基于AutoCAD的齿轮加工仿真.pdf

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1、基于AutoCAD的齿轮加工仿真 任继文 郭厚 摘要 在AutoCAD平台上,采用VBA开发工具,利用布尔运算,根据齿轮加工原理,对其加工过程进行三维动态仿真。 关键词:齿轮加工 仿真 VBA 中图分类号:TH16210 文献标识码:B 文章编号:16713133(2004)06005103 The simulation of gear machining based on AutoCAD Ren Jiwen , Guo Houkun Abstract Based on AutoCAD ,VBA program tool and Boolean operation ,introduces th

2、e simulation of 3D gear machining by gear ma2 chining principle. Key words :Gear machining Simulation VBA 一、 齿轮加工仿真的实现 齿轮仿形加工是利用与齿轮的齿槽形状相同的刀 具直接加工出齿轮齿廓。其刀具有盘状铣刀和指状铣 刀等。 要对齿轮加工过程进行三维仿真,首先要在计算 机内部建立齿轮毛坯和齿轮加工刀具的三维模型,然 后根据齿轮加工方法,使得毛坯和刀具作一定步距的 相应运动,每次运动到新的位置,使毛坯和刀具作布尔 运算,直到切制出整个齿轮,具体程序实现步骤如下。 11 创建齿轮毛坯 直

3、齿圆柱齿轮毛坯模型的建立较简单,为一圆柱, 圆柱直径取决于齿轮模数m和齿数z ,圆柱高度为齿 轮的齿宽,齿轮毛坯轴孔与所装配的轴有关。 21 创建刀具 刀具的形状取决于需要加工的齿轮,而齿轮主要 由模数m、 齿形角、 齿顶系数ha 3 、 顶隙系数c 3 及齿 根圆角半径等参数所决定,因此刀具模型的建立需参 数化,为便于说明,下面创建的刀具为实际刀具的简化 模型。 1) 齿条插刀 齿条插刀齿形如图1所示,其三维简化模型的建 立步骤如下: (1)用多义线LWPolyline创建齿条刀具单齿简化 齿形轮廓,如图2所示。 图1 齿条刀具齿形 图2 齿条刀具单齿简化齿形 创建齿条刀具单齿齿形轮廓多义线

4、,多义线存储于数组OneTeeth 中,多义线各坐标点存储于points数组 Set OneTeeth(0) = acadDoc.ModelSpace.AddLightWeightPolyline(points) 根据图1对相应的弧段设置凸度 OneTeeth(0) . SetBulge 1 , - c 3m/ (1/ 4 33. 143m - ha3m3Tan(a3 3.14/ 180) 对齿顶圆弧设置凸度值 OneTeeth(0) . SetBulge 3 ,c3m/ (1/ 433.143m- ha3m3Tan(a33. 14/ 180) 齿根圆弧设置凸度值 (2)创建单齿面域ABCDE

5、FG。 创建的单齿面域ABCDEFG存储于变量OneTeethRegion中 Dim OneTeethRegion As Variant OneTeethRegion = acadDoc.ModelSpace.AddRegion(One Teeth) (3)拉伸上述面域得到单齿实体。 创建的单齿实体存储于变量OneTeethSolid中,height值须大于加工 齿轮齿宽 Set OneTeethSolid = acadDoc.ModelSpace.AddExtrudedSolid- (OneTeethRegion(0) ,height ,0) (4)矩形阵列上述单齿实体,得到多个单齿实体。

6、创建的多个单齿实体存储于变体变量GearCutSolid中 GearCutSolid = OneTeethSolid.ArrayRectangular- (numberOfRows ,numberOfColumns ,numberOfLevels ,- distanceBwtnRows ,distanceBwtnColumns ,distanceBwtnLevels) 其中numberOfRows =1:numberOfColumns =z +3:numberOfLevels =1 distanceBwtnRows = 0: distanceBwtnColumns = 3. 143m: dis

7、tanceB2 wtnLevels = 0 (5)对上述经过阵列得到的单齿实体进行布尔并 运算,得到完整的齿条刀具实体。 For i = 0 T o numberOfColumns GearCut.Boolean acUnion , GearCutSolid (i) 齿条刀具实体存于变量 GearCut中 Next i 2) 盘状铣刀 (1)如图3所示创建盘状铣刀截面右半部轮廓 15 CAD/ CAPP/ CAM/ CAE 现代制造工程2004(6) 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

8、 reserved. http:/ 图3 铣刀刀具齿形 0123456并存储于数组curves中。 用0、1、2点创建多义线,其中0、1、2点坐标存放在数组pt1中 Set curves(0) = acadDoc.ModelSpace.AddLightWeightPolyline(pt1) curves(0) . SetBulge 1 ,0.3 用2、3、4点创建样条曲线,其中2、3、4点坐标存放在数组pt2中 startTan(0) = 0:startTan(1) = 0:startTan(2) = 0 Set curves(1) = acadDoc.ModelSpace.AddSpline

9、(pt2 ,startTan ,endTan) 用4、5、6点创建多义线,4、5、6点坐标存放在数组pt3中 Set curves(2) = acadDoc.ModelSpace.AddLightWeightPolyline(pt3) (2)镜像刀具右半部截面曲线得到刀具左半部截 面曲线,同样把它们存储于数组curves中,其中point1、 point2分别为0、6点的坐标。 Set curves(3) = curves(2) .Mirror(point1 ,point2) Set curves(4) = curves(1) .Mirror(point1 ,point2) Set curve

10、s(5) = curves(0) .Mirror(point1 ,point2) (3)创建上述整个刀具截面曲线形成的面域并存 储于变量XiDaoRegion中。 XiDaoRegion = acadDoc.ModelSpace.AddRegion(curves) (4)用Revolve方法旋转上述面域得到铣刀刀具的 整个实体。 其中axisPt为盘形铣刀圆心坐标,axisDir为盘形 铣刀轴线方向矢量,angle为旋转角度360 。 Set XiDaoSolid = acadDoc.ModelSpace.AddRevolvedSolid- (XiDaoRegion(0) ,axisPt ,a

11、xisDir ,angle) (5)创建一个矩形刀槽实体存储于变量AXiDaoSlot 中,并进行环形阵列得到整个盘状铣刀所有的刀槽,存 储于变量XiDaoSlot中。 Length = m/ 2:Width = 43mHeight为大于齿宽的任意值 Set AXiDaoSlot = acadDoc. ModelSpace. AddBox (center ,Length ,Width , Height) XiDaoSlot = AXiDaoSlot. ArrayPolar (SlotNum,6. 28 ,axisPt)SlotNum为 刀槽数 (6)将上述矩形刀槽和铣刀刀具的整个实体进行 布尔

12、差运算,得到铣刀刀具实体。 For i = 0 T o SlotNum XiDao.Boolean acSubtraction ,XiDaoSlot (i) 盘状铣刀存于变量XiDao 中 Next i 31 齿轮加工过程仿真 1) 范成法 用齿条刀具根据范成法加工齿轮,其运动主要有: 刀具沿水平方向以速度v匀速运动;齿轮毛坯沿其圆 心轴线作匀速圆周运动,角速度为 。两者之间的关 系为v=r, r=mz/2,其中m为模数, z为齿数。 RotateAngle = 0 毛坯为每次旋转的角度,赋初值为0 IncDistance = 360/ z33.14/ 1803r 刀具每次移动步长 NextP

13、oint(0) = StartPoint(0) + IncDistance Do Until RotateAngle 360 RotateAngle = 360/ z + RotateAngle 毛坯每次旋转的角度 GearCut.Move StartPoint ,NextPoint 齿条刀具沿X轴移动一个步 长IncDistance GearMaoPei. Rotate3D MaoPeiAxisPoint1 , MaoPeiAxisPoint2 , Ro2 tateAngle 齿 轮 毛 坯 旋 转 一 个 角 度RotateAngle , MaoPeiAxisPoint1与 MaoPeiA

14、xisPoint2连线为毛坯轴线 GearCut.Update :GearMaoPei.Update Set GearCutCopy = GearCut. Copy 复制齿条刀具 GearMaoPei.Boolean acSubtraction ,GearCutCopy 布尔差运算 GearMaoPei.Update Loop 2) 仿形法 用盘形铣刀根据仿形法加工齿轮主要运动有:铣 刀沿自身中心轴转动并且沿与齿轮毛坯中心轴线相平 行的轴线作上、 下运动,以加工出齿宽;齿轮毛坯沿其 圆心轴线作匀速圆周运动。 RotateAngle = 0 毛坯为每次旋转的角度并赋初值为0 EndPoint(2

15、) = StartPoint(2) + GearWidthStartPoint、EndPoint分别为铣 刀轴线直线移动的起点和终点,GearWidth为齿宽 NexPoint(2) = StartPoint(2) + IncDistanceIncDistance为盘形铣刀沿Z 轴移动步长 Do Until RotateAngle 360 RotateAngle = 360/ z + RotateAngle 毛坯每次旋转的角度 For i = StartPoint(2) T o EndPoint(2) Step IncDistance NextPoint(2) = StartPoint(2)

16、+ i XiDao.Move StartPoint ,NextPoint 盘形铣刀沿Z轴移动 XiDao. Rotate3D XiDaoAxisPoint1 ,XiDaoAxisPoint2 ,3603IncDistance/ GearWidth 盘形铣刀沿轴线旋转 XiDao.Update Set XiDaoCopy = XiDao. Copy 复制盘形铣刀 GearMaoPei.Boolean acSubtraction ,XiDaoCopy 布尔差运算 GearMaoPei.Update Next i 齿轮毛坯旋转 GearMaoPei. Rotate3D MaoPeiAxisPoint

17、1 ,MaoPeiAxisPoint2 ,RotateAn2 gle GearMaoPei.Update Loop 图4、 图5为用两种方法对齿轮进行加工过程仿 真的结果。 (下转第65页) 25 CAD/ CAPP/ CAM/ CAE 现代制造工程2004(6) 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 表8 试验二:试验数据 加 工 参 数 峰值电 流/ A 平均电 流/ A 间隙电 压/ V 加工深 度/ mm 加工时 间/ h 铜极损耗 量/ g 普

18、通加工4360011315010294 混粉加工43700113010874 表9 试验三:试验数据 加 工 参 数 峰值电 流/ A 平均电 流/ A 间隙电 压/ V 加工深 度/ mm 加工时 间/ h 铜极损耗 量/ g 普通加工43700114010518 混粉加工4360011315010697 31 试验结果分析 根据第一部分的试验数据可以看出,在相同的脉 间、 脉宽、 加工电流等电参数情况下,混粉电火花加工 的加工速度和加工效率都比普通电火花加工有一定的 提高;从表面粗糙度的各个评定参数(Ra、Ry、Rz、Sm、 S、 Tp) 也可以看出,混粉电火花加工的加工表面粗糙 度比普通

19、电火花加工要小。而随着加工电流增大,普 通电火花加工和混粉电火花加工的表面粗糙度都有所 增大,但普通电火花加工的增大幅度明显大于混粉电 火花加工。从用CCD摄像机拍摄的加工表面形状上 还可看出,加入混粉的加工表面上的放电凹坑要比普 通电火花加工表面上的凹坑均匀且单个凹坑的直径要 小。 第二部分的试验过程和数据也同样可以得出以上 的类似结论,并且在普通电火花加工中,当电极面积增 大时,加工表面粗糙度也增大,加工变得不稳定,其原 因可能是普通工作液中,极间电容随着电火花加工面 积增大而增大,在微精放电状态下对电极间电火花放 电造成很大影响,从而影响到加工质量。而在混粉电 火花加工中,表面粗糙度基本

20、不依赖于加工电极面积 的变化,可能是因为添加悬浮粉末后可使电场发生畸 变,降低工作液的放电电压,增大放电间隙,使放电点 分散均匀,从而减少极间静电电容及其对微精放电加 工的影响。但同时也可看出,混粉电火花加工的电极 损耗量比普通电火花加工的电极损耗量要大。究其原 因可能是试验中所用的冲油方式对电极的损耗产生了 较大影响,因为采用强迫冲抽油使循环压力加大,虽然 有利于排气、 排屑,但由于它的冷却作用降低了 “覆盖 效应”,加剧了电极的损耗。 以上试验初步证明,利用国产普通电火花机床进 行混粉电火花加工显著降低了工件表面粗糙度,提高 了加工质量和加工效率;但电极损耗量有一定增大,这 是一个需要继续

21、研究解决的问题。 参 考 文 献 1 郭永丰等.混粉电火花加工工艺初步试验及数据分析.电加 工,1998 ,(4) 2 孟庆国等.粉末特性对混粉电火花镜面加工的影响.电加工 与模具,2000 ,(4) 3 何广敏等.电参数对混粉镜面电火花加工表面粗糙度影响 的研究.电加工,1998 ,(2) 作者通讯地址:深圳大学工程技术学院(518600) 电话:(0755)26536224 收稿日期:20040118 (上接第52页) 图4 范成法齿轮加 工过程仿真 图5 仿形法齿轮加工过 程仿真 二、 结语 本文介绍的齿轮加工仿真是以直齿标准圆柱齿轮 为例,如果适当改变毛坯、 刀具模型及它们的相对位置

22、和运动关系,很容易类似模拟仿真其它类型的齿轮加 工过程,如变位齿轮、 斜齿轮、 伞齿轮等,并且该方法可 以进一步推广到其它任何产品的加工,例如,如果产品 进行了车、 铣、 钻等去除材料的加工,其加工仿真可以 用布尔运算的差运算实现;如果产品进行了焊接或装 配等加工,其加工仿真可以用布尔运算的并运算实现。 此外,该方法也提供一种复杂实体建模的新思路。 参 考 文 献 1 王知行,刘廷荣.机械原理M.北京:高等教育出版社,2000 2 王知行,李建生,王哲.机械CAD与仿真技术M.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2000 3 胡荣,喻宁.AutoCAD2000开发工具 VBA及ActiveX开发 指南M.北京:人民邮电出版社,2000 作者通讯地址:江西南昌华东交通大学机电工程学院(330013) 收稿日期:20030807 56 工艺与工艺装备 现代制造工程2004(6) 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/