作者：丁文政
出版社：东南大学出版社
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数字化设计与制造实训教程试读：
前言
随着现代产品需求的个性化和多样化，以及产品更新换代周期的加快，对产品的设计和制造过程提出了巨大的挑战。原来，一个产品从工程设计到实体装配，往往要经过一个漫长的过程，至少包括产品设计方案规划阶段、详细设计阶段、成熟出图阶段、工艺准备阶段、生产准备阶段、零部件制造阶段和装配调试阶段等。而数字化设计与制造则是利用数字化技术完成产品设计和制造的全过程，包括产品的三维（3D）设计、虚拟装配、仿真、虚拟制造、虚拟检测和通过数字化机床加工出实际产品，数字化技术的应用大大缩短了产品的设计和制造周期，提升了产品的质量。现在数字化设计与制造技术正在飞机和汽车等行业被越来越广泛地应用。
数字化设计与制造作为一门实践性很强的综合性学科，它涉及机械设计、机械加工工艺、数控技术、现代测试技术、计算机仿真技术等多门学科。要想深刻地理解和掌握，仅有理论知识的学习是远远不够的，实际工程项目的训练是深入了解和掌握数字化设计与制造技术的有效途径。为了满足实训教学的需要，在参考了大量国内外资料的基础上，结合多年来的实践教学经验、数字化设计与制造科研成果和项目教学改革，编写了这本实训教程。本书简化了学科理论体系的详细论述，在结构上以实际教学训练项目为纲；在选材上力求源于实际工程项目，尽可能反映数字化设计与制造技术的综合应用，着重于实际训练的可操作性，实例的选择在制造领域具有典型性；在撰写手法上每个实例都按照从设计到制造的实施全过程进行叙述，从而便于学习。
本书选取了齿轮设计与制造实例、凸轮机构设计与制造实例、夹具设计与制造实例、模具设计与制造实例、数控滑台设计与制造实例、机床附件设计与制造实例等6个工程教学项目。全书共分7章，第1章主要介绍了数字化设计与制造的基本概念，数字化设计与制造的内容，数字化设计与制造的学科体系，以及详细的数字化造型技术、数字化仿真技术、数字化制造技术和产品数字化开发的集成技术的内涵。第2章介绍了齿轮产品的数字化设计与制造，内容包括齿轮设计与制造的基础知识和一个RV减速器齿轮的设计与制造实施过程。第3章介绍了凸轮机构的数字化设计与制造，包括凸轮机构的简介和一个对心平底直动推杆盘形凸轮机构的设计与制造实施过程。第4章介绍了夹具的设计与制造，包括专用夹具设计方法和一个外排气侧平衡轴套筒钻铣夹具的设计与制造实施过程。第5章介绍了模具的设计与制造，包括注塑模具设计方法和一个风扇叶片塑料模具的设计与制造实施过程。第6章介绍了数控滑台的设计与制造，包括数控滑台设计方法和一个二维数控滑台的设计与制造实施过程。第7章介绍了一种车床自动上下料机构的设计与制造实施过程。
本书的第1章由南京工程学院丁文政和李小笠编写；第2章由丁文政和华北科技学院李孝平编写；第3章～第7章分别由南京工程学院卞荣、施兆春、侯军明、牟娟和徐有峰编写，研究生陈轩宇也做了大量工作。全书由丁文政统稿并担任主编，侯军明、李孝平、卞荣、牟娟担任副主编。本书由刘桂芝教授级高级工程师担任主审，参加审稿的还有南京工大数控科技有限公司于春建高级工程师。
本书可作为普通高等院校、高等职业院校机电类各专业学生实践教学用书，亦可供工业企业技术人员参考和自学之用。
在编写过程中，我们广泛参考了国内外多种同类著作、教材和教学参考书，在此我们谨向有关作者表示衷心的感谢。
数字化设计与制造技术的发展日新月异，限于作者的水平和学识，书中难免还存在错误和不妥之处，竭诚希望使用本书的读者提出宝贵意见，以利于本书质量的改进和提高，不胜感谢！编者2016年6月1数字化设计与制造基础1.1数字化设计与制造技术概述1.1.1 数字化设计与制造概念
随着信息技术的快速发展，以及全球经济一体化进程的加快，现代制造企业发生了重大变化：产品生命周期缩短，交货期成为主要竞争因素，大市场和大竞争基本形成，用户需求个性化，多品种小批量生产比例增大。
为了适应这些变化，现代制造也出现了新的模式，其核心表现为：在制造企业中全面推行数字化设计与制造技术。通过在产品全寿命周期中的各个环节普及与深化计算机辅助技术、系统及集成技术的应用，提升企业在设计、制造、管理等多方面的技术水平，促进传统产业在各个方面的技术更新，使企业在持续动态多变、不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展，并不断扩大其竞争优势。
数字化设计与制造是以计算机软硬件为基础，以提高产品开发质量和效率为目标的相关技术的有机集成。与传统产品研发手段相比，它更强调计算机、数字化信息、网络技术以及智能算法在产品开发中的作用。1.1.2 数字化设计与制造的内容
数字化设计与制造主要包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。
数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心，它们的关系如图1.1所示。图1.1 数字化支持企业的产品开发全过程1.1.3 数字化设计与制造的学科体系
随着计算机技术、网络技术、数据库技术的成熟以及产品数据交换标准的不断完善，各种数字化开发技术呈现交叉、融合、集成的趋势，使得功能更完整、信息更畅通、效率更显著、使用更便捷。图1.2是产品数字化开发环境及其学科体系。图1.2 产品数字化开发环境及其学科体系
1）计算机辅助设计技术（CAD）
计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）作为信息化、数字化的源头，它包含的内容很多，如概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图等。主要完成产品的总体设计、部件设计和零件设计，包括产品的三维造型和二维产品图绘制。CAD的支撑技术是曲面造型、实体造型、参数化设计、特征技术和变量参数技术。
2）计算机辅助工程技术（CAE）
计算机辅助工程技术（Computer Aided Engineering, CAE）主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。
3）计算机图形学（CG）
计算机图形学（Computer Graphics, CG）是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。即，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。其研究内容包括图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与现实算法、非真实感绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。
4）逆向工程技术（RE）
逆向工程（Reverse Engineering, RE）也称为反求工程。它是在没有产品原始图纸、文档的情况下，对已有的三维实体（样品或模型），利用三维数字化测量设备准确、快速测得轮廓的几何数据，并加以建构、编辑、修改生成通用输出格式的曲面数字化模型，从而生成三维CAD实体模型、数控加工程序或者为快速成型制造所需的模型截面轮廓数据的技术。
5）计算机辅助工艺设计技术（CAPP）
计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning, CAPP）是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（图形）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。CAPP从根本上改变了依赖于个人经验，人工编制工艺规程的落后局面，促进了工艺过程的标准化和最优化，提高了工艺设计质量。CAPP的支撑技术是信息建模技术、工艺设计自动化和产品数据交换标准。
6）成组技术（GT）
成组技术（Group Technology, GT）是利用事物间的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物能够采用同一方法进行处理，以便提高效益的技术。全面采用成组技术会从根本上影响企业的管理体制和工作方式，提高标准化、专业化和自动化程度。在机械制造工程中，成组技术是计算机辅助制造的基础。
7）快速成型（RP）
快速成型（Rapid Prototyping, RP）技术是20世纪90年代发展起来的，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破。它综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。
8）产品数据库管理（PDM）
产品数据管理（Product Data Management, PDM）是从管理CAD/CAM系统的高度上诞生的先进的计算机管理系统软件。它管理的是产品整个生命周期内的全部数据。工程技术人员根据市场需求设计的产品图纸和编写的工艺文档仅仅是产品数据中的一部分。除此之外，PDM还要对相关的市场需求、分析、设计与制造过程中的全部更改历程、用户使用说明及售后服务等数据进行统一有效的管理。其关注的是研发设计环节。
9）企业资源计划（ERP）
企业资源计划（Enterprise Resource Planning, ERP）系统，是指建立在信息技术基础上，对企业的所有资源（物流、资金链、信息流、人力资源）进行整合集成管理，采用信息化手段实现企业供销链管理，从而达到对供应链上的每一环节实现科学管理。
在企业中，ERP的管理主要包括三个方面：生产控制（计划、制造）、物流管理（分销、采购、库存管理）和财务管理（会计核算、财务管理）。1.2数字化造型技术
产品造型又称为产品建模。它是将人头脑中构想的产品模型转换成图形、符号或算法的表示形式。
在产品的造型过程中应该注意如下原则：（1）产品造型应该反映产品的模型空间；（2）通过产品建模能表示产品的全部信息。
数字化产品模型是基于计算机技术，在现代设计方法的指导下，支持当今制造系统，能够较好地定义和表达产品全生命周期各阶段产品数据内容，它们之间的相互关系及活动过程的数字化信息模型。数字化产品造型是产品建立数字化模型的过程。
说到数字化造型技术，就必须要提到CAD/CAM。CAD/CAM的几何建模是用合适的数据结构描述真实世界中的三维物体的几何形状，供计算机识别和处理信息数据模型。采用CAD/CAM技术已成为整个制造行业当前和将来技术发展的重点。
计算机辅助设计技术（CAD）的首要任务是为产品设计和生产对象提供方便、高效的数字化表示和表现的工具。数字化表示是指用数字形式为计算机所创建的设计对象生成内部描述，比如二维图、三维线框、曲面、实体和特征模型（见图1.3）。而数字化表现是指在计算机屏幕上生成真实感图形，创建虚拟现实环境，多通道人机交互、多媒体技术等。图1.3 UG的数字化造型
CAD的概念不仅仅是体现在辅助制图方面，它更主要起到了设计助手的作用，帮助广大工程技术人员从繁杂的查手册、计算中解脱出来。极大提高了设计效率和准确性，从而缩短产品开发周期，提高产品质量、降低生产成本，增强行业竞争能力。
CAD与CAM密不可分，甚至比CAD本身的应用还要广泛。几乎每一个现代制造企业都离不开大量的数控设备。随着对产品质量要求的不断提高，要高效地制造高精度的产品，CAM技术不可或缺。设计系统只有配合数控加工才能充分显示其巨大的优越性。同时，数控技术也只有依靠设计系统产生的模型才能发挥其效率。所以，在实际应用中，二者很自然地结合起来，形成CAD/CAM系统。
在这个系统中，设计和制造的各个阶段可利用公共数据库的数据，即通过公共数据库将设计和制造的各个阶段联系成为一个整体。数控自动编程系统利用设计的结果和产生的模型，形成数控加工机床所需的信息。CAD/CAM大大缩短了产品的制造周期，显著提高生产效率和产品质量，并产生了巨大的经济效益。
目前，机械工程领域使用的CAD/CAM软件很多，而UG软件就是我们熟知的其中一种。UG软件具有卓越的集成功能。在造型方面，除了其他软件所具有的通用功能外，它还拥有灵活的复合建模、齐备的仿真设计、细腻的动画渲染和快速的原型工具。仅复合建模就可让用户在实体建模（Solid）、曲面建模（Surface）、线框建模（Wireframe）和基于特征的参数建模中任意选择，使设计者可根据工程设计实际情况确定最佳建模方式，从而得到最佳设计效果。在加工功能方面，UG软件针对计算机辅助制造的实用性和适应性，通过覆盖制造过程，实现制造的自动化、集成化和用户化，从而在产品制造周期、产品制造成本和产品制造质量等方面都给用户提供很大的收益。1.3数字化仿真技术
仿真是通过对系统模型的实验，研究已存在的或设计中的系统性能。仿真可以再现系统的状态、动态行为以及性能特征，主要用于分析系统配置是否合理、性能是否满足要求、预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持的科学依据。因此，仿真技术的应用具有十分重要的意义。
数字化仿真就是在计算机上将描述实际系统的几何、数字模型转化为能被计算机求解的仿真模型，并编制相应的仿真程序进行求解，以获得系统性能参数的方法及过程。数字化仿真的基本步骤如图1.4所示。图1.4 数字化仿真的基本步骤
数字化仿真技术在零部件研制过程中各阶段的具体应用归纳如下：（1）概念化设计阶段
对设计方案进行技术、经济分析以及可行性的研究，最终为用户提供科学依据，帮助用户选择合理的设计方案。（2）设计建模阶段
建立系统及零部件模型，通过对模型的分析、判断出产品外形、质地以及物理特性是否满意。（3）设计分析阶段
分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等一系列指标，判断产品及系统是否达到满意要求。（4）设计优化阶段
通过仿真结果对系统结构及参数进行调整，实现系统特殊性能或综合性能的优化。（5）制造阶段
对于刀具加工过程的走刀轨迹以及零件间的可装配性进行模拟仿真，及早发现加工、装配中可能存在的问题。（6）样机实验阶段
对系统动力学、运动学及运动性能进行仿真，模拟虚拟样机的实验，在安全的模式下对设计目标进行仿真，以确认设计目标的完善性。（7）系统运行阶段
进一步进行仿真模拟，对系统结构及参数进行调整，实现性能的持续性改进以及优化。
通过以上对于数字化仿真技术在具体零部件研制过程中的应用，总结出数字化仿真具有的优点：（1）有利于提高产品质量
数字化仿真技术在产品还没有实际开发出来以前，就已经研究产品在各种工作环境下的表现，以保证产品具有良好的综合性能。（2）有利于缩短产品开发周期
采用数字化仿真技术，可以在计算机上完成产品的概念设计、结构设计、加工、装配以及系统性能的仿真，提高设计的一次成功率，从而缩短设计周期。（3）有利于降低产品开发成本
数字化仿真都是以虚拟样机代替实际样机或模型进行实验，有助于显著降低开发成本。（4）可以完成复杂产品的操作、使用训练
复杂产品或技术系统的操作控制必须进行系统训练。以真实产品或系统进行训练，费用昂贵且风险极大。采用数字化仿真技术，可以再现系统的实际工作过程，甚至可以有意识地设计出各种故障和险情，让受训人员进行处理和排除，从而在虚拟环境中掌握系统的操作和控制。
涉及数字化仿真技术，就不能不谈到CAE。计算机辅助工程分析（CAE）主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。
UG NX CAE的功能主要包括结构分析、运动和智能建模等应用模块，是一种能够进行质量自动评测的产品开发系统。它提供了简便易学的性能仿真工具，任何设计人员都可以进行高级的性能分析，从而获得更高质量的模型。
· 设计仿真
设计仿真主要利用UG的结构分析模块（Structures）。该模块能将几何模型转换为有限元模型，可以进行线性静力分析、标准模态与稳态热传递分析和线性屈曲分析，同时还支持对装配部件（包括间隙单元）的分析，分析结果可用于评估、优化各种设计方案，提高产品质量。图1.5就是在模块中进行有限元分析。
· 运动仿真
运动仿真模块（Motion）可对任何二维或三维机构进行运动学分析、动力学分析和设计仿真，并且能够完成大量的装配分析，如干涉检查、轨迹包络等。
该模块交互的运动学模式允许用户同时控制5个运动副，可以分析反作用力，并用图表示各构件间位移、速度、加速度的相互关系，同时反作用力可输出到有限元分析模块中。图1.6是凸轮机构的仿真运动结果。图1.5 有限元分析图1.6 凸轮机构仿真运动
· 注塑流动分析（Mold Flow Adviser）模块可以帮助模具设计人员确定注塑模的设计是否合理，可以检查出不合适的注塑模几何体并予以修正。1.4数字化制造技术
数字化制造技术是以制造工程理论为基础，是信息技术和制造技术的有机融合与集成。数字化制造技术是对传统制造技术的扩展、创新和突破，主要体现在：（1）数字化制造是基于产品数字化设计的制造。以产品的数字化模型为基础，通过对产品结构的仿真分析，实现产品设计的最优化，进而实现产品制造、工艺管理、成本核算、控制、检测以及装配的数字化。（2）数字化制造是以控制为中心的制造。它以数字化方法实现加工过程物料、设备、人员及生产组织等信息的存储和控制。它在加工过程仿真的基础上，对企业生产组织、调度和控制决策等制造过程进行优化。（3）数字化制造是基于数字化管理的制造。要想实现数字化制造的潜在效益，就必须对整个研制过程的各类信息进行集成管理，实现各个产品开发的核心过程的集成。因此，只有建立了功能完善的数字化管理系统，才能充分体现数字化制造系统的价值。
数字化制造的核心技术主要包括数控加工技术（CAM）和计算机辅助工艺规划（CAPP）。计算机辅助制造技术（CAM）是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，完成复杂零件的数控加工，包括工艺过程设计、工装设计、NV自动变成、生产作业计划、生产控制、质量控制等。CAM的支撑技术是数控编程、刀具轨迹生成、数控加工仿真技术。
UG NX CAM系统拥有的过程支持功能，对于机械制造类的公司有非常重要的价值。在这个工业领域中，对加工多样性的需求较高，包括零件的大批量加工以及对铸造和焊接件的高效精加工。如此广泛的应用要求CAM软件必须灵活，并且具备对重复过程进行捕捉和自动重用的功能。UG NX CAM子系统拥有非常广泛的加工能力，从自动粗加工到用户定义的精加工，十分适合这些应用。图1.7所示是生成铣削四周轮廓的刀具轨迹。该模块可以自动生成加工程序，控制机床或加工中心加工零件。图1.7 生成铣削四周轮廓的刀具轨迹1.5产品数字化开发的集成技术
产品制造包括产品从市场需求到最终的报废过程中的全生命周期活动。这些活动不仅局限于企业内部，还涉及多个企业之间的协作，甚至扩展到全球范围内的动态企业联盟。目前，产品制造面临的新挑战包括对于新产品（P）及其开发时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）、环境清洁（E）和知识含量（K）的持续改善与竞争。
产品制造数字化集成技术正是为了适应这种竞争背景，在相关新技术推动下提出并发展的一门综合性使能技术。它融合了信息技术、建模与仿真技术、现代管理技术、设计/生产/实验技术、系统工程技术及产品有关的专业技术，并将它们综合应用于企业或集团产品研制的全系统、全生命周期活动中，使其中的人/组织、经营管理、技术（三要素）及信息流、物流、价值流、知识流集成优化，进而改善企业（或集团）的P/T/Q/C/S/E/K，以达到增强企业或集团的市场竞争能力，实现跨越式发展的目标。
产品制造数字化集成的内容主要针对“产品全生命周期”，即从产品的市场需求到最终的报废处理活动中的信息集成、过程集成、企业集成；异地空间范围的全系统活动中的人流、信息流、物流、价值流、知识流集成；系统中人/经营管理/技术的集成。关键技术主要包括系统总体集成技术、共性支撑技术、中间件/共性集成平台技术、面向应用的集成技术等。图1.8是系统集成的关键技术。
面向应用的集成技术包括PDM/PLM技术。PLM（产品全生命周期管理）是以产品为核心，以产品供应链为主线，为企业提供一种从整体上实现对产品生命周期中各个阶段及相关信息、过程和资源进行优化管理的解决方案。传统的PDM主要局限于产品的工程设计领域，而对于PLM来说，则要管理产品全生命周期各个不同阶段的信息、过程和资源，还要管理信息与信息、资源与资源、过程与过程、信息与过程、信息与资源、资源与过程之间更加复杂的关系。图1.9是CAXA PLM的产品构架。图1.8 系统集成关键技术图1.9 CAXA PLM的产品构架
PLM包含以下方面的内容：
· 基础技术和标准（例如XML、可视化、协同和企业应用集成）；
· 信息创建和分析的工具（如机械CAD、电气CAD、CAM、CAE、计算机辅助软件工程CASE、信息发布工具等）；
· 核心功能（例如数据仓库、文档和内容管理、工作流和任务管理等）；
· 应用功能（如配置管理）；
· 面向业务/行业的解决方案和咨询服务（如汽车和高科技行业）。2齿轮设计与制造实例2.1齿轮设计与制造方法2.1.1 常见齿轮设计流程
齿轮设计流程主要包括以下几点：
① 根据运动传动链，确定齿轮传动比；
② 根据作用在小齿轮上的扭矩，计算作用在轮齿上的圆周力tF（径向力和轴向力计算轴的强度、刚度）；
③ 根据不根切最少齿数，确定合理小齿轮的齿数；
④ 选择齿轮材料及热处理方式；
⑤ 由轮齿弯曲疲劳强度设计公式计算齿轮模数；
⑥ 由齿面接触疲劳强度设计公式计算齿轮分度圆直径；
⑦ 根据计算，确定齿轮模数和分度圆直径及齿轮宽度；
⑧ 确定齿轮几何参数及尺寸（包括齿轮变位参数）；
⑨ 由齿面接触疲劳强度校核公式，对齿轮进行校核计算，如有必要还需进行齿面抗胶合能力计算；
⑩ 由齿轮结构设计确定齿轮传动的润滑方式。2.1.2 典型圆柱齿轮制造工艺
一个齿轮的加工过程是由若干工序组成的。为了获得符合精度要求的齿轮，整个加工过程都是围绕着齿形加工工序服务的。齿形加工方法很多，按加工中有无切削，可分为无切削加工和有切削加工两大类。
无切削加工包括热轧齿轮、冷轧齿轮、精锻、粉末冶金等新工艺。无切削加工具有生产率高，材料消耗少、成本低等一系列的优点，目前已推广使用。但因其加工精度较低，工艺不够稳定，特别是生产批量小时难以采用，这些缺点限制了它的使用。
有切削加工，具有良好的加工精度，目前还是齿形的主要加工方法。按其加工原理可分为成形法和展成法两种。
成形法的特点是所用刀具的切削刃外形与被切齿轮轮槽的外形相同，如图2.1所示。用成形原理加工齿形的方法有：用齿轮铣刀在铣床上铣齿、用成形砂轮磨齿、用齿轮拉刀拉齿等方法。这些方法由于存在分度误差及刀具的安装误差，所以加工精度较低，一般只能加工出9～10级精度的齿轮。此外，加工过程中需作多次不连续分齿，生产率也很低。因此，主要用于单件小批量生产和修配工作中加工精度不高的齿轮。图2.1 成形法铣齿和磨齿
展成法是应用齿轮啮合的原理来进行加工的，用这种方法加工出来的齿形轮廓是刀具切削刃运动轨迹的包络线。齿数不同的齿轮，只要模数和齿形角相同，都可以用同一把刀具来加工。用展成原理加工齿形的方法有：滚齿、插齿、剃齿、珩齿和磨齿等方法。其中剃齿、珩齿和磨齿属于齿形的精加工方法。展成法的加工精度和生产率都较高，刀具通用性好，所以在生产中应用十分广泛。
1）滚齿（1）滚齿的原理及工艺特点
滚齿是齿形加工方法中生产率较高、应用最广的一种加工方法。滚切齿轮属于展成法，可将看作无啮合间隙的齿轮与齿条传动。当滚齿旋转一周时，相当于齿条在法向移动一个刀齿，滚刀的连续传动，犹如一根无限长的齿条在连续移动。当滚刀与滚齿坯间严格按照齿轮与齿条的传动比强制啮合传动时，滚刀刀齿在一系列位置上的包络线就形成了工件的渐开线齿形。随着滚刀的垂直进给，即可滚切出所需的渐开线齿廓，如图2.2所示，齿轮滚刀可视为将一个蜗杆开槽、铲背所形成的。滚齿加工的通用性较好，既可加工圆柱齿轮，又能加工蜗轮；既可加工渐开线齿形，又可加工圆弧、摆线等齿形；既可加工大模数齿轮，大直径齿轮，又可加工小模数小规格齿轮。图2.2 滚齿原理
滚齿可直接加工8～9级精度齿轮，也可用作7级以上齿轮的粗加工及半精加工。滚齿可以获得较高的运动精度，但因滚齿时齿面是由滚刀的刀齿包络而成，参加切削的刃数有限，因而齿面的表面粗糙度值较大。为了提高滚齿的加工精度和齿面质量，宜将粗、精滚齿分开。
滚齿的主要运动包括：
① 滚刀的旋转运动称为主运动，用转速n（r/min）表示；
② 强制齿轮坯与滚刀保持与齿条的啮合运动关系的运动称为分齿运动。
③ 为了在整个齿宽上切出齿形，滚刀须沿被切齿轮轴向向下移动，即为垂直进给运动。（2）影响滚齿精度的误差分析
影响滚齿精度的主要原因是在加工中滚刀和被切齿轮的相对位置和相对运动发生了变化。相对位置的变化（几何偏心）导致齿轮的径向误差；相对运动的变化（运动偏心）导致齿轮的切向误差。
① 齿轮的径向误差是指滚齿时，由于齿坯的实际回转中心与其基准孔中心不重合，使所切齿轮的轮齿发生径向位移而引起的周节累积公差，如图2.3所示，齿轮的径向误差一般可通过丈量齿圈径向跳r动ΔF反映出来。图2.3 几何偏心引起的径向误差
② 齿轮的切向误差是指滚齿时，实际齿廓相对理论位置沿圆周方向（切向）发生位移，如图2.4所示。当齿轮出现切向位移时，可w通过丈量公法线长度变动公差ΔF来反映。切齿时产生齿轮切向误差的主要原因是传动链的传动误差造成的。在分齿传动链的各传动元件中，对传动误差影响最大的是工作台的分度精度，工作台回转中发生转角误差，并复映给齿轮。图2.4 运动偏心引起的切向误差（3）影响工作平稳性的误差分析f
影响齿轮传动工作平稳性的主要因素是齿轮的齿形误差Δf和基pb节偏差Δf。齿形误差会引起每对齿轮啮合过程中传动比的瞬时变化；基节偏差会引起一对齿过渡到另一对齿啮合时传动比的突变。齿轮传动由于传动比瞬时变化和突变而产生噪声和振动，从而影响工作平稳性精度。
滚齿时，产生齿轮的基节偏差较小，而齿形误差通常较大。齿形误差主要是由于齿轮滚刀的制造刃磨误差及滚刀的安装误差等原因造成的，因此在滚刀的每一转中都会反映到齿面上，由于齿轮的齿面偏离了正确的渐开线，使齿轮传动中瞬时传动比不稳定，影响齿轮的工作平稳性。齿轮的基节极限偏差主要受滚刀基节偏差的影响，为减少基节偏差，滚刀制造时应严格控制轴向齿距及齿形角误差，同时对影响齿形角误差和轴向齿距误差的刀齿前刀面的非径向性误差也要加以控制。（4）影响齿轮接触精度的误差分析
齿轮齿面的接触状况直接影响齿轮传动中载荷分布的均匀性。滚f齿时，影响齿高方向的接触精度的主要原因是齿形公差Δf和基节极pbβ限偏差Δf。影响齿宽方向的接触精度的主要原因是齿向偏差ΔF。产生齿向偏差的主要原因：
① 滚齿机刀架导轨相对于工作台回转轴线存在平行度误差；
② 齿坯装夹歪斜；
③ 电子齿轮箱耦合精度。（5）提高滚齿加工效率的途径
① 高速滚齿。国内滚齿速度已由一般的v=30 m/min提高到v=100 m/min以上，轴向进给量f=1.38～2.6 mm/r，使生产效率提高25%。国外高速钢滚刀滚齿速度已提高到100～150 m/min；硬质合金滚刀已试验到400 m/min以上。
② 采用多头滚刀可明显提高生产效率，但加工精度较低，齿面粗糙，因而多用于粗加工中。当齿轮加工精度要求较高时，可采用大直径滚刀，使参加展成运动的刀齿数增加，加工齿面粗糙度较细。
③ 改进滚齿加工方法：多件加工，径向切进，轴向窜刀和对角滚齿。
2）剃齿
剃齿加工是根据一对螺旋角不等的螺旋齿轮啮合的原理，剃齿刀与被切齿轮的轴线空间交叉一个角度，如图2.5所示，剃齿刀为主动轮1，被切齿轮为从动轮2，它们的啮合为无侧隙双面啮合的自由展成运动。在啮合传动中，由于轴线交叉角“φ”的存在，齿面间沿齿切t2t1向产生相对滑移，此滑移速度v=（v-v）即为剃齿加工的切削速度。剃齿刀的齿面开槽而形成刀刃，通过滑移速度将齿轮齿面上的加工余量切除。由于是双面啮合，剃齿刀的两侧面都能进行切削加工，但由于两侧面的切削角度不同，一侧为锐角，切削能力强；另一侧为钝角，切削能力弱，以挤压擦光为主，故对剃齿质量有较大影响。为使齿轮两侧获得同样的剃削条件，则在剃削过程中，剃齿刀做交替正反转运动。综上所述，剃齿加工的过程是剃齿刀与被切齿轮在轮齿双面紧密啮合的自由展成运动中，实现微细切削过程，而实现剃齿的基本条件是轴线存在一个交叉角，当交叉角为零时，切削速度为零，剃齿刀对工件没有切削作用。图2.5 剃齿原理1—剃齿刀；2—被切齿轮（1）剃齿加工的主要运动包括：
① 剃齿刀带动工件的高速正、反转运动——基本运动；
② 工件沿轴向往复运动——使齿轮全齿宽均能剃出；
③ 工件每往复一次做径向进给运动——切除全部余量。（2）剃齿工艺特点：a
① 剃齿加工精度一般为6～7级，表面粗糙度R为0.8～0.4 μm，用于未淬火齿轮的精加工；
② 剃齿加工的生产效率高，加工一个中等尺寸的齿轮一般只需2～4 min，与磨齿相比较，可提高生产效率10倍以上；
③ 由于剃齿加工是自由啮合，机床无展成运动传动链，故机床结构简单，机床调整容易。（3）剃齿刀的选用
剃齿刀的精度分A、B、C三级，分别加工6、7、8级精度的齿轮。剃齿刀分度圆直径随模数大小有三种：85 mm、180 mm、240 mm，其中240 mm应用最普遍。分度圆螺旋角有5°、10°、15°三种，其中5°和10°两种应用最广。15°多用于加工直齿圆柱齿轮；5°多用于加工斜齿轮和多联齿轮中的小齿轮。在剃削斜齿轮时，轴交叉角φ不宜超过10°～20°，不然剃削效果不好。（4）剃后的齿形误差与剃齿刀齿廓修形
剃齿后的齿轮齿形有时出现节圆四周凹进，如图2.6所示，一般在0.03 mm左右。被剃齿轮齿数越少，中凹现象越严重。为消除剃后齿面中凹现象，可对剃齿刀进行齿廓修形，需要通过大量实验才能最后确定。也可采用专门的剃前滚刀滚齿后，再进行剃齿。图2.6 剃齿齿形误差
3）成形铣齿
成形法是利用与齿轮的齿槽形状相同的刀具直接加工出齿轮齿廓，其常用刀具有盘状铣刀和指状铣刀等。盘形铣刀是一种铲齿的成形铣刀，用于加工直齿或斜齿圆柱齿轮。其中，高速钢盘形铣刀用于加工中、小齿轮，而加工大模数齿轮则采用镶硬质合金刀片的装配式铣刀。指状铣刀是一种成形立铣刀，用于加工大模数的直齿和斜齿轮，它也可用于加工人字齿轮，常作为包络铣削前的粗加工。成形铣齿的主要优点是：刀具结构简单，成本低，加工大齿轮效率高；缺点是加工精度低，主要用于单件小批量生产以及大模数大规格齿轮的加工。ay一般精度不高于9级，表面粗糙度值不小于R1.6和R6.3。
成形铣削直齿各轴运动原理较简单，选好合适的成形铣刀以后，刀具绕自身轴线旋转，确定刀具中心面与工件轴线在同一竖直面上，沿工件径向进给到合理切深位置，最后进给切削是刀具沿着工件轴向的进给运动，一个齿形加工完成以后，将齿轮绕着轴线做360/z的分度运动，加工下一个齿槽。
成形铣削斜齿轮，需要利用轴向进给轴与工件旋转的联动关系完成齿槽的一次成形。如图2.7所示，铣刀相对于直齿加工要旋转一个螺旋角β，即铣刀处于图示位置2，在加工过程中工件仅绕自身轴线做旋转运动，而铣刀既要绕自身轴线做旋转运动又要沿工件轴线做进给运动，且刀具的进给与工件的旋转必须满足一定的关系。如图2.7右侧为走刀螺旋线展开图，由斜齿轮螺旋线性质可知，螺旋线沿轴线移动一个螺旋线导程p的同时必须绕轴线旋转2π。即有如下关系式ptanβ=πd, p为螺旋线导程，d为齿轮分度圆直径，β为螺旋角。与直齿相同，每加工完一个齿后，齿轮齿坯退刀并作分度运动，在实际应用过程中，为了减少转台分度精度对齿轮加工精度的影响，常作跨齿数加工。图2.7 成形铣削斜齿轮刀具与工件成形原理
成形法铣齿常见铣削质量分析及原因：
① 齿数不对，可能造成的原因是分度计算错误或者刀具和工件毛坯选错与程序不对应。
② 齿厚不等或齿距误差超差，可能的原因是工件未校正好，致使工件径向圆跳动过大；或者转台分度出现问题，分度精度过差，蜗轮副未消隙等。
③ 齿高、齿厚不正确，可能的原因是铣削层深度调整不对，铣刀模数或刀号选择错误。
④ 齿面表面粗糙度值太大，可能的原因是铣刀钝了或铣削用量选择过大；工件装夹不稳或铣刀安装不好，有摆差；分度头主轴未固紧，刚性不足，铣削时工件振动较大；主轴或工作台松动，铣削时机床振动较大。
4）磨齿
磨齿是目前齿形加工中精度最高的一种方法。它既可磨削未淬硬a齿轮，也可磨削淬硬的齿轮。磨齿精度4～6级，齿面粗糙度为R0.8～0.2 μm。对齿轮误差及热处理变形有较强的修正能力。多用于硬齿面高精度齿轮及插齿刀、剃齿刀等齿轮刀具的精加工。其缺点是生产效率低，加工成本高，故适用于单件小批生产。（1）磨齿原理及方法
根据齿面渐开线的形成原理，磨齿方法分为仿形法和展成法两类。仿形法磨齿是用成形砂轮直接磨出渐开线齿形；展成法磨齿是将砂轮工作面制成假想齿条的两侧面，通过与工件的啮合运动包络出齿轮的渐开线齿面。（2）提高磨齿精度和磨齿效率的措施
① 合理选择砂轮
砂轮材料选用白刚玉（WA），硬度以软、中软为宜。粒度则根据所用砂轮外形和表面粗糙度要求而定，一般在46#～80#的范围内选取。对蜗杆型砂轮，粒度应选得细一些。由于其展成速度较快，为保证齿面较低的粗糙度，粒度不宜较粗。此外，为保证磨齿精度，砂轮必须经过精确平衡。
② 提高机床精度
主要是提高工件主轴的回转精度，如采用高精度轴承，提高分度盘的齿距精度，并减少其安装误差等。
③ 采用合理的工艺措施
主要有：按工艺规程进行操纵；齿轮进行反复的定性处理和回火处理，以消除因残余应力和机械加工而产生的内应力；提高工艺基准的精度，减少孔和轴的配合间隙对工件的偏心影响；隔离振动源，防止外来干扰；磨齿时室温保持稳定，每磨一批齿轮，其温差不大于1 ℃；精细修整砂轮，所用的金刚石必须锋利，等等。
④ 磨齿效率的提高主要是减少走刀次数，缩短行程长度及增加磨削用量等。常用措施如下：磨齿余量要均匀，以便有效地减少走刀次数；缩短展成长度，以便缩短磨齿时间。粗加工时可用无展成磨削；采用大气孔砂轮，以增大磨削用量。
5）包络铣削
包络铣削主要针对零退刀槽或小退刀槽人字齿轮的加工，采用通用立铣刀侧刃对齿面进行包络成形铣削。人字齿轮相当于两个斜齿轮合并而成，不但具备斜齿轮的优点，还克服了斜齿轮会产生较大的轴向力这一缺点，具有较大重合度，承载能力高，传动可靠、平稳和轴向载荷小等特点，主要应用于大型、重载设备。
包络铣削的加工方法属于通用刀具加工范畴，不受限于特殊齿轮刀具，其编程思路也和通用铣削方法类似，找到满足切削要求的切触点，由一系列刀具轮廓的包络线形成所加工的齿面，对其加工轨迹进行规划，并进行后处理生成满足特定机床结构的加工代码。为了提高人字齿轮的加工精度，避免三维软件的二次建模误差，由齿轮的数学模型直接求解切削点位数据。包络法铣削齿轮加工精度能达到6～7级，是目前为止加工零退刀槽人字齿较好的方法。
6）齿轮加工方案的选择
齿轮加工方案的选择，主要取决于齿轮的精度等级、生产批量和热处理方法等。下面提出齿轮加工方案选择时的几条原则，以供参考：（1）对于8级及8级以下精度的不淬硬齿轮，可用铣齿、滚齿或插齿直接达到加工精度要求。（2）对于8级及8级以下精度的淬硬齿轮，需在淬火前将精度提高一级，其加工方案可采用：滚（插）齿—齿端加工—齿面淬硬—修正内孔。（3）对于6～7级精度的不淬硬齿轮，其齿轮加工方案：滚齿—剃齿。（4）对于6～7级精度的淬硬齿轮，其齿形加工一般有两种方案：
① 剃-珩磨方案
滚（插）齿—齿端加工—剃齿—齿面淬硬—修正内孔—珩齿。
② 磨齿方案
滚（插）齿—齿端加工—齿面淬硬—修正内孔—磨齿。
剃-珩方案生产效率高，广泛用于7级精度齿轮的成批生产中。磨齿方案生产效率低，一般用于6级精度以上的齿轮。（5）对于5级及5级精度以上的齿轮，一般采用磨齿方案。（6）对于大批量生产，用滚（插）齿-冷挤齿的加工方案，可稳定地获得7级精度齿轮。2.2项目任务介绍
RV（Rotary-Vector）减速器是在摆线行星减速机构的形式上建立的二级封闭传动机构，如图2.8所示，它具有轴向尺寸小、结构紧凑、速比灵活、运转精度高并且使用寿命长等特性。在精密减速器中，RV减速器已经成为工业机器人专用的减速器，用在机器人的大臂、机座、肩部等负载比较重的位置，它作为二级减速器，传动效率高达92%、抗冲击能力强并且回差小于1弧分，在疲劳强度和刚度及回差方面都优于谐波减速器。
RV减速器关键零部件由输入轴（齿轮轴）、曲轴、渐开线行星轮、摆线轮、针齿、针齿壳、刚性盘及输出机构（行星架）等零件构成。图2.8 RV减速器结构图
零件介绍（见图2.9）：图2.9 RV减速器零件图
① 齿轮轴（输入轴）：用于传递输入的动力，并且与渐开线行星轮相互啮合。
② 行星齿轮：通过渐开线行星轮内键槽与曲轴的一端固连在一起，三个行星轮均匀地安装于同一个圆上，主要将动力平均分为三部分，传送到下一级的摆线轮。
③ 曲轴（转臂）：曲轴带动两个摆线轮转动，一端通过花键与行星轮固连在一起，另一部分与两个摆线轮连接，为了能使运动传递平稳，呈120°均匀分布。
④ 摆线轮：为了平衡径向力，减少振动，采用两个一样的摆线轮，呈180°的相位差安装。
⑤ 针轮：针轮是由针齿和针齿壳两部分组成的，在针齿壳内部安装一定数量的针齿。
⑥ 刚性盘及行星架（输出机构）：行星架作为RV减速器和外界从动零件连接的输出机构，刚性盘与行星架通过柱销连接在一起而传递动力，曲轴的输出端是通过安装在刚性盘上三个分布均匀的轴承孔来支撑的。
参照日本帝人RV-450E型减速器的技术条件，确定设计条件如下：
减速器额定功率：P=4.28 kW；减速器减速比：i=81；减速器输出轴转速：n=5 r/min；减速器输出转动旋转方向：正反转。
RV减速器的设计要求如下：
① 减速器采用壳固定，轴输入行星架输出；
② 减速器设计寿命3000h；
③ 减速器结构尺寸不超过φ380 mm×200 mm；
④ 减速器效率要求大于85%；
⑤ 减速器齿轮详细设计时应着重考虑轮系尺寸、材料选择、热处理等；
⑥ 减速器润滑采用固体润滑剂；参照日本帝人RV-E型减速器，润滑剂采用Nabtesco公司制造的MolywhiteRE00润滑脂；
⑦ 减速器有正反转要求，设计时需将减速器的输出回差控制60arcsec左右。
本项目任务要求：
① 根据给定的减速器设计条件，确定渐开线齿轮相关几何参数；
② 绘制三维实体图和二维工程图，明确RV减速器的结构和动力传递原理；
③ 由使用需求给定渐开线齿轮精度等级，规划渐开线齿轮加工工艺；
④ 通过CAM软件/Matlab编程，建立渐开线齿轮齿廓数学模型，根据工艺需求生成齿轮加工代码。2.3项目方案设计
RV减速器是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级三（或双）曲柄摆线针轮行星减速机构组成，其传动结构简图如图2.10所示，传动的动力是由主动轮齿轮轴上的中心轮1输入的，渐开线中心轮1旋转的同时，它与三个呈120°均匀分布的行星轮2相啮合，行星轮在围绕太阳轮转动的同时，自身也在以与太阳轮相反的方向自转。三个曲轴3上的渐开线外花键与渐开线行星齿轮的内花键固连在一起，随行星轮一起转动。两个完全一样的摆线轮4呈相位差180°安装，通过圆柱滚动轴承与曲轴3联在一起，并且同针齿壳6内的针齿5相啮合，两件摆线轮4围绕外壳中心线旋转，自身也转动，并与中心轮（太阳轮）1的方向相同，摆线轮4的自转速度通过三对曲轴上的轴承传递给输出机构（行星架），并以1∶1的速比传递给输出轴7。图2.10 RV减速器的结构简图
① 根据RV减速器结构简图设计传动简图，计算传动比，由给定的总传动比81计算得到RV减速器中渐开线行星轮传动的传动比，由设计条件确定齿轮齿数及模数；
② 确定齿轮材料及热处理方式，确定齿轮齿数、模数，计算作用在轮齿上的力的大小、圆周力、径向力；依据接触疲劳强度、弯曲疲劳强度对其进行校核；
③ 依据渐开线齿轮齿廓生成原理，建立其齿廓方程，由Matlab编程得到齿廓上的离散数值点，在三维软件中建立参数化三维实体模型，运用CAM软件生成NC加工代码。2.4设计计算2.4.1 RV减速器配齿的计算
RV减速器是由第一级渐开线行星传动与第二级摆线轮减速两部分构成，由于渐开线行星传动中行星轮的轴线和摆线轮的轴线都是在运动的，即有两个行星机构，因而RV减速器的传动比不能按照一般的齿数反比来计算，RV减速器是由中心轮和曲轴针齿壳封闭起来的，将RV减速器的传动过程可以简化成图2.11所示。图2.11 传动简图12
RV减速器中包含两部分行星结构K和K，行星轮2与曲轴3都作47为辅助机构f, B端是输出轴，且ω=ω，因此可以根据封闭式差动轮系中求速比的方法得到如下方程关系式：5
若针齿壳固定不动时，ω=0，整体机构的传动比：7
若行星架固定不动时，ω=0，整体机构的传动比：1式中：z——齿轮轴上的中心轮齿数；2
z——行星轮齿数；p4p
z——针齿齿数，z+1=z；4
z——摆线轮的齿数。p
定行星轮个数n=3，为满足行星轮的装配条件，渐开线中心轮齿1p1数z应为n的整数倍，并且中心轮齿数要满足不根切条件，即z≥17。
为使第二级摆线针轮行星传动部分输入转矩不至过大，第一级渐开线行星传动的齿数比。
对于第二级摆线针轮行星传动，设计采用一齿差摆线针轮行星传p动，因此针齿齿数z必须为偶数。
为使曲柄轴承与摆线轮之间作用力不至过大，渐开线行星齿轮中0p心距a应是针齿中心圆半径r的，这个可归为结构尺寸条件。
根据针齿中心圆半径设计计算经验公式：式中：T——输出转矩；式中：η——减速器传动的效率；BBB1B2B3式中：η——轴承总效率且η=ηηη；B1B1
η——曲柄轴承效率，这里取η=0.99；B2B2
η——曲柄支撑轴承效率，这里取η=0.99；B3B3
η——行星架支撑轴承效率，这里取η=0.99；17
η——封闭差动齿轮传动效率。式中：——渐开线齿轮啮合效率，这里取；——摆线齿轮啮合效率，这里取。
根据上述条件，计算出RV减速器齿数的组合，计算流程如图
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]