用AUTOLISP设计盘形齿轮铣刀渐开线齿形
用AutoLISP设计盘形齿轮铣刀渐开线齿形2008-4-2918:57:00来源:中国自动化网浏览:253网友评论条
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1引言
图1所示的盘形齿轮铣刀结构简单、使用方便,被广泛用于中、小模数齿轮的小批量加工或修配。但由于这种铣刀渐开线齿形的设计和加工存在较大理论误差,因此被加工齿轮精度较低。盘形齿轮铣刀渐开线齿形的设计方法通常是在渐开线范围内选取6~20个点,通过计算或查表得出每个点的坐标,然后依次连接各点,即可得出近似的渐开线齿形(检验样板也可按此方法设计)。这种设计方法存在一定缺陷,如取点过少,则设计精度不高;如取点过多(远多于20点),则计算繁琐,且得到的近似渐开线齿形不便于采用高精度数控机床进行后续加工。为此,本文采用AutoCAD内嵌的AutoLISP程序来设计直齿圆柱齿轮盘形铣刀的渐开线齿形。该方法可获得理论精度较高的渐开线,且便于齿形的后续数控加工。2设计原理与方法
渐开线上任意点的坐标计算
直齿圆柱齿轮盘形铣刀的齿形如图2所示。图中,曲线BD为渐开线,其中BA部分与被加工齿轮的渐开线齿廓相同,AD部分为齿顶圆以上的渐开线,是专为铣刀增设的部分,其取值根据不同的设计资料而有一些差异。可认为AD的大小与齿轮模数m有关,此处取rd=ra+0.2m。设被加工齿轮中心为坐标原点,oy为齿槽对称线,则有wx=wb+qx=wb+invax(1)
式中:ax=arccos(rb/rx)
wb=w-inva
由图2可知:w=(p-4xtana)/2z+∆s/mz(2)
式中:∆s??分度圆齿厚减薄量(一般取∆s=0)
z??齿数
m??模数
x??变位系数
rd.最大圆半径r.分度圆半径ra.齿顶圆半径rb.基圆半径rf.齿根圆半径rx.任意点圆半径
将式(2)代入式(1),
可得wx=(p-4xtana)/2z+invax-inva(3)
因此,渐开线上半径为rx的任意点M的坐标(xg,yg)为{xg=rxsinwx
yg=rxcoswx(4)
由此可求出曲线BD部分内各点的坐标值,这些点即为渐开线上的节点。
图2铣刀齿形
过渡曲线的处理
铣刀齿形由渐开线和过渡曲线(直线)组成。由于过渡曲线部分不参与啮合,因此只要不妨碍共轭齿轮(或齿条)齿顶的运转,可将其设计为任意曲线或直线。对过渡曲线(直线)的处理将决定程序绘制渐开线的起点。本程序只涉及渐开线部分的绘制,而过渡曲线部分则由后续人工处理。渐开线起点的确定可分为两种情况:
当rf≤rb时,基圆rb以上部分为渐开线,基圆以下的BC部分为过渡曲线,因此渐开线的起点从rb处开始,即齿形角ax=0。
当rf>rb时,基圆rb至齿根圆rf的部分为渐开线。齿根圆rf以下部分不参与啮合,没有必要采用渐开线,因此渐开线的起点从rf处开始,即齿形角ax=af。
无论上述哪种情况,渐开线的终点均在最大圆半径rd处,此时齿形角ax=ad。
程序设计任何曲线均可采用多段曲线段(或直线段)逼近的方法进行模拟,且线段细分越多,原理误差越小。本文采用渐开线直线逼近法,利用(xg,yg)求解公式,由AutoCAD内嵌的AutoLISP程序自动产生任意数量的节点,从而获得任意模拟精度的渐开线(此项精度满足8级齿轮加工精度即可);然后用LINE命令自动生成误差很小的近似渐开线轮廓(该轮廓是连续的,以便于后续CAD/CAM数控加工)。
图3GEARTOOL程序框图
该程序取名为GEARTOOL,其流程框图如图3所示(具体程序略)。
3设计实例
本程序虽是在AutoCADR14平台上开发的,但只涉及AutoLISP常用函数和AutoCAD常用命令,因此可在各种版本的AutoCAD上运行。运行前应对绘图环境进行必要设置,如设置测量单位的小数位数(缺省为4位)等。设计时,只要输入齿数z、模数m和变位系数x,程序即可自动生成渐开线齿形轮廓。
以4号齿轮铣刀(加工齿轮齿数z=21~25)的设计为例,程序使用方法如下:
COMMAND:GEARTOOL
z:输入所加工齿轮齿数21(按每一刀号的最小齿数)
m:输入所加工齿轮模数2
x:输入所加工齿轮变位系数,标准齿轮变位系数为0
输入相关参数后,程序自动生成图4所示的渐开线齿形部分。本例中,齿根圆半径
rf=0.5m(z-2.5)=18.5mm,基圆半径rb=0.5mzcosa=19.7335mm,属于rf
图4
齿形渐开线部分
图5铣刀完整齿形
齿形渐开线部分设计完成后,手工加上过渡曲线,经后续处理后即得到如图5所示的铣刀完整齿形(图中C点为齿根圆通过点)。
设计时,应注意以下几点:
虽然可在程序中加入相关命令实现直接生成完整齿形,但这样会使程序变得非常繁杂,不如用手工进行后续处理更为简便。进行后续处理时,线与线的连接处不能存在断点。
由于渐开线由极短的直线段组成,如需进行后续绘图操作,应在充分放大后进行。
如要求获得更高的渐开线齿形设计精度,只需将计算公式ax=ax+0.1p/180中的系数0.1减小即可。
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