基于UG的偏心輪推桿行星傳動內(nèi)齒圈齒廓的造型與加工

陳英麗，張淳

（1.陜西科技大學，陜西 西安 710021；2.咸陽師范學院，陜西 咸陽 712000）

基于UG的偏心輪推桿行星傳動內(nèi)齒圈齒廓的造型與加工

陳英麗1，2，張淳1

（1.陜西科技大學，陜西 西安 710021；2.咸陽師范學院，陜西 咸陽 712000）

偏心輪推桿行星傳動是一種將變速傳動作用和軸承支撐作用結合成一體的傳動支撐裝置，可以代替原有復雜的機械變速傳動系統(tǒng)，直接裝入機械產(chǎn)品中，使傳動系統(tǒng)顯著簡化，體積和重量大大減小。偏心輪推桿行星傳動的出現(xiàn)提高了主機配套質(zhì)量，具有機械結構緊湊，噪聲小等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。內(nèi)齒圈是偏心輪推桿行星傳動的關鍵零件，其加工質(zhì)量對傳動質(zhì)量的好壞及能否正常工作起決定性的作用。本文基于UG8.0，探討偏心輪推桿行星傳動內(nèi)齒圈三維實體的參數(shù)化造型和UG／NC數(shù)控平臺下的內(nèi)齒圈齒廓的虛擬加工。

偏心輪推桿行星傳動；內(nèi)齒圈；UG／NC數(shù)控平臺

1 偏心輪推桿行星傳動基本結構與傳動原理

如圖1所示，偏心輪推桿行星傳動主要由偏心輪、內(nèi)齒圈、傳動圈、推桿、滾柱組成。偏心輪、內(nèi)齒圈、傳動圈三者同心，分別承擔固定、輸入、輸出的不同角色，從而獲得不同的傳動比和變速效果。

圖1 偏心輪推桿行星傳動基本結構圖

2 內(nèi)齒圈數(shù)學和幾何模型

2.1 內(nèi)齒圈理論齒廓曲線方程

設將內(nèi)齒圈固定，偏心輪輸入，傳動圈輸出，如圖2所示建立右手坐標系，OAB可認為是一個二自由度的對心曲柄滑塊機構。當偏心輪逆時針方向轉動α+β時，推桿逆時針方向轉動α角。在α由0°轉到360°的過程中,C點的運動軌跡即為內(nèi)齒圈的理論齒廓曲線。將OC向x、y軸投影，得C點坐標，整理即得內(nèi)齒圈理論齒廓曲線的參數(shù)方程式：

式中，R——偏心輪半徑；e——偏心輪偏心距；L——推桿長度；Z——內(nèi)齒圈齒數(shù)；R1——滾柱半徑。

圖2 偏心輪推桿行星傳動的齒廓方程

2.2 內(nèi)齒圈實際齒廓曲線方程

由圖2可知D點的運動軌跡為內(nèi)齒圈的實際齒廓曲線，即內(nèi)齒圈實際齒廓為理論齒廓的等距曲線，等距大小為滾柱半徑R1。以下為內(nèi)齒圈實際齒廓曲線的參數(shù)方程[1]。

3 內(nèi)齒圈的三維實體造型

查閱資料，對內(nèi)齒圈進行三維實體造型常用的方法是給定偏心輪推趕行星傳動的基本參數(shù)，利用上述內(nèi)齒圈實際齒廓參數(shù)方程式，使α從0變化到2π，用VisualBASIC編程計算得到實際齒廓的坐標點。在程序中，采用文本文件輸出方式，自動生成在AutoCAD下繪制內(nèi)齒圈實際齒廓的AutoLISP程序，在AutoCAD下運行該AutoLISP程序，生成內(nèi)齒廓的實際齒廓曲線，再利用AutoCAD的三維實體造型功能，即得到內(nèi)齒圈的三維實體造型。此種方法不僅要求繪圖者掌握AutoCAD的三維造型功能，還需要熟練掌握VisualBASIC的編程方法，而且偏心輪推趕行星傳動的基本參數(shù)改變時還需重復進行。筆者還嘗試基于VisualBASIC對Solidworks二次開發(fā)從而完成偏心輪推趕行星傳動內(nèi)齒圈實體造型，但發(fā)現(xiàn)采用完全編程的方式,即所有SolidworksAPI對象全部在編程環(huán)境中完成調(diào)用，該方法可使三維模型完全實現(xiàn)程序驅動,可以實現(xiàn)對具有復雜形體的零件造型,但編程工作量大,開發(fā)效率低,對開發(fā)人的要求較高且編程過程容易出錯。

本文探討使用UG8.0表達式功能繪制出內(nèi)齒圈的實際齒廓，從而完成內(nèi)齒圈的三維實體造型。設內(nèi)齒圈齒數(shù)Z=15，偏心距e=3mm，推桿長度L=24mm，滾柱半徑R1=7mm，偏心輪半徑R=50，內(nèi)齒圈的外徑為240mm，厚度為20mm。

新建一個文本文件，輸入以下參數(shù)：

e=3，R=50，R1=7，Z=15，L=24，a=360×t/ Z，t=0

x1=(L+e× cos(a× Z)+((R+R1)^2-e^2×sin(a×Z)^2)^0.5)×cos(a)

y1=(L+e× cos(a× Z)+((R+R1)^2-e^2×sin(a×Z)^2)^0.5)×sin(a)

dx1=sin(a)×(L+e×cos(Z×a)+((R+R1)^2-e^2× sin(a×Z)^2)^0.5)+cos(a)×(e×Z×sin(Z×a)

+Z×e^2sin(Z×a)×cos(Z×a)/((R+R1)^2-e^2sin(Z×a)^2)^0.5)

dy1=cos(a)×(L+e×cos(Z×a)+((R+R1)^2-e^2× sin(a×Z)^2)^0.5)+sin(a)×(e×Z×sin(Z×a)

+Z×e^2×sin(Z×a)×cos(Z×a)/((R+R1)^2-e^2×sin(Z×a)^2)^0.5)

x=x1+R1×dy1/(dx1^2+dy1^2)^0.5

y=y1+R1×dx1/(dx1^2+dy1^2)^0.5

z=0

文本文件編輯完成后以擴展名EXP保存（本例中保存為gear.exp)。

啟動UG8.0，新建模型gear.prt,在建模模式下進入工具，打開表達式對話框，點擊導入文件圖標，從文件導入表達式，將gear.exp導入到UG,就完成了參數(shù)列表的創(chuàng)建。

完成表達式的創(chuàng)建后，單擊“規(guī)律曲線”按鈕，根據(jù)表達式生成內(nèi)齒圈的單個齒廓曲線；進入草圖環(huán)境對單個齒廓曲線以原點為旋轉點進行圓形陣列，陣列數(shù)量為Z=15,節(jié)距角360/Z=24deg，從而得到內(nèi)齒圈的完整齒廓曲線。以原點為圓心繪制直徑為240mm的圓，對圓和內(nèi)齒圈曲線組成的封閉圖形進行拉伸，拉伸深度為20mm,就得到設定參數(shù)的內(nèi)齒圈三維實體造型（圖3）。

圖3 內(nèi)齒圈齒廓曲線 和三維實體造型

4 UG／NC數(shù)控平臺下的內(nèi)齒圈齒廓的虛擬加工

4.1 加工環(huán)境初始化

將已建好的模型打開。點擊開始下拉菜單，選擇進入加工環(huán)境；或者直接按快捷鍵，進入加工模塊。在彈出的加工環(huán)境對話框中，默認為銑削，點擊確定。

4.2 零件加工坐標設置

雙擊MCS_MILL彈出“MCS銑削”對話框，設置“機床坐標系”和“安全設置”。機床坐標系建立在工件上表面正中心；安全設置，安全高度為30mm。單擊確定，完成“MCS銑削”設置。

4.3 毛坯的創(chuàng)建

單擊MCS_MILL最前面的十字符號，雙擊下拉菜單中的“WORKPIECE”，彈出工件對話框。“指定部件”為窗口中的模型，單擊確定；“指定毛坯”——類型設置為包容圓柱體。

4.4 創(chuàng)建刀具

單擊創(chuàng)建刀具圖標，以刀具的半徑不能大于內(nèi)齒廓的曲率半徑為基本原則創(chuàng)建加工所需的刀具。創(chuàng)建刀具直徑為16mm，長度為100mm的平面銑刀為1號刀，命名D16。創(chuàng)建刀具直徑為6mm，長度為75mm的平面銑刀為2號刀，命名D6。

4.5 創(chuàng)建工序粗加工內(nèi)齒圈

單擊創(chuàng)建工序圖標，設置加工類型為mill_ planla，工序子類型為ROUCH-FOLLOW，刀具為D16，方法MILL-ROUCH點擊確認。進入跟隨輪廓粗加工對話框，分別選擇部件和毛坯邊界，指定底面并將底面向-Z方向偏置0.5mm。刀軌設置中設置切削模式為跟隨周邊，切削層每刀深度為0.5mm；非切削移動中進刀類型為沿形狀斜進刀，斜坡度5°，高度3mm；移刀安全距離設置為3mm；主軸轉速設置為2500r/min，進給率切削為2000mm/min，進刀速率70%；其他設置為默認狀態(tài)。設置完成后即可形成粗加工內(nèi)齒廓刀軌，如圖4。

圖4 內(nèi)齒圈粗加工刀軌

4.6 創(chuàng)建操作精加工內(nèi)齒圈

單擊創(chuàng)建工序圖標，設置加工類型為mill_ planla，工序子類型為FINISH-WALLS，刀具為D6，方法MILL-FINISH點擊確認。主軸轉速設置為3500r/min，進給率設為1000mm/min，切削余量為0。設置完成后即可形成精加工內(nèi)齒廓刀軌。

4.7 后處理

選中粗加工或精加工刀具路徑，點擊工具——工序導航器——輸出——后處理，在彈出的“后處理”對話框中，選擇后處理器為MILL_3_AXIS。設置保存路徑和擴展名（mpf視具體情況而定），單擊確定，生成NC文件。

5 結論

偏心輪推桿行星傳動內(nèi)齒圈齒廓為特殊的規(guī)律曲線，運用傳統(tǒng)的二維方法建模其過程繁瑣復雜且不能準確真實的反應齒廓形狀，而利用UG參數(shù)化造型方法，能非常容易地獲得內(nèi)齒圈齒廓三維實體造型。通過UG／NC數(shù)控平臺下的內(nèi)齒圈齒廓的虛擬加工，一方面可以及時發(fā)現(xiàn)加工中存在的問題，另一方面，利用UG后處理功能可以直接輸出數(shù)控加工程序，方便地實現(xiàn)形狀零件的多坐標數(shù)控編程，生成高效、高精的NC程序。利用CAD/CAM系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，有利于偏心輪推桿行星傳動的工業(yè)化生產(chǎn)，推進偏心輪推桿行星傳動的應用和普及。

[1]陶棟材，高英武，全臘珍，等．偏心輪推桿行星傳動的傳動原理研究[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2000，26(4):314～317.

[2]滕召金，陶棟材，趙福水，楊文敏．基于Pro/E的偏心輪推桿行星傳動內(nèi)齒圈齒廓的造型與加工[J]機床與液壓．2008，36(05):340～342.

TH132.425

A

1671-0711（2016）11（上）-0127-03