基于海德汉平台的大型螺旋锥齿轮专用机床加工软件设计

发布时间：2016-07-21 15:39

第 1 章 绪论

螺旋锥齿轮以其在相交轴传动中的良好特性广泛应用于工程实践中，其加工技术的研究与加工设备的研发受到了国内外研究学者广泛的关注[1]。螺旋锥齿轮齿形复杂精密加工困难，参数分析需要大量计算，加工调整也要求大量的切削实验检测与分析计算。一直以来，螺旋锥齿轮的加工方法与设备制造技术掌握在国外少数几家公司手中，相关技术成果不对外公开，长期处于垄断状态。近年来，我国研究人员在螺旋锥齿轮理论研究方面做出了一些突破，，吴序堂教授、郑昌启教授、曾韬教授等许多专家学者对有关齿轮啮合原理，螺旋锥齿轮的设计、加工方法和齿轮加工工艺、装备等进行了系统研究[2,3,4]。在一系列相关理论和技术研究成果基础上，我国研制了一些具有自主知识产权的螺旋锥齿轮专用加工设备，但加工技术和设备精度与国际先进水平相比仍有一定差距，配套加工软件更无法满足市场上的需求，高端锥齿轮设备仍依赖进口。 本课题源于 GCMT2500 数控螺旋锥齿轮复合加工机床项目。研究是为GCMT2500 数控螺旋锥齿轮复合加工机床开发一款适用的具有自主知识产权的专用加工软件。论文研究工作对 GCMT2500 数控螺旋锥齿轮复合加工机床的系统功能实现起到重要的支撑作用，对于开发基于 HEIDENHAIN 数控系统平台的其他机床专用软件系统也具有借鉴意义。

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第 2 章 螺旋锥齿轮及加工参数研究 

2.1 螺旋锥齿轮概述

（1）按齿轮轴线位置分类 1）两齿轮轴线垂直相交轴线夹角成 90的锥齿轮，通常指圆弧制螺旋锥齿轮和摆线制螺旋锥齿轮锥齿轮。这种齿轮的使用比较常见，齿轮轴线垂直相交的锥齿轮啮合过程中在齿轮径向方向上没有相对滑移，齿面硬度要求相对较低加工方便。 2）两齿轮轴线相交但不成直角的锥齿轮。该种齿轮副轴线间可根据使用条件确定轴线相交角度，但这种齿轮轴线关系的齿轮副在传动中使用较少。 3）两齿轮轴线存在一定偏移距离锥齿轮。这种传动结构齿轮轴线空间上垂直相交小轮轴线一般位于大齿轮轴线的下部或上部。它们之间存在一个偏移距离 E，这个偏移量Ｅ叫做齿轮副的“偏置距”。偏置距可以使小齿轮具有比较大的螺旋角，增大螺旋角的同时增大了小轮的端面模数，从而提高了齿轮副小齿轮的强度和寿命。这种齿轮在传动过程中沿齿轮轴向和径向两个方向都会发生相对滑移。具有偏置距的齿轮副通常称为“准双曲面齿轮”，这类齿轮主要用于汽车的后桥部分。

2.2 螺旋锥齿轮几何参数

弧齿锥齿轮主要以美国格里森公司为代表。格里森拥有全套成熟的弧齿锥齿轮设计、制造、检测技术，从而确定了其在弧齿锥齿轮行业的垄断位置。近年汽车行业与航空领域的快速发展为弧齿制锥齿轮提供了更广阔的市场。弧齿锥齿轮是利用圆形端面铣刀盘切削加工而成，与直齿锥齿轮相比，弧齿锥齿轮副在传动时同时啮合的齿数对多于传统的直齿锥齿轮。因此，传动更平稳，传动噪声分贝低，承载力强[21]。弧齿锥齿轮副已经被应用到各种高速重载要求的传动场合中，尤其是飞行器、汽车、重型机械和各类精密传动设备等设备所使用的齿轮箱的内部重要部件已逐渐被弧齿锥齿轮替代。 如图 2.3 为弧齿锥齿轮副，它与普通的直齿锥齿轮副相比，弧齿锥齿轮可以视做直齿锥齿轮切成无数薄片后经扭转与母线倾斜而形成的。

第 3 章 iTNC530 数控系统及机床参数优化 ....... 19 
3.1 概述................. 19 
3.2 iTNC530 数控系统特点................ 19 
3.3 Python 语言简介............. 20
第 4 章 GCMT2500 螺旋锥齿轮专用加工软件设计 ..... 31 
4.1 软件总体框架设计 .............. 31 
4.2 人机界面设计 ............. 32 
4.3 参数设计模块 .................... 33 
4.4 TCA 模块 ............... 37 
4.5 齿轮实体三维仿真模块 .................. 39 
4.6 加工程序模块 ................. 40 
4.7 加工实例 ...................... 42 
4.8 本章小结 ......................... 43 
第 5 章 总结与展望 ................. 44 
5.1 总结 .................... 44 
5.2 展望 ............... 44

第 4 章 GCMT2500螺旋锥齿轮专用加工软件设计 

4.1 软件总体框架设计 

根据 GCMT2500 设备的实际加工需求，设计了一款可以满足使用需求的配套加工软件。软件以人机界面的形式具体呈现出来。其功能需求主要分为五个部分（五大模块）。即参数设计，TCA 分析，三维仿真，加工程序，检测分析五部分功能。如图4.1 为软件的设计框架。（1）参数设计：为完成相关参数的计算与确定为生成加工程序做准备。初始阶段要求操作人员根据图纸输入各项基本参数，通过相应计算模块得到其他对应数据。涉及的参数主要为齿轮设计参数、刀具参数、机床调整参数、工艺参数等。 （2）TCA：为参数设计提供设计数据优化调整功能。TCA 为齿轮接触分析数值计算，通过计算准确反映当前设计参数生成出的锥齿轮啮合情况，对控制参数进行优化调整以达到理想的啮合状态。其中提供参考参数缩短了参数调整时间提高了加工效率。 

4.2 人机界面设计

设计评价要求在界面系统构建前期着手，以便及早发现并处理设计缺陷。设计评价的主要方面为：适应性、高效性、易学性、用户友好性、用户的满意程度[48]等。 根据螺旋锥齿轮的设计加工要求，使用 Python 语言对螺旋锥齿轮加工软件的人机界面程序进行编制。图 4.2 为软件运行主界面。通过界面提供的界面按键，可以进入不同的功能界面。水平按键中参数设计按键可以进入各自的参数设计界面，TCA 按键进入后可进行参数调整。三维仿真按键可进行工件的三维模拟。在参数确定无误后通过程序生成按键可生成相应的加工程序。竖直按键中的上半部分的退出系统按键可以进行系统的退出，保存按键和文件管理按键进行相应的数据保存和文件管理。
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第 5 章 总结与展望  

5.1 总结 

GCMT2500 数控螺旋锥齿轮复合加工机床是目前世界上最大的数控螺旋锥齿轮加工机床，本文研究工作对 GCMT2500 机床的系统功能实现起到重要的支撑作用，对于开发基于 HEIDENHAIN 数控系统平台的其他机床专用软件系统也具有借鉴意义。论文完成的主要工作和结论如下：（1）研究了螺旋锥齿轮的几何参数、机床调整参数和加工工艺参数的设计计算和加工方法选取确定。（2）研究了 GCMT2500 螺旋锥齿轮复合数控加工机床的系统运动控制参数优化问题，对各轴控制参数进行了优化调整，参数通过参数优化改善了齿轮加工的表面质量。（3）完成了 GCMT2500 机床专用软件系统的主体功能结构设计，使用 Python 高级编程语言，在海德汉 iTNC530 数控系统平台的开发环境中，实现了专用软件系统嵌入设计和人机界面程序设计。（4）完成齿轮参数设计模块、TCA 模块的基本功能程序设计，完成了程序设计模块和系统仿真模块的部分功能程序设计，达到了 GCMT2500 加工软件系统的加工基础要求。 

5.2 展望 

本课题的前期工作基本达到了以螺旋锥齿轮加工为主要目的的预期要求，由于时间关系和开发条件和问题复杂程度等诸多因素，研究工作还有许多需要改进的地方。综合考虑，我认为应在以下几个方面加强开发研究: （1）继续完善软件功能结构设计，完善人机界面设计，使得软件功能结构更合理，操作使用更友好、方便.（2）为了适应实际的加工要求，应该进一步强化齿轮参数设计模块，不断补充和增加不同类型、不同加工方法的螺旋锥齿轮设计加工程序.（3）齿轮的仿真部分与检测部分尚未在设备上完全实现，需要继续研究开发以进一步完善软件功能。

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参考文献（略）

本文编号：74378