YK5120数控插齿机设计与研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
３
第一章绪 论
机床一样的齿面，没有发挥出数控技术的全部优越性。为了更充分应用信 息化技术所提供的数字化设计，通过本文研究，齿轮机床实现数控化以提 高机床性能的同时，进一步提高所加工齿轮副的传动性能是最终目的。
此外，传统齿轮机床复杂的传动设计迫使其采用多种机床结构形式、复杂 调整计算来适应市场多品种、小批量的齿轮加工要求。因此，各种类型齿轮机 床形成批量化生产受到一定制约。随着市场对齿轮加工要求向高精度、高效率、 柔性化方向发展，特别是中国加入ＷＴＯ后，国外齿轮机床对国内市场的冲击将 直接威胁中国齿轮机床业的生存和发展，因此，齿轮机床数控化是实现齿轮机 床产业化、占领齿轮机床市场、抵御国外生产厂冲击的唯一途径。
天津大学 硕士学位论文 YK5120数控插齿机设计与研究 姓名：柴宝连 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：王树新;王树勋
20031201
摘要
齿轮是机械工业中重要的基础传动元件，具有恒功率输出、承 载能力大、传动效率高、使用寿命长、传动比稳定、结构紧凑等优 点。由于齿轮在机械传动中的重要作用及其形状的复杂性，它的设 计、制造水平已成为一个国家现代工业技术水平的标志之一，也是 各国学术界和企业界关注和研究的热点所在。因此，研究齿轮及齿
第二章 ＹＫ５１２０型数控插齿机的设计原理及主要结构
第二章 ＹＫ５１ ２０型数控插齿机的设计原理及主要结构
２．１机床的用途和使用范围
本机床主要用于加工圆柱齿轮和多种平板形非圆齿轮；当采用不带齿的圆 形光刀，还可加工各种平板形凸轮：采用特殊形状的刀具，还可加工多种齿轮 结合子和渐开线花键；如附加螺旋导轨，还可加工斜齿圆柱齿轮；附加顶尖座 还可加工轴齿轮；如改用可倾斜角度的工作台，还可加工锥度齿圆柱齿轮；通 过改变机床相应机构还可加工鼓形齿轮。
２ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｂｏｄｙ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ
ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｇｅａｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ。
３ Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ仔ｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｍｏｄｅ ｏｆＮＣ ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．
第一章绪 论
第六，将研究成果应用于数控插齿机的设计中，指导数控插齿机的性能提
高和改进。
１．３．２课题研究内容
１）设计完成ＹＫ５１２０型数控插齿机机械结构； ２）建立了数控插齿机的三维模型，并对其进行了运动仿真和干涉检验； ３）以多体系统运动学理论为基础，对数控插齿机的精度和齿轮加工误差进 行了分析与仿真； ４）应用有限元软件，对数控插齿机的各阶固有频率及振型进行了分析。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：
签字日期：哗年，月，卫日
刷醛轹弦峻
签字日期： 口乎年，月，上日
第一章绪 论
第一章绪论 １．１ ＹＫ５１２０型数控插齿机简介
ＹＫ５１２０型数控插齿机主要加工内外直齿圆柱齿轮及各种形状的直齿非圆 齿轮和凸轮，圆柱齿轮加工精度为６级（ＧＢｌ００９５－－８８），齿面糈糙度可达Ｒａ３．２。 图１－１所示为数控插齿机的产品图。
下同2回转误差对y轴的角误差分量取o002tady2mm图47b工件回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图3回转误差对z轴的角误差分量取o002radx2csad图47c工件回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图第四章ykd5120型数控插齿机精度分析4回转误差对x轴的线误差分量取005ram圈47d工件吲转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图5回转误差对y轴的线误差分量取o05mmx2rad图47e丁件回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果闰6回转误差对z轴的线误差分量取005mmy2mm02tad图47f工件回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图第四章ykd5120型数控插齿机精度分析刀具的回转误差1回转误差对x轴的角误差分量取0002tad髑48a刀具回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图2回转误差对y轴的角误差分量取0002tadmmx2rad8b刀具回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图3回转误差对z轴的角误差分量取0002tadmm
第三，应用多体系统精度分析方法，定量分析数控插齿机床的加工精度。 并考虑控制与驱动系统对机械系统的影响。
第四，建立数控插齿机机床系统多体动力学模型，以描述系统的总体特征。 从单元至系统进行分析，包括机床结构件，导轨，驱动系统，控制器及其相互
之间的耦合作用。
第五，系统仿真：基本单元模型仿真分析，包括：时域分析、频域分析和 模型转换。
轮加工的相关技术具有很大的理论和现实意义。 插齿是一种常用的齿轮加工方法，可以加工直齿轮、内齿轮等。
本文针对插齿机数控化中的关键技术，以数控插齿机为研究对象， 做了以下研究工作：
ｌ设计完成ＹＫ５１２０型数控插齿机机械结构； ２建立了数控插齿机的三维模型，并对其进行了运动仿真和干
涉检验；
３以多体系统运动学理论为基础，对数控插齿机的精度和齿轮
１６０＿－２３０毫米
插齿刀冲程最大长度：７０毫米
工作台台面直径：３４５毫米
刀具冲程数：２５０－－９００次／分。
圆周进给量：（无级）正常使用０．０２—２．５毫米／冲程
径向进给量：（无级）正常使用０．Ｏｌ一０．１毫米／冲程
控制系统：三菱公司Ｍ５０Ｍ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＮＣ，ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ，ｇｅａｒ ｅｒｒｏｒ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文
中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得—云 洼太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并
１ ＮＣ ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ＹＫ５ １ ２０ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． １ Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＮＣ ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ｉｓ ｂｕｉｌｔ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｏｆＮＣ ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．
１．３研究思路及主要内容
１．３．１研究思路
第一，建立虚拟样机软件框架，基于ＰＲＯ／Ｅ工程化软件实现精确逼真的图 形显示功能，在已有商业化软件基础上，开发可视化子系统。用逼真的图形表 示虚拟样机及其运行结果，能实时表示系统部件及内部的物理运动或虚拟模型。
第二，在多体系统动力学分析方面，采用低序单元阵列描述多体系统拓扑 结构与系统特性，即将系统的各体、连接构造、不确定性特性单元以独立单元 形式描述，并采用阵列而非矩阵构成系统总体信息，以改进数值解算的计算效 率。以偏速度阵列和偏角速度阵列形成易于计算机程式化的系统运动学参量和 约束描述的基本模块，并引入对偶矩阵，将变换矩阵的求导运算转化为矩阵相 乘形式。基于凯恩方程建立虚拟样机动力学模型，并进行求解。
第一章绪 论
图１—２插齿机简图
固１—３运动简图
１．２课题研究豹技术背景
按照传统的设计模式，新产品的研发通常要经过概念设计、产品设计、 样机试制、工业性试验、改进定型和批量性生产几个步骤。由于这种基于 物理样机的设计研发模式具有成本高、开发周期长，物理样机反复性试验 不够充分，加上设计人员通常不愿为修改局部而给整机造成不可预知的结
ｌｏａｄｉｎｇｓ，ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｌｉｆｅ，ｓｔａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ，
ｃｏｍｐａｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｔｃ．Ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｉｔｓ ｆｏｒｍ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｇｅａｒｓ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｏｎｅ ｏｆ ｓｙｍｂｏｌ ｏｆ ｍｏｄｅｍ
本机床为数控插齿机，特别适用于单件和小批生产，也适用于大批量生产。 本机床可广泛应用于汽车、拖拉机、飞机、仪表等行业。
２．２机床的技：２５０毫米
内齿：１２０＋刀具直径毫米
最大加工齿宽：６０毫米
刀轴轴心线至工作台主轴轴心线的移动距离：一６０—２２０毫米
插齿刀支承端面至工作台台面的距离：
ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ａ ｃｏｕｎｔｒｙ，ａｎｄ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｏｔｓｐｏｔ ｉｎ ａｃａｄｅｍｅ
ｔｏｏ．Ｔｈｕｓ，ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ａｎｄ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ
ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｇｅａｒｓ．
表示了谢意。
学位论文作者签名：憋签字日期： 。牛年／月，２日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解云洼太坐有关保留、使用学位论 文的规定。特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编
入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘。
齿轮是机械制造业中的关键传动零部件，其制造工艺水平和产品质量直接 影响各类机械的总成质量。以应用最为广泛的直齿圆柱齿轮加工为例，因为 该种齿轮广泛应用于汽车、飞机、工程机械等各种机械传动上而随着整机 水平要求的不断提高，对齿轮传动的运动准确性、传动平稳性、承载分部 的均匀性都提出越来越高的要求。但是由于齿轮副的传动啮合理论的复杂 性，决定着齿轮加工机床的机床传动结构比其它任何金属切削机床都要复 杂，而且精度要求很高。从数量上说，我国是仅次子德国的齿轮机床生产大国。 但是，我国齿轮机床的产品数控化率极低，目前制造的数控齿轮机床占齿轮机 床总比例小于１％，其中插齿机是该种齿轮的主要加工装备。近年来，国内 外数控插齿机新产品的迅猛发展，正是适应对齿轮传动高质量要求的必然 趋势。天津第一机床总厂是我国能生产数控插齿机的主要工厂，近年多种 规格数控插齿机的研制成功实现了对传统机械传动插齿机的根本变革。但 从目前的研究状况来看，国内外采用这种数控型设计复现传统机械式齿轮 机床的运动，只是减少了机械传动环节。数控齿轮机床只能加工出与传统
Ｇｅａｒ ｓｈａｐｉｎｇ ｉｓ ａ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｐｕｒ ｇｅａｒ，ｉｎｔｅｒｎａｌ
ｇｅａｒｓ，ｅｔｃ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔａｋｉｎｇ ＮＣ
ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ｓｏｍｅ ｉｓｓｕｅｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．
加工误差进行了分析与仿真； ４应用有限元软件，对数控插齿机的各阶固有频率及振型进行
了分析。
关键词：数控插齿机设计齿轮误差仿真多体系统
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｇｅａｒ ｉＳ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ，ｈｅａｖｙ
图１—１ ＹＫ５１２０数控插齿机
数控插齿机在加工过程中从执行部件的动作分解，主要有以下五个运动： 插齿川往复运动（主运动）、插齿刀回转运动、工作台主轴回转运动、工作台部 件径向迸给运动、刀架部件让刀运动。机床系三轴数控插齿机，即：工作台部 件径向迸给运动、工作台主轴回转运动、插齿刀回转运动均可实现数控轴控制， 这三个运动形成齿轮的渐开线齿廓。另外，插齿刀往复运动产生齿轮齿面，刀 架部件让刀运动不参与齿廓、齿面的形成，但是让刀归位的误差对齿面的加工 精度产生影响。图ｌ一２及图ｌ一３所示为数控插齿机及运动简图。
第一章绪 论
果，从而严重影响产品质量的提高和具有自主知识产权的新品开发。虚拟 样机技术为解决这些问题提供了强有力的工具和手段。虚拟样机技术是以 机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，将ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＰＤＭ技术， 在整机系统下进行集成，提供一个全新的整机系统研发的设计方法。当今 虚拟样机技术在发达国家已经得到较为广泛的应用。最有影响的虚拟样机 开发工具为美国机械动力学公司的ＡＤＡＭＳ软件。该软件广泛应用于汽车工 程、航空航天、工程机械、通用机械等领域。但需要指出的是，目前，虚 拟样机开发工具（以ＡＤＡＭＳ软件为例）主要完成整体运动干涉检验、动态 演示、部件动态特性分析等初步工作。而新一代虚拟样机开发工具的目标 应该是实现功能化虚拟样机技术，即真实模拟实际样机的开发和功能测 试，更为有效替代物理样机设计与制作过程。因此，结合具体的工程产品 对象，例如本文所研究的数控插齿机，研制新一代虚拟样机开发工具核心 技术，对于实现制造业信息化具有重要意义。
第一章绪 论
机床一样的齿面，没有发挥出数控技术的全部优越性。为了更充分应用信 息化技术所提供的数字化设计，通过本文研究，齿轮机床实现数控化以提 高机床性能的同时，进一步提高所加工齿轮副的传动性能是最终目的。
此外，传统齿轮机床复杂的传动设计迫使其采用多种机床结构形式、复杂 调整计算来适应市场多品种、小批量的齿轮加工要求。因此，各种类型齿轮机 床形成批量化生产受到一定制约。随着市场对齿轮加工要求向高精度、高效率、 柔性化方向发展，特别是中国加入ＷＴＯ后，国外齿轮机床对国内市场的冲击将 直接威胁中国齿轮机床业的生存和发展，因此，齿轮机床数控化是实现齿轮机 床产业化、占领齿轮机床市场、抵御国外生产厂冲击的唯一途径。
天津大学 硕士学位论文 YK5120数控插齿机设计与研究 姓名：柴宝连 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：王树新;王树勋
20031201
摘要
齿轮是机械工业中重要的基础传动元件，具有恒功率输出、承 载能力大、传动效率高、使用寿命长、传动比稳定、结构紧凑等优 点。由于齿轮在机械传动中的重要作用及其形状的复杂性，它的设 计、制造水平已成为一个国家现代工业技术水平的标志之一，也是 各国学术界和企业界关注和研究的热点所在。因此，研究齿轮及齿
第二章 ＹＫ５１２０型数控插齿机的设计原理及主要结构
第二章 ＹＫ５１ ２０型数控插齿机的设计原理及主要结构
２．１机床的用途和使用范围
本机床主要用于加工圆柱齿轮和多种平板形非圆齿轮；当采用不带齿的圆 形光刀，还可加工各种平板形凸轮：采用特殊形状的刀具，还可加工多种齿轮 结合子和渐开线花键；如附加螺旋导轨，还可加工斜齿圆柱齿轮；附加顶尖座 还可加工轴齿轮；如改用可倾斜角度的工作台，还可加工锥度齿圆柱齿轮；通 过改变机床相应机构还可加工鼓形齿轮。
２ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｂｏｄｙ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ
ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｇｅａｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ。
３ Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ仔ｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｍｏｄｅ ｏｆＮＣ ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．
第一章绪 论
第六，将研究成果应用于数控插齿机的设计中，指导数控插齿机的性能提
高和改进。
１．３．２课题研究内容
１）设计完成ＹＫ５１２０型数控插齿机机械结构； ２）建立了数控插齿机的三维模型，并对其进行了运动仿真和干涉检验； ３）以多体系统运动学理论为基础，对数控插齿机的精度和齿轮加工误差进 行了分析与仿真； ４）应用有限元软件，对数控插齿机的各阶固有频率及振型进行了分析。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：
签字日期：哗年，月，卫日
刷醛轹弦峻
签字日期： 口乎年，月，上日
第一章绪 论
第一章绪论 １．１ ＹＫ５１２０型数控插齿机简介
ＹＫ５１２０型数控插齿机主要加工内外直齿圆柱齿轮及各种形状的直齿非圆 齿轮和凸轮，圆柱齿轮加工精度为６级（ＧＢｌ００９５－－８８），齿面糈糙度可达Ｒａ３．２。 图１－１所示为数控插齿机的产品图。
下同2回转误差对y轴的角误差分量取o002tady2mm图47b工件回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图3回转误差对z轴的角误差分量取o002radx2csad图47c工件回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图第四章ykd5120型数控插齿机精度分析4回转误差对x轴的线误差分量取005ram圈47d工件吲转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图5回转误差对y轴的线误差分量取o05mmx2rad图47e丁件回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果闰6回转误差对z轴的线误差分量取005mmy2mm02tad图47f工件回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图第四章ykd5120型数控插齿机精度分析刀具的回转误差1回转误差对x轴的角误差分量取0002tad髑48a刀具回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图2回转误差对y轴的角误差分量取0002tadmmx2rad8b刀具回转误差分量对齿轮齿形影响的仿真效果图3回转误差对z轴的角误差分量取0002tadmm
第三，应用多体系统精度分析方法，定量分析数控插齿机床的加工精度。 并考虑控制与驱动系统对机械系统的影响。
第四，建立数控插齿机机床系统多体动力学模型，以描述系统的总体特征。 从单元至系统进行分析，包括机床结构件，导轨，驱动系统，控制器及其相互
之间的耦合作用。
第五，系统仿真：基本单元模型仿真分析，包括：时域分析、频域分析和 模型转换。
轮加工的相关技术具有很大的理论和现实意义。 插齿是一种常用的齿轮加工方法，可以加工直齿轮、内齿轮等。
本文针对插齿机数控化中的关键技术，以数控插齿机为研究对象， 做了以下研究工作：
ｌ设计完成ＹＫ５１２０型数控插齿机机械结构； ２建立了数控插齿机的三维模型，并对其进行了运动仿真和干
涉检验；
３以多体系统运动学理论为基础，对数控插齿机的精度和齿轮
１６０＿－２３０毫米
插齿刀冲程最大长度：７０毫米
工作台台面直径：３４５毫米
刀具冲程数：２５０－－９００次／分。
圆周进给量：（无级）正常使用０．０２—２．５毫米／冲程
径向进给量：（无级）正常使用０．Ｏｌ一０．１毫米／冲程
控制系统：三菱公司Ｍ５０Ｍ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＮＣ，ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ，ｇｅａｒ ｅｒｒｏｒ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文
中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得—云 洼太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并
１ ＮＣ ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ＹＫ５ １ ２０ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． １ Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＮＣ ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ｉｓ ｂｕｉｌｔ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｏｆＮＣ ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．
１．３研究思路及主要内容
１．３．１研究思路
第一，建立虚拟样机软件框架，基于ＰＲＯ／Ｅ工程化软件实现精确逼真的图 形显示功能，在已有商业化软件基础上，开发可视化子系统。用逼真的图形表 示虚拟样机及其运行结果，能实时表示系统部件及内部的物理运动或虚拟模型。
第二，在多体系统动力学分析方面，采用低序单元阵列描述多体系统拓扑 结构与系统特性，即将系统的各体、连接构造、不确定性特性单元以独立单元 形式描述，并采用阵列而非矩阵构成系统总体信息，以改进数值解算的计算效 率。以偏速度阵列和偏角速度阵列形成易于计算机程式化的系统运动学参量和 约束描述的基本模块，并引入对偶矩阵，将变换矩阵的求导运算转化为矩阵相 乘形式。基于凯恩方程建立虚拟样机动力学模型，并进行求解。
第一章绪 论
图１—２插齿机简图
固１—３运动简图
１．２课题研究豹技术背景
按照传统的设计模式，新产品的研发通常要经过概念设计、产品设计、 样机试制、工业性试验、改进定型和批量性生产几个步骤。由于这种基于 物理样机的设计研发模式具有成本高、开发周期长，物理样机反复性试验 不够充分，加上设计人员通常不愿为修改局部而给整机造成不可预知的结
ｌｏａｄｉｎｇｓ，ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｌｉｆｅ，ｓｔａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ，
ｃｏｍｐａｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｔｃ．Ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｉｔｓ ｆｏｒｍ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｇｅａｒｓ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｏｎｅ ｏｆ ｓｙｍｂｏｌ ｏｆ ｍｏｄｅｍ
本机床为数控插齿机，特别适用于单件和小批生产，也适用于大批量生产。 本机床可广泛应用于汽车、拖拉机、飞机、仪表等行业。
２．２机床的技：２５０毫米
内齿：１２０＋刀具直径毫米
最大加工齿宽：６０毫米
刀轴轴心线至工作台主轴轴心线的移动距离：一６０—２２０毫米
插齿刀支承端面至工作台台面的距离：
ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ａ ｃｏｕｎｔｒｙ，ａｎｄ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｏｔｓｐｏｔ ｉｎ ａｃａｄｅｍｅ
ｔｏｏ．Ｔｈｕｓ，ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ａｎｄ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ
ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｇｅａｒｓ．
表示了谢意。
学位论文作者签名：憋签字日期： 。牛年／月，２日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解云洼太坐有关保留、使用学位论 文的规定。特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编
入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘。
齿轮是机械制造业中的关键传动零部件，其制造工艺水平和产品质量直接 影响各类机械的总成质量。以应用最为广泛的直齿圆柱齿轮加工为例，因为 该种齿轮广泛应用于汽车、飞机、工程机械等各种机械传动上而随着整机 水平要求的不断提高，对齿轮传动的运动准确性、传动平稳性、承载分部 的均匀性都提出越来越高的要求。但是由于齿轮副的传动啮合理论的复杂 性，决定着齿轮加工机床的机床传动结构比其它任何金属切削机床都要复 杂，而且精度要求很高。从数量上说，我国是仅次子德国的齿轮机床生产大国。 但是，我国齿轮机床的产品数控化率极低，目前制造的数控齿轮机床占齿轮机 床总比例小于１％，其中插齿机是该种齿轮的主要加工装备。近年来，国内 外数控插齿机新产品的迅猛发展，正是适应对齿轮传动高质量要求的必然 趋势。天津第一机床总厂是我国能生产数控插齿机的主要工厂，近年多种 规格数控插齿机的研制成功实现了对传统机械传动插齿机的根本变革。但 从目前的研究状况来看，国内外采用这种数控型设计复现传统机械式齿轮 机床的运动，只是减少了机械传动环节。数控齿轮机床只能加工出与传统
Ｇｅａｒ ｓｈａｐｉｎｇ ｉｓ ａ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｐｕｒ ｇｅａｒ，ｉｎｔｅｒｎａｌ
ｇｅａｒｓ，ｅｔｃ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔａｋｉｎｇ ＮＣ
ｇｅａｒ ｓｈａｐｅｒ ａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ｓｏｍｅ ｉｓｓｕｅｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．
加工误差进行了分析与仿真； ４应用有限元软件，对数控插齿机的各阶固有频率及振型进行
了分析。
关键词：数控插齿机设计齿轮误差仿真多体系统
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｇｅａｒ ｉＳ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ，ｈｅａｖｙ
图１—１ ＹＫ５１２０数控插齿机
数控插齿机在加工过程中从执行部件的动作分解，主要有以下五个运动： 插齿川往复运动（主运动）、插齿刀回转运动、工作台主轴回转运动、工作台部 件径向迸给运动、刀架部件让刀运动。机床系三轴数控插齿机，即：工作台部 件径向迸给运动、工作台主轴回转运动、插齿刀回转运动均可实现数控轴控制， 这三个运动形成齿轮的渐开线齿廓。另外，插齿刀往复运动产生齿轮齿面，刀 架部件让刀运动不参与齿廓、齿面的形成，但是让刀归位的误差对齿面的加工 精度产生影响。图ｌ一２及图ｌ一３所示为数控插齿机及运动简图。
第一章绪 论
果，从而严重影响产品质量的提高和具有自主知识产权的新品开发。虚拟 样机技术为解决这些问题提供了强有力的工具和手段。虚拟样机技术是以 机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，将ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＰＤＭ技术， 在整机系统下进行集成，提供一个全新的整机系统研发的设计方法。当今 虚拟样机技术在发达国家已经得到较为广泛的应用。最有影响的虚拟样机 开发工具为美国机械动力学公司的ＡＤＡＭＳ软件。该软件广泛应用于汽车工 程、航空航天、工程机械、通用机械等领域。但需要指出的是，目前，虚 拟样机开发工具（以ＡＤＡＭＳ软件为例）主要完成整体运动干涉检验、动态 演示、部件动态特性分析等初步工作。而新一代虚拟样机开发工具的目标 应该是实现功能化虚拟样机技术，即真实模拟实际样机的开发和功能测 试，更为有效替代物理样机设计与制作过程。因此，结合具体的工程产品 对象，例如本文所研究的数控插齿机，研制新一代虚拟样机开发工具核心 技术，对于实现制造业信息化具有重要意义。