（机械设计及理论专业论文）螺旋锥齿轮数控机床加工理论的研究.pdf

塑垩 一 _ _ _ - 一 群2 9 0 1 6 摘要 厂 ( 螺旋锥齿轮是实现相交轴运动传递的基础元件，由于其传动具有重合度 大、承载能力高、传动效率高、传动平稳、噪声小等优点而被广泛应用于汽 车、飞机、机床和各种机械产品中。由于其原理上的复杂性，导致机床结构 和加工调整在所有金属切削机床中最为复杂且加工周期长。因此，研究高速、 高精、高效和柔性自动化的螺旋锥齿轮加工机床显得尤为重要。 由于锥齿轮技术难度大，目前世界上只有美国g l e a s o n ( 格里森) ，瑞士 o e r l i k o n ( 奥立康) 和德国k l i n g e l n b e r g ( 克林贝尔) 三家公司拥有这方面的技术， 他们分别代表了锥齿轮的三种体制，且各成体系，互不公开。数控技术的应 用，大大简化了机床机构，现在这些国家已经研制出了螺旋锥齿轮数控加工 机床，它的推出令人耳目一新。 我国对螺旋锥齿轮加工的研究仍集中在“格里森”机床方面。这种机床 参数多、不易操作、调试复杂、机床控制参数的计算结果在很大程度上取决 于计算者的经验和技术水平，这样就限制着螺旋锥齿轮的应用和发展。 国内虽然基本搞清了其技术原理，但在数控应用方面，还有很大差距， 数控系统仍以引进f a n u c 公司和s i e m e n s 公司为主，这些通用的数控系统未 考虑螺旋锥齿轮的特点，不能充分发挥其性能，c a d 与c a m 未能实现一体 化，价格也较贵。如果依靠进口，机床价格更贵，并且他们对此也实现技术 封锁，这对于我国齿轮机床的应用极为不利。因此，根据锥齿轮加工特点需 要有自己的一套数控系统，利用我所多年来在数控方面的成功开发经验，我 们便提出了开发螺旋锥齿轮数控系统的构想。作者承担了此任务，本课题来 源于河南省自然科学基金项目“仿形数字化加工技术研究”，编号：0 0 4 0 5 3 1 0 0 。、， 为了研究和开发数控系统，本文对螺旋锥齿轮的数控加工理论进行了研 究和探讨，围绕该课题本文主要进行了以下几个方面的研究工作： 1 对螺旋锥齿轮的啮合原理进行了介绍，主要包括空间曲面的切平面、 法矢、曲面曲率以及共轭曲面的诱导法曲率等。 2 根据格里森数控加工机床，分析了该机床结构，在此基础上建立了直 角坐标系下的机床数学模型和齿面数学模型，通过对螺旋锥齿轮齿面的离散 摘要 化，求解出齿面坐标，并对齿面进行了仿真。 3 从锥齿轮的成形方法出发，根据产形轮的节面参数和产形轮与工件之 间的相对位置关系，来调整机床参数。并编制相应的程序。 4 通过齿面模型的分析，根据刀盘与加工齿轮之间的位置关系，推导出 了螺旋锥齿轮数控加工中刀位点的信息刀心坐标和刀轴矢量。 5 利用五座标数控机床后置处理原理，进行了理论分析，推导出了螺旋 锥齿轮数控机床的后置处理公式，得到了机床角度分配和刀心在机床坐标系 中的位置。 6 齿面仿真和机床参数的调整部分运用v c 抖6 0 和m a t l a b 混合编程， 发挥m a t l a b 在数值运算方面方便、快捷、准确等优点，缩短了开发时间，提 高了效率。 本文所探讨的螺旋锥齿轮加工理论从机床结构上摆脱了原来格里森机 床的摇台、偏心鼓轮、刀倾体和刀转体机构，而采用格里森公司最先推出的 螺旋锥齿轮数控机床为模型，建立了直角坐标系，求解出齿面方程得到了齿 面离散点的坐标；并根据大、小轮各自的加工方法，完成了机床参数的调整： 推导出了螺旋锥齿轮数控加工中刀位点的信息刀心坐标和刀轴矢量；并 且推导出了螺旋锥齿轮数控机床的后置处理公式。为研制螺旋锥齿轮c n c 系统提供了理论基础，并为今后应用和推广数控齿轮机床，提高我国在国际 上的竞争力，促进我国经济的发展，奠定了良好的基础。 本课题的研究思想新颖，机电结合，涉及面广，并且需要扎实的数学理 论知识，特别是从螺旋锥齿轮的基本原理开始几乎涉及了整个制造技术。但 要研制出样机，还需要在以下几个方面作更深入的研究： 1 对螺旋锥齿轮的齿面进行拟合，为齿面分析作进一步的研究。 2 要生成数控指令，还需对后置处理部分进行编程。 3 多坐标运动控制中，数控插补离散逼近对齿面成形误差的影响。 4 多轴展成运动数控实时插补算法的研究和控制软件。j ，、7 关键词：螺旋锥齿轮，数控机床，啮合原理，刀位点，后霹处理 ，、 、v 一u 垒! ! 坚! ! 一一 a b s t r a c t s p i r a lb e v e lg e a r sa r e o n eo f b a s i cm e c h a n i c a lu n i t st ot r a n s m i tm o t i o nb e t w e e n c o n c u r r e n ta x e s b e c a u s et h et r a n s m i s s i o nh a sq u i t eaf e wm e r i t s ，s u c ha st h eb i g o v e r l a pr a t i o ，t h eh i g hl o a d i n gc a p a c i t y , t h eh i 曲t r a n s m i t t i n ge f f i c i e n c y , t h e s t a b i l i t y , t h es m a l ln o i s e s ，a n ds o0 n ，t h e ya r ew i d e l y u s e di na u t o m o t i v ev e h i c l e ， p l a n e s ，m a c h i n et o o l sa n da l l k i n d so fm a c h i n e s b u tt h et h e o r e t i c a lc o m p l e x i t y c a u s e st h a tt h em a c h i n et o o ls t r u c t u r ea n dt h em a c h i n i n ga d j u s t m e n ta r et h em o s t c o m p l e xa m o n g a l lt h e s t o c k r e m o v i n gm a c h i n e s ，a n d t h a tt h e m a c h i n i n g p e r i o d i c i t yi sv e r yl o n g t h e r e f o r e , i ti s o fm u c hi m p o r t a n c et o s t u d ym a c h i n e t o o l so f s p i r a lb e v e lg e a r sw i t hh i 曲s p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ，h i 曲e f f i c i e n c y , m u c h f l e x i b i l i t ya n dh i g ha u t o m a t i o n b e c a u s eo ft h ec o m p l e xt e c h n o l o g yo f s p i r a lb e v e lg e a r s ，t h e r ea r eo n l yt h r e e c o m p a n i e sw h oh a v et h et e c h n o l o g y ：a m e r i c a ng l e a s o n ，s w i s so e r l i k o n a n d g e r m a nk l i n g e l n b e r g t h e yr e s p e c t i v e l ys t a n df o rt h r e ek i n d so fs p i r a lb e v e l g e a r s ，a n dh a v et h e i ro w ns y s t e m sw h i c ha r en o to p e nt o o n ea n o t h e zt h e s e c o u n t r i e sh a v ed e v e l o p e do u tc n cm a c h i n et o o l sf o r s p i r a l b e v e l g e a r s f o r a p p l y i n gc n ct e c h n o l o g y r e s e a r c h e r ss t i l lp u tt h e i re m p h a s i so ns t u d y i n gg l e a s o nm a c h i n et o o l si no u r c o u n t r y t h i sk i n do fm a c h i n eh a v er o a c hp a r a m e t e r st ob ea d j u s t e da n di sn o t e a s yt oo p e r a t e d ，a n dt h ep a r a m e t e r so ft h i sm a c h i n el i eo nt h es k i l l e dw o r k e r s e x p e r i e n c ea n dt e c h n i c a ll e v e l s ，w h i c hb a f f l e st h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f s p i r a lb e v e lg e a r sm a c h i n e s a l t h o u 【曲t h eb a s i ct h e o r i e sa b o u tt h eb e v e lg e a ra r ek n o w n ，t h e r ei s al o n g d i s t a n c ei nn c e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n si no u rc o u n t r y t h es y s t e mo fc n ci s m a i n l yi m p o r t e df r o mf a n u cc o m p a n y a n ds i e m e n s c o m p a n y b u t ，t h i su n i v e r s a l c n c s y s t e mi s u n a b l et om a k ef u l lo fi t sf u n c t i o n s 。a n dc a da n dc a ma r e i n d e p e n d e n t ，w h a t sm o r e ，t h ep r i c e i sa l s o v e r yh i 曲i fw eo n l yr e l y o n i m p o r t a t i o n ，t h eh i g h e rp r i c eo ft o o l sa n dt h eb l o c k e dt e c h n o l o g ya l e v e r y n t 垒!塑堕 d i s a d v a n t a g e o u s t ot h ea p p l i c a t i o no fg e a rm a c h i n e si n o u rc o u n t r i e s s ow e s h o u l dh a v eo u ro w nn cs y s t e m so fs p i r a l b e v e l g e a r s i n v i e wo fo u r s u c c e s s f u l l y - d e v e l o p i n ge x p e r i e n c e f o rm a n y y e a r s ，w ep u tf o r w a r d t h e t h o u g h t o f d e v e l o p i n gt h ec n cs y s t e mf o rs p i r a l b e v e lg e a r s m yd i s s e r t a t i o nh a sd r a w n f r o mt h ep r o j e c t t h es t u d yo fc o p y i n g & d i g i t i z i n gm a c h i n i n gt e c h n o l o g y w h i c hi s s p o n s o r e db yn a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fh e n a np r o v i n c e ( i t e m n u m b e r ：0 0 4 0 5 3 l o o ) c e n t e r e da r o u n dt h i ss u b j e c t ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h en u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n i n gt h e o r i e s ，a n dt h em a i n w o r k i sa sf o l l o w s ： i t h ee n g a g e m e n tt h e o r yo fs p i r a lb e v e lg e a r si sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h e t a n g e n tp l a n e ，n o r m a lv e c t o r , c u r v a t u r eo fs p a t i a lc u r v e ds u r f a c e sa n dr e l a t i v e c u r v a t l g eo f c o n j u g a t es u r f a c e s ，e la 1 ，w h e r e r e l a t i v ec u n r a t u r ei se m p h a s i z e d 2 t h es t r u c t u r eo fg l e a s o nn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gt o o l si sa n a l y z e d ， a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h et o o l sa n dt h et o o t hf l a n ka t ee s t a b l i s h e d b ym e s h i n g t o o t hf l a n k s ，t h i sp a p e rs o l v e so u tt h ec o o r d i n a t e so ft o o t hf l a n k s ， a n ds i m u l a t e st h et o o t hf l a n k s 3 f r o mt h em a c h i n i n gm e t h o d so fs p i r a lb e v e l g e a r s ，a c c o r d i n gt o t h e p a r a m e t e r s o fn o d a ls u r f a c eo fg e n e r a t i n g g e a r s a n dt h er e l a t i v e p o s i t i o n b e t w e e nt h eg e n e r a t i n gg e a ra n dt h ew o r kp i e c e ，a d j u s t st h ep a r a m e t e r so f m a c h i n et o o l s ，a n dd e v e l o p st h ec o r r e s p o n d i n g p r o g r a m s 4 b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et o o t hf l a n k ， a c c o r d i n gt o t h ep o s i t i o n a lr e l a t i o n sb e t w e e nt o o lp a n sa n dm a n u f a c t u r e d g e a r s ，d e d u c e so u tt h ei n f o r m a t i o na b o u tc u t t e r l o c a t i o ni nt h en u m e r i c a l c o n t r o lm a n u f a c t u r r m ec u t t e rc e n t e rc 0 0 r d i n a t e sa n dt h ec u t t e rs h a f tv e c t o r 5 a c c o r d i n g t ot h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f m a c h i n et o o l s ，d e d u c e s o u tp o s tp r o c e s s i n gf o r m u l a so f c n cm a c h i n et o o l sf o rs p i r a lb e v e lg e a r s 6 b yc o m b i n i n gt h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e s o fv c + + 6 0w i t hm a t l a b d e v e l o p st h es o t h v a r et os i m u l a t et o o t hf a c e sa n dt oa d j u s tt h ep a r a m e t e r so f m a c h i n et o o l s ，w h i c hm a k e sf u l lu s eo ft h em e r i t so fm a t l a bl a n g u a g es u c ha s t h ec o n v e n i e n c e ，r a p i d n e s sa n d a c c u r a c yi nn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，s h o r t e n st h e a b s t r a c t d e v e l o p i n gt i m ea n d r a i s e st h ee f f i c i e n c y t h em a c h i n i n gt h e o r yo fs p i r a lb e v e lg e a r ss t u d i e di nt h i sp a p e r , d o e s n th a v e t h eo r i g i n a lg l e a s o nm a c h i n et o o l sa sm o d e l s ，w h i c hi sm a d eu po fc r a d l e ，b i a s c r o w n e dg e a r , c u t t e rt i l tb o d ya n dc u r e rr o t a t i n gb o d y , b u tt h en u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n et o o l sf o r s p i r a l b e v e l g e a r s w h i c hi s n e w l yd e v e l o p e db yg l e a s o n c o m p a n y t h i sp a p e r h a sd o n el o t so f r e s e a r c ha n do b t a i n e ds o m e r e s u l t s ，s u c ha s e s t a b l i s h i n gf i g h t a n g l ea x e s ，s o l v i n g o u tt h e e q u a t i o n s a b o u tt o o t h f l a n k s ， d e r i v i n gd i s c r e t ec o o r d i n a t e so ft o o t hf l a n k s ，a d j u s t i n gp a r a m e t e r so fm a c h i n e t o o l sa c c o r d i n gt ot h e g e n e r a t i n gm e t h o d so f b i g a n ds m a l l g e a r s ，d e d u c i n g o u tt h e j n f o r m a t i o na b o u tc u t t e rl o c a t i o ni nt h en u l t i e r i c a 】o o n t r o 】m a n n f a c t u 炉t l l ec u t t e r c e n t e rc o o r d i n a t e sa n dt h ec u t t e rs h a f tv e c t o r , d e d u c i n go u tt h ep o s tp r o c e s s i n g f o r m u l a s ，a n ds oo n t h i ss e t su pat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gc n c s y s t e m so fs p i r a l b e v e lg e a r s ，a n da l s oe s t a b l i s h e sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h e a p p l i c a t i o na n dt h es p r e a do fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l sf o rs p i r a lb e v e l g e a r s ，i m p r o v i n gt h ec o m p e t i n gp o w e r o fo u rc o u n t r yi nt h ew o r l da n d s p e e d i n g u pt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to f o u rc o a n t r y t h i s p a p e r i s n o v e l ，a n dd e a l sw i t h aw i d e r a n g e o fe l e c t r o m e c h a n i c a l k n o w l e d g e ，w h i c h n e e d ss o l i d k n o w l e d g e a b o u tm a t h e m a t i c a l t h e o r i e s ，i n p a r t i c u l a r , n e a r l yd e a l sw i t ht h ew h o l em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yf r o mt h eb a s i c t h e o r i e sa b o u t s p i r a lb e v e lg e a r so n b u ti no r d e rt od e v e l o po u tas a m p l e ，t h e r ei s s o m ef u r t h e rr e s e a r c ht ob ed o n ea sf o l l o w s ： 1 f i t t i n gt h et o o t hf l a n ko f s p i r a lb e v e lg e a r st of u r t h e rs t u d yt o o t hf r a n k ； 2 p r o g r a m m i n g f o rt h e p o s tp r o c e s s i n g t o g e n e r a t e n u m e r i c a lc o n t r o l i n s t r u c t i o n s ； 3 s t u d y i n g t h ed i s c r e t e a p p r o x i m a t i n g i n f l u e n c eo fn u m e r i c a l c o n t r o l i n t e r p o l a t i o no n t h ef o r m i n ge r r o ro f t o o t hf l a n k si nt h em u l t i a x i a lm o v e m e n t ； 4 d e v e l o p i n g t h ec o n t r o ls o r w a r ea n dt h er e a l t i m ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mo f n u m e r i c a lc o n t r o lm u l t i a x i a lg e n e r a t i o nm o v e m e n t k e y w o r d s ：s p i r a l b e v e l g e a r , n u m e r i c a l c o n t r o l m a c h i n e ，t h e o r y o f e n g a g e m e n t , c u t t e rl o c a t i o n ，p o s tp r o c e s s v 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 齿轮生产在现代化机械制造业中占有十分重要的地位，尤其在汽车、飞 机、拖拉机和机床等机械工业的生产中占有相当的比重1 1 j 。 随着我国社会主义建设的发展，我国锥齿轮的生产也在迅速地增长。在 锥齿轮传动中特别是在相交轴的传动中，直齿锥齿轮得到相当广泛的应用。 而且直齿锥齿轮比螺旋锥齿轮易于加工，其齿线在传动中也不产生轴向力， 但是平稳性及承载能力等方面，直齿锥齿轮却不如更加优越的螺旋锥齿轮。 螺旋锥齿轮传动较直齿锥齿轮传动具有重合度大、承载能力高、传动效率高、 传动平稳、噪声小等优点。因此被广泛应用于汽车、飞机、工程机械车以及 电动工具等机械产品中。因此，研究高速、高精、高效和柔性自动化的螺旋 锥齿轮加工机床显得更为重要【2 j 。本章主要阐述课题的背景、来源、目的、 意义和国内外概况，最后介绍了本文的工作。 1 2 研究锥齿轮加工机床的目的和意义 螺旋锥齿轮理论是由美国g l e a s o n 公司的科学家e 威尔德哈泊 ( e w i l d h a b e r ) 、m l 巴斯特尔( m l b a x t e r ) 等人提出的f 3 。在此基础上， g l e a s o n 公司形成了自己独特的螺旋锥齿轮设计、分析、制造、检测技术， 从而形成了其在世界上的垄断地位。 螺旋锥齿轮以其良好的动态性能，在机械行业中占有相当的地位。其设 计和制造技术从问世以来一直是制造业的难点和热点。实行高速、高效、高 精度、数控化、综合化、柔性化自动化加工，是其发展的方向。 同普通的直齿锥齿轮相比，螺旋锥齿轮的设计加工原理复杂得多，它的 啮合齿面为两复杂的空间点接触齿面【4 ”。由于当前拥有该技术的g l e a s o n 等 公司搞技术垄断，从不公开其内容，促使许多国家对该项技术进行研究和探 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 索，特别是日本和苏联。虽然取得了一定的进展，但与g l e a s o n 相比，仍有 差距。 由于螺旋锥齿轮的设计加工原理的复杂性，使得机床机构非常复杂，除 一般机床具有的传动链、展成链、分齿机构外，还有变性机构和( 或) 刀倾 机构，且包含了复杂的调整计算理论【6 l 。实际上螺旋锥齿轮是一对局部共轭 的齿轮副，它是用在计算点处与齿面相切的二阶曲面来简化逼近齿面，通过 对齿轮副节锥上节点一点的分析进行切齿计算，所以要使整个齿轮副达到啮 合要求，就要不断地试切、修正和调整( 7 l ，整个过程繁杂冗长，计算量大， 操作人员的劳动强度高，而且对操作人员本身的要求也非常高，计算结果有 一点代错，就要重新计算，这就使得加工一对齿轮的周期长，成本高。 随着计算机技术和数字控制技术的发展，高精度电子传动的实现，为高 精、高效和柔性化的齿轮加工开辟了新的途径【2 ) 。目前国外齿轮机床迅速走 向n c 化【8 4 “，如日本在8 0 年代用三年时间把机床数控化从7 提高到7 0 。 齿轮机床数控化后，既可以简化机床机构，提高机床的刚性，又可以增加机 床的柔性，扩大加工范围，还相应地提高了齿轮机床的加工精度，简化了操 作。 国内加工螺旋锥齿轮的机床主要依靠进口，如上海机床厂就进口了五台 y 2 2 5 0 型机床，其价格非常昂贵，国内进口价在8 0 1 2 0 万美元，且往往是 厂家带着零件去订货和委托编程，加工技术受制于人。 我国对螺旋锥齿轮加工的研究仍集中在“格里森”机床方面。这种机床 参数多、不易操作、调试复杂、机床控制参数的计算结果在很大程度上取决 于计算者的经验和技术水平，这样就限制着螺旋锥齿轮的应用和发展。 尽管国内生产数控齿轮机床的厂商已有5 、6 家，但是他们的数控系统 仍以引进f a a u c 公司和s i e m e n s 公司为主，由于锥齿轮加工自身的特点，这 些通用的数控系统不能充分发挥其性能，c a d 与c a m 未能实现一体化，价 格也较贵。如果依靠进口，机床价格更贵，并且他们对此也实现技术封锁， 这对于我国齿轮机床的应用极为不利。因此，根据锥齿轮加工特点需要有自 己的一套数控系统，利用我所在数控方面的成功开发经验，我们便提出了开 发螺旋锥齿轮数控系统的构想。为了研究和开发数控系统，本文对螺旋锥齿 轮的数控加工理论进行了研究和探讨，这对于应用和推广数控齿轮机床，提 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 高我国在国际上的竞争力，促进我国经济的发展，有着广泛的应用前景a 1 3 国内外螺旋锥齿轮机床的现状与发展 齿轮技术的历史可以追溯到公元3 0 0 0 - - 5 0 0 0 年前，几乎和人类历史同步 b 。齿轮传动作为了- - f q 具有明显产品特征的共性技术，它的发展和成熟无 不和工业产品的发展相关。1 9 世纪现代工业的形成开始了齿轮技术的近代 史，机器工业的发展使它发展成为一门工业技术。2 0 世纪初叶汽车工业的崛 起促使了大批量、高效生产技术的发展，随后航海、航空、航天技术的发展， 以及大型现代化成套工业设备的出现使高参数、优性能的高速齿轮和重载工 业齿轮得到了迅速发展和应用，也促进了相应的基础理论、工艺技术及设备 的研究和发展。 1 3 1 国外发展概况 由于锥齿轮技术难度大，目前世界上只有美国g l e a s o n ( 格里森) ，瑞士 o e r l i k o n ( 奥立康) 和德国k l i n g e l n b e r g ( 克林贝尔) 三家公司拥有这方面的技术， 他们分别代表了锥齿轮的三种体制，且各成体系，互不公开。美国g l e a s o n ( 格里森) 公司成立于1 8 6 5 年，至今已有一百多年的历史，该公司一直是锥 齿轮机床的世界领先供应商。德国克林贝尔( k l i n g e l n b e r g ) 除了供应成套锥 齿轮加工设备外，还以齿轮测量仪器见长，提供齿轮和蜗轮单面啮合对滚检 查仪等。九十年代，世界进入兼并热潮，美国格里森公司脱颖而出。1 9 9 5 年 1 0 月，g l e a s o n 收购了德国生产滚齿机、插齿机的老厂h a s s e ，使其当年销售 额达4 亿美元，以压倒气势超过k l i n g e l n b e r g 、l i e b h e r r 和l o r e n z 三公司组成 的s i g m a 集团。同年，还收购了h u r t h ，使g l e a s o n 获得了生产精密锑齿机和 珩齿机的能力。1 9 9 7 年7 月，g l e a s o n 用1 亿美元收购了德国赫尔曼普发 特( h e r m a n n p f a u t e r ) 集团，使之又登上了圆柱齿轮滚齿机和磨齿机的宝 座，并收购了p f a u t e r - - m a a g 刀具公司7 5 的产权。至此，这个自称“齿轮 世界”的公司，又占据了圆柱齿轮市场的“大半边天”。目前g l e a s o n 公司 已占有齿轮市场的4 0 4 5 份额。g l e a s o n 的锥齿轮机床在全世界已有 3 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 0 0 0 台以上。近几年来，准双曲面齿轮应用处于上升趋势。随着科学技术 的发展，这两种齿形制都发展成一套完整的技术体系，从软件方面都有一套 完整的计算机程序包，在硬件方面都有c n c 控制的配套机床，而且都能通 过三座标测量仪，将测量结果反馈给切齿机床，形成一个以磁盘为传输介质 的进行数据传递的c n c 系统。为适应高速、高效、自动化和柔性化的加 工要求，发展高技术的数控齿轮加工技术，欧美发达国家的齿轮机床生产厂 家已进行联合，组成更强大的集团，使齿轮设计和加工进入一个新的阶段。 典型代表是g l e a s o n 集团、k l i n g e l n b e r g 集团和o e r l i k o n 公司。 1 g l e a s o n 公司锥齿轮加工系统 g l e a s o n 公司是准双曲面锥齿轮加工机床的主要供应厂家。该公司原有 的格里森n o 1 1 6 铣齿机采用复杂的机械传动机构【1 ”，主要通过齿轮间的啮 合来传动，并且传动链较长，容易造成锥齿轮的制造误差。8 0 年代中期，格 里森公司率先推出了p h o e n i x ( n 凰) 系列数控锥齿轮铣齿机和磨齿机，开始了 螺旋锥齿轮加工机床的一次重大革新。它可以加工两种齿制的齿轮，取消了 传统机床的摇台机构和刀倾机构，并且更为重要的是它取消了复杂的传动链 和调整环节，大大简化了机床结构，而且机床刚性也显著提高。这类全数控 螺旋锥齿轮加工机床实际上是一种5 轴联动的万能机床，可加工各种齿制的 螺旋锥齿轮齿面，除了更换刀盘和夹具、工件外，整个加工过程都是自动的， 加工精度比传统机床可提高1 2 级，而且重复精度好。 g l e a s o n 公司与德国z e i s s 合作开发了三座标测量和误差分析系统，其与 p h o n e i x 机床连接，称为误差闭环系统g a g e 。g a g e 系统在进行准双曲面 加工时，一般只需一次试切校正，就可获得满意的啮合配对。 在c i m t 9 9 展会上g l e a s o n 公司展出了一台风凰系列4 5 0 g 型数控螺旋 锥齿轮磨齿机和s r s 4 0 5 型数控剃齿刀磨床。4 5 0 g 磨齿机可精磨硬齿面螺旋 锥齿轮的大轮和小轮，磨齿精度可达3 4 级( d i n 标准) 。4 5 0 g 的最大加工 工件直径4 5 0 m m ，最大模数1 2 r a m ，还可加工弧齿鼠牙盘或联轴节齿面。c n c 包括砂轮修整运动在内共有8 轴，用5 轴联动实现了磨齿运动。目前g l e a s o n 公司已经生产出数控铣齿机p h o e n i x l l 6 c n c 、1 7 5 h c 、2 7 5 h c 、4 5 0 h c 、 1 0 0 0 h c 以及磨齿机2 0 0 g 、4 5 0 g 、8 0 0 g 等系列产品。 2 k l i n g e l n b e r g 公司锥齿轮加工系统 一4 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 k l i n g e l n b e r g 公司最近开发出一种新型齿轮加工机床：k n c s 3 5 ，这是一 种万能数控弧齿锥齿轮切齿机床。它把齿轮加工机床与测量技术相结合，与 以往相比，机床机构更加简单，刚性得到改善，从而提高机械驱动的灵敏度， 提高n c 指令的可靠性，大幅度提高了齿轮加工的精度。应用c n c 测量方式， 齿轮加工机床采用新的计算技术后，可通过计算机事先进行最优化设计，缩 短定位调试和加工时间。这种方法有利于降低生产成本，提高加工精度，增 大负载能力和降低噪声。目前k l i n g e l n b e r g 公司又推出了h p g s 、h p g 两种 型号。 3 o e f l i k o n 公司锥齿轮加工系统 瑞士o e r l i k o n ( 奥立康) 公司在c i m t 9 9 展会上展出了一台数控螺旋锥齿 轮铣齿机c 2 8 ，6 轴5 联动【l “。这种数控铣齿机的最大特点是可实现干切削。 刀盘主轴箱滑鞍安装在倾斜床身导轨上，切屑可自由落入其下方的排屑槽由 排屑器及时排除，在现场看到集屑箱内堆积的全都是未施加任何切削液的发 兰色切屑。我国湖北车桥有限公司曾于1 9 9 7 年首次进口o e f l i k o n 公司的c 2 8 ， 成为这种环保型数控铣齿机在中国的第一家用户。c 2 8 的加工精度相当高， 达5 6 级( d i n 标准) 。可以预期，这种环保型数控铣齿机将成为加工汽车后 桥主从动螺旋锥齿轮的主力设备。 1 3 2 国内发展概况 我国在锥齿轮研究方面起步较晚，从7 0 年代开始，引进美国格里森公 司的齿轮机床，对格里森公司的计算公式进行了推导和改进 。我国原机 械工业部把“格里森成套技术研究”列为重点科研项目，组织许多高等院校 和科研机构进行攻关。经过“七五”、“八五”，基本上摸清了格里森齿轮的理 论基础和加工原理，仿制苏联凯陵斯基等人设计的5 2 5 、5 2 8 等型号铣齿机而 后生产了y 2 1 4 0 、y 2 2 5 、y 2 2 8 型弧齿锥齿轮机床。该类机床的传动系统复 杂，主要通过齿轮间的啮合来传递运动，并且传动链较长，一旦有误差产生， 将会影响整个传动链，造成锥齿轮的制造误差。该类铣齿机的传动系统由5 个运动构成：( 1 ) 刀盘旋转运动，( 2 ) 进给运动，( 3 ) 滚切运动，( 4 ) 分度运动， ( 5 ) 摇台摆动，这五个运动之间相互影响。机床在加工齿轮之前，必须进行调 一5 一 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 整，并且调整复杂，有时还须反复调整。因此加工费时，生产周期长。这严 重影响了锥齿轮的质量和加工效率。由于n c 技术的巨大优势，在“八五” 期间，天津第一机床厂曾研制开发了n c 铣齿机，但没有能够全面数控化， 仍使用摇台鼓轮和刀倾机构，机床机构复杂。 当前，仍在螺旋锥齿轮理论方面的研究单位主要有以下几个：重庆大学 机械传动国家重点实验室，西安交通大学，中南大学，华中科技大学。他们 主要从事齿轮设计，齿面接触分析1 9 - 2 3 ，齿面加载分析1 2 4 ，齿面加工原理 4 , 2 5 2 6 等方面的研究，取得了一定成果，但与实际应用方面还有一些差距。最 近，他们经过消化和吸收先后开发研制了各类铣齿机。秦川机床集团公司与 西安交通大学联合研制了y k 2 2 4 0 数控螺旋锥齿轮铣齿机，长沙铁道学院研 制了y k 2 2 4 5 铣齿机口”。但是他们使用的数控系统都是以引进为主，数控理 论的推导仍建立在原有格里森机床模型上，未能摆脱格里森机床的摇台、刀 转体和刀倾机构，推导过程复杂。 1 4 论文工作简介 本课题来源于河南省自然科学基金项目仿形数字化加工技术研究， 编号：0 0 4 0 5 3 1 0 0 。 本文所要探讨的螺旋锥齿轮加工理论就是耍从机床结构上摆脱原来格 里森机床摇台、偏心鼓轮、刀倾体、刀转体机构，而根据格里森公司最先推 出的螺旋锥齿轮数控机床为模型，建立直角坐标系，求解齿面方程得到齿面 离散点坐标，并根据大、小轮的加工方法，完成机床参数的调整。为研制数 控螺旋锥齿轮机床提供理论基础。 主要工作如下： 1 对螺旋锥齿轮的啮合原理进行了介绍，主要包括空间曲面的切平面、 法矢、曲面曲率以及共轭曲面的诱导法曲率等。其中相对微分是工具，诱导 法曲率是重点。本文把轮坯设计和切齿计算都归结为某一对螺旋锥齿轮齿轮 上节面参数和节点曲率。 2 根据格里森数控加工机床，分析机床结构，在直角坐标系下建立了机 床的数学模型和齿面数学模型，并对螺旋锥齿轮的齿面进行离散化，通过基 6 一 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 本参数的输入，求解出齿面坐标。最后对齿面进行仿真。 3 从锥齿轮的成形方法出发，根据产形轮的节面参数和产形轮与工件之 间的相对位置关系