面齒輪蝸桿砂輪磨削工藝仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22842面齒輪蝸桿砂輪磨削工藝仿真分析案例 1182611.1面齒輪展成磨削仿真環(huán)境搭建 1117451.1.1Vericut軟件簡(jiǎn)介 1231251.1.2搭建面齒輪磨削仿真環(huán)境 173251.2面齒輪展成磨削軌跡規(guī)劃 518011.2.1面齒輪加工過(guò)程分析和軌跡規(guī)劃 5234051.2.2面齒輪加工G代碼編寫 7279001.3面齒輪展成磨削工藝仿真 10284261.3.1面齒輪展成磨削加工仿真 10235171.3.2誤差分析 11140471.3.3經(jīng)濟(jì)性環(huán)境性分析 131.1面齒輪展成磨削仿真環(huán)境搭建1.1.1Vericut軟件簡(jiǎn)介Vericut軟件是美國(guó)CGTECH公司研發(fā)的一款針對(duì)工業(yè)磨削銑削等工藝的仿真軟件。其專業(yè)性和計(jì)算精度在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛認(rèn)可。Vericut界面清晰而可操作性高，以項(xiàng)目樹的方式清晰羅列數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控編程、機(jī)床參數(shù)、刀具設(shè)置等信息。同時(shí)高度還原加工過(guò)程，操作者可通過(guò)虛擬加工避免可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)干涉、機(jī)床碰撞、毛坯過(guò)切等問題。加工完成后Vericut將自動(dòng)生成仿真模擬報(bào)告，對(duì)于加工狀態(tài)、零件數(shù)據(jù)、G代碼運(yùn)行記錄等進(jìn)行細(xì)致全面地分析。本次仿真選擇Vericut軟件作為仿真環(huán)境，不僅方便驗(yàn)證蝸桿砂輪展成磨削面齒輪的工藝可行性，還將加工過(guò)程可視化，細(xì)致分析面齒輪齒形面生成過(guò)程。待仿真完成后生成誤差報(bào)告，為進(jìn)一步改善工藝提供數(shù)據(jù)。1.1.2搭建面齒輪磨削仿真環(huán)境基于Vericut軟件的面齒輪展成磨削仿真需要在運(yùn)行前搭建好仿真環(huán)境。整體步驟分為：?jiǎn)?dòng)Vericut軟件、設(shè)置工作目錄并新建項(xiàng)目文件、在項(xiàng)目樹中設(shè)置控制系統(tǒng)文件、在項(xiàng)目樹中生成機(jī)床文件、設(shè)置零件加工零點(diǎn)、對(duì)刀、設(shè)置加工刀具。（1）啟動(dòng)Vericut軟件。在Windows開始菜單中找到“CGTechLicenseServerOnly”文件夾，并在子菜單中選擇“RunTemporaryLicenseServer”指令運(yùn)行臨時(shí)許可證，按任意鍵繼續(xù)。再次在Windows開始菜單中找到“CGTechLicenseServerOnly”文件夾，并在子菜單中選擇“UpdateLicenseonRunningServer”指令更新臨時(shí)許可證。按任意鍵繼續(xù)。此時(shí)會(huì)彈出窗口表明Vericut軟件啟動(dòng)許可。注意每次打開Vericut軟件都需要重復(fù)以上操作。（2）設(shè)置工作目錄并新建項(xiàng)目文件。此時(shí)打開Vericut軟件進(jìn)入主界面。在“文件”窗口下選擇“工作目錄”指令，在對(duì)話框中指定Vericut的工作路徑?；氐街鹘缑妫凇拔募贝翱谙逻x擇“新建項(xiàng)目”指令，選擇“新建項(xiàng)目選項(xiàng)”，指定工作單位為毫米，重命名項(xiàng)目名稱。（3）在項(xiàng)目樹中設(shè)置控制系統(tǒng)文件。生成新的項(xiàng)目后會(huì)在左側(cè)產(chǎn)生新的空白項(xiàng)目樹，其中每一項(xiàng)都需要正確設(shè)置信息。首先設(shè)置項(xiàng)目樹中的控制系統(tǒng)文件。右鍵點(diǎn)擊項(xiàng)目樹中的“控制”選項(xiàng)，在彈出的子菜單中選擇“打開”選項(xiàng)，在文件目錄中找到“sin840d”控制文件并打開。（4）在項(xiàng)目樹中生成機(jī)床文件。這里需要根據(jù)YW7232磨齒機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按次序逐一添加組件構(gòu)成機(jī)床。右鍵點(diǎn)擊項(xiàng)目樹中“機(jī)床”選項(xiàng)下的“Base”選項(xiàng)，選擇“添加模型”并點(diǎn)擊“模型文件”，在彈出的對(duì)話框中選擇“裝配體1-床身.stl”文件。右鍵點(diǎn)擊點(diǎn)擊項(xiàng)目樹中“機(jī)床”選項(xiàng)下的“Base”選項(xiàng)，選擇“添加組件”-“X線性”，在下方移動(dòng)選項(xiàng)輸入步距并調(diào)整組件位置。在生成的“X線性”選項(xiàng)中點(diǎn)擊右鍵，選擇“添加模型”-“模型文件”，在彈出的對(duì)話框中選擇“裝配體1-X立柱.stl”文件。重復(fù)以上步驟直至生成第一條拓?fù)滏湥骸癇ase”——“X立柱”——“Z-1”——“A-1”——“Y-1”——“B-1”——“Shaper”。注意“B-1”組件在建立時(shí)向X軸正方向移動(dòng)300毫米距離，并且在加入模型文件之前先加入“主軸Spindle”組件以表明此軸為機(jī)床主軸，在主軸選項(xiàng)下再添加模型文件。構(gòu)建第二條拓?fù)滏湥骸癇ase”——“C-1”——“夾具2”。右鍵點(diǎn)擊點(diǎn)擊項(xiàng)目樹中“機(jī)床”選項(xiàng)下的“Base”選項(xiàng)，選擇“添加組件”-“C旋轉(zhuǎn)”，在此選項(xiàng)下添加模型文件。選擇原本空白項(xiàng)目樹中自動(dòng)所帶的“Attach”、“Ficture”、“Stock”并將其全部刪除。右鍵點(diǎn)擊“C旋轉(zhuǎn)”選項(xiàng)，選擇添加“附屬”組件，在此選項(xiàng)下右鍵添加“夾具”組件，并在“夾具”組件下添加“毛坯”組件。在“毛坯”組件中添加“面齒輪毛坯”模型并同時(shí)添加同級(jí)的“面齒輪設(shè)計(jì)模型”。至此機(jī)床模型構(gòu)建完成，可在項(xiàng)目樹中右鍵點(diǎn)擊“機(jī)床”并選擇“另存為”，將機(jī)床整體模型設(shè)置為“mch”文件，若以后需要可直接插入使用。此時(shí)的項(xiàng)目樹如圖5.1所示：圖5.1項(xiàng)目樹示意圖Fig.5.1Schematicdiagramofprojecttree（5）設(shè)置零件加工零點(diǎn)在項(xiàng)目樹中“坐標(biāo)系統(tǒng)”中點(diǎn)擊右鍵，選擇“新建坐標(biāo)系”生成新的坐標(biāo)系“Csys1”。將“配置坐標(biāo)系統(tǒng)”工作區(qū)“CSYS”選項(xiàng)卡下的“附上坐標(biāo)系到”后的“Stock”選項(xiàng)更改為“Spindle”。選擇“旋轉(zhuǎn)”選項(xiàng)卡，將“增量”改為90，并點(diǎn)擊右方“X+”等選項(xiàng)改變坐標(biāo)軸方向直至和工件坐標(biāo)系各軸方向一致，此時(shí)此坐標(biāo)系原點(diǎn)位置即為零件加工零點(diǎn)，此坐標(biāo)系將為對(duì)刀步驟提供標(biāo)準(zhǔn)。在項(xiàng)目樹中將“Csys1”坐標(biāo)系更名為“加工零點(diǎn)”。此時(shí)YW7232磨齒機(jī)模型構(gòu)建完畢，各坐標(biāo)系如圖5.2所示：圖5.2設(shè)置零件加工零點(diǎn)Fig.5.2Settingthezeropointofpartmachining（6）對(duì)刀對(duì)刀指在加工程序運(yùn)行之前先校對(duì)刀具位置，將刀具位置以加工零點(diǎn)處。在Vericut軟件中有“G-代碼偏置”選項(xiàng)，通過(guò)將主軸坐標(biāo)系偏置至零件加工零點(diǎn)坐標(biāo)系可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀。具體操作如下：左鍵點(diǎn)擊項(xiàng)目樹中的“G-代碼偏置”選項(xiàng)，在底部“配置G-代碼偏置”工作區(qū)選擇“偏置類型”為“工作偏置”，選擇寄存器為“1”，點(diǎn)擊“添加”。此時(shí)項(xiàng)目樹中“G-代碼偏置”選項(xiàng)下將出現(xiàn)“1-工作偏置-1-Stock到Spindle”的選項(xiàng)。左鍵點(diǎn)擊此選項(xiàng)，在“配置工作偏置”工作區(qū)將特征改為從“組件”“Spindle”到“坐標(biāo)原點(diǎn)”“加工零點(diǎn)”。設(shè)置完成后的項(xiàng)目樹如圖5.3所示：圖5.3對(duì)刀Fig.5.3Knifeset（7）設(shè)置加工刀具Vericut軟件擁有強(qiáng)大的刀具庫(kù)功能可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，但本次加工項(xiàng)目刀具特殊，并不在刀具庫(kù)中備份有數(shù)據(jù)，故在此需要導(dǎo)入刀具文件。在項(xiàng)目樹中右鍵點(diǎn)擊“加工刀具”選項(xiàng)，選擇“刀具管理器”進(jìn)入刀具管理器界面。點(diǎn)擊“打開文件”指令，在彈出的對(duì)話框中找到名為“蝸桿砂輪”的TLS文件。將刀具類型設(shè)置為銑刀，單位為毫米，裝夾方向和裝夾點(diǎn)皆為0,0,0，增加對(duì)刀點(diǎn)坐標(biāo)為0,0,0。應(yīng)用后的刀具管理器如圖5.4所示：圖5.4刀具管理器Fig.5.4ToolManager至此面齒輪展成磨削仿真環(huán)境搭建完畢。1.2面齒輪展成磨削軌跡規(guī)劃1.2.1面齒輪加工過(guò)程分析和軌跡規(guī)劃面齒輪加工原理在第二章已經(jīng)提到，加工過(guò)程主要分為插齒刀具和面齒輪毛坯之間的對(duì)滾運(yùn)動(dòng)以及刀具沿面齒輪徑向的直線來(lái)回進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)面齒輪毛坯直徑的大小，可能需要按照分步進(jìn)給深度逐次遞減的方法確定進(jìn)給方案，但在加工模擬中為減少仿真運(yùn)行時(shí)間，我們可設(shè)刀具強(qiáng)度足夠一次完成進(jìn)給深度，故在軌跡規(guī)劃中刀具將沿面齒輪徑向一次性完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)值得注意的是和面齒輪相嚙合的直齒圓柱齒輪插齒刀軸線與蝸桿砂輪刀具的軸線在平面投影中并不垂直，如圖5.5所示：圖5.5坐標(biāo)軸交角Fig.5.5Intersectionangleofcoordinateaxis設(shè)蝸桿砂輪軸線為Zn，則面齒輪繞此軸旋轉(zhuǎn)做切削運(yùn)動(dòng)；蝸桿砂輪垂直于Zn的橫截面上的水平徑向線為Xn，則Zn軸和Xn將構(gòu)成平行于自然坐標(biāo)系下XOY平面的坐標(biāo)面?n。設(shè)虛擬的直齒圓柱齒輪的軸線為Zm，此軸將與面齒輪軸軸線在空間中相交并構(gòu)成直角，為實(shí)現(xiàn)用蝸桿砂輪作為加工刀具代替直齒圓柱插齒刀進(jìn)行面齒輪的加工，需使得Xn軸和Zm軸在空間中平行。將Zm軸沿自然坐標(biāo)系的Z軸正方向移動(dòng)至?n在XOZ平面比較方便觀察面齒輪磨削的豎直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。蝸桿砂輪展成磨削面齒輪的豎直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)如圖5.6所示：圖5.6豎直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5.6Schematicdiagramofverticalfeedmotion圖中外圈粗實(shí)線輪廓為蝸桿砂輪螺紋外徑投影，內(nèi)圈虛線輪廓為蝸桿砂輪螺紋內(nèi)徑投影。在蝸桿砂輪徑向進(jìn)給時(shí)，外徑將切削齒坯中部形成齒槽面，內(nèi)徑將切削齒坯頂部形成齒頂面，在內(nèi)徑和外徑之間的螺旋面不斷磨削出帶狀區(qū)域，這些切痕線包絡(luò)構(gòu)成齒面。在加工開始之前，刀具位置處于加工零點(diǎn)處，加工零點(diǎn)和工件零點(diǎn)在同一水平面上。故需將刀具抬高并將刀具移動(dòng)至和毛坯相切位置。此位置為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)重復(fù)進(jìn)行的第一個(gè)極限位置，為工作行程的起始點(diǎn)。與之相對(duì)應(yīng)的為工作行程的結(jié)束點(diǎn)，分布于靠近面齒輪軸線的另一側(cè)，同樣也為蝸桿砂輪外徑和毛坯表面相切時(shí)，此位置為另一個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的極限位置，繼續(xù)徑向移動(dòng)將為空行程，在仿真中應(yīng)避免出現(xiàn)而浪費(fèi)時(shí)間。那么工件零點(diǎn)到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中刀具運(yùn)動(dòng)的Xn軸之間的距離H在XOZ平面比較方便觀察面齒輪磨削的水平方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。蝸桿砂輪展成磨削面齒輪的水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)如圖5.7所示：圖5.7水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5.7Schematicdiagramofhorizontalfeedmovement在加工開始之前，刀具位置處于加工零點(diǎn)處，在圖中記為O點(diǎn)。此時(shí)刀具Xn軸線和面齒輪齒坯Xm軸線重合。將刀具快速移動(dòng)至第一個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)極限位置，即上文描述的工作行程起始點(diǎn)，在這里標(biāo)記為A點(diǎn)。在此之后需要補(bǔ)償值為1°的夾角，故蝸桿砂輪開始斜向進(jìn)給，直到第二個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)極限位置，即上文描述的工作行程結(jié)束點(diǎn)，在這里標(biāo)記為B點(diǎn)。此后開始在以上兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)共同組成了蝸桿砂輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。故分析出G代碼需要編寫的運(yùn)動(dòng)分為六部分：面齒輪毛坯軸的旋轉(zhuǎn)、蝸桿砂輪軸的旋轉(zhuǎn)、快速移動(dòng)、工作行程進(jìn)程、工作行程回程、退刀。1.2.2面齒輪加工G代碼編寫西門子840D數(shù)控系統(tǒng)控制六軸聯(lián)動(dòng)蝸桿砂輪磨齒機(jī)的途徑是通過(guò)G代碼實(shí)現(xiàn)。G代碼亦叫G編程語(yǔ)言，是計(jì)算機(jī)輔助制造中用于控制自動(dòng)機(jī)床的一種通用指令，是目前使用較為廣泛的一種數(shù)控編程語(yǔ)言。通過(guò)G代碼指令操作者可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的軌跡規(guī)劃、控制刀具轉(zhuǎn)換、開啟關(guān)閉冷卻液、刀具補(bǔ)償?shù)鹊裙δ?，只需輸入G代碼或?qū)隚代碼文件，數(shù)控機(jī)床所帶有的G代碼解釋器將自動(dòng)把G代碼轉(zhuǎn)換成為直接控制數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)編程語(yǔ)言到機(jī)器語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換。經(jīng)測(cè)量，加工零點(diǎn)到到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中刀具運(yùn)動(dòng)的Xn軸之間的距離H圖5.8刀具初始位置Fig.5.8Toolinitialposition此時(shí)測(cè)量此點(diǎn)到到工作起始點(diǎn)A點(diǎn)的坐標(biāo)距離。測(cè)得X坐標(biāo)距離113.013mm，而Y坐標(biāo)有一點(diǎn)微小偏移，距離為2.209mm。則使得刀具向X軸負(fù)方向快速移動(dòng)113.013mm，同時(shí)向Y軸負(fù)方向快速移動(dòng)2.209mm至A點(diǎn)，A點(diǎn)工位時(shí)側(cè)視圖和俯視圖如圖5.9所示：圖5.9A點(diǎn)工位示意圖Fig.5.9SchematicdiagramofstationofpointA此后進(jìn)入循環(huán)工作行程。由于無(wú)法在Vericut中實(shí)現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故在此將B軸和C軸的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)離散化，細(xì)分為跟隨進(jìn)給的微小旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而B軸和C軸在運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的角度應(yīng)滿足傳動(dòng)比。故設(shè)每次微小旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B軸旋轉(zhuǎn)角度為，則C軸每次微小旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所旋轉(zhuǎn)的角度為。同時(shí)測(cè)量得A點(diǎn)和B點(diǎn)X坐標(biāo)相距210.006mm，Y坐標(biāo)相距1.063mm。則使刀具向X軸負(fù)方向移動(dòng)210.006mm，向Y軸負(fù)方向移動(dòng)1.063mm至B點(diǎn)。B點(diǎn)工位時(shí)側(cè)視圖和俯視圖如圖5.10所示：圖5.10B點(diǎn)工位示意圖Fig.5.10SchematicdiagramofstationofpointB此時(shí)程序進(jìn)入循環(huán)，刀具將在AB點(diǎn)之間做來(lái)回進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而B、C軸將跟隨過(guò)程緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。循環(huán)結(jié)束的標(biāo)志為：判斷C軸是否已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)360°，為確保第一個(gè)磨齒的齒形完整，故將閾值提高為362G代碼整體如下：%CGTECH_MACRO"GearModeOnOff"""1R1=0R2=1.7R3=1;G00Z106.038;X-113.013Y-2.209;B=R1C=R2F0.01;MA1:X-113.013Y-2.209Z106.038;R1=R1-R3;R2=R2-R3/89;G01B=R1C=R2X-210.006Y-1.063F0.01;Z106.038;IFR2>=-362GOTOBMA1;G00Z120;X0;Z0Y0;%1.3面齒輪展成磨削工藝仿真1.3.1面齒輪展成磨削加工仿真在此前的Vericut項(xiàng)目中右鍵點(diǎn)擊項(xiàng)目樹中的“數(shù)控程序”，選擇“添加數(shù)控程序”選項(xiàng)，在彈出的窗口中選擇生成的G代碼文件。至此所有準(zhǔn)備工作皆已完成。仿真加工前工作環(huán)境如圖5.11所示：圖5.11加工前示意圖Fig.5.11Schematicdiagrambeforeprocessing點(diǎn)擊加工面板的“加工至結(jié)束”按鈕，Vericut開始計(jì)算，磨齒機(jī)開始仿真加工，可見面齒輪毛坯表面逐漸出現(xiàn)加工痕跡。加工過(guò)程如圖5.13所示：圖5.12加工中示意圖Fig.5.12Schematicdiagraminprocessing整個(gè)加工過(guò)程持續(xù)10分鐘左右，待加工完成后，刀具退回至加工零點(diǎn)。加工結(jié)束后如圖5.13所示：圖5.13加工結(jié)束示意圖Fig.5.13Schematicdiagramoftheendofprocessing至此面齒輪展成磨削加工仿真結(jié)束。1.3.2誤差分析在Vericut中生成誤差報(bào)告，將加工后的毛坯和面齒輪設(shè)計(jì)模型做比較，使用紅色表面標(biāo)注過(guò)切部分，使用藍(lán)色表面標(biāo)注殘留部分。生成的結(jié)果圖如圖5.14所示：圖5.14初次誤差報(bào)告Fig.5.14Initialerrorreport如圖可見面齒輪加工主要發(fā)生過(guò)切，殘留較少。具體誤差報(bào)告為：未切毛坯發(fā)生最大過(guò)切15.57859過(guò)切數(shù):1368未切毛坯發(fā)生最大殘留8.717287殘留數(shù):139。觀察圖像報(bào)告可知，較大的殘留和過(guò)切均發(fā)生于齒頂和齒根處，此為模型偏差導(dǎo)致，而最重要的左右齒面上殘留和過(guò)切均很小，故模型在誤差允許范圍內(nèi)相符。分析誤差主要有以下幾個(gè)來(lái)源：（1）面齒輪設(shè)計(jì)模型誤差。本設(shè)計(jì)模型為點(diǎn)陣坐標(biāo)插補(bǔ)成面的方法生成，但插補(bǔ)面只能無(wú)限接近真實(shí)表面，而插補(bǔ)方程的次數(shù)決定了插補(bǔ)面的還原程度。固在次數(shù)有限的條件下，面齒輪設(shè)計(jì)模型本身就具有精度局限性。（2）面齒輪齒坯模型簡(jiǎn)化誤差。Vericut軟件在導(dǎo)入模型時(shí)會(huì)自動(dòng)簡(jiǎn)化模型以便于仿真過(guò)程計(jì)算，這會(huì)導(dǎo)致軟件中的模型相較于UGNX中建立的模型出現(xiàn)失真。（3）YW7232磨齒機(jī)機(jī)床模型構(gòu)建誤差。此機(jī)床模型為測(cè)繪，在測(cè)量時(shí)會(huì)有人工操作的隨機(jī)誤差和系