CN115476005A - 分段齿圈侧刃铣加工方法 - Google Patents

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CN115476005A
CN115476005A CN202211189247.3A CN202211189247A CN115476005A CN 115476005 A CN115476005 A CN 115476005A CN 202211189247 A CN202211189247 A CN 202211189247A CN 115476005 A CN115476005 A CN 115476005A
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CN
China
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point
tooth
machining
gear ring
coordinate system
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谢伟博
狄成宝
李�诚
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Chongqing Vocational Institute of Engineering
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Chongqing Vocational Institute of Engineering
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23F—MAKING GEARS OR TOOTHED RACKS
    • B23F1/00—Making gear teeth by tools of which the profile matches the profile of the required surface
    • B23F1/06—Making gear teeth by tools of which the profile matches the profile of the required surface by milling

Abstract

为解决现有技术分段齿圈侧刃铣加工方法存在的加工程序较长，跳齿和换刀不方便，以及容错性较小等问题，本发明提出一种分段齿圈侧刃铣加工方法，采用四轴加工中心对分段齿圈的齿槽进行加工，采用主程序作为对分段齿圈上不同相位角θ齿槽逐个进行切削加工的控制程序；采用子程序作为对不同相位角θ齿槽进行切削加工的加工程序；采用后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ齿槽加工的子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息。本发明分段齿圈侧刃铣加工方法的有益技术效果是后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ齿槽加工的子程序，主程序调用子程序对各个齿槽逐个进行加工，从而完成分段齿圈的齿槽加工。

Description

分段齿圈侧刃铣加工方法
技术领域
本发明涉及到分段齿圈立铣侧刃加工技术，特别涉及到一种分段齿圈侧刃铣加工方法。
背景技术
随着科学技术和各行各业的迅猛发展，越来越多的设备需要使用超大直径的齿轮，有的齿轮的直径已经超过20米。显然，超大直径齿轮齿槽加工所遇到的首要问题是加工设备的工作台直径远远小于齿轮直径，零件无法完全由工作台支撑，零件中心无法与加工设备工作台回转中心重合。由此，出现了将超大直径齿轮拆分为若干段弧形齿圈(通常称为分段齿圈)，采用加工中心对分段齿圈的齿槽逐个进行加工，再将若干个分段齿圈组装成一个超大直径齿轮的加工方法。
对于分段齿圈的齿槽加工最常见的技术方案有二种：一是采用指形刀或成型刀盘结合工作台的分度转动，对分段齿圈的齿槽逐个进行加工。所述指形刀或成型刀盘的刀刃轮廓与分段齿轮的齿槽形状相同，在对齿槽进行加工时，刀轴在对刀完成后在x轴和z轴方向固定不动，仅在y轴方向切削运动，完成该齿槽的加工(参见附图1，图中，A为分段齿圈，B为指形刀)。然后，工作台按照设定相位角转动，刀轴按照设定在x轴和z轴方向移动完成对刀，开始对下一个齿槽进行加工。二是采用球刀进行加工，在每次进刀前，刀轴都按照设定在x轴和z轴方向移动完成对刀，使得球刀刃部的切削轨迹与齿槽曲面相同，从而加工出齿槽。在加工其他齿槽时，只需将待加工齿槽的朝向与基准齿槽被加工时的朝向平行，以相对原点为相对坐标原点，即可采用与基准齿槽相同的程序对待加工齿槽进行加工。然而，上述二种加工技术都存在不同程度的缺陷，指形刀或者盘形刀由于切削原理误差，通常只适用于粗加工或半精加工，且刀具通常较贵；而球刀是单点切削，效率通常较低。
对于模数较大且齿宽较厚的分段齿圈，可以采用立铣刀侧刃进行精铣(通常称为侧刃铣)，以提高加工效率，改善齿面光洁度。然而，侧刃铣在每次进刀切削时，在工件台不转动的情况下，只能加工出平面或台阶，无法加工出曲面(通常，将加工过程中刀轴矢量相对切削位置不变的加工方式称之为“定轴铣”)。要加工曲面，则需要在每次进刀切削时，将工件台转动设定角度，每次切削一个小平面，由多个互成设定角度的小平面包络出一个曲面(通常，将加工过程中刀轴矢量相对切削位置变化的加工方式称之为“变轴铣”)。显然，采用侧刃铣加工分段齿圈的齿槽时，需要采用变轴铣的加工方式。由于被加工的分段齿圈的坯料是偏心固定在工作台的，不仅是从已加工完的一个齿槽转向下一个齿槽的跳齿加工时需要转动工作台，而且在对同一齿槽进行加工的每次进刀切削时都需要转动工作台，并且，转动的角度各不相同。因此，只有同时将多个齿槽作为切削加工对象且分别进行编程，使得现有技术分段齿圈侧刃铣加工方法明显存在着加工程序较长，跳齿和换刀不方便，以及容错性较小等问题。
发明内容
为解决现有技术分段齿圈侧刃铣加工方法存在的加工程序较长，跳齿和换刀不方便，以及容错性较小等问题，本发明提出一种分段齿圈侧刃铣加工方法。
本发明分段齿圈侧刃铣加工方法，采用四轴加工中心对分段齿圈的齿槽进行加工，采用主程序作为对分段齿圈上不同相位角θ齿槽逐个进行切削加工的控制程序；采用子程序作为对不同相位角θ齿槽进行切削加工的加工程序；采用后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ齿槽加工的子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；其中，所述基准齿槽是指齿槽对称轴与Z轴重合的齿槽；所述刀路轨迹是指齿槽加工过程中各次进刀切削起始点的连线，该连线与齿槽横截面的曲线相同；所述点位信息包括各次进刀切削起始点的位置坐标和工件旋转的偏转角β；所述偏转角β是指进刀切削起始点的切线与Z轴的夹角；所述相位角θ是指该齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角，且相位角θ为齿轮分度的整数倍；所述齿槽对称轴是指齿槽横截面曲线的中心对称线，该对称线过分段齿圈的圆心。
进一步的，本发明分段齿圈侧刃铣加工方法，包括以下步骤：
S1、将分段齿圈坯料偏心固定在四轴加工中心的工作台面上，且保证以工作台旋转中心为原点Om的加工坐标系(Xm,Om,Zm)的Zm轴与以分段齿圈坯料的圆心为原点Owo的零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)的Zwo轴重合；其中，所述分段齿圈坯料是指待加工齿槽的形状为圆弧形的坯料，固定时待加工齿槽的外圆弧面向刀轴(参见附图2)；
S2、根据待加工大直径齿轮的技术要求构造出分段齿圈的三维模型，包括，基准齿槽的三维结构模型；其中，所述基准齿槽是指齿槽对称轴与Z轴重合的齿槽；所述齿槽对称轴是指齿槽横截面曲线的中心对称线，该对称线过分段齿圈的圆心；
S3、将分段齿圈的三维模型导入相关软件生成基准齿槽的刀路轨迹；其中，所述相关软件包括计算机辅助设计与制造系统UG；所述刀路轨迹是指齿槽加工过程中各次切削进刀起始点的连线，该连线与齿槽横截面曲线相同；
S4、后处理构造器根据基准齿槽的刀路轨迹编译出基准齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成基准齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；
S5、主程序调用基准齿槽加工子程序，控制四轴加工中心对基准齿槽进行切削加工；
S6、主程序调用相位角为θ的齿槽加工子程序，控制四轴加工中心对相位角为θ的齿槽进行切削加工；包括：后处理构造器根据基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；其中，所述相位角θ是指该齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角，且相位角θ为齿轮分度的整数倍；所述点位信息包括各次进刀切削起始点的位置坐标和工件旋转的偏转角β；所述偏转角β是指进刀切削起始点的切线与Z轴的夹角；
S7、重复执行步骤S6且遍历所有的相位角θ数值；其中，所述相位角θ数值是指根据分段齿圈的技术要求确定的在分段齿圈上的各个齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角的数值，其数值的个数与分段齿圈上齿槽的数量相同，且各个相位角θ的数值在分段齿圈三维模型导入相关软件时输入主程序；
S8、完成对该分段齿圈各个齿槽的切削加工。
进一步的，所述步骤S6中后处理构造器根据基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；包括以下步骤：
S601、以工作台的旋转中心为原点Om建立加工坐标系(Xm,Om,Zm)；以分段齿圈坯料的圆心为原点Owo建立零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)；且加工坐标系的Zm轴与零件坐标系的Zwo轴重合；其中，所述分段齿圈坯料是指待加工齿槽的形状为圆弧形的坯料，偏心固定在工作台面上，且固定时待加工齿槽的外圆弧面向刀轴(参见附图2)；
S602、将齿槽中线与零件坐标系的Zwo轴重合的齿槽定义为基准齿槽，设基准齿槽刀路轨迹上的任意一个进刀切削起始点为Ai点，设过Ai点的切线与Zwo轴的夹角为βi，即偏转角βi；设与基准齿槽相差相位角θ的齿槽的横截面曲线上与Ai点相同位置的进刀切削起始点为Ai+n点；其中，所述相位角θ是指该齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角，且相位角θ为齿轮分度的整数倍；所述齿槽对称轴是指齿槽横截面曲线的中心对称线，该对称线过分段齿圈的圆心(参见附图3)；
S603、建立进刀切削起始点的点位信息为(X,Y,Z,β)，其中，X,Y,Z为刀轴在三个轴向的移动指令，β为工作台旋转指令；则后处理构造器解析出的Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息为
Figure BDA0003868688130000031
其中，YAi为垂直纸面方向的坐标轴；
S604、根据Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure BDA0003868688130000032
计算出Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure BDA0003868688130000041
其中，Ai+n点的
Figure BDA0003868688130000042
坐标为Ai点的
Figure BDA0003868688130000043
坐标；
S605、重复执行步骤S602至S604且遍历基准齿槽刀路轨迹上的所有进刀切削起始点，即可将基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息。
进一步的，所述步骤S604根据Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码点位信息
Figure BDA0003868688130000044
计算出Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码点位信息
Figure BDA0003868688130000045
采用矩阵运算进行计算，包括：
S604-1、后处理构造器解算出Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure BDA0003868688130000046
(参见附图4)；将Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi，得到Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后的点位信息，记为旋转矩阵Mβi(参见附图3)；
S604-2、将Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息转换成在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为平移矩阵
Figure BDA0003868688130000047
S604-3、将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ，得到Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为旋转矩阵Mθ；
S604-4、将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息转换成在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息，即得到Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure BDA0003868688130000048
记为平移矩阵
Figure BDA0003868688130000049
进一步的，对于不带旋转刀具中心点RTCP功能的机床，则将工作台绕加工坐标系原点Om顺时针旋转θ-βi度；再根据几何变换关系，依照步骤S604-1至S604-4的方法求得Ai+n点在的加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure BDA00038686881300000410
(参见附图5)。
进一步的，采用后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；包括：
在后处理构造器中设置寄存器R1,R2,R3,R4用于存储进刀切削起始点的点位信息，默认格式为(X,Y,Z,B)，其中，X,Y,Z为刀轴三维坐标移动指令，B为工作台旋转指令；且令
Figure BDA0003868688130000059
，
Figure BDA00038686881300000510
，R3＝βi，R4＝θ其中，Y坐标不参与变换运算，在此不做处理；
对于不带旋转刀具中心点RTCP功能的机床，将下列计算式定制到后处理构造器中，并以此对各个进刀切削起始点的点位信息进行计算：
Figure BDA0003868688130000051
B＝R4-R3 式2
Figure BDA0003868688130000052
式中，X,Z分别为刀轴在X轴向和Z轴向的移动指令，B为工作台旋转指令；
Figure BDA0003868688130000053
为Ai+n点分别在X轴向和Z轴向的移动指令；
Figure BDA0003868688130000054
为后处理构造器解算出的Ai点的点位信息在绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后的点位信息，记为的旋转矩阵；Mθ为将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为的旋转矩阵；
Figure BDA0003868688130000055
为将Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息转换成在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为的平移矩阵；
Figure BDA0003868688130000056
为将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息转换成在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息，记为的平移矩阵，也即为Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure BDA0003868688130000057
由此，求得Ai+n点在的加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure BDA0003868688130000058
进一步的，所述采用主程序作为对分段齿圈上不同相位角θ的齿槽逐个进行切削加工的控制程序；采用子程序作为对不同相位角θ的齿槽进行切削加工的加工子程序；包括，以相位角θ为主程序调用子程序的标识，且相位角θ为齿轮分度的整数倍，不同的相位角θ对应不同分度的齿槽；后处理构造器根据不同的相位角θ将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ的齿槽加工的加工子程序，并以此对不同相位角θ的齿槽进行加工，进而对整个分段齿圈各个齿槽进行加工。
本发明分段齿圈侧刃铣加工方法的有益技术效果是后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ齿槽加工的子程序，主程序调用子程序对各个齿槽逐个进行加工，从而完成分段齿圈的齿槽加工。
附图说明
附图1为指形刀加工示意图；
附图2为本发明分段齿圈侧刃铣加工方法坐标系设置的示意图；
附图3为本发明分段齿圈侧刃铣加工方法进刀切削起始点的示意图；
附图4为本发明分段齿圈侧刃铣加工方法工作台逆时针旋转βi角后的坐标系示意图；
附图5为本发明分段齿圈侧刃铣加工方法顺时针旋转θ-βi角后的坐标系示意图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明分段齿圈侧刃铣加工方法作进一步的说明。
具体实施方式
为解决现有技术分段齿圈侧刃铣加工方法存在的加工程序较长，跳齿和换刀不方便，以及容错性较小等问题，本发明提出一种分段齿圈侧刃铣加工方法，其基本思路是设置一个加工子程序编译模块，将基准齿槽的加工程序编译成不同相位角θ齿槽的加工子程序。基于此，本发明分段齿圈侧刃铣加工方法，采用四轴加工中心对分段齿圈的齿槽进行加工，采用主程序作为对分段齿圈上不同相位角θ齿槽逐个进行切削加工的控制程序；采用子程序作为对不同相位角θ齿槽进行切削加工的加工程序；采用后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ齿槽加工的子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；其中，所述基准齿槽是指齿槽对称轴与Z轴重合的齿槽；所述刀路轨迹是指齿槽加工过程中各次进刀切削起始点的连线，该连线与齿槽横截面的曲线相同；所述点位信息包括各次进刀切削起始点的位置坐标和工件旋转的偏转角β；所述偏转角β是指进刀切削起始点的切线与Z轴的夹角；所述相位角θ是指该齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角，且相位角θ为齿轮分度的整数倍；所述齿槽对称轴是指齿槽横截面曲线的中心对称线，该对称线过分段齿圈的圆心。可见，本发明分段齿圈侧刃铣加工方法设置后处理构造器，根据已解算出的侧刃铣基准齿面的NC代码，求解偏心放置分段齿圈其余齿面的NC代码；将坐标转换的过程定制到后处理构造器中，用以实现对基准齿面逐条NC代码的转换。从而实现只根据一个基准齿面的侧刃铣代码，就能完成对偏心放置其他相位齿面的加工。
作为优选方案之一，本发明分段齿圈侧刃铣加工方法，包括以下步骤：
S1、将分段齿圈坯料偏心固定在四轴加工中心的工作台面上，且保证以工作台旋转中心为原点Om的加工坐标系(Xm,Om,Zm)的Zm轴与以分段齿圈坯料的圆心为原点Owo的零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)的Zwo轴重合；其中，所述分段齿圈坯料是指待加工齿槽的形状为圆弧形的坯料，固定时待加工齿槽的外圆弧面向刀轴(参见附图2)；
S2、根据待加工大直径齿轮的技术要求构造出分段齿圈的三维模型，包括，基准齿槽的三维结构模型；其中，所述基准齿槽是指齿槽对称轴与Z轴重合的齿槽；所述齿槽对称轴是指齿槽横截面曲线的中心对称线，该对称线过分段齿圈的圆心；
S3、将分段齿圈的三维模型导入相关软件生成基准齿槽的刀路轨迹；其中，所述相关软件包括计算机辅助设计与制造系统UG；所述刀路轨迹是指齿槽加工过程中各次切削进刀起始点的连线，该连线与齿槽横截面曲线相同；
S4、后处理构造器根据基准齿槽的刀路轨迹编译出基准齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成基准齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；
S5、主程序调用基准齿槽加工子程序，控制四轴加工中心对基准齿槽进行切削加工；
S6、主程序调用相位角为θ的齿槽加工子程序，控制四轴加工中心对相位角为θ的齿槽进行切削加工；包括：后处理构造器根据基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；其中，所述相位角θ是指该齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角，且相位角θ为齿轮分度的整数倍；所述点位信息包括各次进刀切削起始点的位置坐标和工件旋转的偏转角β；所述偏转角β是指进刀切削起始点的切线与Z轴的夹角；
作为优选方案之一，所述后处理构造器根据基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；包括以下步骤：
S601、以工作台的旋转中心为原点Om建立加工坐标系(Xm,Om,Zm)；以分段齿圈坯料的圆心为原点Owo建立零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)；且加工坐标系的Zm轴与零件坐标系的Zwo轴重合；其中，所述分段齿圈坯料是指待加工齿槽的形状为圆弧形的坯料，偏心固定在工作台面上，且固定时待加工齿槽的外圆弧面向刀轴(参见附图2)；
S602、将齿槽中线与零件坐标系的Zwo轴重合的齿槽定义为基准齿槽，设基准齿槽刀路轨迹上的任意一个进刀切削起始点为Ai点，设过Ai点的切线与Zwo轴的夹角为βi，即偏转角βi；设与基准齿槽相差相位角θ的齿槽的横截面曲线上与Ai点相同位置的进刀切削起始点为Ai+n点；其中，所述相位角θ是指该齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角，且相位角θ为齿轮分度的整数倍；所述齿槽对称轴是指齿槽横截面曲线的中心对称线，该对称线过分段齿圈的圆心(参见附图3)；
S603、建立进刀切削起始点的点位信息为(X,Y,Z,β)，其中，X,Y,Z为刀轴在三个轴向的移动指令，β为工作台旋转指令；则后处理构造器解析出的Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息为
Figure BDA0003868688130000081
其中，YAi为垂直纸面方向的坐标轴；
S604、根据Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure BDA0003868688130000082
计算出Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure BDA0003868688130000083
其中，Ai+n点的
Figure BDA0003868688130000084
坐标为Ai点的
Figure BDA0003868688130000085
坐标；
S605、重复执行步骤S602至S604且遍历基准齿槽刀路轨迹上的所有进刀切削起始点，即可将基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；
作为优选方案之一，所述根据Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码点位信息
Figure BDA0003868688130000086
计算出Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码点位信息
Figure BDA0003868688130000087
采用矩阵运算进行计算，包括：
S604-1、后处理构造器解算出Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure BDA0003868688130000088
(参见附图4)；将Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi，得到Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后的点位信息，记为旋转矩阵
Figure BDA0003868688130000089
(参见附图3)；
需要说明的是，此时后处理构造器计算出来的Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure BDA00038686881300000810
是工作台绕原点Om逆时针旋转了偏转角βi后的点位信息(参见附图4)。为方便推导，需要借助
Figure BDA00038686881300000811
计算工作台没有绕原点Om逆时针旋转了偏转角βi前的点位信息。
S604-2、将Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息转换成在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为平移矩阵
Figure BDA00038686881300000812
S604-3、将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ，得到Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为旋转矩阵Mθ；
S604-4、将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息转换成在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息，即得到Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure BDA0003868688130000091
记为平移矩阵
Figure BDA0003868688130000092
S7、重复执行步骤S6且遍历所有的相位角θ数值；其中，所述相位角θ数值是指根据分段齿圈的技术要求确定的在分段齿圈上的各个齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角的数值，其数值的个数与分段齿圈上齿槽的数量相同，且各个相位角θ的数值已经导入主程序；
S8、完成对该分段齿圈各个齿槽的切削加工。
对于不带旋转刀具中心点RTCP功能的机床，则将工作台绕加工坐标系原点Om顺时针旋转θ-βi度；再根据几何变换关系，依照步骤S604-1至S604-4的方法求得Ai+n点在的加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure BDA0003868688130000093
(参见附图5)。
作为优选方案之一，所述采用后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；包括：
在后处理构造器中设置寄存器R1,R2,R3,R4用于存储进刀切削起始点的点位信息，默认格式为(X,Y,Z,B)，其中，X,Y,Z为刀轴三维坐标移动指令，B为工作台旋转指令；且令
Figure BDA0003868688130000094
Figure BDA0003868688130000095
R3＝βi，R4＝θ其中，Y坐标不参与变换运算，在此不做处理；
对于不带旋转刀具中心点RTCP功能的机床，将下列计算式定制到后处理构造器中，并以此对各个进刀切削起始点的点位信息进行计算：
Figure BDA0003868688130000096
B＝R4-R3 式2
Figure BDA0003868688130000097
式中，X,Z分别为刀轴在X轴向和Z轴向的移动指令，B为工作台旋转指令；
Figure BDA0003868688130000098
为Ai+n点分别在X轴向和Z轴向的移动指令；
Figure BDA00038686881300000910
为后处理构造器解算出的Ai点的点位信息在绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后的点位信息，记为的旋转矩阵；Mθ为将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为的旋转矩阵；
Figure BDA00038686881300000911
为将Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息转换成在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为的平移矩阵；
Figure BDA00038686881300000912
为将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息转换成在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息，记为的平移矩阵，也即为Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure BDA0003868688130000101
由此，求得Ai+n点在的加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure BDA0003868688130000102
为了简化程序，提高操作效率，所述采用主程序作为对分段齿圈上不同相位角θ的齿槽逐个进行切削加工的控制程序；采用子程序作为对不同相位角θ的齿槽进行切削加工的加工子程序；包括，以相位角θ为主程序调用子程序的标识，且相位角θ为齿轮分度的整数倍，不同的相位角θ对应不同分度的齿槽；后处理构造器根据不同的相位角θ将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ的齿槽加工的加工子程序，并以此对不同相位角θ的齿槽进行加工，进而对整个分段齿圈各个齿槽进行加工。
显然，本发明分段齿圈侧刃铣加工方法的有益技术效果是后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ齿槽加工的子程序，主程序调用子程序对各个齿槽逐个进行加工，从而完成分段齿圈的齿槽加工。

Claims (7)

1.一种分段齿圈侧刃铣加工方法，采用四轴加工中心对分段齿圈的齿槽进行加工，其特征在于，采用主程序作为对分段齿圈上不同相位角θ齿槽逐个进行切削加工的控制程序；采用子程序作为对不同相位角θ齿槽进行切削加工的加工程序；采用后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ齿槽加工的子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；其中，所述基准齿槽是指齿槽对称轴与Z轴重合的齿槽；所述刀路轨迹是指齿槽加工过程中各次进刀切削起始点的连线，该连线与齿槽横截面的曲线相同；所述点位信息包括各次进刀切削起始点的位置坐标和工件旋转的偏转角β；所述偏转角β是指进刀切削起始点的切线与Z轴的夹角；所述相位角θ是指该齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角，且相位角θ为齿轮分度的整数倍；所述齿槽对称轴是指齿槽横截面曲线的中心对称线，该对称线过分段齿圈的圆心。
2.根据权利要求1所述分段齿圈侧刃铣加工方法，其特征在于，该分段齿圈侧刃铣加工方法，包括以下步骤：
S1、将分段齿圈坯料偏心固定在四轴加工中心的工作台面上，且保证以工作台旋转中心为原点Om的加工坐标系(Xm,Om,Zm)的Zm轴与以分段齿圈坯料的圆心为原点Owo的零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)的Zwo轴重合；其中，所述分段齿圈坯料是指待加工齿槽的形状为圆弧形的坯料，固定时待加工齿槽的外圆弧面向刀轴；
S2、根据待加工大直径齿轮的技术要求构造出分段齿圈的三维模型，包括，基准齿槽的三维结构模型；其中，所述基准齿槽是指齿槽对称轴与Z轴重合的齿槽；所述齿槽对称轴是指齿槽横截面曲线的中心对称线，该对称线过分段齿圈的圆心；
S3、将分段齿圈的三维模型导入相关软件生成基准齿槽的刀路轨迹；其中，所述相关软件包括计算机辅助设计与制造系统UG；所述刀路轨迹是指齿槽加工过程中各次切削进刀起始点的连线，该连线与齿槽横截面曲线相同；
S4、后处理构造器根据基准齿槽的刀路轨迹编译出基准齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成基准齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；
S5、主程序调用基准齿槽加工子程序，控制四轴加工中心对基准齿槽进行切削加工；
S6、主程序调用相位角为θ的齿槽加工子程序，控制四轴加工中心对相位角为θ的齿槽进行切削加工；包括：后处理构造器根据基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；其中，所述相位角θ是指该齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角，且相位角θ为齿轮分度的整数倍；所述点位信息包括各次进刀切削起始点的位置坐标和工件旋转的偏转角β；所述偏转角β是指进刀切削起始点的切线与Z轴的夹角；
S7、重复执行步骤S6且遍历所有的相位角θ数值；其中，所述相位角θ数值是指根据分段齿圈的技术要求确定的在分段齿圈上的各个齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角的数值，其数值的个数与分段齿圈上齿槽的数量相同，且各个相位角θ的数值在分段齿圈三维模型导入相关软件时输入主程序；
S8、完成对该分段齿圈各个齿槽的切削加工。
3.根据权利要求2所述分段齿圈侧刃铣加工方法，其特征在于，所述步骤S6中后处理构造器根据基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；包括以下步骤：
S601、以工作台的旋转中心为原点Om建立加工坐标系(Xm,Om,Zm)；以分段齿圈坯料的圆心为原点Owo建立零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)；且加工坐标系的Zm轴与零件坐标系的Zwo轴重合；其中，所述分段齿圈坯料是指待加工齿槽的形状为圆弧形的坯料，偏心固定在工作台面上，且固定时待加工齿槽的外圆弧面向刀轴；
S602、将齿槽中线与零件坐标系的Zwo轴重合的齿槽定义为基准齿槽，设基准齿槽刀路轨迹上的任意一个进刀切削起始点为Ai点，设过Ai点的切线与Zwo轴的夹角为βi，即偏转角βi；设与基准齿槽相差相位角θ的齿槽的横截面曲线上与Ai点相同位置的进刀切削起始点为Ai+n点；其中，所述相位角θ是指该齿槽对称轴与基准齿槽对称轴的夹角，且相位角θ为齿轮分度的整数倍；所述齿槽对称轴是指齿槽横截面曲线的中心对称线，该对称线过分段齿圈的圆心；
S603、建立进刀切削起始点的点位信息为(X,Y,Z,β)，其中，X,Y,Z为刀轴在三个轴向的移动指令，β为工作台旋转指令；则后处理构造器解析出的Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息为
Figure FDA0003868688120000021
其中，YAi为垂直纸面方向的坐标轴；
S604、根据Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure FDA0003868688120000022
计算出Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure FDA0003868688120000023
其中，Ai+n点的
Figure FDA0003868688120000024
坐标为Ai点的
Figure FDA0003868688120000031
坐标；
S605、重复执行步骤S602至S604且遍历基准齿槽刀路轨迹上的所有进刀切削起始点，即可将基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息。
4.根据权利要求3所述分段齿圈侧刃铣加工方法，其特征在于，所述步骤S604根据Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码点位信息
Figure FDA0003868688120000032
计算出Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码点位信息
Figure FDA0003868688120000033
采用矩阵运算进行计算，包括：
S604-1、后处理构造器解算出Ai点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure FDA0003868688120000034
将Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi，得到Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后的点位信息，记为旋转矩阵
Figure FDA0003868688120000035
S604-2、将Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息转换成在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为平移矩阵
Figure FDA0003868688120000036
S604-3、将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ，得到Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为旋转矩阵Mθ；
S604-4、将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息转换成在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息，即得到Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure FDA0003868688120000037
记为平移矩阵
Figure FDA0003868688120000038
5.根据权利要求4所述分段齿圈侧刃铣加工方法，其特征在于，对于不带旋转刀具中心点RTCP功能的机床，则将工作台绕加工坐标系原点Om顺时针旋转θ-βi度；再根据几何变换关系，依照步骤S604-1至S604-4的方法求得Ai+n点在的加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure FDA0003868688120000039
6.根据权利要求2所述分段齿圈侧刃铣加工方法，其特征在于，采用后处理构造器将基准齿槽的刀路轨迹编译出相位角为θ的齿槽切削加工的数控程序NC代码，并由此生成相位角为θ的齿槽加工子程序，包括各次进刀切削起始点的点位信息；包括：
在后处理构造器中设置寄存器R1,R2,R3,R4用于存储进刀切削起始点的点位信息，默认格式为(X,Y,Z,B)，其中，X,Y,Z为刀轴三维坐标移动指令，B为工作台旋转指令；且令
Figure FDA0003868688120000041
R3＝βi，R4＝θ其中，Y坐标不参与变换运算，在此不做处理；
对于不带旋转刀具中心点RTCP功能的机床，将下列计算式定制到后处理构造器中，并以此对各个进刀切削起始点的点位信息进行计算：
Figure FDA0003868688120000042
B＝R4-R3 式2
Figure FDA0003868688120000043
式中，X,Z分别为刀轴在X轴向和Z轴向的移动指令，B为工作台旋转指令；
Figure FDA0003868688120000044
为Ai+n点分别在X轴向和Z轴向的移动指令；
Figure FDA0003868688120000045
为后处理构造器解算出的Ai点的点位信息在绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后的点位信息，记为的旋转矩阵；Mθ为将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为的旋转矩阵；
Figure FDA0003868688120000046
为将Ai点绕原点Om顺时针旋转偏转角βi后在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息转换成在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息，记为的平移矩阵；
Figure FDA0003868688120000047
为将Ai点绕原点Owo逆时针旋转相位角θ后在零件坐标系(Xwo,Owo,Zwo)中的点位信息转换成在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息，记为的平移矩阵，也即为Ai+n点在加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的NC代码的点位信息
Figure FDA0003868688120000048
由此，求得Ai+n点在的加工坐标系(Xm,Om,Zm)中的点位信息
Figure FDA0003868688120000049
7.根据权利要求1所述分段齿圈侧刃铣加工方法，其特征在于，所述采用主程序作为对分段齿圈上不同相位角θ的齿槽逐个进行切削加工的控制程序；采用子程序作为对不同相位角θ的齿槽进行切削加工的加工子程序；包括，以相位角θ为主程序调用子程序的标识，且相位角θ为齿轮分度的整数倍，不同的相位角θ对应不同分度的齿槽；后处理构造器根据不同的相位角θ将基准齿槽的刀路轨迹编译成不同相位角θ的齿槽加工的加工子程序，并以此对不同相位角θ的齿槽进行加工，进而对整个分段齿圈各个齿槽进行加工。
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