螺旋锥齿轮计算机辅助制造理论与算法研究

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在螺旋锥齿轮加工制造业广泛采用计算机辅助制造系统,为设计计算,加工理论分析,加工方法检验等方面服务,有助于优化加工过程,检验加工精度,预测加工制造结果。将虚拟制造技术与螺旋锥齿轮的加工制造理论相结合,构建螺旋锥齿轮辅助制造三维平台,研究开发螺旋锥齿轮计算机辅助制造系统的关键技术。将传统的HFT加工方法转换为数控加工方法,对五轴联动数控螺旋锥齿轮机床的加工运动过程进行仿真,提出一种基于解析计算的切削仿真算法,将刀具切削工件形成齿面的过程离散成一系列刀具圆锥体切削工件层圆的瞬时运动,通过解析计算求解圆锥体和层圆的交点来获得分布均匀的齿面数据点,实现螺旋锥齿轮多次切削可视化仿真。为提高仿真过程中的切削速度采用三角面片缝合齿面来显示切削过程,生成的齿轮采用NURBS曲面显示。根据齿面数据点、齿坯参数建立齿轮的层圆模型和NURBS体两种模型,在此基础上提出一种可应用于运动NURBS体齿轮的干涉检查算法。该算法将NURBS体齿轮对中齿面干涉、齿面求交问题转化成一个NURBS齿面与另一个齿面上各点的运动轨迹圆的求交问题,进而给出圆与NURBS曲面求交的算法及齿面存在多个干涉区时的曲面求交算法。在NURBS体模型基础上,建立数控加工齿轮的装配坐标系,进行齿轮的装配,结合干涉检查算法给出啮齿过程的接触点仿真算法,并生成齿面接触轨迹和几何接触区,为齿轮参数优化提供参考。为了控制齿面的加工质量,基于滚切法加工原理,提出一种采用数值法精确计算齿面残留高度的算法,建立滚切齿面数学模型。该模型确立了刀倾法加工螺旋锥齿轮时齿面残留高度与刀片数量、刀盘转速、摇台转速与摇台转角范围的参数关系,计算齿面不同取样处残留高度的理论值,预估齿面粗糙度。本论文以国家高技术研究发展计划(863计划)项目“汽车螺旋锥齿轮高效精密加工成套设备”(项目号:2007AA042005)为主要支持。
摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
第一章 绪论第10-24页
    1.1 螺旋锥齿轮加工制造的研究背景第10-17页
        1.1.1 行业发展状况第10-14页
        1.1.2 加工制造技术的研究第14-17页
    1.2 计算机辅助制造螺旋锥齿轮的现状第17-20页
        1.2.1 CAGD 相关技术进展第17-18页
        1.2.2 CAGD 技术应用第18-20页
    1.3 研究意义第20-21页
    1.4 主要研究内容第21-24页
第二章 数控加工方法与仿真原理第24-42页
    2.1 数控机床加工过程第24-27页
        2.1.1 成形法加工过程第24-25页
        2.1.2 滚切法加工过程第25-27页
    2.2 数控机床加工方法第27-34页
        2.2.1 传统机床的成形法加工第27-29页
        2.2.2 传统机床的滚切法加工第29-31页
        2.2.3 数控加工坐标系第31-32页
        2.2.4 传统加工方法向数控加工转换第32-34页
        2.2.5 齿轮坐标点向传统坐标系的转换第34页
    2.3 数控加工仿真原理第34-36页
        2.3.1 实际切削过程分析第35页
        2.3.2 仿真方法描述第35页
        2.3.3 滚切法切削刀片总数的计算第35-36页
    2.4 仿真齿面误差分析第36-38页
        2.4.1 仿真齿面误差分析第36-37页
        2.4.2 误差定量分析第37-38页
    2.5 实例仿真第38-41页
        2.5.1 实例数据第38-40页
        2.5.2 仿真方法第40-41页
    2.6 本章小结第41-42页
第三章 加工仿真算法与实现第42-60页
    3.1 切削模型的建立第42-45页
        3.1.1 主动轮轮坯层圆模型第42-43页
        3.1.2 从动轮轮坯层圆模型第43-45页
        3.1.3 刀片圆锥体模型第45页
    3.2 切削仿真算法第45-49页
        3.2.1 一次切削时齿面点的计算第45-47页
        3.2.2 多次切削时齿面点的取舍第47-48页
        3.2.3 齿面点与切削角的坐标换算第48-49页
    3.3 切削控制与优化程序第49-51页
        3.3.1 从动轮切削程序第50页
        3.3.2 主动轮切削程序与优化第50-51页
    3.4 滚切过程齿面可视化程序第51-56页
        3.4.1 主动轮切削过程的控制第51-55页
        3.4.2 齿面三角面片模型第55-56页
    3.5 实例仿真第56-58页
        3.5.1 仿真结果第56-57页
        3.5.2 齿面数据点精度检验第57-58页
    3.6 本章小结第58-60页
第四章 齿轮的参数化模型与显示第60-76页
    4.1 非均匀B 样条插值齿面模型第60-66页
        4.1.1 B样条曲面方程第61页
        4.1.2 齿面的反算方法第61-65页
        4.1.3 齿面的正算方法第65-66页
        4.1.4 齿面的可视化技术第66页
    4.2 NURBS 齿轮曲面模型第66-69页
        4.2.1 NURBS 曲面方程第67页
        4.2.2 齿坯的NURBS 曲面方程第67-69页
        4.2.3 齿轮的可视化技术第69页
    4.3 齿轮实体的参数化模型第69-70页
        4.3.1 层圆模型第69-70页
        4.3.2 混合曲面模型第70页
    4.4 B样条曲面拟合精度检验第70-74页
        4.4.1 检验方法第70-71页
        4.4.2 检验结果第71-74页
    4.5 本章小结第74-76页
第五章 啮齿干涉检查算法第76-87页
    5.1 啮齿干涉检查原理第76-77页
        5.1.1 基本原理第76-77页
        5.1.2 齿轮各齿面的干涉检查第77页
    5.2 干涉角的求解算法第77-82页
        5.2.1 与圆平面相交的曲面片的判断第77-78页
        5.2.2 圆与曲面片求交算法第78-79页
        5.2.3 二分法细分曲面片第79-81页
        5.2.4 切线与曲面片的求交算法第81-82页
    5.3 最小干涉角的求解算法第82-83页
        5.3.1 单干涉区最小干涉角的求解第82页
        5.3.2 多干涉区最小干涉角的求解第82-83页
    5.4 干涉区的求解与可视化技术第83-86页
        5.4.1 干涉区边界点的求解第83-84页
        5.4.2 干涉区的可视化技术第84-86页
        5.4.3 静态干涉检验方法第86页
    5.5 本章小结第86-87页
第六章 啮齿运动仿真与齿面接触分析第87-98页
    6.1 数字化齿轮的装配第87-89页
    6.2 啮齿运动仿真第89-90页
        6.2.1 接触点求解程序第89页
        6.2.2 接触轨迹程序第89-90页
        6.2.3 运动误差曲线求解程序第90页
    6.3 接触区仿真方法第90-91页
        6.3.1 齿面接触区的描述第90页
        6.3.2 轻载接触区仿真方法第90-91页
    6.4 接触分析实例第91-94页
        6.4.1 实例数据第91-92页
        6.4.2 多齿接触分析第92-93页
        6.4.3 V/H 调整第93-94页
    6.5 算法检验第94-96页
    6.6 本章小结第96-98页
第七章 滚切齿面残留高度建模与齿面粗糙度分析第98-108页
    7.1 残留高度的形成机理第98-99页
    7.2 加工齿面建模第99-101页
        7.2.1 刀片切削刃建模第99-100页
        7.2.2 加工工艺参数第100页
        7.2.3 滚切齿面建模第100-101页
    7.3 残留高度的求解第101-102页
        7.3.1 残留高度的求解第101-102页
        7.3.2 刀纹处残留高度的求解算法第102页
    7.4 残留高度的分析第102-106页
        7.4.1 影响因素第102-103页
        7.4.2 分布特点第103页
        7.4.3 齿面粗糙度估算第103-104页
        7.4.4 对齿面粗糙度的影响分析第104-105页
        7.4.5 实例计算第105-106页
    7.5 影响齿面粗糙度的几何因素第106-107页
    7.6 本章小结第107-108页
第八章 结论与展望第108-111页
参考文献第111-118页
发表论文和参加科研情况说明第118-119页
    发表的论文第118页
    参与的科研项目第118-119页
致谢第119页
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