基于UG的数控直齿锥齿轮加工仿真

摘要： 本文将数控加工与直齿锥齿轮加工技术相结合，基于UG强大的CAM功能，建立刀具，并对加工直齿锥齿轮刀位轨迹进行计算。对直齿锥齿轮进行校验、模拟加工。最后进行后置处理，生成数控程序。

Abstract: This article refers to the combination of the numerical control processing and the technology of straight bevel gear processing, based on the formidable CAM function of UG. First, the cutting tool will be established and also the track of the straight bevel gear knife will be computated.Second, the straight bevel gear will be verified, simulated andprocessed. Finally the numerical control procedure will be finished after the post positioned processing.

关键词： 直齿锥齿轮；UG；CAD/CAM

Key words: straight bevel gear；UG；CAD/CAM

中图分类号：TH164文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）02-0041-02

0引言

我国传统直齿锥齿轮加工方法主要是利用伞齿刨。但是，如果直齿锥齿轮的锥角接近90度，利用伞齿刨加工是非常困难的。本文将数控加工与直齿锥齿轮加工技术相结合，基于三维工程软件强大的造型功能及相关接口技术，利用VC++创建参数输入人机界面及软件数据传输通道，尝试开发一种新的基于数控机床的直齿锥齿轮加工方法。这里利用UG强大的CAM功能，可完成直齿锥齿轮的加工仿真及数控代码生成。

1UG/CAM下刀具的建立

进入UG/CAM环境下，在Manufacturing Create工具条上选择Create Tool，（图1）。这时出现如图2所示的Create Tool对话框，在Type中选择mill_multi_axis（多轴铣），并且在Subtype中选择Retrieve Tool类型的刀具。点击Apply按钮进入Library Class Selection对话框，双击End Mill（non indexable）进入Search Criteria对话框，选择Millimeters点击OK，进入Search Result对话框（图3），在刀具列表中选择所需的刀具，OK退出，刀具创建完毕。

在仿真时，刀具的显示类型为Assembly类型，刀具就显示为实际形状的刀具。选用实际形状的刀具的优点是，在仿真时可以逼真的模仿实际走刀轨迹和切削，并且可以检查刀具、刀柄与零件是否干涉。

2UG/CAM环境下刀轨的产生

在有刀具和三维零件图的条件下，UG/CAM下加工直齿锥齿轮，首先是要生成毛坯。直齿锥齿轮的毛坯形状应该是直齿锥齿轮无齿形时的形状。在UG的modeling环境下生成毛坯，首先调入要加工的齿轮，然后用Through curves功能修补曲面，使直齿锥齿轮的齿不可见，如图4为直锥齿轮的毛坯形状。生成毛坯有助于在模拟仿真时清楚地观察毛坯切除情况、干涉问题等。在实际加工时也需要这样形状的毛坯，毛坯可以利用车削等加工方法生成。

接着是建立一个加工并且调入已有的刀具轨迹文件，在UG的CAM环境下完成。Application/manufacturing进入CAM模块，首先，在operation navigator中对workpiece进行操作，以确定加工的毛坯。点选Blank和select，选择图4的所有外表面，完成毛坯的创建。为了便于以后操作，用Blank功能把修补的毛坯曲面隐藏，复原直齿锥齿轮外形。

然后是工艺方法的创建，在Manufacturing Create工具条上选择Create Operation，这时出现如图5所示的Create Operation对话框，在Creation Operation中的Type各选项中，选择mill_multi-axis即多轴铣功能。在Creation Operation的对话框中添入基本继承信息如图5所示。Use Geometry中选择workpiece，其将作为父类，name为VARIABLE_CONTOUR的操作将作为子类，从而继承了父类的毛坯特征。Use Tool中选择已经创建好的刀具，VARIABLE_CONTOUR操作将会生成此刀具轨迹。

Use Method选项是选择加工精度，可选择粗、精和半精加工。其他各选向可由自己定义，不再赘述。点击Apply，进入加工参数设置对话框，点选part和select选择要加工的一个齿面，驱动方式即Drive Method选Tool Path，并点选右侧图标，在刀具轨迹文件的存储路径下选择刀具轨迹文件；刀轴控制即Tool Axis选Same as Drive Path；其它设置不再赘述。参数设置完成后，点选Generate选项，生成刀具轨迹线，如图6所示。

3UG/CAM校验、模拟加工直齿锥齿轮

完成一个加工操作之后，可以利用UG的加工校验（verify）功能来检验所建立的一个操作的可行性。在校验的模式下可以看到刀具轨迹的生成及刀轨的形状，也可以进行干涉检查。加工检验有两种方式：Replay和Dynamic，在Replay方式下可以清楚的看到生成在待加工的零件表面上的刀具轨迹线，及刀具沿着刀具轨迹线的动态走刀；在Dynamic方式下，可以看到利用定义好的刀具加工已定义的工件毛坯（blank）的动态过程,在此方式下可以看到刀具切削工件毛坯，走刀完毕可以看到加工好的零件形状。

利用UG本身的有关功能，在仿真过程中实现由刀具切削刃所形成的锥面与被加工齿轮的被加工面相切，这样才能保证加工方法的正确性。所有的操作都完成了，就要进行模拟加工（simulate）。模拟加工直齿锥齿轮可以看到与实际加工相符合的加工过程，同时检查利用以上的所有操作是否正确。本课题是采用自行研制的夹具来装夹工件，目的是想通过该夹具的两轴联动与刀具的往复运动来完成这次铣削任务。加工仿真的正确与否直接关系到数控代码是否正确。而代码是该夹具的两轴转角的来源，所以有的操作都完成了，就要进行模拟加工（simulate）。模拟加工直齿锥齿轮可以看到与实际加工相符合的加工过程，同时检查利用以上的所有操作是否正确。本课题是采用自行研制的夹具来装夹工件，目的是想通过该夹具的两轴联动与刀具的往复运动来完成这次铣削任务。加工仿真的正确与否直接关系到数控代码是否正确。而代码是该夹具的两轴转角的来源，所以仿真至关重要。模拟如果没有问题就可以进行下一步：后置处理。

4后置处理

利用UG加工模块产生刀轨，首要目的是为了加工工件，但不能将这种未修改过的刀轨文件直接传送给机床进行切削加工，因为机床的类型很多，每种类型的机床都有其独特的硬件性能和要求，比如它可以有垂直或是水平的主轴，可以几轴联动等。此外，每种机床又受其控制器（controller）的控制，控制器接受刀轨文件并指挥刀具的运动或其它的行为（比如冷却液的开关），但控制器也无法接受这种未经格式化过的刀轨文件，因此，刀轨文件必须被修改成适合于不同机床/控制器的特定参数，这种修改就是所谓的后处理。它是复杂零件计算机辅助设计和实际机械加工之间的一条连接枢纽，是将理论设计转化为实际生产的重要环节，也是CAD/CAM一体化过程中不可缺少的组成部分。后处理最基本的两个要素就是刀轨数据（Tool Path Data）和后处理器（Postprocessor）。

本方案利用五轴功能生成刀具轨迹，其生成的数控代码中的A、B轴数据是工件围绕X、Y轴旋转的变化角度，X、Y、Z数据即为刀具做往复运动所到达的两个位置点的坐标。A,B数值可作为绕X,Y轴的角度值去控制两个步进电机的转动，是进行实际加工必须提取的数据。所以在后处理的时候选择五轴功能进行后处理。

以下为用盘铣刀加工外锥齿轮的数控代码及仿真图形（图7）：

%

N0010 G40 G17 G94 G90 G70

N0020 G91 G28 Z0.0

:0030 T00 M06

N0040 G1 G90 X-23.3795 Y-46.1175 Z.76 A358.294 B109.92 F250. S0 M03 M08

N0050 X-14.9755 Y-70.5532 Z1.1403

N0060 X-14.9594 Y-70.5355 Z1.1404 A358.106 B111.121

N0070 X-23.3344 Y-46.1197 Z.7602

N0080 X-23.3893 Y-46.0919 Z.76 A357.918 B112.323

N0090 X-15.0434 Y-70.5177 Z1.1403

N0100 X-14.9916 Y-70.5709 Z1.1393 A358.481 B109.118

N0110 X-23.3247 Y-46.1751 Z.7595

N0120 X-23.1807 Y-46.1971 Z.76 A358.632 B108.517

N0130 X-14.9245 Y-70.5849 Z1.14

N0140 X-14.9816 Y-70.5604 Z1.1385 A358.851 B107.613

N0150 X-23.3807 Y-46.1971 Z.76

N0160 M02

上述代码中的A，B数值可作为绕X，Y轴的角度值去控制两个步进电机的转动，与刀具往复运动配合，完成一个齿面的展成加工。然后步进电机4控制B轴转动分度，加工下一个同侧齿面，直至完成所有齿。另一齿面加工可将刀具往复运动改在X轴的另一侧，采用另一套行程开关来控制。图7为在UG下利用相应盘铣刀完成的几组不同参数的直齿锥齿轮的效果图。

此外，在利用UG后处理功能生成数控代码时经常遇到这样的问题：在控制刀轨程序中已经编译好刀具的走刀次数，但是，在生成的数控代码中往往会随机增加几条指令。例如：在刀轨文件中编译刀具从齿轮小端A点走到大端B点，那么，生成的代码中应该只有两条指令，而实际生成的代码中却有3条或者更多指令，为什么会增多这些指令呢？经过多次反复试验得出，这些随机增加的指令中的数据点都是在如上所述中AB直线上的任意点，是刀具在行走过程中随机抽取的点。对于该类问题应该这样解决：每次加工仿真时都要重新调用改变参数后的刀轨文件以及被加工的齿轮，这样加工过程不会受到前一次仿真的干扰。

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