搜索UG GRIP的弧齒錐齒輪參數(shù)化建模方法
2013-05-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
陳春榕 石林 姚斌 來源:e-works
關(guān)鍵字:弧齒錐齒輪 建模 GRIP
基于UG GRIP,本文針對(duì)弧齒錐齒輪建模方法進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。首先介紹了弧齒錐齒輪建模的總體方案。其次詳細(xì)說明了大輪的展成法建模原理;對(duì)于小輪的造型,基于共軛理論,提出了一種用工具大輪與小輪坯體進(jìn)行展成布爾運(yùn)算的實(shí)體建模的創(chuàng)新方法,從而得到小輪模型。采用此方法造型弧齒錐齒輪小輪比其它造型方法簡(jiǎn)便,是弧齒錐齒輪參數(shù)化建模和加工的一種實(shí)用的新方法。接著以一對(duì)齒數(shù)為21-35、模數(shù)為13的齒輪副為例,詳細(xì)圖解說明了整個(gè)建模過程。最終還對(duì)建立的模型進(jìn)行了數(shù)控加工試驗(yàn)以驗(yàn)證上述方法的正確性。
1 前言
弧齒錐齒輪是一種節(jié)錐齒線為曲線、用來傳遞在一個(gè)平面內(nèi)的兩相交軸之間的定傳動(dòng)比回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齒輪[1]。由于其承載能力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),是航空、造船、汽車、能源、裝備、國(guó)防等部門產(chǎn)品的關(guān)鍵零件,因此弧齒錐齒輪生產(chǎn)在現(xiàn)代化機(jī)械制造業(yè)中占有十分重要的地位 [1-3]。
其制造主要使用專用的齒輪加工機(jī)床。目前國(guó)內(nèi)使用的齒輪加工機(jī)床主要有美國(guó)格里森公司生產(chǎn)的No.116銑齒機(jī)、No.609拉齒機(jī)、No.463磨齒機(jī)和國(guó)產(chǎn)的Y2280銑齒機(jī)等[1]。隨著科技的進(jìn)步、技術(shù)的創(chuàng)新,數(shù)控化的切齒加工機(jī)床紛紛涌現(xiàn)。但是由于機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)床尺寸等因素的制約,每一種機(jī)床都有對(duì)應(yīng)的技術(shù)規(guī)格,如最大加工模數(shù)、最大加工錐距、最大加工直徑等,因此無法加工一些尺寸超過其技術(shù)規(guī)格的齒輪副(如大模數(shù)的油田、煤礦機(jī)械使用的大型弧齒錐齒輪副)。而且弧齒錐齒輪加工中仍然存在著眾多問題,如:加工過程煩瑣、加工周期長(zhǎng)、人力和資金投入大等[4]。
因此如何解決加工專用機(jī)床與齒輪副尺寸之間的矛盾以及準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)錐齒輪齒形、接觸區(qū)等問題始終是從事齒輪技術(shù)領(lǐng)域?qū)W者們致力于研究的內(nèi)容?；诖?本論文提出了一種適用于通用多軸機(jī)床數(shù)控加工的格里森弧齒錐齒輪的新的建模與加工方法,并利用UG GRIP編制了相應(yīng)的錐齒輪建模軟件。由于錐齒輪模型在UG軟件上建立,其尺寸不受任何限制,實(shí)際加工中只要所用的多軸數(shù)控加工中心足夠大即可,這樣完全解決了專用機(jī)床尺寸的制約問題。
2 弧齒錐齒輪建?？傮w方案概述
傳統(tǒng)的錐齒輪加工方法分為大輪成形法、滾切法,小輪刀傾法、變性法等[1]。本文基于傳統(tǒng)的格里森錐齒輪加工方法,提出的具有創(chuàng)新意義的建模新方法其總體方案路線流程如圖1所示。建模主要分成三個(gè)步驟:大輪建模、小輪建模、接觸區(qū)控制調(diào)整。從圖中可看出,具體的過程為:先用雙面刀盤展成大輪坯體得到大輪模型,但此時(shí)得到的大輪齒面不光滑,由一些小碎面組成,還不是最終的模型。對(duì)大輪齒面進(jìn)行光順重構(gòu)后,才能得到大輪最終模型。然后用不同的刀盤布爾運(yùn)算展成大輪輪坯得到工具大輪。工具大輪齒面重構(gòu)后,接著再用它布爾運(yùn)算展成小輪毛坯,得到了小輪模型,此時(shí)得到的小輪齒面也不光滑。小輪齒面也進(jìn)行重構(gòu)后,得到小輪最終模型。大小輪都確定后,可進(jìn)行虛擬裝配和接觸區(qū)分析。
圖1 雙面精切刀盤展成法切制大輪整體路線流程圖
3 雙面精切刀盤展成法切制弧齒錐齒輪大輪原理
3.1大輪齒坯和雙面銑刀盤的建模
齒坯和雙面銑刀盤都是回轉(zhuǎn)體,所以建模相對(duì)簡(jiǎn)單。大輪精切雙面刀盤建模參數(shù)主要有刀盤半徑、刀頂距、內(nèi)外刃齒形角、刀尖圓角等,可由格里森SB計(jì)算卡獲得;大輪齒坯尺寸可由設(shè)計(jì)圖紙獲得。造型時(shí)坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在大輪軸交錯(cuò)點(diǎn),并讓銑刀盤的刀尖平面通過原點(diǎn)。首先確定雙面銑刀盤和大輪齒坯造型點(diǎn)的坐標(biāo)位置后,再依次將各點(diǎn)連接成直線或曲線,將這組曲線繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)360°,這樣就可以得到銑刀盤和大輪齒坯實(shí)體。
3.2展成法切制大輪機(jī)床調(diào)整參數(shù)計(jì)算
用展成法加工弧齒錐齒輪大輪時(shí),其機(jī)床調(diào)整參數(shù)按格里森SB計(jì)算卡計(jì)算。由于本文介紹的齒輪建模仿真方法只是模擬格里森機(jī)床加工弧齒錐齒輪的過程,要得到是齒面的最終模型,以便用于數(shù)控加工。故大輪不需粗切,直接采用雙面刀盤精切即可。具體的大輪精切調(diào)整計(jì)算卡可見參考文獻(xiàn)[5]。
3.3模擬機(jī)床調(diào)整展成布爾運(yùn)算得到大輪模型
通過上一節(jié)中的大輪精切調(diào)整計(jì)算卡可得到大輪調(diào)整的3個(gè)基本參數(shù):輪坯安裝角、偏心角、搖臺(tái)角。其中輪坯安裝角為齒坯調(diào)整參數(shù),偏心角、搖臺(tái)角為刀盤調(diào)整參數(shù)。上述的齒坯和刀盤的調(diào)整參數(shù)在格里森機(jī)床上都可以直接調(diào)整。格里森機(jī)床的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。
UG環(huán)境下,絕對(duì)坐標(biāo)系是始終固定的。將其放置在格里森機(jī)床中,對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示,XC軸為機(jī)床的床鞍(亦稱滑動(dòng)底座)在機(jī)床上的前后移動(dòng)方向;YC軸為床鞍平面上與XC軸垂直的方向;ZC軸為工件主軸在工件箱側(cè)面垂直移動(dòng)的方向。
在UG中模擬機(jī)床調(diào)整的步驟如下:
(1)輪坯安裝角調(diào)整。齒坯實(shí)體繞ZC軸旋轉(zhuǎn)安裝角。
(2)偏心角調(diào)整。刀盤主軸與搖臺(tái)主軸平行但被偏心地安裝在一個(gè)偏心鼓輪上,偏心鼓輪又被偏心的安裝在搖臺(tái)上。因此,刀盤偏心角的調(diào)整應(yīng)該繞偏心鼓輪的軸線轉(zhuǎn)過偏心角角度;格里森No.116機(jī)床參數(shù) 為222.25,偏心距為機(jī)床參數(shù) 的一半,因此為111.125mm。在UG中,對(duì)應(yīng)的將銑刀盤沿著在絕對(duì)坐標(biāo)系中過點(diǎn) (0,111.125,0)、 (100,111.125,0)的軸線 旋轉(zhuǎn)偏心角。
(3)搖臺(tái)角的調(diào)整。搖臺(tái)的軸線即為UG中絕對(duì)坐標(biāo)系的XC軸,因此在UG中,對(duì)應(yīng)的將銑刀盤沿著絕對(duì)坐標(biāo)系中過點(diǎn) (0,0,0)、 (0,100,0)的軸線 旋轉(zhuǎn)偏心角。
調(diào)整結(jié)束后齒坯實(shí)體和銑刀盤實(shí)體即處于所需的位置。在刀盤和大輪齒坯調(diào)整到位后,即可進(jìn)行展成布爾運(yùn)算切齒。但是單次布爾運(yùn)算還不能直接切制出一個(gè)齒槽來,需令盤銑刀和齒坯分別繞自身軸線旋轉(zhuǎn),直到旋轉(zhuǎn)過一定角度才能切出一個(gè)完整的齒槽來。再將齒坯繞自身軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)分度角進(jìn)行下一齒槽成形。
由于切齒仿真是對(duì)格里森機(jī)床實(shí)際加工齒輪的一種滾切運(yùn)動(dòng)模擬,因此仿真后得到大輪模型齒面并不是光滑的整體齒面,齒形表面由一片片的小曲面(小碎面)組成,形成不光滑的輪齒曲面。這樣的齒面無法進(jìn)行數(shù)控加工,而必須先用UG軟件中相關(guān)的光順命令處理,重構(gòu)齒面來獲得完整齒槽。再將齒槽陣列后得到完整的最終大輪模型。
圖2 格里森銑齒機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4 弧齒錐齒輪小輪建模原理
小輪的建模采用大輪展成小輪坯體得到。在用大輪布爾運(yùn)算展成小輪時(shí),如果不先對(duì)大輪進(jìn)行處理是不行的。因?yàn)槿绻苯佑谜５拇筝喨フ钩尚≥喌脑?齒頂沒有間隙,而且建模和實(shí)際加工過程中都可能存在誤差,因此,實(shí)際齒輪副裝配和運(yùn)行的過程中會(huì)出現(xiàn)干涉、膠結(jié)等問題。
大輪的處理采用在正常大輪齒坯的基礎(chǔ)上,齒頂往外延伸一段距離,距離的大小由模數(shù)和延伸系數(shù)乘積來決定,處理后的大輪稱為工具大輪。上述處理保證了齒輪副的齒頂間隙。除了輪坯尺寸不同外,工具大輪采用和大輪完全相同的方法切制。得到的模型齒面同樣的需要進(jìn)行重構(gòu)處理。工具大輪建模完成后,在同一零件圖中建立小輪坯體。然后將大小輪調(diào)整至裝配位置。在此位置執(zhí)行一次布爾運(yùn)算后,根據(jù)實(shí)際的弧齒錐齒輪副傳動(dòng)關(guān)系,令小輪轉(zhuǎn)過某一數(shù)值大小的角度,一般取0.5°左右即可,工具大輪同時(shí)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度后再布爾運(yùn)算一次。重復(fù)此過程,直到至少加工出一個(gè)小輪齒槽,以便作齒面處理。這樣就得到了展成法小輪模型。
5 建模實(shí)例分析
UG 軟件提供了多種二次開發(fā)工具。其中Grip二次開發(fā)簡(jiǎn)單、易學(xué)、交互性強(qiáng),提供了豐富的命令,十分適用于三維建模[5-6]。在本文的弧齒錐齒輪建模中使用到的命令主要有:
1.實(shí)心體建模。主要用于刀盤和齒坯的建模。
Obj=SOLREV/obj list,ORGIN,xc,yc,zc,ATANGL,a
2.實(shí)體變換。主要用于刀盤和齒坯的旋轉(zhuǎn)、平移,模擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)。
Obj list=TRANSF/matrix,obj list1
Matrix為變換矩陣,變換矩陣有平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等5種。下面列舉使用到的平移和旋轉(zhuǎn)這2種格式:
(1)平移格式為:
Matrix=MATRIX/TRANSL,dx,dy,dz
(2)旋轉(zhuǎn)格式為:
Matrix=MATRIX/{XYROT/YZROT/ZXROT},angle
3.實(shí)體布爾運(yùn)算。主要用于布爾運(yùn)算得到齒輪齒面。主要有布爾減運(yùn)算、交運(yùn)算等。
通過上述命令的綜合使用,即可實(shí)現(xiàn)建模、旋轉(zhuǎn)、平移、布爾運(yùn)算等操作。
下面以小輪齒數(shù)21齒,大輪齒數(shù)35齒,模數(shù)為13,壓力角為20°,螺旋角為35°(其余齒輪參數(shù)由圖紙給出,文中略去)的弧齒錐齒輪副為例,詳細(xì)闡述建模方法。需要說明的是在下文的建模中,為了便于查看、分析程序運(yùn)行效果,零件外表面可能會(huì)在幾種顏色中變化,本質(zhì)上它們指的是同一個(gè)零件。
5.1 建模軟件實(shí)現(xiàn)
和第2節(jié)的流程圖對(duì)應(yīng)的,利用UG GRIP編制的大輪建模和小輪建模的軟件界面分別如圖3、圖4所示。
由于篇幅有限,上述程序界面中的各個(gè)命令及其對(duì)應(yīng)參數(shù)的具體意義不一一贅述。
圖3 雙面精切刀盤展成法切制大輪程序界面
圖4 工具大輪布爾展成小輪程序界面
5.2 雙面精切刀盤展成法切制大輪過程仿真
(1)齒坯調(diào)整過程
根據(jù)第3節(jié)分析的齒坯調(diào)整過程,先將大輪齒輪毛坯繞ZC軸旋轉(zhuǎn)安裝角。
(2)銑刀盤調(diào)整過程
同樣的根據(jù)第3節(jié)分析的銑刀盤調(diào)整過程,將銑刀盤旋轉(zhuǎn)到要求的偏心角和搖臺(tái)角。調(diào)整結(jié)束后的齒坯和銑刀盤的相對(duì)位置如圖5所示。
(3)齒面加工過程
調(diào)整結(jié)束后的齒坯和銑刀盤已經(jīng)放置在展成加工位置,接著按照以下步驟進(jìn)行加工:
1.拷貝盤銑刀實(shí)體。拷貝的盤銑刀實(shí)體命名為盤銑刀1。
2.拷貝盤銑刀1實(shí)體,將拷貝的盤銑刀實(shí)體命名為盤銑刀2。大輪齒坯和盤銑刀2布爾減運(yùn)算。然后再將大輪齒坯和銑刀盤1實(shí)體都旋轉(zhuǎn)到下一加工位置。
3.重復(fù)2步驟,直到加工完所需的加工刀數(shù)N,該步驟結(jié)束后就加工出一個(gè)齒槽。
4. 大輪齒坯繞自身軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)分度角,到加工下一齒槽的位置。
5.重復(fù)1、2、3、4步驟直到加工完所有需要的齒槽。
6.大輪齒坯回位。加工完后大輪繞自身軸線回轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過總角度,回到初始位置,將工件旋轉(zhuǎn)到初始位置方向。
圖5 調(diào)整結(jié)束后的齒輪毛坯和盤銑刀相對(duì)位置圖
圖6 展成法加工中間過
根據(jù)上述步驟切制大輪,切齒的一個(gè)中間過程如圖6所示。圖7則是大輪加工完4個(gè)齒槽后的實(shí)體圖。展成法加工出來的齒面不是一整個(gè)面,而是由一些小碎面組成,因此這樣的齒面還不能直接用于數(shù)控加工,而是需要進(jìn)行齒面的光順處理。
圖7 展成法大輪加工結(jié)果
(4)齒面重構(gòu)處理
利用"藝術(shù)樣條"曲線命令,先將端面輪廓和齒頂、齒底上的點(diǎn)分別聯(lián)接成樣條曲線。其次利用 "通過曲線網(wǎng)絡(luò)"構(gòu)造曲面命令進(jìn)行齒面的重構(gòu)。然后將齒面陣列,得到的結(jié)果如圖8所示。要得到一個(gè)完整的齒輪模型,還需先再建立一個(gè)齒輪毛坯。然后利用UG的"補(bǔ)片"命令進(jìn)行補(bǔ)片處理。補(bǔ)片完成后,即得到了完整的齒面。圖9為所得的展成法大輪最終模型。
圖8 陣列后的齒面 圖9 展成法大輪最終模型
5.3 雙面精切刀盤切制工具大輪布爾展成配對(duì)小輪過程仿真
(1)工具大輪切制過程
工具大輪毛坯建立后,同樣用展成法切制。齒面重構(gòu)處理后的工具大輪如圖10所示。
圖10 展成變異大輪實(shí)體圖 
圖11 變異大輪和小輪坯體初始裝配位置
(2)小輪成形過程
小輪毛坯建立后,將工具大輪繞ZC軸旋轉(zhuǎn)過90°,使它們處于裝配位置。調(diào)整好后的小輪和工具大輪如圖11所示。大輪正轉(zhuǎn)包絡(luò),步距0.5°,轉(zhuǎn)過60°后,包絡(luò)出的小輪齒形如圖12所示。此時(shí)得到的小輪模型并不是最終的模型,也需進(jìn)行齒面重構(gòu)光順等操作。小輪的齒面重構(gòu)和大輪以及工具大輪的重構(gòu)方法相同,不再贅述。
圖12 展成小輪模型實(shí)體
如上所述,通過雙面精切刀盤展成法切制大輪模型,大輪齒面重構(gòu)光順后得到了大輪的最終模型。用類似的方法得到工具大輪后,再用工具大輪布爾運(yùn)算展成小輪毛坯得到了小輪模型。
6 數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證本文提出的建模方法及其數(shù)控加工的正確性和可行性,對(duì)大小輪進(jìn)行了數(shù)控加工試切實(shí)驗(yàn)。數(shù)控加工采用通用的五軸數(shù)控加工中心。大輪齒形曲率變化較為平緩,采用四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工即可;小輪齒形曲率變化較大,加工過程中容易出現(xiàn)干涉的區(qū)域,因此采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工。由于篇幅有限詳細(xì)的數(shù)控加工方法不贅述。圖13、圖14分別為小輪、大輪數(shù)控加工精加工的一個(gè)中間過程。齒面精加工后表面質(zhì)量良好,可滿足產(chǎn)品精度要求。
圖13 21齒小輪精加工中間過程 圖14 35齒大輪精加工中間過程
7 結(jié)論語
本論文提出了一種適用于通用多軸機(jī)床數(shù)控加工的格里森弧齒錐齒輪的新的建模與加工方法。該方法首先建立實(shí)體建模,再利用通用多軸數(shù)控加工中心進(jìn)行了弧齒錐齒輪的加工,減少了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間并降低了生產(chǎn)準(zhǔn)備工作成本、解決了專用機(jī)床與齒輪尺寸參數(shù)的矛盾、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)錐齒輪齒形和接觸區(qū)等。從一定意義上說,解決了齒輪領(lǐng)域?qū)W者們長(zhǎng)期以來致力于解決的簡(jiǎn)化齒輪生產(chǎn)過程、預(yù)報(bào)錐齒輪齒形和接觸區(qū)等重大學(xué)術(shù)問題。同時(shí)本方法縮短了錐齒輪產(chǎn)品開發(fā)周期、降低了生產(chǎn)成本、減小企業(yè)對(duì)設(shè)備的投入、增加了企業(yè)的生產(chǎn)柔性能力,極大提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)能力,以滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。
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