收稿日期:2005-03-17*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175081)作者简介:熊越东(1962-),男,天津人,天津大学机械工程学院讲师,博士研究生,(E-mail)peter@ 。
文章编号:1001-2265(2005)07-0043-03准双曲面齿轮数控加工仿真系统设计*熊越东1,王太勇1,刘富凯2,路世忠1,郭晓军1(1.天津大学机械工程学院,天津 300072;2.天津工程师范学院机械系,天津 300222)摘要:根据准双曲面齿轮数控加工原理,提出了CNC 铣齿机、齿轮毛坯和盘铣刀实体模型的具体构建方法;利用简化的齿轮毛坯实体模型和盘铣刀实体模型做布尔减运算,在计算机上实现了模拟工件材料的去除过程;通过加工仿真结果和实际加工结果对比,验证了加工仿真方法的正确性。
所获得的仿真结果可为齿面接触分析和有限元应力分析提供精确的实体模型。
关键词:准双曲面齿轮;数控加工;仿真中图分类号:G659;TG61 文献标识码:ADesign on NC Machining Simulation System of Hypoid GearsXIONG Yue -dong 1,WANG Ta -i yong 1,LI U Fu -kai 2,LU Sh-i zhong 1,GUO Xiao -jun 1(1.School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Mechanical Department,Tian -jin University of Technology and Education,Tianjin 300222,C hina)Abstract:Based on NC machining principle of hypoid gears,three -di mensional modeling method for CNC machine tool,workpiece and cutter is introduced.The cutting process is performed through subtraction boolean operation of the simplified so1id model of workpiece and cutter on the pared the sample of machining simulation result with a practical cutting resul t,the correctness of the method is verified.The accurate three -di mensional models of the fini shed gears can be provided for tooth contact analysis and finite element analysis.Key words:hypoid gears;NC machining;si mulation0 引言准双曲面齿轮是汽车、工程机械和机床等机械产品中的关键零件[1]。
但其形状复杂,技术问题多,所以制造难度较大。
为了在机床上加工出合格的准双曲面齿轮,需要进行多次试切来调整加工参数,这一过程造成了人力物力的浪费,同时也无法适应目前市场对产品发展的要求。
如果能在计算机上模拟出机床加工过程,事先调整好机床加工参数,就可以减少试切过程,减少浪费。
因此,本文根据准双曲面齿轮的加工原理,针对工件、刀具和机床的特点,分别采用不同的造型技术创建了它们的实体模型和加工运动模型,进而建立了准双曲面数控加工几何仿真系统。
1 数控加工仿真的基本设计思路准双曲面齿轮加工是利用盘铣刀刃运动的轨迹代表假想产形齿轮上的轮齿,用被加工零件与假想产形齿轮相啮合的运动切制出齿轮,这就是假想齿轮加工原理[2]。
在准双曲面齿轮数控加工仿真中,根据这个原理,刀具实体要从齿轮毛坯实体上切除部分金属,而加工仿真过程中在空间上刀具实体和齿轮毛坯实体存在重叠区域,这部分重叠区域就是应该切去的部分金属。
实际上,齿轮切削过程是一个连续过程,在加工仿真中必须将这个连续切削过程离散化,把切削过程分成许多微小的切削时段,在这些微小的切削时段中加工刀具实体和齿轮毛坯实体相对不动且存在一定重叠区域,那么在这一时段中的切削就可以看作是在齿轮毛坯实体上减去它和刀具实体重叠的区域,也就是工件实体和刀具实体进行相减布尔运算。
这样逐个时段进行相减的结果,最后在齿轮毛坯上留下的就是刀具表面的包络,也就是加工出的工件表面。
这就是设计仿真系统的基本思路。
根据这种思路,在图形软件中用齿轮毛坯和加工刀具的三维实体图形代替实际加工中使用的齿轮毛坯和刀具,利用加工刀具实体和齿轮毛坯实体进行相减布尔运算模拟实际的切削过程。
2 仿真系统架构本数控加工仿真系统是在微机环境下,以Windows 为操作平台,采用面向对象的程序语言VC++及AutoCAD 环境下的Objec -tARX [3]二次开发软件包建立起来的。
图1为仿真系统的总体结构图。
该系统是由齿轮信息输入、机床生成、齿坯生成、刀具生成、加工调整参数、加工过程仿真和仿真结果输出等模块组成。
用户使用该系统时,首先应输入欲加工齿轮的基本信息,并选用相应的盘铣刀;随后,齿坯生成模块和刀具生成模块分别会自动生成对应的三维实体;加工调整参数模块将根据输入齿轮信息计算出机床加工调整参数;此时就可以进行数控加工过程仿真了。
用户在计算机屏幕上能观察到机床运动,毛坯和刀具相互作用生成准双曲面齿轮的过程。
最后,可获得精确的准双曲面齿轮三维#43#2005年第7期#控制与检测#图1仿真系统的总体结构图图2 仿真系统的人机交互界面实体模型。
图2是仿真系统的人机交互界面,借助于该界面用户可对仿真结果进行缩放、移动、旋转以及其它的操作。
3 仿真系统几何模型构建3.1 准双曲面齿轮毛坯实体造型准双曲面齿轮按其安装形式分为两种,一种是轴类齿轮,另一种为盘套类齿轮。
按照参与齿轮成形过程的齿坯基本要素,可以将准双曲面齿轮齿坯进行简化。
轴类齿轮简化后如图3所示,中心没有孔。
盘套类齿轮简化后的形式如图4所示,从图中可以看出盘套类齿轮中心有一孔,所以在造型入口参数中它比轴类齿轮参数多了一个孔的半径。
图3 轴类零件图 图4 盘套类零件图从简化后的准双曲面齿轮毛坯图可以看出,齿轮毛坯是回转体。
给出其轴截面,通过面域旋转就可完成其造型。
所以,在准双曲面齿轮加工仿真系统中,可以将准双曲面齿轮毛坯的轴截面尺寸作为参数,加上齿轮毛坯类别参数作为独立的准双曲面齿轮毛坯造型模块入口参数,通过这些参数,就可以从齿轮毛坯数据库中调出参与切削加工的齿坯。
3.2 盘铣刀实体造型盘铣刀也是回转类零件,在仿真系统中其实体数据库的建立方法和锥齿轮毛坯实体数据库的建立方法相同。
但是,盘铣刀的参数化处理较前者复杂。
因为盘铣刀有单面和双面之分,而且,刀齿的形状也有差异,这些都将作为盘铣刀造型模块的入口参数。
根据准双曲面齿轮假想齿轮加工原理,在实际加工过程中,参与切削的盘铣刀切削刃为圆锥面的母线。
因此,在仿真加工过程中,可以将铣刀盘简化为锥面刀盘,这样才与实际加工等效(如图5、6所示)。
同时还必须考虑到上述参数。
图5 盘铣刀零件图图6 盘铣刀实体图3.3 CNC 铣齿机实体造型[4]机床的实体造型是将B-Rep 和CSG 两种方法结合起来使用。
CSG 法(Constructive Solid Geometry)的表示模型是树状结构,它把一个复杂实体分解为若干个简单的基本体素,这些体素按一定顺序进行布尔运算,就可以得到实体模型。
CSG 法表达简单清晰,交互性好。
用这种方法作为外层与用户进行交互。
B -Rep 法(Boundary Reprentation)的表示模型中包含大量的实体边界的点、边、面及其相互关系的信息。
这种方法便于实体的显示与局部修改。
将该方法用于内层对机床各部件实体的几何信息进行处理。
实践表明,综合两种方法的优点,将它们结合起来运用到CNC 铣齿机床实体造型中后,大大地提高了软件整体的可操作性和运行速度。
4 仿真系统加工运动模型构建按加工机床分,螺旋锥齿轮可以分为Gleason 制齿轮和Oer -likon 制齿轮。
格里森制齿轮是目前应用最广泛的螺旋锥齿轮,本文的研究就是建立在切制格里森制齿轮的C NC 铣齿机上。
如图7所示为CNC 铣齿机的概念模型,该机床用6个数控轴来完成齿轮加工的全部运动。
x 、y 、z 为三个平动轴;A 、B 、C 为三个转动轴。
6个轴提供6个自由度,可以合成空间的任意运动。
工件和刀盘的相对运动由6个数控轴的合成运动来实现齿轮加工的实际展成运动。
但对于Gleason 制锥齿轮只需通过x 、y 、z 、A 、B 五轴的联动就可以展成Gleason 制齿面。
在CNC 铣齿机加工系统中,工件根锥顶点为机床坐标系的原点,工件轴线平行于xz 平面,刀盘轴线平行于z 轴,刀盘中心C 的位置可由矢量表达式表示xi +yj +z k 。
其中的系数x ,y ,z 可代表CNC 铣齿机的x 轴、y 轴和z 轴的位置。
CNC 铣齿机的五轴x 、y 、z 、A 、B 的运动方程可用自变量为t 的高阶泰勒展开多项式描述:x =x 0+x 1t +x 2t 2+x 3t 3+x 4t 4(1)#44# #控制与检测#组合机床与自动化加工技术图7 CNC 铣齿机的概念模型1.x 轴2.y 轴3.z 轴(滑座)4.A 轴(工件主轴)5.B 轴(摆动座)6.C 轴(刀具主轴)7.机座y =y 0+y 1t +y 2t 2+y 3t 3+y 4t 4(2)z =z 0+z 1t +z 2t 2+z 3t 3+z 4t 4(3)a =a 0+a 1t +a 2t 2+a 3t 3+a 4t 4(4)b =b 0+b 1t +b 2t 2+b 3t 3+b 4t 4(5)式中t 为展成时间,五个系数可通过在展成齿面上选定的参考点处求导得到。
在仿真系统中,建有与实际情况相同的工艺系统,CNC 铣齿机按上述五轴参数进行调整。
刀具沿x 轴和y 轴平动;滑座沿z 轴平动;摆动座绕y 轴转动,工件主轴绕自身轴线转动。
5 仿真结果图8是用展成法仿真加工出的准双曲面齿轮。
图9是在CNC 铣齿机上用与加工仿真软件相同的数据,实际加工出的准双曲面齿轮实物照片。
从图上看,加工仿真图和实物图的齿形齿向是一致的。
经实际检验,仿真结果与实际结果也是符合的。
由此说明数控加工仿真系统可以精确地模拟出CNC 铣齿机实际加工过程,仿真结果是可靠的。
![准双曲面齿轮设计方法及准双曲面齿轮[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/2a57b839ba68a98271fe910ef12d2af90242a88e.png)
