UGGRIP的弧齿锥齿轮参数化建模方法

1、UG GRIP得弧齿锥齿轮参数化建模方法基于UG GRIP,本文针对弧齿锥齿轮建模方法进行了深入细致得研究。首先介绍了弧齿锥齿 轮建模得总体方案。其次详细说明/人轮得展成法建模原理;对于小轮得造型，基于共甄理论，提 出r 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方法，从而得到小轮模型。 采用此方法造型弧齿锥齿轮小轮比其它造型方法简便，就是弧齿锥齿轮参数化建模与加匚得种 实用得新方法。接着以对齿数为2 1-3 5、模数为13得齿轮副为例，详细图解说明了整个建模 过程。最终还对建立得模型进行了数控加工试验以验证上述方法得正确性。1前言 弧齿锥齿轮就是种节锥齿线为曲线、用来传递在一个平

2、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、结构紧凑等优点，就是航空、造 船、汽车、能源、装备、国防等部门产品得关键零件，因此弧齿锥齿轮生产在现代化机械制造业 中占有十分重要得地位 1-3.其制造主要使用专用得齿轮加工机床。目前国内使用得齿轮加工机床主要有美国格里森公 司生产得N。、1 16铳齿机、No、6 0 9拉齿机、1!。、463唇齿机与国产得丫22 8。铳齿机等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。但就是由于机床结构、机床尺 寸等因素得制约，每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

3、法加工些尺寸超过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）。而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。a *因此如何解决加匚专用机床与齿轮副尺寸之间得矛盾以及准确地侦报锥齿轮齿形、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 种适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方法，并 利用UG GRI P编制了相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

4、问题。2白弧齿锥齿轮建模总体方案概述传统得锥齿轮加匚方法分为大轮成形法、滚切法，小轮刀倾法、变性法等1b本文基于传 统得格里森锥齿轮加工方法，提出得具有创新意义得建模新方法其总体方案路线流程如图1所 示。建模主要分成三个步骤:大轮建模、小轮建模、接触区控制调整。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，由些小碎面组成， 还不就是最终得模型。对大轮齿而进行光顺重构后，才能得到大轮最终模型。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/小轮模型，此时得到得小轮齿面也不光滑。小轮齿

5、面也进行重构后,得到小轮最终模型。大 小轮都确定后，可进行虚拟装配与接触区分析。椎齿轮副几何与啮合参参数修正图1双而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A 3、1大轮齿坯与双面铳刀盘得建模齿坯与双面铳刀盘都就是回转体，所以建模相对简单。大轮精切双面刀盘建模参数主要有刀 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，并让铳刀盘得刀尖平面通过原点。首先确 定双面铳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3 6 0。，这样就

6、可以得到铳刀盘与大轮齿坯实体。3 乐2展成法切制大轮机床 调整参数计算4 用展成法加I：弧齿锥齿轮大轮时，其机床调整参数按格里森s B计算卡计 算。由于本文介绍得齿轮建模仿真方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 是齿面得最终模型，以便用于数控加工。故大轮不需粗切，直接采用双面刀盘精切即可。具体得 大轮精切调整计算卡可见参考文献5。3、3模拟机床调整展成布尔运算得到大轮模型qa 通过上节中得大轮精切调整计算卡可 得到大轮调整得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整参数, 偏心角、摇台角为刀盘调整参数。上述得齿坯与刀盘得调整参数在格里森机床上都可以直接

7、调整。 格里森机床得机构简图如图2所示。 UG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；丫C轴为床鞍平而上与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。A白 在UG中模拟机床调整得 步骤如下/(1)轮坯安装角调整。齿坯实体绕ZC轴旋转安装角。(2)偏心角调整。刀盘主轴与摇台主轴平行但被偏心地安装在一个偏心鼓轮上,偏心鼓轮又被 偏心得安装在摇台上。因此，刀盘偏心角得调整应该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2 22、25,偏心距为机床参数得半,因此为1

8、11、12 5mm。在U G中, 对应得将铳刀盘沿着在绝对坐标系中过点(0, 111、125,0)、(1 0 0,1 11, 1 2 5,0)得轴线旋转偏心角。4(3)摇台角得调整。摇台得轴线即为UG中绝对坐标系得XC轴,因此在UG中，对应得将铳刀盘 沿着绝对坐标系中过点 (0，0, 0)、( 0,1 00,0)得轴线旋转偏心角。* a 调整结束后齿坯实体与铳刀盘实体即处于所需得位置。在刀盘与大轮齿坯调整到位后，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个齿槽来，需令盘铳刀与齿坯分别绕自身 轴线旋转，直到旋转过定角度才能切出个完整得齿槽来。再将齿坯绕自身轴线旋转个分度 角进

9、行下一齿槽成形。a由于切齿仿真就是对格里森机床实际加工齿轮得种滚切运动模拟，因此仿真后得到大轮模型 齿而并不就是光滑得整体齿而，齿形表而由片片得小曲面(小碎面)组成，形成不光滑得轮齿 曲而。这样得齿而无法进行数控加二而必须先用UG软件中相关得光顺命令处理，重构齿而来 获得完整齿槽。再将齿槽阵列后得到完整得最终大轮模型。图2格里森铳齿机床结构简图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 行处理就是不行得。因为如果直接用正常得大轮去展成小轮得话,齿顶没有间隙，而且建模与实际 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

10、会出现干涉、胶结等问题1:大轮得处理采用在正常大轮齿坯得基础上，齿顶往外延伸段距离，距离得大小由模数与 延伸系数乘积来决定，处理后得大轮称为工具大轮。上述处理保证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同得方法切制。得到得模型齿面同样得需要进行重构 处理。工具大轮建模完成后，在同零件图中建立小轮坯体。然后将大小轮调整至装配位置。在 此位置执行次布尔运算后，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，般取0、5。左右即可，工具大轮同时转过相应得角度后再布尔运算次。重复此过程，直到 至少加工出个小轮齿槽，以便作齿面处理。这样就得到了展成法小轮模型。A

11、6 5 建模实 例分析A 4 UG软件提供了多种二次开发工具。其中Grip二次开发简单、易学、交互性强, 提供了丰富得命令,十分适用于三维建模5-6.在本文得弧齿锥齿轮建模中使用到得命令主要 有：1 a "实心体建模。主要用于刀盘与齿坯得建模a Obj=SOLREV /objlist ,0RGIN, x c, y c, zc,ATANGL,a42、实体变换。主要用于刀盘与齿坯得旋转、平移，模拟机床运动。0 b j list=TRANSF/mat r i x, o b j I is t 14 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

12、式：（1）平移格式为泌M a trix= MATRIX / TRAN S L,d x , d y, dz4 (2)旋转格式为泌 4 Ma t rix=MATR I X/XYROT/YZROT/ZXROT) ,angl e3、实体布尔运算。主要用于布尔运算得到齿轮齿而。主要有布尔减运算、交运算等。a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。下而以小轮齿数2 1齿，大轮齿数35齿,模数为13,压力角为2 0。，螺旋角为35。(其余齿轮参 数由图纸给出，文中略去)得弧齿锥齿轮副为例，详细阐述建模方法。需要说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，零件外表而可

13、能会在几种颜色中变化，本质上它们指得就 是同个零件. 5AMi建模软件实现与第2节得流程图对应得，利用UG GRIP编制得大轮建模与小轮建模得软件界而分别如图3、图4所示。会图3双面精切刀盘展成法切制大轮程序界面画画画亘由于篇幅有限，上述程序界而中得各个命令及其对应参数得具体意义不赘图4匚具大轮布尔展成小轮程序界而5、2双面精切刀盘展成法切制大轮过程仿郸(1)齿坯调整过程a根据第3节分析得齿坯调整过程，先将大轮齿轮毛坯绕ZC轴旋转安装角。q (2)铳刀盘调整过程a a同样得根据第3节分析得铳刀盘调整过程，将铳刀盘旋转到要求得偏心角与摇台角.调整结束后得齿坯与铳刀盘得相对位置如图5所示a(3)齿

14、面加工过程A a 调整结束后得齿坯与铳刀盘已经放置在展成加:位置，接着按照以下 步骤进行加工：A1、拷贝盘铳刀实体。拷贝得盘铳刀实体命名为盘铳刀1c A2、拷贝盘铳刀1实体，将拷贝得盘铳刀实体命名为盘铳刀2。大轮齿坯与盘铳刀2布尔减运 算。然后再将大轮齿坯与铳刀盘1实体都旋转到下加工位置a 3、重复2步骤,直到加 工完所需得加工刀数N,该步骤结束后就加工出个齿槽。44、大轮齿坯绕自身轴线旋转个分度角，到加工下齿槽得位置。会5、重复1、2、3、4步骤直到加工完所有需要得齿槽。6会、大轮齿坯回位。加工完后大轮绕自身轴线回转所转过总角度，回到初始位置，将L：件旋转到初始位置方向。.wor s位置图A

15、图5调整结束后得齿轮毛坯与盘铳刀相对图6展成法加工中间过根据上述步骤切制大轮,切齿得个中间过程如图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整个面，而就是由些小碎而组成，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处理。图7展成法大轮加匚结果(4)齿面重构处理利用“艺术样条"曲线命令，先将端而轮廓与齿顶、齿底上得点分别联接成样条曲线。其次 利用"通过曲线网络"构造曲面命令进行齿而得重构。然后将齿面阵列，得到得结果如图8所 示。要得到个完整得齿轮模型，还需先再建立个齿轮毛坯。然后利用UG得"补片&quo

16、t;命令进行 补片处理.补片完成后，即得到了完整得齿面。图9为所得得展成法大轮最终模型。图8阵列后得齿面 图9 展成法大轮最终模型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a ( 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°齿而重构处理后得工具大轮如图10所示。从图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 )小轮成形过酣 4 小轮毛坯建立后,将工具大轮绕ZC轴旋转过90°,使它们处于装配 位置。调整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6 0 °后，包络 出得小轮齿形如图12所示。此时得到

17、得小轮模型并不就是最终得模型，也需进行齿面重构光顺等 操作。小轮得齿而重构与大轮以及工具大轮得重构方法相同，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,大轮齿而重构光顺后得到了大轮得最终模 型。用类似得方法得到工具大轮后，再用工具大轮布尔运算展成小轮毛坯得到小轮模型。6数控加工实验为了验证本文提出得建模方法及其数控加工得正确性与可行性，对大小轮进行了数控加工试 切实验。数控加匚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，加匚过程中容易出现干涉得区域，因此采用五轴联动数控加 工。由于篇幅有限详细得数控加工方法不赘述。图13、图14分别为小轮、大轮数控加工精加 工得一个中间过程。齿面精加工后表面质量良好，可满足产品精度要求。图13 2 1齿小轮精加工中间过程 图14 35齿大轮精加工中间过程7结论