【《面齿轮蜗杆砂轮磨削工艺仿真分析案例》5800字】

面齿轮蜗杆砂轮磨削工艺仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u22842面齿轮蜗杆砂轮磨削工艺仿真分析案例 1182611.1面齿轮展成磨削仿真环境搭建 1117451.1.1Vericut软件简介 1231251.1.2搭建面齿轮磨削仿真环境 173251.2面齿轮展成磨削轨迹规划 518011.2.1面齿轮加工过程分析和轨迹规划 5234051.2.2面齿轮加工G代码编写 7279001.3面齿轮展成磨削工艺仿真 10284261.3.1面齿轮展成磨削加工仿真 10235171.3.2误差分析 11140471.3.3经济性环境性分析 131.1面齿轮展成磨削仿真环境搭建1.1.1Vericut软件简介Vericut软件是美国CGTECH公司研发的一款针对工业磨削铣削等工艺的仿真软件。其专业性和计算精度在全世界范围内获得广泛认可。Vericut界面清晰而可操作性高，以项目树的方式清晰罗列数控系统、数控编程、机床参数、刀具设置等信息。同时高度还原加工过程，操作者可通过虚拟加工避免可能出现的运动干涉、机床碰撞、毛坯过切等问题。加工完成后Vericut将自动生成仿真模拟报告，对于加工状态、零件数据、G代码运行记录等进行细致全面地分析。本次仿真选择Vericut软件作为仿真环境，不仅方便验证蜗杆砂轮展成磨削面齿轮的工艺可行性，还将加工过程可视化，细致分析面齿轮齿形面生成过程。待仿真完成后生成误差报告，为进一步改善工艺提供数据。1.1.2搭建面齿轮磨削仿真环境基于Vericut软件的面齿轮展成磨削仿真需要在运行前搭建好仿真环境。整体步骤分为：启动Vericut软件、设置工作目录并新建项目文件、在项目树中设置控制系统文件、在项目树中生成机床文件、设置零件加工零点、对刀、设置加工刀具。（1）启动Vericut软件。在Windows开始菜单中找到“CGTechLicenseServerOnly”文件夹，并在子菜单中选择“RunTemporaryLicenseServer”指令运行临时许可证，按任意键继续。再次在Windows开始菜单中找到“CGTechLicenseServerOnly”文件夹，并在子菜单中选择“UpdateLicenseonRunningServer”指令更新临时许可证。按任意键继续。此时会弹出窗口表明Vericut软件启动许可。注意每次打开Vericut软件都需要重复以上操作。（2）设置工作目录并新建项目文件。此时打开Vericut软件进入主界面。在“文件”窗口下选择“工作目录”指令，在对话框中指定Vericut的工作路径。回到主界面，在“文件”窗口下选择“新建项目”指令，选择“新建项目选项”，指定工作单位为毫米，重命名项目名称。（3）在项目树中设置控制系统文件。生成新的项目后会在左侧产生新的空白项目树，其中每一项都需要正确设置信息。首先设置项目树中的控制系统文件。右键点击项目树中的“控制”选项，在弹出的子菜单中选择“打开”选项，在文件目录中找到“sin840d”控制文件并打开。（4）在项目树中生成机床文件。这里需要根据YW7232磨齿机拓扑结构按次序逐一添加组件构成机床。右键点击项目树中“机床”选项下的“Base”选项，选择“添加模型”并点击“模型文件”，在弹出的对话框中选择“装配体1-床身.stl”文件。右键点击点击项目树中“机床”选项下的“Base”选项，选择“添加组件”-“X线性”，在下方移动选项输入步距并调整组件位置。在生成的“X线性”选项中点击右键，选择“添加模型”-“模型文件”，在弹出的对话框中选择“装配体1-X立柱.stl”文件。重复以上步骤直至生成第一条拓扑链：“Base”——“X立柱”——“Z-1”——“A-1”——“Y-1”——“B-1”——“Shaper”。注意“B-1”组件在建立时向X轴正方向移动300毫米距离，并且在加入模型文件之前先加入“主轴Spindle”组件以表明此轴为机床主轴，在主轴选项下再添加模型文件。构建第二条拓扑链：“Base”——“C-1”——“夹具2”。右键点击点击项目树中“机床”选项下的“Base”选项，选择“添加组件”-“C旋转”，在此选项下添加模型文件。选择原本空白项目树中自动所带的“Attach”、“Ficture”、“Stock”并将其全部删除。右键点击“C旋转”选项，选择添加“附属”组件，在此选项下右键添加“夹具”组件，并在“夹具”组件下添加“毛坯”组件。在“毛坯”组件中添加“面齿轮毛坯”模型并同时添加同级的“面齿轮设计模型”。至此机床模型构建完成，可在项目树中右键点击“机床”并选择“另存为”，将机床整体模型设置为“mch”文件，若以后需要可直接插入使用。此时的项目树如图5.1所示：图5.1项目树示意图Fig.5.1Schematicdiagramofprojecttree（5）设置零件加工零点在项目树中“坐标系统”中点击右键，选择“新建坐标系”生成新的坐标系“Csys1”。将“配置坐标系统”工作区“CSYS”选项卡下的“附上坐标系到”后的“Stock”选项更改为“Spindle”。选择“旋转”选项卡，将“增量”改为90，并点击右方“X+”等选项改变坐标轴方向直至和工件坐标系各轴方向一致，此时此坐标系原点位置即为零件加工零点，此坐标系将为对刀步骤提供标准。在项目树中将“Csys1”坐标系更名为“加工零点”。此时YW7232磨齿机模型构建完毕，各坐标系如图5.2所示：图5.2设置零件加工零点Fig.5.2Settingthezeropointofpartmachining（6）对刀对刀指在加工程序运行之前先校对刀具位置，将刀具位置以加工零点处。在Vericut软件中有“G-代码偏置”选项，通过将主轴坐标系偏置至零件加工零点坐标系可实现自动对刀。具体操作如下：左键点击项目树中的“G-代码偏置”选项，在底部“配置G-代码偏置”工作区选择“偏置类型”为“工作偏置”，选择寄存器为“1”，点击“添加”。此时项目树中“G-代码偏置”选项下将出现“1-工作偏置-1-Stock到Spindle”的选项。左键点击此选项，在“配置工作偏置”工作区将特征改为从“组件”“Spindle”到“坐标原点”“加工零点”。设置完成后的项目树如图5.3所示：图5.3对刀Fig.5.3Knifeset（7）设置加工刀具Vericut软件拥有强大的刀具库功能可以实现自动换刀，但本次加工项目刀具特殊，并不在刀具库中备份有数据，故在此需要导入刀具文件。在项目树中右键点击“加工刀具”选项，选择“刀具管理器”进入刀具管理器界面。点击“打开文件”指令，在弹出的对话框中找到名为“蜗杆砂轮”的TLS文件。将刀具类型设置为铣刀，单位为毫米，装夹方向和装夹点皆为0,0,0，增加对刀点坐标为0,0,0。应用后的刀具管理器如图5.4所示：图5.4刀具管理器Fig.5.4ToolManager至此面齿轮展成磨削仿真环境搭建完毕。1.2面齿轮展成磨削轨迹规划1.2.1面齿轮加工过程分析和轨迹规划面齿轮加工原理在第二章已经提到，加工过程主要分为插齿刀具和面齿轮毛坯之间的对滚运动以及刀具沿面齿轮径向的直线来回进给运动。在实际生产中根据面齿轮毛坯直径的大小，可能需要按照分步进给深度逐次递减的方法确定进给方案，但在加工模拟中为减少仿真运行时间，我们可设刀具强度足够一次完成进给深度，故在轨迹规划中刀具将沿面齿轮径向一次性完成进给运动值得注意的是和面齿轮相啮合的直齿圆柱齿轮插齿刀轴线与蜗杆砂轮刀具的轴线在平面投影中并不垂直，如图5.5所示：图5.5坐标轴交角Fig.5.5Intersectionangleofcoordinateaxis设蜗杆砂轮轴线为Zn，则面齿轮绕此轴旋转做切削运动；蜗杆砂轮垂直于Zn的横截面上的水平径向线为Xn，则Zn轴和Xn将构成平行于自然坐标系下XOY平面的坐标面∅n。设虚拟的直齿圆柱齿轮的轴线为Zm，此轴将与面齿轮轴轴线在空间中相交并构成直角，为实现用蜗杆砂轮作为加工刀具代替直齿圆柱插齿刀进行面齿轮的加工，需使得Xn轴和Zm轴在空间中平行。将Zm轴沿自然坐标系的Z轴正方向移动至∅n在XOZ平面比较方便观察面齿轮磨削的竖直方向的进给运动。蜗杆砂轮展成磨削面齿轮的竖直进给运动如图5.6所示：图5.6竖直进给运动示意图Fig.5.6Schematicdiagramofverticalfeedmotion图中外圈粗实线轮廓为蜗杆砂轮螺纹外径投影，内圈虚线轮廓为蜗杆砂轮螺纹内径投影。在蜗杆砂轮径向进给时，外径将切削齿坯中部形成齿槽面，内径将切削齿坯顶部形成齿顶面，在内径和外径之间的螺旋面不断磨削出带状区域，这些切痕线包络构成齿面。在加工开始之前，刀具位置处于加工零点处，加工零点和工件零点在同一水平面上。故需将刀具抬高并将刀具移动至和毛坯相切位置。此位置为进给运动重复进行的第一个极限位置，为工作行程的起始点。与之相对应的为工作行程的结束点，分布于靠近面齿轮轴线的另一侧，同样也为蜗杆砂轮外径和毛坯表面相切时，此位置为另一个进给运动的极限位置，继续径向移动将为空行程，在仿真中应避免出现而浪费时间。那么工件零点到进给运动中刀具运动的Xn轴之间的距离H在XOZ平面比较方便观察面齿轮磨削的水平方向的进给运动。蜗杆砂轮展成磨削面齿轮的水平进给运动如图5.7所示：图5.7水平进给运动示意图Fig.5.7Schematicdiagramofhorizontalfeedmovement在加工开始之前，刀具位置处于加工零点处，在图中记为O点。此时刀具Xn轴线和面齿轮齿坯Xm轴线重合。将刀具快速移动至第一个进给运动极限位置，即上文描述的工作行程起始点，在这里标记为A点。在此之后需要补偿值为1°的夹角，故蜗杆砂轮开始斜向进给，直到第二个进给运动极限位置，即上文描述的工作行程结束点，在这里标记为B点。此后开始在以上两个方向的运动共同组成了蜗杆砂轮的进给运动。故分析出G代码需要编写的运动分为六部分：面齿轮毛坯轴的旋转、蜗杆砂轮轴的旋转、快速移动、工作行程进程、工作行程回程、退刀。1.2.2面齿轮加工G代码编写西门子840D数控系统控制六轴联动蜗杆砂轮磨齿机的途径是通过G代码实现。G代码亦叫G编程语言，是计算机辅助制造中用于控制自动机床的一种通用指令，是目前使用较为广泛的一种数控编程语言。通过G代码指令操作者可实现精准的轨迹规划、控制刀具转换、开启关闭冷却液、刀具补偿等等功能，只需输入G代码或导入G代码文件，数控机床所带有的G代码解释器将自动把G代码转换成为直接控制数控机床的数据结构，实现编程语言到机器语言的转换。经测量，加工零点到到进给运动中刀具运动的Xn轴之间的距离H图5.8刀具初始位置Fig.5.8Toolinitialposition此时测量此点到到工作起始点A点的坐标距离。测得X坐标距离113.013mm，而Y坐标有一点微小偏移，距离为2.209mm。则使得刀具向X轴负方向快速移动113.013mm，同时向Y轴负方向快速移动2.209mm至A点，A点工位时侧视图和俯视图如图5.9所示：图5.9A点工位示意图Fig.5.9SchematicdiagramofstationofpointA此后进入循环工作行程。由于无法在Vericut中实现连续的旋转运动，故在此将B轴和C轴的连续旋转运动离散化，细分为跟随进给的微小旋转运动。而B轴和C轴在运动中转动的角度应满足传动比。故设每次微小旋转运动B轴旋转角度为，则C轴每次微小旋转运动所旋转的角度为。同时测量得A点和B点X坐标相距210.006mm，Y坐标相距1.063mm。则使刀具向X轴负方向移动210.006mm，向Y轴负方向移动1.063mm至B点。B点工位时侧视图和俯视图如图5.10所示：图5.10B点工位示意图Fig.5.10SchematicdiagramofstationofpointB此时程序进入循环，刀具将在AB点之间做来回进给运动，而B、C轴将跟随过程缓慢转动。循环结束的标志为：判断C轴是否已经转过360°，为确保第一个磨齿的齿形完整，故将阈值提高为362G代码整体如下：%CGTECH_MACRO"GearModeOnOff"""1R1=0R2=1.7R3=1;G00Z106.038;X-113.013Y-2.209;B=R1C=R2F0.01;MA1:X-113.013Y-2.209Z106.038;R1=R1-R3;R2=R2-R3/89;G01B=R1C=R2X-210.006Y-1.063F0.01;Z106.038;IFR2>=-362GOTOBMA1;G00Z120;X0;Z0Y0;%1.3面齿轮展成磨削工艺仿真1.3.1面齿轮展成磨削加工仿真在此前的Vericut项目中右键点击项目树中的“数控程序”，选择“添加数控程序”选项，在弹出的窗口中选择生成的G代码文件。至此所有准备工作皆已完成。仿真加工前工作环境如图5.11所示：图5.11加工前示意图Fig.5.11Schematicdiagrambeforeprocessing点击加工面板的“加工至结束”按钮，Vericut开始计算，磨齿机开始仿真加工，可见面齿轮毛坯表面逐渐出现加工痕迹。加工过程如图5.13所示：图5.12加工中示意图Fig.5.12Schematicdiagraminprocessing整个加工过程持续10分钟左右，待加工完成后，刀具退回至加工零点。加工结束后如图5.13所示：图5.13加工结束示意图Fig.5.13Schematicdiagramoftheendofprocessing至此面齿轮展成磨削加工仿真结束。1.3.2误差分析在Vericut中生成误差报告，将加工后的毛坯和面齿轮设计模型做比较，使用红色表面标注过切部分，使用蓝色表面标注残留部分。生成的结果图如图5.14所示：图5.14初次误差报告Fig.5.14Initialerrorreport如图可见面齿轮加工主要发生过切，残留较少。具体误差报告为：未切毛坯发生最大过切15.57859过切数:1368未切毛坯发生最大残留8.717287残留数:139。观察图像报告可知，较大的残留和过切均发生于齿顶和齿根处，此为模型偏差导致，而最重要的左右齿面上残留和过切均很小，故模型在误差允许范围内相符。分析误差主要有以下几个来源：（1）面齿轮设计模型误差。本设计模型为点阵坐标插补成面的方法生成，但插补面只能无限接近真实表面，而插补方程的次数决定了插补面的还原程度。固在次数有限的条件下，面齿轮设计模型本身就具有精度局限性。（2）面齿轮齿坯模型简化误差。Vericut软件在导入模型时会自动简化模型以便于仿真过程计算，这会导致软件中的模型相较于UGNX中建立的模型出现失真。（3）YW7232磨齿机机床模型构建误差。此机床模型为测绘，在测量时会有人工操作的随机误差和系