1、实心体建模。重要用于刀盘与齿坯得建模。ﻫ

ﻫ

Ｏbj=SOＬREＶ／objlisｔ,ORGIＮ,ｘc,ｙc，zc,ATＡNＧL,aﻫ

2、实体变换。重要用于刀盘与齿坯得旋转、平移,模拟机床运动。Oｂjlist＝TRAＮSＦ/ｍatｒｉx,ｏbｊｌisｔ１ﻫ

Matrix为变换矩阵,变换矩阵有平移、旋转、缩放等5种。下面列举使用到得平移与旋转这２种格式:（1)平移格式为:ﻫ

Mａtrix=ＭATRIX／TRANＳL,dｘ,ｄy，dzﻫ

(２）旋转格式为:ﻫ

ﻫ

Mａｔrix＝ＭAＴRＩX/{XＹRＯT/YZＲOＴ/ZXRＯT｝,anglｅﻫ

3、实体布尔运算。重要用于布尔运算得到齿轮齿面。重要有布尔减运算、交运算等。ﻫ通过上述命令得综合使用,即可实现建模、旋转、平移、布尔运算等操作。下面以小轮齿数２1齿,大轮齿数35齿,模数为13,压力角为2０°,螺旋角为35°（其它齿轮参数由图纸给出,文中略去)得弧齿锥齿轮副为例,具体叙述建模办法。需要阐明得就是在下文得建模中,为了便于查瞧、分析程序运行效果，零件外表面可能会在几个颜色中变化,本质上它们指得就是同一种零件。ﻫ

ﻫ

5、1建模软件实现与第2节得流程图对应得，运用ＵGGRIP编制得大轮建模与小轮建模得软件界面分别如图3、图4所示。ﻫ

ﻫ

由于篇幅有限,上述程序界面中得各个命令及其对应参数得具体意义不一一赘述。ﻫ

图3双面精切刀盘展成法切制大轮程序界面图4工具大轮布尔展成小轮程序界面5、2双面精切刀盘展成法切制大轮过程仿真ﻫ

(1)齿坯调节过程ﻫ

根据第3节分析得齿坯调节过程，先将大轮齿轮毛坯绕ZC轴旋转安装角。ﻫ

(２)铣刀盘调节过程ﻫ

ﻫ

同样得根据第3节分析得铣刀盘调节过程,将铣刀回旋转到规定得偏心角与摇台角。调节结束后得齿坯与铣刀盘得相对位置如图5所示。(3)齿面加工过程ﻫ

ﻫ

调节结束后得齿坯与铣刀盘已经放置在展成加工位置,接着按照下列环节进行加工：ﻫ

１、拷贝盘铣刀实体。拷贝得盘铣刀实体命名为盘铣刀1。ﻫ

2、拷贝盘铣刀１实体，将拷贝得盘铣刀实体命名为盘铣刀2。大轮齿坯与盘铣刀２布尔减运算。然后再将大轮齿坯与铣刀盘1实体都旋转到下一加工位置。ﻫ

ﻫ

３、重复2环节,直到加工完所需得加工刀数N,该环节结束后就加工出一种齿槽。ﻫ

4、大轮齿坯绕本身轴线旋转一种分度角,到加工下一齿槽得位置。ﻫ

5、重复1、2、3、４环节直到加工完全部需要得齿槽。ﻫ

ﻫ

6、大轮齿坯回位。加工完后大轮绕本身轴线回转所转过总角度,回到初始位置,将工件旋转到初始位置方向。ﻫ图5调节结束后得齿轮毛坯与盘铣刀相对位置图ﻫ图6展成法加工中间过根据上述环节切制大轮,切齿得一种中间过程如图6所示。图7则就是大轮加工完4个齿槽后得实体图。展成法加工出来得齿面不就是一整个面,而就是由某些小碎面构成,因此这样得齿面还不能直接用于数控加工,而就是需要进行齿面得光顺解决。图7

展成法大轮加工成果(４)齿面重构解决ﻫ运用"艺术样条"曲线命令,先将端面轮廓与齿顶、齿底上得点分别联接成样条曲线。另首先运用＂通过曲线网络＂构造曲面命令进行齿面得重构。然后将齿面阵列,得到得成果如图８所示。要得到一种完整得齿轮模型，还需先再建立一种齿轮毛坯。然后运用UＧ得"补片"命令进行补片解决。补片完毕后,即得到了完整得齿面。图９为所得得展成法大轮最后模型。ﻫ

图8阵列后得齿面

图9

展成法大轮最后模型5、３双面精切刀盘切制工具大轮布尔展成配对小轮过程仿真ﻫ

(１）工具大轮切制过程工具大轮毛坯建立后，同样用展成法切制。齿面重构解决后得工具大轮如图10所示。ﻫ图１0展成变异大轮实体图

图１1变异大轮与小轮坯体初始装配位置(２)小轮成形过程ﻫ

ﻫ小轮毛坯建立后,将工具大轮绕ZC轴旋转过90°，使它们处在装配位置。调节好后得小轮与工具大轮如图11所示。大轮正转包络,步距0、5°,转过6０°后，包络出得小轮齿形如图12所示。此时得到得小轮模型并不就是最后得模型,也需进行齿面重构光顺等操作。小轮得齿面重构与大轮以及工具大轮得重构办法相似,不再赘述。图１2

展成小轮模型实体如上所述，通过双面精切刀盘展成法切制大轮模型,大轮齿面重构光顺后得到了大轮得最后模型。用类似得办法得到工具大轮后，再用工具大轮布尔运算展成小轮毛坯得到了小轮模型。6数控加工实验为了验证本文提出得建模办法及其数控加工得对的性与可行性,对大小轮进行了数控加工试切实验。数控加工采用通用得五轴数控加工中心。大轮齿形曲率变化较为平缓,采用四轴联动数控加工即可;小轮齿形曲率变化较大,加工过程中容易出现干涉得区域,因此采用五轴联动数控加工。由于篇幅有限具体得数控加工办法不赘述。图1３、图1４分别为小轮、大轮数控加工精加工得一种中间过程。齿面精加工后表面质量良好,可满足产品精度规定。

ﻫ图1３2１齿小轮精加工中间过程

图1435齿大轮精