基於海德漢平台的大型螺旋（xuán）錐齒輪專用機床加工軟件設計（下）
2017-6-15 來源：沈陽工（gōng）業（yè）大學（xué） 作者：衣晨
第 4 章 GCMT2500 螺旋錐齒輪專用（yòng）加（jiā）工軟件設計（jì）
4.1 軟件總體框（kuàng）架設計
根據 GCMT2500 設備的實際加工需求，設計了一款可以滿足使用需（xū）求（qiú）的配套加工軟件。軟件以人（rén）機界麵的形式具體呈現出來（lái）。其功能需求主要分為五個部分（五大模（mó）塊）。即參數設計，TCA 分析，三維仿真，加（jiā）工程序，檢測分析（xī）五部（bù）分功（gōng）能（néng）。如圖4.1 為軟件的設計框架。
圖 4.1 軟件主體結構
（1）參數設計：為（wéi）完成相關參數的計（jì）算與確定為生成加工程序做準備（bèi）。初始（shǐ）階段要求操作人員根據圖紙（zhǐ）輸（shū）入（rù）各（gè）項基本參數，通過相（xiàng）應計算模塊（kuài）得（dé）到其他對（duì）應數據。涉（shè）及的（de）參數主要為齒輪設計參數、刀具參數、機床調整參數、工藝（yì）參數等。
（2）TCA：為參數設計提供設計數據優化（huà）調整功能。TCA 為齒輪接觸分析數值計算，通過計算準確反（fǎn）映（yìng）當前設計參數（shù）生成出的錐齒輪齧合情況，對控製參數進行優化調整以達到理想的齧合狀態（tài）。其中提供參考（kǎo）參（cān）數縮短了參數（shù）調（diào）整時間提高了加工效率。
（3）三維仿真：模擬給定加工參數的三維模型。在齒輪相關參數設計（jì）完成後，建（jiàn）立齒輪（lún）的三維仿真模型有助（zhù）於（yú）直觀地觀察（chá）。
（4）加工程序：主要作用是利用參數設計模塊與 TCA 模（mó）塊（kuài）綜合計算優（yōu）化後得到（dào）最後加工參數生成相應的（de）加工程序代碼。
（5）檢測分析：利用海德漢提供的測量模塊，通（tōng）過軟件調用實現工（gōng）件加工（gōng）完成後的精度檢測指導實（shí）際生產。
4.2 人機界（jiè）麵設計
人機界麵作為軟件設（shè）計的具體體（tǐ）現有著重要的地位。其中畫麵的編（biān）程設計（jì）尤為重要。而畫麵編程設（shè）計涉（shè）及人（rén）因工程學、畫（huà）麵（miàn）設計的原則、畫麵設計評價（jià）三個方麵。
（1）人機（jī）工程學
設計畫麵的理論基礎為人（rén）機工程學，通過研究使用對象即人的特點，實現人機工作任務的合理分配，采（cǎi）用最優分配原則，由機器（qì）承擔最多（duō）最複雜的非重要（yào）工作，由人負責最少的工作任務，並發揮人在整個係統（tǒng）中的主觀能動（dòng）性。
（2）畫麵設計的原則
畫麵設計的原（yuán）則（zé）以構建的最佳組合、畫（huà）麵的整體分析與規範、錯誤分析處理等為標準。
（3）畫麵設計的評價
設計評價要求在（zài）界麵係（xì）統構建前（qián）期著手，以便及早發現並（bìng）處理設計缺陷。設計評價的主要方麵為：適應性、高（gāo）效性、易學（xué）性、用戶（hù）友好性、用戶的（de）滿（mǎn）意程度[48]等。
根據螺旋錐齒輪的設計（jì）加工要求，使用 Python 語言對（duì）螺旋錐齒輪加工軟件（jiàn）的人機（jī）界麵程（chéng）序進行（háng）編製。圖 4.2 為軟件運行主界麵。通過界麵提供的界麵按鍵，可以進入不同的功能（néng）界麵。水（shuǐ）平按鍵中參數設計按鍵可以進入各自的參數設（shè）計界麵（miàn），TCA 按鍵進入後（hòu）可進行（háng）參數調整。三維（wéi）仿（fǎng）真按（àn）鍵可進行（háng）工件的三維模擬。在參（cān）數確定無誤（wù）後通過（guò）程序生成按鍵可生成相應的加工程序。豎直按鍵中的上半部分的退出係統按鍵可（kě）以進行係統的退（tuì）出，保存按鍵（jiàn）和文件管理按鍵進行相應的數據保（bǎo）存和文件管理。
圖 4.2 軟（ruǎn）件人機界麵圖
4.3 參數設計（jì）模塊
參數設計部分主要為對相關加工參數進行設計。涉及參數的輸入（rù）與調用（yòng）相關計算（suàn）模塊及相關參數的優化調整。參數調整過程如（rú）圖 4.3 所示。
圖（tú） 4.3 加工（gōng）參數生成（chéng）過程
參數設計主要由（yóu）齒輪參數，刀具參數，機床調整參數，工藝參數（shù）三部分。
1）齒輪（lún）設（shè）計（jì）參數：（可（kě）參考論文的第二章內容）包括齒製，齒數，壓力角，齒寬，軸交角，旋向（xiàng），傳動比（bǐ）等，輸入基本參數後調用軟件內部計算模塊計算其（qí）他相關參數。
2）刀具參數（shù）：刀（dāo）盤齒形角，刀盤半徑，刀頂距，刀尖直（zhí）徑。刀具參數由齒輪基本設計參數根據選擇和（hé）一定（dìng）的設計方法經計算模塊計算得出，後根據（jù）計算值（zhí）查表（biǎo）或圓整所得。使用時還需根據（jù）加工（gōng）材料的（de）特點選擇（zé）合適的刀具材料。
3）機床調整參數：包括床位，刀位，軸向輪位，垂直輪（lún）位，輪胚安裝角（jiǎo）等。機床調整參數是由齒輪基本設計參數計算求得，TCA 優化參數的過程主要為調整機床調整參數從而得（dé）到理想（xiǎng）的齧合曲線。
4）工藝參（cān）數：潤滑方式，主軸轉速，切削量，跨齒數，安（ān）全餘量等。確定原（yuán）則可由經驗和（hé）查表所得。
計（jì）算過程涉及到大量的公（gōng）式及運算，就 Python 語言而言其主要的優勢不體現在計算方麵，Python 的數值運（yùn）算（suàn）模塊少運（yùn）運（yùn）行速度較 C/C++慢，故要采用專用的數值計（jì）算軟件 MATLAB 來實現輔助的計算過程。
如圖 4.4 所示編寫 調試成功.m 文件後 ，在 MATLAB 中使用 APPS 中的MATALB.Coder 工具將.m 文件轉（zhuǎn）換為可以脫離（lí） MATLAB 運行環境（jìng）單獨運行可以被Python 直接調用的.C 文件。
圖 4.4 計算程序轉換
如圖 4.5、4.6、4.7、4.8 所示為參數設計部分具體實現。
圖 4.5 齒輪參數界（jiè）麵
齒輪參數界麵中以齒數、傳動比、壓力角、偏置距、軸交角（jiǎo）為基本設計參數，在基本參數（shù）確定後通過計算按鈕計算求得其他齒輪參數，幫助按鈕可進入幫助文件選擇需要（yào）的幫助文檔。部分參數可根據實際（jì）需求（qiú）選擇。
圖 4.6 刀具參數界（jiè）麵
4.7 機床調整參數界麵
機（jī）床調整參數界麵中的參數也是（shì）有齒輪參數經計算模（mó）塊得出可以（yǐ）通過水平按鍵來調整其他（tā）相關參數。
4.8 工（gōng）藝參數界麵
工藝參數（shù）通過工藝參數（shù）按鍵直接進入，主要控製量為切削的線速度與單刀切量參數選擇原（yuán）則可根據切削手（shǒu）冊來確定。
4.4 TCA 模（mó）塊
TCA 為以數值（zhí）分析為手段結合齒輪齧合原理在未完成加工的實際情況（kuàng）下對確定參（cān）數的螺旋錐齒輪副進行齧合分析。該計算（suàn）工具可（kě）以準確的（de）反應出齧合區域的（de）實際（jì）接觸（chù）狀況，通過（guò）調整相關參數，得出不同的齧合接觸狀態分析，以確定最優的參數組。論文中的 TCA 計算程序參考自同課題組的（de）萬長龍與明希君同學的論（lùn）文工作內容。理想（xiǎng）齒麵接觸如圖 4.9 所示，其中為接觸軌跡（jì）與傳動誤差（chà）圖。接觸軌跡是一條近似與齒根（gēn）線垂直的直線，每（měi）個接觸橢圓的長軸（zhóu）大致相等，並有相同的方向，傳動誤差曲線能夠
圖 4.9 理想（xiǎng）齒輪傳動
第一次得出（chū）的 TCA 結（jié）果總是有各種（zhǒng）缺陷，需要不斷改變小輪控製參數來進（jìn）行修正。下麵介紹一些常見的不良接觸處（chù）在TCA結果中的表現。
對角接觸，接觸軌跡線與齒根線不垂直是其主要特征。接觸軌跡往右傾斜是外對角接觸（chù），如圖 4.10 所示；往左傾斜是內對角接觸。相關研究和實踐經（jīng）驗表明，調整小輪產形輪錐距可以有效修正對角接觸。
圖 4.10 對角接觸
菱形接（jiē）觸，如圖 1.41 所示齒輪中部接觸區每個瞬時（shí）橢圓（yuán）的長軸大小（xiǎo）不一致是其主要特征，且接觸區常（cháng）常是對角接觸。調（diào）整小輪（lún）齒形角（jiǎo）可以（yǐ）改（gǎi）善齒麵（miàn）接觸區域。
圖 4.11 菱形接觸
魚尾形接觸，接觸軌跡是彎曲是其主要特征，接觸軌跡（jì）彎曲的方向多樣。如（rú）圖4.12 所示，列出了兩種比較典型（xíng）彎曲形式。相關研究表明，魚尾形接觸受多種小輪控製參數影響，其（qí）中垂直輪位修正量、二階變性係數、小輪（lún）產（chǎn）形輪節錐角對 TCA 分析影響較大。
圖 4.12 魚尾形接觸
4.5 齒輪實（shí）體三維仿真模塊
螺旋錐齒輪參數確（què）定後無法（fǎ）看到實際的齒輪模型，因此（cǐ）添（tiān）加了三維仿真模塊。原理上的實現過程：使用圖形生成（chéng）程序進行參數化建模，具（jù）體參數為設計模（mó）塊與 TCA分析後所得，生（shēng）成齒輪模型並保存為圖形文件後直接調用圖形文件到（dào）界麵窗口（kǒu），模塊（kuài）具（jù）體實現過程本文（wén）不做（zuò）討論。如圖 4.13、圖 4.14 為齒輪仿真效果：
圖 4.13 大齒輪仿（fǎng）真效果圖
圖 4.14 小齒輪仿真效果圖
4.6 加工程序模塊
加工程序模塊在參數設計、TCA 分析與三維仿真模（mó）塊確定參數後生成對應的加工程序代碼。以下為部分模塊程序（xù）。
fid = fopen('F:\XICHI_G01R_0b.h'，'wt')
Q1 = -4.491532013617202
Q2 = -64.369000000632681
Q3 = -65.891030641624980
Q4 = 135.8287538709713
Q5 = 2.967268604701439
Q6 = 550.0534223044500
Q7 = 42.405068577927644
Q8 = 20.382444756210834
Q9 = 320.1676674583440
Q10 = 27
Q11 = 27.71
Q12 = 324.71 + 794.48
Q13 = 587.7
Q14 = 738.91
Q15 = pi/2 - Q1
Q16 =10 % 安全餘量
Q18 =5 % 加工分齒數
Q19 = 0 % 起始加工齒數
Q50 = 2 * pi * Q18 / Q10 % 分齒角度
Q51 = Q19 * Q50 + 0.15*pi/180 - 0*pi/180 % 加工起始角位置
Q51 = Q19 * Q50 + 0.05*pi/180 - 0*pi/180 % 加工起始角位置
Q54 = Q4 + Q11 + Q16
Q55 = Q11 + Q16 % 齒深
+安全餘量（liàng）
．．．．．．
Q21 = Q21 + ( Q14 * cos ( Q1 ) - Q14 * cos ( Q32 ) ) % 刀傾刀轉
Q22 = Q22 - ( Q14 * sin ( Q1 ) - Q14 * sin ( Q32 ) ) % 刀傾刀轉
．．．．．．
Q21 = Q21 - Q59*cos(Q32)
．．．．．．
A = ['L Y' num2str(Q21) ' Z' num2str(Q22) ' F1000' char(13) char(10)] fwrite(fid，A，'*char') %L M25 %END PGM xichi_G01b MM
A = ['L M25' char(13) char(10)] fwrite(fid，A，'*char')
A = ['END PGM xichi_G01 MM' char(13) char(10)] fwrite(fid，A，'*char')
fclose(fid) 模塊程序中涉及所有的加工參數，通過生成程序按鈕生成加工程序（xù）代碼。如圖4.15 為加工程（chéng）序（xù）界麵。根據按鍵功能可進（jìn）行參數修改，修改後（hòu）重新生（shēng）成程（chéng）序，通過保存（cún）按鈕將加工（gōng）程序保存到製定位置。
圖4.15 程序界麵
4.7 加工實例（lì）
本文設計的 GCMT2500 專用加工軟件可以實現格裏森齒製和擺線齒（chǐ）製兩種齒（chǐ）製齒輪（lún）加工。在軟件內部嵌入不同種類的計算程時可（kě）實現包括成型（xíng）法、滾切法、雙刀麵發等多（duō）種加工程序。下麵，以（yǐ）格裏森弧齒大齒輪成型法加工為例，說明錐齒輪加工的一般流程。圖 4.16 為實際加工圖。
圖 4.16 螺旋（xuán）錐齒輪加工
實際的加工過程包括前期準備（bèi），設備（bèi）調試（shì），生成代碼，加工，檢測等幾部分。具體工作內容如下：
（1）工（gōng）件的找正與安裝
操作機床保（bǎo）證 B 軸與 C 軸中心線重合，將工件置於工（gōng）作台後使（shǐ）用千（qiān）分表在指定位置找正：將表底座吸附於動力軸上使指針與大輪內圈接觸（如圖 5.2 所示），轉動工作台並不斷調整（zhěng）工件位置使表指針最後跳動誤差在 0.02mm~0.003mm，即可保證工件的（de）中心位於工作台即 C 軸中心上。
（2）刀具的安裝與對刀
在 B 軸動力頭刀盤安裝調整結束後，配（pèi）合使用刀具與刀墊的同時使用千分表測量刀具的參（cān）數，如刀傾角、刀（dāo）具（jù）直徑等保證相關尺（chǐ）寸精度和安（ān）裝穩定性，控製相關誤差在 0.02mm~0.03mm。
（3）設備（bèi）檢查
對（duì）設備的各部分進行（háng）核查。主軸（zhóu）冷卻是否正常（cháng）運行（háng），潤滑部分（fèn）氣泵氣壓是否達到要求，電（diàn）器（qì）櫃風冷運行是否正常，保證車間內恒溫空調正常工作等。
（4）加工代碼生成
在開（kāi）發軟件中依次輸入，齒輪參數，刀具參數，工藝參數等加工參數，TCA 分析優（yōu）化後生成加工程序導入機床（chuáng），加工程序即可存入設備。
（5）加（jiā）工運行
參數和相關程序確認無誤後即（jí）可開始加工，加工可進行調整試（shì）切，確認各方麵無誤（wù）後即可進行連續加工。加工效果與成品如圖 4.17 所示。
圖 4.17 加工效果與成品
4.8 本章小結
本章對研究對 GCMT2500 加工軟件的整體結構進行了（le）構建，提出了滿足加工生成的模塊化設計。其中包括（kuò）參數設計、TCA 分析、三維仿真、加工程序、檢測分析等幾大（dà）模塊並對主要模塊進行了詳細的（de）說明。最後，通過格裏森（sēn）製弧齒大齒輪加工對軟件進行了加工測（cè）試，加（jiā）工效果良好，基本達到了預期的設計要求使軟件的功能得到驗證。
第 5 章 總結與展望
5.1 總（zǒng）結
GCMT2500 數控（kòng）螺旋錐齒輪複合加（jiā）工機床是目（mù）前世界上最大的數控螺旋錐齒輪加工機（jī）床，本文研究工（gōng）作對 GCMT2500 機（jī）床的係統功能實現起到重要的支撐作用，對於開發基於（yú） HEIDENHAIN 數控係統平台的其他機床專用軟件係統也具有借鑒意義。論文完成的主要（yào）工作和結論如下：
（1）研究了（le）螺旋（xuán）錐齒輪的幾何（hé）參（cān）數、機床調整（zhěng）參數和加工工藝參數的設計計算（suàn）和（hé）加工方法選（xuǎn）取（qǔ）確定。
（2）研究了 GCMT2500 螺旋（xuán）錐齒輪（lún）複（fù）合數控加工機床的係統運動控製（zhì）參數優化問題，對各軸控製參數進行了優化調整，參數通過參（cān）數優化改善了齒輪加工的表麵質量。
（3）完成了 GCMT2500 機床專用（yòng）軟件係（xì）統的主體功能結構設計，使用 Python 高級編程語言，在海德漢 i TNC530 數控係統平台的開發（fā）環（huán）境中，實現了專用軟件係統嵌入設計和人機界麵程序設計。
（4）完成齒輪參數設計模塊（kuài）、TCA 模塊的基本功（gōng）能程序設計，完成了程序設計模塊和係統仿真（zhēn）模塊的（de）部分功能程（chéng）序設計，達到了 GCMT2500 加工軟件係統的加工基礎要求。
5.2 展望
本課題的前期工作基本達到了以螺旋錐齒輪加工為主要目的的預期（qī）要求，由於時間關（guān）係和開發條（tiáo）件和（hé）問題複雜程度等諸多因素，研（yán）究工作還有許多需要改進（jìn）的地方。綜合考慮，我認為應（yīng）在以下幾個方麵加強開發研（yán）究:
（1）繼續（xù）完善軟件功能結構設計，完善人機界麵設計，使得軟件功能結構更合理，操作使用更友（yǒu）好、方便。
（2）為（wéi）了適應實際的加工要求，應該（gāi）進（jìn）一步強（qiáng）化齒輪參數設計模塊，不斷補充和增加不同類型、不同加工方法（fǎ）的螺旋錐齒輪設計加工程序。
（3）齒輪的仿（fǎng）真部分與檢測部分尚未在設備（bèi）上完全（quán）實現，需要繼續（xù）研究開發以（yǐ）進一步完善軟件功能（néng）。
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