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1、 毕业设计文献综述 季明星作者：季明星序言本文主要阐述通过分析齿轮刀具CAD的应用对象及功能要求，提出了面向对象的齿轮刀具CAD系统的总体设计方案及功能模块划分，讨论了齿轮刀具CAD系统的关键技术及解决方案。1CAD系统的发展状况随着CAD基础理论和应用技术的不断发展，对CAD系统的功能要求也越来越高。设计人员不再仅仅满足于借助CAD系统来达到“甩图版”的目的，而是希望CAD系统能从本质上减轻大量简单繁琐的工作量，使他们能集中精力于那些富有创造性的高层次思维活动。由于三维CAD系统具有可视化程度高、形象直观、设计效率高，以及能为企业数字化的各类应用环节提供完整的设计、工艺和制造信息等优势，目前
2、正在逐步取代传统的纯二维CAD系统以及传统的设计。CAD系统利用计算机编程的方式，进行模型的参数化设计，减少了劳动量，缩短了设计周期，提高了生产效率。2现代CAD系统提供的辅助功能2.1轮廓的参数化设计参数化的轮廓及路径的设计方法被称为草绘。所生成的轮廓和路径一般用于零件的实体造型。零件的大部分尺寸是在草绘过程中产生的，这些尺寸在产品设计的各个阶段都能修改。尺寸修改以后，零件的形状将随之改变。设计人员可以在草绘模块中体现自己的设计思想。草绘是先进CAD系统的基本功能，草绘与零件造型往往是密不可分的。2.2零件造型零件造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。设计人员可以根据自己的设想将零件从计
3、算机中逐步“制作”出来。在制作过程中，设计人员可以从各个角度观察具有真实感的零件造型。如果对模型不满意，可以立即修改零件造型。先进的CAD系统都提供参数化的基于特征的实体造型方法。2.3曲面造型曲面造型提供了在计算机中生成、编辑自由曲线和曲面的方法，比采用石膏造型更快速、更精确、效果更好。2.4装配造型装配造型能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配。通过装配造型可以发现由于设计不当在实际装配时可能出现的问题，如间隙过小或过大、零件之间的干涉等。装配造型还能够提供产品的外观效果图和反映装配关系的零件散开分布的爆炸图。2.5工程图生成大型CAD系统均提供了很强的生成工程图的能力，其目的是生成符合标
4、准的工程图纸。同样是生成工程图纸，计算机辅助设计的工程图生成方法与计算机辅助绘图有很大的差异。先进的CAD系统根据零件和装配造型自动生成投影图、辅助图、剖面图和局部视图，自动标注尺寸，其工程图样与零件造型密切相关。如果改变了图纸中的尺寸，相关零件的造型尺寸也将随之改变，图纸中的线条长度和位置也将反映这种变化，从而保证能够对设计进行快速、一致的修改。2.6数据交换功能数据交换功能提供与其他设计自动化系统之间的各种标准数据交换。其主要交换标准有IGES、SET、STEP、DXF等。交换内容包括二维图形、三维模型、三维线框模型、三维曲面模型、任意形状曲面、光栅图像、特征、表面和公差信息等。2.7二次
5、开发二次开发是CAD系统向用户提供的开发工具。由于机械产品的用途多种多样，任何强大的CAD系统都不可能向用户提供各种具体产品的完善的解决方案。提供二次开发工具的目的是让用户将自己或者第三方编写的程序集成到CAD系统中。大部分CAD系统都提供C语言等的子程序库。利用这些子程序提供的函数和方法可以调用CAD系统内部命令，直接存取CAD内部数据库。2.8标准件库大多数CAD系统均提供通用标准零件和特征的扩展库。用户可以很方便地选取标准特征或零件，并将它们组合进零件或部件的设计中。2.9有限元前处理有限元前处理提供了在现有实体模型和薄壁模型上自动生成有限元网格的能力。也就是说它自动地将实体模型划分成有
6、限元网格，以便进行有限元分析。2.10有限元后处理有限元后处理提供了对有限元分析结果的直观显示和输出能力。2.11叠层复合材料2.12注塑模具设计2.13数控加工数控加工功能用于产生加工工序规划、刀具路径轨迹并能根据加工工序做出时间及成本估计。数控加工能将加工工序规划与设计造型连接起来，任何设计上的修改都能将已做过的生产上的程序和加工过程自动更新，而无需用户专门修正。用户可以采用参数化的方法定义数控刀具路径，进一步对这些信息作后期处理，产生驱动NC设备所需的数控编码。常见数控加工方式有铣削加工、车削加工、线切割、电火花加工、分步冲裁、钻床加工等。2.14加工过程仿真加工过程仿真提供图像界面，对
7、铣削加工及钻床加工操作所产生的物料作模拟清除。用户选定的工具会依照预先定义的切削路径移动，用户可以清楚看到物料清除的进度。工件、刀具、夹具及工具路径一目了然。2.15钣金设计2.16电缆设计2.17其他功能大型CAD系统所提供的功能模块还很多。有些是为系统服务的，如打印管理；有些则是不同系统提供商的特有功能，如测试数据分析等。3齿轮刀具CAD系统设计概述齿轮刀具设计是以齿轮啮合原理为计算依据，根据已知齿轮参数进行刀具设计或根据已有刀具对齿轮的加工工艺性进行检验。采用传统的手工设计方法设计齿轮刀具时，计算量比较大，计算的过程也繁琐；当设计的结果不能满足设计要求时，重新计算耗费时间和精力，而且易于
8、出错；由于齿轮刀具设计中涉及到齿轮啮合原理的复杂理论及公式，因此对设计人员的专业技术水平要求比较高。此外，齿轮刀具制造周期长，制造成本高。齿轮刀具设计中，CAD技术的引入，提高了设计的效率，缩短了设计周期、保证设计结果的可靠性，从而对提高齿轮加工水平具有重要的意义。4齿轮刀具CAD的应用对象及功能要求 4.1齿轮刀具CAD的应用对象根据齿轮齿形及加工方法的不同，齿轮刀具的种类及形式较多，其中最常用的基本刀具为滚刀和插齿刀。常用的滚刀类型有：普通齿轮滚刀、单双圆弧齿轮滚刀、矩形花键滚刀、渐开线花键滚刀、剃前滚刀、普通蜗轮滚刀、双导程蜗轮滚刀、圆弧齿蜗轮滚刀、蜗轮飞刀等；常用的插齿刀类型有内、外啮
9、合直齿插齿刀、剃前插齿刀、斜齿插齿刀等。4.2齿轮刀具CAD的功能要求齿轮刀具的主要功能要求有：（1）齿形参数设计计算根据加工齿形参数对工件几何尺寸进行校验，然后进行刀具齿形参数及加工工艺参数设计，得出一组符合要求的刀具齿形参数。（2）刀具结构参数和基本尺寸设计在保证加工工艺性（刀具在展切齿形时不与工件其它部件发生干涉）的前提下，选择标准规定或推荐的刀具结构形式，确定刀具结构参数和基本尺寸，并保证刀具具有足够的刚度和强度。（3）刀具齿形图和刀具展切齿形图的校验及绘制刀具齿形放大图可用于刀具样板或检验样板的设计，为刀具齿形加工及检验提供依据；刀具展切工件的图形及数据可用于分析刀具齿形参数设计的合
10、理性以及刀具共轭齿形相对理论齿形的误差，或用于评价某一具体齿轮刀具对特定工件的加工工艺性。（4）刀具制造图的自动生成刀具齿形及结构参数设计完毕后，可自动绘制出刀具制造图，提供刀具加工使用及设计资料存档。（5）刀具技术条件的自动查询在刀具制造图上必须依据有关标准和设计准则标注出刀具制造、验收的技术条件及要求。图1 CAD系统的功能设置5齿轮刀具CAD系统的总体设计方案及功能模块划分5.1系统总体设计方案齿轮刀具CAD系统应以有关国家标准和行业标准为设计准则，以齿轮啮合原理及传动理论为设计依据。进行系统的总体规划分析时，首先应将应用对象抽象为最基本、最普遍的形式，建立系统的基本框架，然后在此基础上
11、根据具体刀具设计的特定需要对设计方案进行变化及扩展。为此，所建系统应具有良好的可扩展性和易维护性。由于齿轮刀具CAD技术是将刀具设计计算、分析、数据库管理及计算图形处理技术融为一体的综合性技术，因此系统的总体设计方案应保证系统内部参与设计计算的数据流动畅通，使模块间的耦合性最小，保证用户的界面双向信息的正常流动。根据上述设计原则建立的齿轮刀具CAD系统总体框架如图所示：5.2系统功能模块划分设计系统功能模块时，首先应根据系统总体框架对系统功能进行分解。各功能模块的划分应充分考虑实际应用需要，将模块全面细化，最大限度地减少模块间的耦合性，增强软件的可移植性、可扩充性和可维护性。根据系统总体规划和
12、模块规划分原则，可将系统分成四个主要模块：（1）用户界面管理模块该模块包括系统菜单、视窗及各类对话框等，主要功能为管理刀具设计时的人机交互信息交流，其有效性对设计质量及效率有直接影响。（2）刀具设计分析模块该模块为系统的关键核心模块，主要功能是根据齿轮啮合原理和传动理论进行齿轮刀具参数设计和分析等。根据刀具设计要求，该模块又可细化为齿形参数设计计算子模块，刀具结构参数和基本尺寸设计子模块、刀具齿形分析，刀具齿形分析和加工工艺性分析子模块和刀具制造图绘图子模块。（3）数据库管理模块该模块主要功能为管理在设计计算、分析过程中产生的大量设计数据及需调用的刀具设计手册数据。利用数据库技术管理设计数据可
13、提高管理效率，方便程序设计，使程序结构简洁、明了，便于系统维护及扩展。（4）刀具加工图纸绘制模块该模块可根据设计计算出的刀具齿形参数和结构参数绘制出刀具加工图纸，供刀具加工使用和设计资料存档。通过数据库管理模块可查找出齿轮刀具加工的技术要求及相关数据填写在刀具加工图中，为生产、检验提供依据。6齿轮刀具的CAD关键技术及解决方案6.1齿轮啮合、传动原理与CAD技术的结合、应用在齿轮刀具设计中，需要涉及大量齿轮啮合原理及传动理论方面的知识，如进行齿形设计计算时，需要利用齿轮传动理论中的齿轮几何参数计算公式和准则；进行齿轮刀具齿形分析和加工工艺性分析时，需要利用齿轮啮合原理对刀具展切工件的过程进行分
14、析。CAD技术与设计理论及实际应用紧密结合，才可实现面向应用对象的功能设计。例如进行刀具齿形分析和加工工艺性分析时，系统除计算齿轮几何尺寸外，还应能计算刀具齿形坐标并将刀具齿形绘制成图；系统应能分析及记录刀具展切工件的过程，以检验刀具齿形设计的合理性；系统应能根据工件齿形计算刀具齿形，以满足不同使用场合的需要。下面以渐开线齿轮滚刀为例说明设计原理及方法：（1）求渐开线齿形点坐标并绘图根据渐开线上任意一点的坐标公式进行计算，计算时应首先确定计算的点数，然后从齿顶圆开始循环计算。每次计算一点坐标时需将该点对应的直径值与基圆直径进行比较，如该点对应的直径值已小于基圆直径值，则跳出循环结束计算，否则继
15、续进行计算，直至循环结束。计算结束后将计算点坐标值保存为一数据文件，利用界面管理模块可绘制出刀具齿形。（2）根据刀具齿形分析刀具展切工件齿形建立图形2所示坐标系。将刀具齿廓与坐标系S1（）固连，工件与坐标系S2固连，刀具展切工件齿形时刀具的瞬心线与固定坐标系S的x轴重合。图2 刀具展切工件的坐标变换根据齿轮啮合原理可知，工件转动a角时，刀具移动量为ra。通过坐标变换可将刀具齿形坐标变换到工件坐标系中。同时可利用啮合原理求出刀具的共轭齿形坐标，并绘制出坐标图。（3）根据工件齿形设计刀具齿形当工件齿形较特殊时，采用常规方法设计刀具齿形相当困难。利用齿轮刀具CAD系统则可较方便地解决这一问题，如磨前齿轮滚刀的齿形设计既可保证滚切的齿槽深度及齿侧加工余量，又可保证齿根过切量不至影响齿根抗弯强度，并可最大限度地减小齿根应力集中。根据齿轮啮合原理求解共轭齿廓的方法主要有运动学法、齿廓法线法等。运动学法对于变速比传动啮合方程的求解比较方便。而齿轮的传动速度比固定，其啮合节点位于连心线上的固定位置，因此采用齿廓法求解比较方便。与根据刀具齿形分析刀具展切工件齿
