平面二次包络环面蜗杆副数控加工与可制造性研究--《武汉理工大学》2002年博士论文
平面二次包络环面蜗杆副数控加工与可制造性研究
【摘要】：
平面二次包络环面蜗杆副在机械工业朝着高速、重载、高效方向发展的背景下产生，是机械传动的基础件。这种蜗杆副由于多齿啮合、瞬时双线接触、综合曲率半径大、接触线与相对滑动速度夹角大等特点，因此承载能力大、传动效率高、易自动润滑、使用寿命长。
传统上，为使蜗杆副共轭齿面间为线接触，必须采用对偶范成法加工蜗轮轮齿。蜗轮滚刀设计制造周期长、制造困难，导致蜗杆副开发周期长、成本高。本文提出了平面二次包络环面蜗杆副非对偶加工的基本设想，并开展相关研究工作，取得了以下主要成果及创新点：
1、建立了用于平面二次包络环面蜗杆副数控加工的五轴机床模型。改变联动方式并更换刀具后，可以在该机床上分别加工蜗杆和蜗轮。这样，可以用通用刀具加工出蜗轮齿槽，实现蜗杆副的非对偶加工。
2、在范成法加工中，一般地，蜗杆作为原创件首先被加工出来，在跑合中，蜗杆齿面充当“二次切削刀具”，因此，应保证蜗杆齿面的加工精度和适合的表面粗糙度。本文定义了理想蜗杆和蜗杆加工时的对刀平面，计算理想蜗杆的螺旋角，实现对平面包络环面蜗杆的数控加工时的平面刀具姿态控制和对刀、多头蜗杆分头、两回转轴的转角及速度控制，这是保证蜗杆齿形正确和齿面精度的关键。
3、当蜗轮齿面上存在非工作区时，则很难用准确的数学方程描述蜗轮啮合面，为了统一处理，本文提出了用虚拟加工的方法建立蜗轮的三维实体模型，用截面法对蜗轮齿槽曲面进行离散化处理，用Bézier曲面片逼近理论齿面。这样既有利于数控加工刀具轨迹的生成，又便于提取可加工性信息。
4、提出了平面二次包络环面蜗杆副可制造性评价的内容和方法。可制造性评价贯穿于设计的每一个阶段，根据平面二次包络环面蜗杆副的特点，本文以啮合性能最佳、蜗轮齿冠体积最小作为设计时的评价指标，利用多目标优化获得满意解。同时，根据计算机视觉原理，计算蜗轮齿槽曲面上CC点的可视方向范围检查刀具干涉、控制刀具姿态，并根据CC点处的主曲率、加工精度要求等计算切削行宽。
【关键词】：
【学位授予单位】：武汉理工大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2002【分类号】：TG61【目录】：
中文摘要4-5
英文摘要5-10
1． 绪论10-26
1．1 平面二次包络环面蜗杆副10-15
1．1．1 蜗杆传动及其特点10-11
1．1．2 平面二次包络环面蜗杆副及其特点11-13
1．1．3 平面二次包络环面蜗杆副制造技术13-15
1．2 相关技术综述15-24
1．2．1 平面二次包络环面蜗杆副15-19
1．2．2 机床数控技术19-21
1．2．3 并行工程与面向制造的设计21-24
1．3 本课题的任务和研究内容24-26
1．3．1 本课题的任务24-25
1．3．2 本文的主要内容25-26
2． 平面二次包络环面蜗杆副可制造性评价26-47
2．1 概述26-33
2．1．1 可制造性评价的含义和内容26-29
2．1．2 可制造性评价的方法与特点29-33
2．2 平面二次包络环面蜗杆副传统制造上的困难33-35
2．2．1 平面二次包络环面蜗杆传动的形成原理33
2．2．2 平面包络环面蜗杆加工工艺33-34
2．2．3 平面二次包络环面蜗轮制造工艺34
2．2．4 平面二次包络环面蜗杆副制造上的困难34-35
2．3 平面二次包络环面蜗杆副可制造性评价的主要内容35-36
2．4 平面二次包络环面蜗杆副的设计36-45
2．4．1 概述36-38
2．4．2 面向平面二次包络环面蜗杆副性能的优化设计38-41
2．4．3 面向平面二次包络环面蜗杆副制造的优化设计41-44
2．4．3 多目标优化44-45
2．5 本章小结45-47
3． 平面二次包络环面蜗杆副产品信息模型47-63
3．1 概述47-48
3．2 平面二次包络环面蜗杆副的理论模型48-54
3．2．1 平面二次包络环面蜗杆传动的坐标选择与坐标变换48-49
3．2．2 平面包络环面蜗杆的齿面方程49-51
3．2．3 平面二次包络环面蜗轮的齿面方程51-54
3．3 平面二次包络环面蜗杆副的数字化信息模型54-60
3．3．1 产品信息数字化54-55
3．3．2 STEP与产品特征建模55-56
3．3．3 平面包络环面蜗杆的信息模型56-58
3．3．4 平面二次包络环面蜗轮的信息模型58-60
3．3．5 平面二次包络环面蜗杆副信息建模与处理过程60
3．4 平面二次包络环面蜗轮Bézier曲面片逼近60-61
3．5 本章小结61-63
4． 平面二次包络环面蜗杆副数控加工装备63-77
4．1 概述63-64
4．2 平面二次包络环面蜗杆副数控加工基本思路与数控加工机床模型64-67
4．3 平面包络环面蜗杆数控加工刀具67-71
4．4 平面二次包络环面蜗轮数控加工刀具71-76
4．5 本章小结76-77
5． 平面二次包络环面蜗杆副数控加工77-93
5．1 概述77-78
5．2 平面包络环面蜗杆加工工艺与数控加工78-87
5．2．1 概述78
5．2．2 平面包络环面蜗杆啮合齿面的数控加工78-86
5．2．3 小结86-87
5．3 平面二次包络环面蜗轮数控加工87-92
5．3．1 概述87
5．3．2 平面二次包络环面蜗轮齿部数控加工87-92
5．4 本章小结92-93
6． 平面二次包络环面蜗杆副数控加工可制造性分析93-103
6．1 概述93
6．2 几何约束信息的抽象与提取93-95
6．3 平面二次包络环面蜗轮数控加工刀具方向的确定95-98
6．3．1 可达性、可接近性与可视性95-96
6．3．2 曲面端铣加工时的刀具可行方向96
6．3．3 平面二次包络环面蜗轮数控加工时的刀具可行方向96-98
6．4 五坐标数控加工刀具姿态调整98-100
6．5 残留高度的计算100-102
6．6 本章小结102-103
7． 平面二次包络环面蜗杆副数控加工可制造性评价系统103-107
7．1 概述103-104
7．2 系统的总体结构104
7．3 系统实现104-107
8． 全文总结与未来研究展望107-110
致谢110-111
攻读博士学位期间所发表的主要论文111-113
参考文献113-123
附录一 平面包络环面蜗杆数控加工仿真123-124
附录二 平面二次包络环面蜗轮数控加工仿真124-126
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京公网安备74号平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的装配工艺设计
随着科学技术的发展以及经济全球化进程的加快，企业在市场竞争中面临着巨大的挑战，缩短产品生命周期成为企业生存下去的必要条件。而装配作为产品生命周期中的重要环节，装配CAPP的发展和应用必将对现代制造业起到极大的推动作用。相对于传统的装配工艺设计，目前对于装配CAPP系统的研究已经取得了很大的进步。传统的装配工艺设计存在的问题是：设计周期很长、对工艺人员依赖性强、不利于信息的集成化和企业的信息化。因此，本文提出以solid works为系统的开发和应用平台，对平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱进行装配工艺设计，通过将产品设计BOM，转换生成装配BOM，以装配BOM为基础进行主轴箱装配顺序和装配路径的规划，最后对产品的装配过程进行干涉检测，输出工艺文件，完成对产品的装配工艺设计。论文主要完成了以下研究：（1）在三维CAD软件solidworks中对平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的零部件进行特征建模，并建立装配模型，采用层次结构模型&
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平面二次包络蜗杆因具有承载能力大、传动效率高等特点,在机械等行业有着相当广泛的应用。特别是近年来，平面二次包络蜗杆在工业中的高速、重载等条件下被大量运用。但是平面二次包络蜗杆现有的加工设备阻碍了平面二次包络蜗杆的推广运用，其中针对蜗杆的高效、高精度的加工设备已成为平面二次包络蜗杆推广运用中的关键。为此研制开发平面二次包络蜗杆专用磨床对平面二次包络蜗杆的推广运用具有非常重大的现实意义和应用价值。本文通过对平面二次包络蜗杆加工原理和加工方法的分析,根据四轴四联动的加工原理,运用功能分析和系统设计的思维方法,在分析研究平面二次包络蜗杆专用磨床功能目标的基础上,完成了平面二次包络蜗杆数控磨床的总体方案设计,运用现代机械设计理论和手段进行了虚拟样机的设计,对虚拟样机进行了加工过程的运动仿真,验证了加工原理方法的正确性和结构的可行性。对关键零部件进行了详细的结构设计，对影响其机床性能的主要零部件运用有限元分析的理论和相关方法进行结构分析，此...&
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平面二次包络环面蜗杆传动具有双线接触、多齿啮合、承载能力大、传动效率高等优点，但其齿面复杂加工困难，对加工设备的要求极高。西华大学数控研究所提出了四轴四联动的加工工艺方案，扩大了加工零件的工艺尺寸范围，提高了加工精度。在此理论基础上，西华大学数控研究所用SolidWorks设计了一台四轴四联动平面二次包络环面蜗杆数控磨床，并对其进行了加工仿真，验证了磨床的加工精度和可行性。通过加工仿真得出，影响磨床加工精度的主要因素是磨床自身的精度和刚度。为了加工出高质量的平面二次包络环面蜗杆，必须保证数控磨床的制造精度。因此，加工制造数控磨床就显得十分重要。论文根据平面二次包络环面蜗杆数控磨床的结构特点和加工精度的需要，研究开发基于数控磨床三维零件模型的CAPP系统，充分利用已建立的零件三维模型进行工艺设计，使工艺设计可视化，达到提高产品工艺设计效率和质量的目的。为此，论文进行了大量的研究工作，总结起来如下：（1）通过对SolidWorks二...&
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平面二次包络环面蜗杆传动为多齿啮合,双接触线接触,承载能力大,传动效率高,在现代工业中得到了越来越广泛的应用。由于平面包络环面蜗杆齿面形状复杂,加工困难,使平面二次包络环面蜗杆的加工设备开发受到限制,难以满足市场的需求。为此西华大学近年来一直致力于该种加工设备的开发研究工作。先后研制出了两轴联动数控磨床、数控车削机床等设备。本文结合前期的工作,并在此基础上开发了基于平面二次包络环面蜗杆的四轴四联动数控磨床,以满足市场的需求。本文通过对传统平面二次包络环面蜗杆加工设备的磨削加工原理分析,采用虚拟加工中心距的理论,开发了一台四轴四联动数控磨床,对数控磨床的结构的简化及加工范围的扩大有了较明显的改进。本文在理论分析的基础上,对平面二次包络环面蜗杆数控磨床进行了总体方案的设计和机械结构及关键零部件的设计,着重对转台和磨头部分进行了详细的设计。为了提高该数控磨床的加工精度和磨削效率,用Ansys软件对转台和磨头部分的关键零部件进行动态性能...&
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平面二次包络环面蜗杆是我国学者自主成功开发的一种蜗杆,与普通蜗杆相比具有双线接触以及接触线和综合曲率半径大,承载能力大等优点,使其获得了重要应用。因此为了提高平面二次包络蜗杆的加工精度及加工效率,降低加工成本,对其加工设备及加工方法的开发、研究成为了非常重要的工作。本文通过对平面二次包络蜗杆啮合原理的分析,并且根据四轴四联动平面二次包络蜗杆加工原理,分析讨论了对数控磨床的结构要求及加工设备的结构和加工方法上的要求,提出了平面二次包络蜗杆数控机床的总体设计方案。该机床既能实现平面二次包络蜗杆的三轴三联动车削加工又能实现该蜗杆的四轴四联动磨削加工。同时对该机床的关键部件进行了功能分析和总体结构设计。对磨削用的关键部件—机床主轴、磨头和带动磨头回转的回转工作台进行了详细的结构分析和设计。并根据加工平面二次包络蜗杆对主轴功能的要求,对轴功能和结构进行了分析和讨论,使之能满足加工过程中蜗杆的准确定位和分度要求。在改造后的设备上进行了蜗杆磨...&
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平面二次包络环面蜗杆传动于1971年由我国发明制造,它具有承载能力强、传动比选择范围大、效率高、抗胶合能力强、使用寿命长等优点,因而其诞生以来得到了极大的应用和推广。长期以来,这种蜗杆的加工都是采用一种移动磨头回转工作台调节蜗杆蜗轮副中心距的方法,这种结构使机床工作层面多,结构庞大复杂,从而影响加工精度与效率。为克服这些缺点,作者研究开发了这种新型的平面二次包络环面蜗杆四轴四联动数控磨床,这种磨床采用了虚拟中心的方法,砂轮工作面的平面回转运动是通过两个正交轴进行圆插补,及在这两个正交轴工作台面上的磨头基座自转形成的,插补圆的圆心即是被加工蜗杆啮合的蜗轮中心,它并不需要实际存在,而是根据数控编程定义,这样机床结构紧凑,可不受加工中心距的限制,加工效率高。根据这种设计构想,作者对CKD6150数控机床进行改造,设计出了该机床的数控、电控系统。1平面包络蜗杆的加工原理平面包络蜗杆的加工原理如图1。图1中磨削蜗杆的砂轮平面4是形成蜗杆齿...&
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平面二次包络环面蜗杆传动数控转台的设计机械部分.doc71页
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湘潭大学兴湘学院
毕业设计说明书
目：平面二次包络环面蜗杆传动数控转台的设计―
院：兴湘学院
业：机械设计制造及其自动化
名：赵郅磊
指导教师：胡自化
完成日期：日
湘潭大学兴湘学院
毕业论文（设计）任务书
论文（设计）题目：
平面二次包络环面蜗杆传动数控转台的设计―机械部分
机械设计制造及其自动化
指导教师：
一、主要内容及基本要求
1. 熟悉和掌握平面二次包络环面蜗杆传动的工作原理。
2. 熟悉和理解平面二次包络环面蜗杆传动的结构参数。
3. 利用UG建立虚拟样机与动态分析。
4. 总结和撰写毕业设计说明书一份。
5.翻译相关外文资料不少于3000字。
二、重点研究的问题
1. 熟悉平面二次包络环面蜗杆传动数控转台相关性能方面的知识。
2. 学习和使用UG三维建图软件和AUTO CAD软件。
3. 熟悉和理解平面二次包络环面蜗杆传动机构的结构参数
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