張建良，張 虎，丁 爽

(1.江陰市華方新能源高科設(shè)備有限公司，江蘇 江陰 204404;2.南京工大數(shù)控科技有限公司，江蘇 南京 211800；3.揚州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

TI蝸桿傳動副指漸開線斜齒輪包絡(luò)環(huán)面蝸桿與漸開線斜齒輪配合的傳動副，具有多齒對同時接觸、承載能力大、潤滑狀態(tài)好等特點[1]。TI蝸桿傳動廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、太陽能發(fā)電追光裝置中。但TI蝸桿軸截面齒形并不是規(guī)則的曲線，實現(xiàn)TI蝸桿的數(shù)控編程加工困難，需要開發(fā)專用的CAM軟件以便企業(yè)生產(chǎn)制造。王麗等[2]進(jìn)行了TI蝸桿傳動的參數(shù)化建模，淮妮等[3]基于Pro/E軟件實現(xiàn)了蝸桿的參數(shù)化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上可對蝸桿進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃。朱景梓等[4]很早提出了TI蝸桿的銑削加工方法，但銑削加工效率較低，無法滿足大批量生產(chǎn)要求。孫月海等[5]針對硬齒面齒輪提出了精確磨削單包絡(luò)TI蝸桿的方法。Chen等[6]提出了TI蝸桿精密車削方法。本文針對TI蝸桿的精密數(shù)控車削流程，設(shè)計了文件管理、工件參數(shù)、刀具參數(shù)、工藝參數(shù)、機(jī)床參數(shù)等模塊，開發(fā)了TI蝸桿數(shù)控車削CAM軟件。輸入工件參數(shù)后，能夠?qū)崿F(xiàn)TI蝸桿數(shù)控車削程序自動化輸出，極大地提高了企業(yè)車削不同規(guī)格TI蝸桿的效率。

1 CAM軟件設(shè)計

1.1 軟件架構(gòu)

TI蝸桿CAM軟件包括文件管理模塊、工件參數(shù)模塊、刀具參數(shù)模塊、工藝參數(shù)模塊以及機(jī)床參數(shù)模塊，基本架構(gòu)如圖1所示。文件管理模塊具有項目載入、項目保存以及保存路徑設(shè)置功能；工件參數(shù)模塊主要提供工件參數(shù)輸入、蝸桿齒面計算、齒輪嚙合狀態(tài)圖示以及蝸桿齒面圖示功能，可以讓用戶直觀地觀察蝸桿的幾何特征，輔助分析蝸桿參數(shù)是否恰當(dāng)；機(jī)床參數(shù)模塊可以讓用戶根據(jù)實際情況選擇車床結(jié)構(gòu)配置和數(shù)控系統(tǒng)，從而在程序輸出模塊能夠輸出與實際機(jī)床相匹配的車削程序；刀具參數(shù)模塊提供了刀具參數(shù)輸入、添加以及刪除刀具和刀具幾何顯示功能；工藝參數(shù)模塊具有主程序輸出、粗車參數(shù)確定、蝸桿齒面重構(gòu)、半精車參數(shù)確定、精車參數(shù)確定以及子程序輸出功能。

圖1 TI蝸桿數(shù)控車削CAM軟件架構(gòu)

1.2 圖形用戶界面

為了使工程師和操作人員能夠有效、方便地使用所開發(fā)的CAM軟件，針對每個功能模塊設(shè)計了圖形用戶界面。圖2為文件管理界面，用戶針對某一型號的TI蝸桿進(jìn)行參數(shù)輸入、程序輸出后，可對項目文件進(jìn)行保存，打開項目文件后各工件參數(shù)、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)以及工藝參數(shù)能夠自動填充，無需用戶再次輸入界面，方便用戶重復(fù)利用數(shù)據(jù)。

圖2 文件管理界面

圖3為工件參數(shù)輸入及蝸桿齒面計算界面，界面左側(cè)由用戶輸入工件名稱、蝸桿模數(shù)、蝸桿頭數(shù)、齒輪齒數(shù)、中心距、壓力角等基本參數(shù)，依次點擊界面右側(cè)保存參數(shù)、繪制齒輪廓形、螺旋角分析、嚙合計算等功能按鈕，即可實現(xiàn)對應(yīng)的功能，建立TI蝸桿齒面數(shù)字模型。利用齒輪嚙合狀態(tài)圖和蝸桿曲面圖功能按鈕，用戶可直觀地觀察蝸桿齒面數(shù)字模型。利用蝸桿毛坯功能按鈕可輸出.sor格式的毛坯三維模型，供仿真切削驗證用。

圖3 工件參數(shù)輸入及蝸桿齒面計算界面

圖4為機(jī)床參數(shù)界面，供用戶選擇車床結(jié)構(gòu)配置及相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)。

圖4 機(jī)床參數(shù)界面

圖5為刀具參數(shù)界面，用戶可輸入刀號、刀頭寬度以及刀尖圓弧半徑等刀具參數(shù)，并對刀具進(jìn)行添加和刪除操作，在粗車、半精車及精車工序中調(diào)用刀號即可載入刀具數(shù)據(jù)。

圖5 刀具參數(shù)界面

圖6為粗車工序界面，可以選擇粗車刀具，定義TI蝸桿單側(cè)齒槽數(shù)、粗車余量、徑向加工層數(shù)、粗加工程序名等參數(shù)，對粗車軌跡進(jìn)行計算，并提供可視化粗車軌跡功能，輔助檢驗粗車軌跡，最后是粗車程序的輸出功能。

圖6 粗車工序界面 圖7 半精/精車工序界面 圖8 某型號TI蝸桿基本參數(shù)輸入和計算結(jié)果

圖7為半精/精車工序界面，左側(cè)界面參數(shù)提供重建蝸桿齒面功能，為精加工提供精確模型，右側(cè)界面分別對應(yīng)半精加工和精加工的刀具選擇、加工層數(shù)確定、離散點數(shù)確定、加工余量及程序名等數(shù)據(jù)接口，并提供對應(yīng)的程序輸出功能。

2 驗證案例及實驗

基于開發(fā)的CAM軟件工具，可以根據(jù)TI蝸桿圖紙輸入相應(yīng)的工件參數(shù)、刀具參數(shù)、機(jī)床參數(shù)以及工藝參數(shù)，使用功能按鈕進(jìn)行對應(yīng)操作，實現(xiàn)TI蝸桿的數(shù)字化建模和粗車、半精車以及精加工程序的自動化輸出。

以某型號TI蝸桿為例，其基本參數(shù)輸入和計算結(jié)果如圖8所示。粗車、半精車和精車刀具均采用刀頭寬度為3 mm、刀尖圓弧半徑為0.4 mm的切槽刀；粗加工余量為0.4 mm，加工層數(shù)為20層；半精加工余量為0.2 mm，加工層數(shù)為50層，離散點數(shù)100個；精加工余量為0，加工層數(shù)為300層，離散點數(shù)200個。將輸出的程序?qū)氲降都芎笾貌⑴鋫銯anuc-Oi數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床進(jìn)行TI蝸桿的數(shù)控車削加工，結(jié)果如圖9所示。車削的TI蝸桿表面光潔、質(zhì)量高，所開發(fā)的專用CAM軟件已應(yīng)用于企業(yè)TI蝸桿的批量加工中。

3 結(jié)束語

針對TI蝸桿數(shù)控車削編程難的現(xiàn)狀，本文開發(fā)了專用的TI蝸桿數(shù)控車削CAM軟件，將TI蝸桿的數(shù)控編程過程集成到CAM軟件中，減少了企業(yè)用戶的編程時間，提高了加工效率。設(shè)計了文件管理模塊、工件參數(shù)模塊、機(jī)床參數(shù)模塊、刀具參數(shù)模塊以及工藝參數(shù)模塊。針對每個模塊設(shè)計了圖形用戶界面，用戶只需輸入相關(guān)參數(shù)，即可實現(xiàn)TI蝸桿數(shù)控車削程序的自動生成，導(dǎo)入數(shù)控車床加工，采用實驗的方式驗證了所開發(fā)軟件的有效性。