MATLAB面向齒輪的計算機輔助設(shè)計、制造及檢測

畢業(yè) 任務(wù)書 一、題目 面向齒輪的計算機輔助設(shè)計、制造及檢測 二、研究主要內(nèi)容 本題選自正在建設(shè)的實驗項目 CAD/CAM 一體化實驗 。 該項目的研究內(nèi)容是以齒輪為實驗對象 ， 進行計算機輔助設(shè)計 ， 在此基礎(chǔ)上 ， 利用數(shù)控線切割機進行計算機輔助加工 ， 形成計算機輔助設(shè)計和數(shù)控加工的一體化實驗 ， 最后 ， 對加工出來的齒輪進行公差組項目檢測。 通過畢業(yè)設(shè)計 ， 培養(yǎng)在工程設(shè)計、編程、調(diào)試的能力，提高查閱資料、外文翻譯的能力，以及和綜合應(yīng)用基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識的能力，進一步增強分析問題和解決問題的能力。 三、主要技術(shù)指標(biāo) 編 制一漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪設(shè)計程序； 設(shè)計加工的齒輪精度等級為 7 級； 確定并檢測齒輪三個公差組的檢查組； 四、進度和要求 進行畢業(yè)設(shè)計開題 2 周 2 周 (第 1 2 周 ) 外文科技資料翻譯 1 周 1 周 (第 3 周 ) 了解齒輪嚙合原理 ， 掌握直齒圓柱齒輪的廓線形成方法 1 周 (第 4 周 ) 掌握 MATLAB 編程語言 2 周 (第 5 6 周 ) 齒輪的計算機編程與設(shè)計 2 周 (第 7 8 周 ) 掌握線切割機床數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式 1 周 (第 9 周 )將計算數(shù)據(jù)導(dǎo)入線切割機 1 周 (第 10 周 ) 利用電火花數(shù)控線切割機加工所設(shè)計的齒輪 1 周 (第 11 周 ) 設(shè)計 論文 針對所加工的齒輪進行齒輪公差組檢測 1 周 (第 12 周 ) 繪制工作圖 1 周 (第 13 周 ) 撰寫論文 1 周 (第 14 周 ) 修改論文 1 周 (第 15 周 ) 制作答辯電子稿 ， 準(zhǔn)備答辯 1 周 (第 16 周 ) 畢業(yè)答辯 1 周 (第 17 周 ) 五、主要參考書及參考資料 1 孫桓，陳作模，葛文杰機械原理北京：高等教育出版社， 2006,5 2 王玉榮，張應(yīng)昌 ， 公差與測量技術(shù)西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社， 1990,8 3 DK7720 電火花數(shù)控線切割機使用說明書 4 張志勇主編 matlab 教程 北京 ： 北京航空航天大學(xué)出版社出版 ， 2013 5 編委會編 .齒輪便查 手冊 .北京：機械工業(yè)出版社， 2013,3 III 摘 要 齒輪機構(gòu)是現(xiàn)代機械中最重要的傳動機構(gòu)，應(yīng)用十分廣泛。它是依靠輪齒齒廓直接接觸來傳遞運動和動力的，具有傳動比恒定，傳動效率高，使用壽命長，適用范圍廣 ， 承載能力高等特點，但也存在對制造和安裝精度要求較高以及成本較高等缺點。 本論文的研究內(nèi)容為： 1）根據(jù)齒輪嚙合原理，掌握直齒圓柱齒輪的廓線形成方法，再利用 MATLAB對齒輪進行計算機編程和設(shè)計，得到模數(shù)、壓力角等為標(biāo)準(zhǔn)值的漸開線直齒圓柱齒輪的廓線數(shù)據(jù)； 2）熟悉電火花數(shù)控 線 切割 機的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，掌握悉電火花數(shù)控 線切割機的基本操作，再利用電火花數(shù)控 線 切割機加工所設(shè)計的齒輪； 3）掌握檢測的基本知識，了解常用計量器具的種類及其應(yīng)用，了解典型表面的檢測方法及其計量器具，學(xué)會正確選擇計量器具。對加工出來的齒輪進行公差組的檢測。 本文以齒輪為對象，完成了計算機輔助設(shè)計、計算機輔助加工以及齒輪精度檢測的一體化過程，融合了本學(xué)科的知識，提升了實踐能力。 關(guān)鍵詞： 廓線，線切割，公差組 IV ABSTRACT The gear mechanism is the most important mechanism transmission of modern mechanical,wide range of applications.It relies on direct contact with the tooth profile to transmit motion and power,with constant transmission ratio,high transmission efficiency,long service life,for a wide range,and high load carrying capacity etc,but there is manufacture and installation of high precision and high cost disadvantages. In this paper, the study says: 1)According to the principle of the gear meshing,grasp the spur gear profiles forming method,and use MATLAB to be computer programming and design gear, get modulus, pressure angle etc. mean standard value involute spur gear of profile data; 2)Familiar with the structure of EDM CNC cutting machine and working principle,learned to master the basic operation of CNC EDM cutting machine, and use of EDM CNC cutting machine machining design of gear; 3)Detection of basic knowledge to understand the kind commonly used measuring instruments and their applications, understand the typical surface detection methods and measuring instruments, measuring instruments to learn the correct choice. For processing out of gear for testing tolerance group. In this paper, the gear for the object to complete the computer-aided design、 computer-aided processing as well as the accuracy of detection gear for the integration process, combines the knowledge of the discipline, enhance the ability in practice. Keywords: profiling, line cutting, tolerance group V 目 錄 第一章 緒論 . 1 第二章 齒輪的計算機輔助設(shè)計 . 2 2.1 齒輪機構(gòu)及設(shè)計 . 2 2.1.1 齒輪嚙合基本定理 . 2 2.1.2 齒輪漸開線的形成及特性 . 3 2.1.3 漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪的基本參數(shù) . 4 2.2 MATLAB 的簡介 . 6 2.3 齒輪的 MATLAB 編程 . 8 2.4 本章小結(jié) . 12 第三章 電火花數(shù)控切割機簡介 . 13 3.1 電火花數(shù)控切割機的工作原理 . 13 3.2 電火花數(shù)控切割機的分類 . 14 3.3 DK7720 電火花數(shù)控切割機的介紹 . 15 3.3.1 DK7720 電火花數(shù)控切割機的主要技術(shù)數(shù)據(jù) . 15 3.3.2 DK7720 的性能特點 . 16 3.3.3 DK7720 的功能部件 . 16 3.3.4 DK7720 的功能 . 17 3.4 本章小結(jié) . 17 第四章 齒輪的數(shù)控加工 . 18 4.1 齒輪的加工 . 18 4.1.1 齒輪數(shù)據(jù)點的轉(zhuǎn)換 . 18 4.1.2 齒輪的線切割加工 . 20 4.2 本章小結(jié) . 23 VI 第五章 齒輪的檢測 . 24 5.1 齒輪傳動的使用要求 . 24 5.2 齒輪基本參數(shù)的檢測 . 25 5.3 各項誤差的檢驗及其作用 . 25 5.3.1 單個齒距偏差的檢測 . 26 5.3.2 齒距積累總偏差的確定 . 28 5.3.3 齒廓總公差的確定 . 29 5.3.4 齒輪公差組 . 29 5.4 齒輪的檢測結(jié)果 . 32 5.5 本章小結(jié) . 33 第六章 全文 總結(jié) . 34 參考文獻 . 35 致謝 . 36 畢業(yè)設(shè)計小結(jié) . 37 附錄 . 38 1 第一章 緒論 信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展正對全球經(jīng)濟的增長起著巨大的推動作用，特別是對制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了極大的影響，同時也使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)。制造業(yè)的信息化，即利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。 作為制造業(yè)信息化的重要內(nèi)容， CAD 技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)己成為現(xiàn)代企業(yè)縮短產(chǎn)品 開發(fā)周期、提高設(shè)計質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本，乃至提高企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力的有效途徑。目前 CAD 技術(shù)在各行各業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用，并帶來了顯著的社會效益與經(jīng)濟效益。 CAD 技術(shù)在土業(yè)生產(chǎn)中的整體水平已成為國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一。隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和市場競爭的加劇，人們對產(chǎn)品的花色品種和性能的要求越來越多，中、小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)占 70% 80%。為了滿足不同功能和性能的要求，快速而又經(jīng)濟地開發(fā)出更多的變型產(chǎn)品，模塊化和系列化的設(shè)計方法在生產(chǎn)中的應(yīng)用日趨廣泛。在當(dāng)前計算機技術(shù)的普及的大環(huán)境下，CAD 技術(shù)也在世界范圍內(nèi)得 到廣泛的應(yīng)用，先進的工具提高了人們的工作效率和工作質(zhì)量。目前，較為先進的機械 CAD 軟件有 :AutoCAD、 Pro/Engineer、 UG、SolidworkS 等。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)及特征建模技術(shù)的發(fā)展， CAD/CAE/CAM 技術(shù)已緊密相連， CAD 已從單純模仿二維工程圖樣飛躍到三維實體造型，同時，當(dāng)今虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，使 CAD 技術(shù)在工程設(shè)計中呈現(xiàn)越來越重要的地位。 本課題的研究意義在于改變傳統(tǒng)齒輪 的 設(shè)計方式，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益及其在市場上的競爭力。齒輪以其效率高，工作耐久，維護方便，而得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的齒 輪設(shè)計是面向某一具體產(chǎn)品，生產(chǎn)上及技術(shù)上的繼承性很差，且新產(chǎn)品設(shè)計周期長，工藝裝備及生產(chǎn)準(zhǔn)備工作量大，生產(chǎn)線也需作較大的調(diào)整。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，對齒輪的需求量越來越大，且對質(zhì)量提出了更高的要求，若仍采用傳統(tǒng)的單一產(chǎn)品設(shè)計方法是遠(yuǎn)不能滿足市場多樣化的需求，不能適應(yīng)激烈的市場競爭，也很難提高產(chǎn)品的綜合技術(shù)經(jīng)濟效益及保證產(chǎn)品質(zhì)量。 2 第二章 齒輪的計算機輔助設(shè)計 2.1 齒輪機構(gòu)及設(shè)計 2.1.1 齒輪嚙合基本定理 圖 2-1 所示一對相互 嚙合 傳動的齒輪。兩輪齒輪的齒廓12NN在某一點 C 接觸，設(shè)兩齒廓 K 線速度分別為12.KK。要使這一對齒廓能夠通過接觸而傳動，他們沿接觸點的公法線方向的分速度應(yīng)相等，否則兩齒廓將不是彼此分離就是相互嵌入，而不能達(dá)到正常傳動的目的。兩齒廓接觸點的相對速度12KK只能沿兩齒廓接觸點處的公切線方向。 由瞬心概念可知，兩嚙合齒廓在接觸點的公法線12NN與兩齒輪連心線12OO的交點 P 既為兩齒輪的相對瞬心， 圖 2-1 齒輪嚙合圖 故兩輪此時的傳動比為 1 2 1 2 2 1/i O P O P（ 2-1） 該式表明，相互嚙合傳動的一對齒輪，在任一位置的傳動比，都與起連心線12OO被其嚙合齒廓在接觸點處的公法線所分成的兩線段成反比。這一規(guī)律稱為齒廓嚙合基本定律。 凡是按預(yù)定傳動比規(guī)律相互嚙合傳動的一對齒廓稱為共軛齒廓。一般來說，對于預(yù)定的傳動比，只要給出一輪的齒廓曲線，就可根據(jù)齒廓嚙合基本定律求出其嚙合傳動的另一輪上的共軛曲線。因此，能滿足一定傳動比規(guī)律的共軛齒廓曲線是很多的。但是在生產(chǎn)實踐中，選 擇齒廓曲線時，不僅要滿足傳動比的要求，還要必須從設(shè)計、制造、安裝和使用等多方面予以綜合考慮。對于定傳動比傳動 3 的齒輪來說，目前最常用的齒廓曲線是漸開線，其次是擺線和變態(tài)擺線，近年來還有圓弧齒廓和拋物線齒廓等。 由于漸開線齒廓具有良好的傳動性能，而且便于制造、安裝、測量和互換使用，因此它的應(yīng)用最為廣泛。 2.1.2 齒輪漸開線的形成及特性 如圖 2-2 所示，當(dāng)一直線 BK 沿圓周做純滾動時，直線上任意點 K 的軌跡 AK 就是該圓的漸開線。該圓稱為漸開線的基圓，它的半徑用 br 表示；直線 BK 稱為漸開線的發(fā)生線；角 K 稱為漸開線上 K 點的展角。 根據(jù)漸開線的形成過程，可知漸開線具有下列特征： 圖 2-2 齒輪漸開線圖 1） 發(fā)生線上 BK 線段長度等于基圓上被滾過的弧 AB，即 BK =AB。 2） 發(fā)生線 BK 即為漸開線在 K 點的法線，又引發(fā)生線恒切于基圓，故知漸開線上任意點的 法線恒與其基圓相切。 3） 發(fā)生線與基圓的切點 B 也是漸開線在 K 點處的曲率中心，線段 BK 就是漸開線在 K 點處的曲率半徑。故漸開線愈接近基圓部分的曲率半徑愈小，在基圓上其曲率半徑為零。 4） 漸開線的形狀取決于基圓的大小。在展角相同處，基圓半徑愈大，其漸開線的曲率半徑也愈大。當(dāng)基圓半徑為為無窮大時，其漸開線就變成一條直線，故齒條的齒廓曲線為直線。 5） 基圓以內(nèi)無漸開線。 漸開線的上述諸特征是研究漸開線齒輪嚙合傳動的基礎(chǔ)。 在圖 2-2 中，設(shè) Kr 為漸開線在任意點 K 的向徑。當(dāng)次漸開線與其共軛齒廓在 K 點嚙合時，此齒廓在該點所受的正壓力的方向（即法線方向）與該點的速度方向（沿 K 方向）之間所夾的銳角 K ，稱為漸開線在該點的壓力角。 由 BOK 可見 4 co s /K b Krr （ 2-2） 又因 ()t a n b K KK K Kb b brB K A Br r r （ 2-3） 故 ta nK K K （ 2-4） 由上式可知，展角 K 是壓力角 K 的函數(shù)，稱其為漸開線函數(shù)。用Kinv來表示，即 t a nK K K Ki n v （ 2-5） 由式（ 2-1）及（ 2-5）可得漸開線的極坐標(biāo)方程式為 / c o st a nK b KK K K Krri n v （ 2-6） 2.1.3 漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪的基本參數(shù) 1.齒輪各部分的名稱和符號 圖 2-3 所示為一標(biāo)準(zhǔn)直齒輪的一部分。過輪齒頂端所作的圓稱為齒頂圓，其半徑用 ra 表示；過輪齒槽底所作的圓稱為齒根圓，其半徑用 rf 表示；沿任意圓周所量得的輪齒的弧線厚度成為該圓周上的齒厚，以 si 表示；相鄰倆輪齒之間的齒槽沿任意圓周所量得的弧線寬度，稱為該圓周上的齒槽寬 ，以 ei 表示；沿任意圓周所量得的相鄰兩齒上同側(cè)齒廓之間的弧長稱為該圓周上的齒距，以 pi 表示。在同一圓周上，齒距等于齒厚與齒槽寬之和，即 iii esp （ 2-7） 為了便于計算齒輪各部分尺寸，在齒輪上選擇一個圓作為尺寸計算標(biāo)準(zhǔn)，稱該圓為齒輪的分度圓，稱其半徑 、 齒厚 、 齒槽寬和齒距分別以 r、 s、 e 和 P 表示。輪齒介于分度圓與齒頂圓之間的部分稱為齒頂，其徑向高度成為齒頂高，以 ah 表示；介于分度圓與齒根圓之間的部分成為齒根，其徑向高度稱為齒根高，以fh表示；齒頂高和齒高之和稱為齒全高，以 h 表示。 顯然 afh h h（ 2-8） 5 圖 2-3 標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪的一部分 2.漸開線齒輪的基本參數(shù) （ 1） 齒數(shù) 齒輪在整個圓周上齒輪的總數(shù)，用 z 表示。 （ 2） 模數(shù) 模數(shù)是齒輪的一個重要參數(shù)，用 m 表示，模數(shù)的定義為齒距 p 與的比值，即 m = p/ （ 2-9） 故齒輪的分度圓直徑 d 可表示為 d = mz （ 2-10） （ 3） 分度圓壓力角（簡稱壓力角） 由式（ 2-2）可知，同一漸開線齒廓上個壓力角不同。通常所說的齒輪壓力角是指其分度圓上的壓力角，以表示。根據(jù)式（ 2-2）有 = arccos（ rb/r） （ 2-11） c o s2zmr c o s rb （ 2-12） 壓力角是決定齒廓形狀的主要參數(shù)；國家標(biāo)準(zhǔn)（ GB/T 1356-1988）中規(guī)定，分度圓上的壓力角為標(biāo)準(zhǔn)， =20。在一些特殊場合， 也允許采用其他的值。 6 2.2 MATLAB 的簡介 MATLAB 是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù)學(xué)軟件 ，用于 算法 開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及 數(shù)值計算 的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 是 matrix&laboratory 兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。 主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式 程序設(shè)計 的高科技計算環(huán)境。它將 數(shù)值分析 、 矩陣計算 、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非 線性 動態(tài)系統(tǒng)的 建模 和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算 的眾多科學(xué) 領(lǐng)域 提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式 程序設(shè)計語言 （如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大 數(shù)學(xué) 軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。 MATLAB 可以進行 矩陣 運算、繪制 函數(shù) 和數(shù)據(jù)、實現(xiàn) 算法 、創(chuàng)建用戶界面、連接其他 編程語言 的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、 信號處理 與通訊、 圖像處理 、 信號檢測 、 金融建模 設(shè)計與分析等 領(lǐng)域 。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的 指令 表達(dá)式 與 數(shù)學(xué) 、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB也吸收了像 Maple等軟件的優(yōu)點，使 MATLAB成為一個強大的 數(shù)學(xué)軟件 。在新的版本中也加入了對 C， FORTRAN， C+， JAVA的支持。 1、 主要功能 數(shù)值分析 、 數(shù)值和符號計算 、 工程與科學(xué)繪圖 、 控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 、 數(shù)字圖像處理 、 數(shù)字信號處理 、 通訊系統(tǒng)設(shè)計 與仿真 、 財務(wù)與金融工程 2、 優(yōu)勢特點 1) 高效的 數(shù)值計算 及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運算分析中解脫出來； 2) 具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化； 3) 友好的用戶界面及接近 數(shù)學(xué) 表達(dá)式 的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌 7 握； 4) 功能豐富的應(yīng)用工具箱 (如信號處理工具箱、通信工具箱等 )， 為用戶提供了大量方便實用的處理工具。 3、 編程環(huán)境 MATLAB 由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的 函數(shù) 和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作 空間 、文件的瀏覽器。隨著 MATLAB 的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級， MATLAB 的用戶界面也越來越精致，更加接近 Windows 的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的 MATLAB 提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。 4、 應(yīng)用方面 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和 圖像處理 、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、 財務(wù)建模 和分析以及計算 生物 學(xué)等眾多應(yīng)用 領(lǐng)域 。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù) 集）擴展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用 領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 5、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 編輯 MATLAB 系統(tǒng)由 MATLAB 開發(fā)環(huán)境、 MATLAB 數(shù)學(xué) 函數(shù) 庫、 MATLAB 語言、 MATLAB 圖形處理系統(tǒng)和 MATLAB 應(yīng)用程序接口 （ API）五大部分構(gòu)成。 1） 開發(fā)環(huán)境 MATLAB 開發(fā)環(huán)境是一套方便用戶使用的 MATLAB 函數(shù) 和文件工具集，其中許多工具是圖形化用戶接口。它是一個集成的 用戶工作 空間 ，允許用戶輸入輸出數(shù)據(jù)，并提供了 M 文件的集成編譯和調(diào)試環(huán)境，包括 MATLAB 桌面、命令窗口、 M 文件編輯調(diào)試器、 MATLAB 工作空間和在線幫助文檔。 2） 數(shù)學(xué)函數(shù)庫 MATLAB 數(shù)學(xué) 函數(shù) 庫包括了大量的計算 算法 。從基本 算法 如加法、正弦，到復(fù)雜算法如 矩陣 求逆、 快速傅里葉變換 等。 3） 語言 MATLAB 語言是一種高級的基于 矩陣 /數(shù)組 的語言，它有程序流控制、 函數(shù) 、 8 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入 /輸出和面向?qū)ο缶幊痰?特色。用這種語言能夠方便快捷建立起簡單運行快的程序，也能建立復(fù)雜的程序。 4） 圖形處理系統(tǒng) 圖形處理系統(tǒng)使得 MATLAB 能方便的圖形化顯示向量和 矩陣 ，而且能對圖形添加標(biāo)注和打印。它包括強大的二維三維圖形 函數(shù) 、 圖像處理 和動畫顯示等函數(shù)。 5） 應(yīng)用程序接口 MATLAB 應(yīng)用程序接口（ API）是一個使 MATLAB 語言能與 C、 Fortran 等其它高級編程語言進行交互的函數(shù)庫。該 函數(shù) 庫的函數(shù)通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫（ DLL）實現(xiàn)與 MATLAB 文件的數(shù)據(jù)交換，其主要功能包括在 MATLAB 中調(diào)用 C 和 Fortran 程序，以及在 MATLAB 與其它應(yīng)用程序間建立客戶、服務(wù)器關(guān)系。 6、 發(fā)展歷程 20 世紀(jì) 70 年代，美國新墨西哥大 學(xué)計算機科學(xué)系主任 Cleve Moler 為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用 FORTRAN 編寫了最早的 MATLAB。 1984 年由 Little、Moler、 Steve Bangert 合作成立了的 MathWorks 公司正式把 MATLAB 推向市場。到 20 世紀(jì) 90 年代， MATLAB 已成為國際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計算軟件。 MATLAB：統(tǒng)一了用于一維、二維與三維數(shù)值積分的 函數(shù) 并提升了基本 數(shù)學(xué) 和內(nèi)插函數(shù)的性能 MATLAB Compiler：可以下載 MATLAB Compiler Runtime (MCR)，簡化編譯后的程序和組件的分發(fā) Image Processing Toolbox：通過亮度指標(biāo)優(yōu)化進行自動圖像配準(zhǔn) Statistics Toolbox：增強了使用 線性 、廣義線性和非線性回歸進行擬合、預(yù)測和繪圖的界面 System Identification Toolbox：識別連續(xù)時間傳遞 函數(shù) 2.3 齒輪的 MATLAB 編程 1、 齒輪 MATLAB編程的程序框圖如下： 9 圖 2-4 程序框圖 2、程序過程分析 1)創(chuàng)建可在屏幕 輸入 任意 z 和 m 的值 的命令 （如圖 2-5） ； 圖 2-5 輸入模數(shù)齒數(shù)命令 2)定義漸開線齒輪的已知參數(shù)及輸入計算公式（如圖 2-6）； 圖 2-6 定義已知參數(shù)及公式 103）通過 while循環(huán)語句結(jié)構(gòu)，計算每個齒的漸開線軌跡、齒頂圓弧及反向漸開線軌跡（如圖 2-7、 2-8）； 圖 2-7 漸開線軌跡 圖 2-8 齒頂圓弧及反向漸開線軌跡 4） 將輸出齒輪輪廓線圖片保存并記錄數(shù)據(jù)點如圖 2-9 圖 2-9 保存圖樣并記錄數(shù)據(jù)點 主要程序見附錄。 5）執(zhí)行程序，得到如圖 2-10 所示提 示，輸入模數(shù) m 與齒數(shù) z 的數(shù)值； 圖 2-10 MATLAB輸入界面 11回車后， 即可得到下列結(jié)果 ： 1.齒輪的輪廓曲線 （如圖 2-11） 圖 2-11 齒輪的齒廓圖像 2.齒輪輪廓的數(shù)據(jù)點 （如圖 2-12） ： 12圖 2-12 齒輪 輪廓 的數(shù)據(jù)點 2.4 本章小結(jié) 本章 主要 任務(wù)是對齒輪的設(shè)計。通過對 齒廓嚙合基本定律的分析，得出齒輪的齒廓為漸開線，最后對齒輪的 輪廓線 進行 MATLAB編程，導(dǎo)出齒輪輪廓圖和數(shù)據(jù)點。 13第三章 電火花數(shù)控切割機簡介 3.1 電火花數(shù)控切割機的工作原理 電火花切 割時，在電極絲和工件之間進行脈沖放電。如圖一電極絲接脈沖電源的負(fù)極，工件接脈沖電源的正極。當(dāng)來一脈沖電源時，在電源絲和工件之間產(chǎn)生一次火花放電，在放電通道的中心瞬時溫度可高達(dá) 10000以上，高溫使工件金屬融化，甚至有少量氣化，高溫也使電極絲和工件之間的工作液部分生產(chǎn)氣化，這些氣化后的工作液和金屬蒸汽瞬間迅速膨脹，并具有爆炸的特性。這種熱膨脹和局部微爆炸。拋出融化和氣化的金屬材料而現(xiàn)實對工件材料的進行電蝕切割加工。通常認(rèn)為電極絲與工件的放電間隙在 0.01mm 左右，若電脈沖電壓高，放電間隙會大一些。線切割編程 時，一般取放電間隙 =0.01mm。 圖 3-1 線切割工作原理 每來一個電脈沖時，要保證在電極絲和工件之間產(chǎn)生的是火花放電是火花放電而不是電弧放電，必須創(chuàng)造必要的條件，首先必須是兩個電脈沖之間有足夠的間隙時間使放電間隙中的介質(zhì)消電離，即使放電通道中的帶粒子復(fù)合為中性粒子，恢復(fù)本次放電通道處間隙中介質(zhì)的絕緣強度，以免總在同一處發(fā)生、發(fā)生放電而導(dǎo)致電弧放電。一般脈沖間隙應(yīng)為脈沖寬度的 4 杯以上。 為了保證火花放電時電極絲（一般用鉬絲）不被燒斷，必須向放電間隙注入 14大量工作液，以使電極絲得帶充分冷卻，同時電極絲 必須作高速軸向運動，以避免火花放電總在電極絲的局部位置而被燒斷，電極絲速度約在 7 10mm/s 左右。高速運動的電極絲，有利于不斷往放電間隙中帶入新的工作液，同時也有利于把電蝕產(chǎn)物從間隙中帶出去。 電花線切割加工時，為了獲得比較好的表面粗糙度和好的尺寸精度，并保證鉬絲不被斷，應(yīng)選擇好相應(yīng)的脈沖參數(shù)，使工件與鉬絲之間的放電火花放電，而不是電弧放電。 3.2 電火花數(shù)控切割機的分類 電火花數(shù)控切割機的分類很多，一般按照切割機的走絲速遞進行分類。 電火花線切割機可分為高速往復(fù)走絲電火花線切割機 （ Reciprocating type High Speed Wire cut Electrical Discharge Machining 俗稱 “線切割機床 ”）、 低速單向走絲電火花線切割機（ Low Speed one-way walk Wire cut Electrical Discharge Machining 俗稱 “慢走絲 ”）和立式自旋轉(zhuǎn)電火花線切割機（ Vertical Wire Electrical Discharge Machining machine tool With Rotation Wire）三類。又可按工作臺形 式分成單立柱十字工作臺型和雙立柱型（俗稱龍門型）。 往復(fù)走絲電火花線切割機床的走絲速度為 6 12 m/s，是我國獨創(chuàng)的機種。隨著大錐度切割技術(shù)逐步完善，變錐度、上下異形的切割加工也取得了很大的進步。大厚度切割技術(shù)的突破，橫剖面及縱剖面精度有了較大提高，加工厚度可超過 1000mm 以上。但由于往復(fù)走絲線切割機床不能對電極絲實施恒張力控制，故電極絲抖動大，在加工過程中易斷絲。由于電級絲是往復(fù)使用，所以會造成電極絲損耗，加工精度和表面質(zhì)量降低。 低速走絲線切割機電極絲以銅線作為工具電極，一般以低于 0.2m/s 的 速度作單向運動，在銅線與銅、鋼或超硬合金等被加工物材料之間施加 60 300V 的脈沖電壓，并保持 5 50um 間隙，間隙中充滿脫離子水 (接近蒸餾水 )等絕緣介質(zhì)，使電極與被加工物之間發(fā)生火花放電，并彼此被消耗、腐蝕，在工件表面上電蝕出無數(shù)的小坑，通過 NC 控制的監(jiān)測和管控，伺服機構(gòu)執(zhí)行，使這種放電現(xiàn)象均勻一致，從而達(dá)到加工物被加工，使之成為合乎要求之尺寸大小及形狀精度的產(chǎn)品。目前精度可達(dá) 0.001mm 級，表面質(zhì)量也接近磨削水平。電極絲放電后不再使用，而且采用無電阻防電解電源，一般均帶有自動穿絲和恒張力裝置。工作平 15穩(wěn) 、均勻、抖動小、加工精度高、表面質(zhì)量好，但不宜加工大厚度工件。由于機床結(jié)構(gòu)精密，技術(shù)含量高，機床價格高，因此使用成本也高。 立式自旋轉(zhuǎn)電火花線切割機（臥式自旋轉(zhuǎn)電火花線切割機）。立式回轉(zhuǎn)電火花線切割機的特點與傳統(tǒng)的高速走絲和低速走絲電火花線切割加工均有不同，首先是電極絲的運動方式比傳統(tǒng)兩種的電火花線切割加工多了一個電極絲的回轉(zhuǎn)運動；其次，電極絲走絲速度介于高速走絲和低速走絲直接，速度為 1 2m/s。由于加工過程中電極絲增加了旋轉(zhuǎn)運動，所以立式回旋電火花線切割機與其他類型線切割機相比，最大的區(qū)別在于走絲系統(tǒng) 。立式回轉(zhuǎn)電火花線切割機的走絲系統(tǒng)由走絲端和放絲端兩套結(jié)構(gòu)完全相同的兩端做為走絲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電極絲的高速旋轉(zhuǎn)運動和低速走絲的復(fù)合運動。兩套主軸頭之間的區(qū)域為有效加工區(qū)域。除走絲系統(tǒng)外，機床其他組成部分與高速走絲線切割機相同。 與單向低速走絲電火花線切割機床相比，往復(fù)高速走絲電火花線切割機床在平均生產(chǎn)率、切割精度及表面粗糙度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上還存在較大差距。針對這些差距，本世紀(jì)初，國內(nèi)有數(shù)家高速往復(fù)走絲電火花線切割機生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)了在高速走絲機上的多次切割加工（該類機床被俗稱為 “中走絲 ” Medium Speed Wire cut Electrical Discharge Machining）。所謂 “中走絲 ”并非指走絲速度介于高速與低速之間，而是復(fù)合走絲線切割機床，其走絲原理是在粗加工時采用 8 12m/s 高速走絲，精加工時采用 1 3m/s 低速走絲，這樣工作相對平穩(wěn)、抖動小，并通過多次切割減少材料變形及鉬絲損耗帶來的誤差，使加工質(zhì)量也相對提高，加工質(zhì)量可介于高速走絲機與低速走絲機之間。因而可以說，用戶所說的 “中走絲 ”，實際上是往復(fù)走絲電火花線切割機借鑒了一些低速走絲機的加工工藝技術(shù)，并實現(xiàn)了無條紋切割和多次切割。 3.3 DK7720 電火花數(shù)控切割機的介紹 3.3.1 DK7720 電火花數(shù)控切割機的主要技術(shù)數(shù)據(jù) 數(shù)控電火花線切割機型號 DK7720的含義如下： D : 機床類別代號（電加工機床） K : 機床特性代號（數(shù)控） 7 : 組別代號（電火花加工機床） 7 : 型別代號（線切割機床） 1620 : 基本參數(shù)代號（工作臺橫向行程 200mm） DK7720 線切割機床的主要參數(shù)： （ 1）工作行程： X 軸 200mm Y 軸 250mm Z 軸 100mm （ 2）最大切削厚度： 180mm （ 3）工件最大重量： 100kg （ 4）試件加工尺寸精度： 0.015mm （ 5）精加工表面粗糙度： Ra1.25 2.5um （ 6）使用線電極： 0.08 0.18mm （ 7）使用冷卻液：皂化溶解油 1： 15 20（體積比）或線切割專用液 二工作環(huán)境及安裝 ： （ 1）工作環(huán)境溫度 : 5 35 0 C （ 2）工作環(huán)境濕度 : 85（ 250 C） （ 3）電網(wǎng)要求 : 三相 380V/220V 10 50 1HZ （ 4）機床耗電 : 約 0.6kw （ 5）機床外型尺寸 : 1200 900 1500mm （ 6）機床重量 : 900Kg 3.3.2 DK7720 的性能特點 高精度：精度保持性高，機床精度可維持十年不變。 高性能：高效率低絲耗，可實現(xiàn)大電流快速無條紋切割，連 續(xù)加工不斷絲，保證真圓度過及直角位。 高可靠性：性能穩(wěn)定，平均無故障率可達(dá) 99%以上。 3.3.3 DK7720 的功能部件 滾動部件：采用國家定點廠生產(chǎn)的高精密滾珠絲桿，高剛性滾動導(dǎo)軌，采用進口 NSK 品牌的精度軸承，采用大力矩五相十拍步進電機驅(qū)動，儲絲筒經(jīng)過全息動平衡檢驗，導(dǎo)輪組件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而保證了機床的高速化，高精度化運行。 數(shù)控系統(tǒng)：采用智能化 PC 數(shù)控系統(tǒng) ,高品質(zhì) PC 機， HL 軟件控制， AUTOP軟件編程，抗于擾能力強，自動化程度高，性能穩(wěn)定可靠。 17高頻電源：采用高性能全數(shù)字脈沖電源（主振電路高速 數(shù)字振蕩，大功率VMOS 場效應(yīng)管作功效），頻率可調(diào)，具有性能穩(wěn)定，輸出功率大，切割速度快，表面光潔度高，電極絲損耗水小等特點。 電氣元件：機床及控制柜的關(guān)鍵電氣元器件均采用優(yōu)質(zhì)進口件（如集成塊，晶體管，功率管，整流橋，繼電器等），以確保質(zhì)量。 網(wǎng)絡(luò)接口：配有 ACD 數(shù)據(jù)接口，可進行 RS232 或 RS485 串口傳輸，使機床具有網(wǎng)絡(luò)連接功能，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。 3.3.4 DK7720 的功能 三維四軸聯(lián)動，編控一體化， DXF 圖形文件直接讀進編程，加工圖形實時跟蹤，工作輪廓三維造型，多種加工狀態(tài)顯示。 具有上下異形， 等錐，變錐切割，分時切割，停電記憶，短路回退，斷絲保護，靠邊定位，模擬校驗，自動停機，自動找中心，任意角度旋轉(zhuǎn)，快速回零檢查，特殊圖形自動編程等二十多種功能。 3.4 本章小結(jié) 本章的主要任務(wù)是完成對線切割機床的了解，為齒輪加工做準(zhǔn)備。首先介紹了線切割的原理，其次是線切割機床的基本參數(shù)、機械部分和電氣部分。 18第四章 齒輪的數(shù)控加工 4.1 齒輪的加工 4.1.1 齒輪數(shù)據(jù)點的轉(zhuǎn)換 DXF 格式簡介 AutoCAD(Drawing Interchange Format 或者 Drawing Exchange Format) 繪圖交換文件。 DXF 是 Autodesk 公司開發(fā)的用于 AutoCAD 與其它軟件之間進行CAD數(shù)據(jù)交換的 CAD數(shù)據(jù)文件格式 ,是 Autodesk AutoCAD 程序使用的基于矢量的 ASCII 格式。 AutoCAD 可以提供非常詳細(xì)的完全可以縮放的圖表。 AutoCAD 的 DWG 文件格式是二進制的，并且沒有公開，所以只適合在AutoCAD 軟件 之間復(fù)制圖形。為了與其他軟件共享圖形數(shù)據(jù)， AutoCAD 提供了DXF（ Drawing Interchange Format）文件格式，此格式現(xiàn)已被廣泛使用，成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)。通過 DXF 文件格式，可以使用高級語言開發(fā)程序讀取 AutoCAD圖形文件，也可以創(chuàng)建 DXF 文件供 AutoCAD 打開。 DXF 一般情況下是文本文件，可以使用文本編輯器（如 Windows 記事本、寫字板）來查看、編輯其內(nèi)容。 DXF 文件是由很多的 “代碼 ”和 “值 ”組成的 “數(shù)據(jù)對 ”構(gòu)造而成，這里的代碼稱為 “組碼 ”（ group code），指定其后的 值的類型和用途。每個組碼和值必須為單獨的一行的。 DXF 文件被組織成為多個 “段 ”（ section），每個段以組碼 “0”和字符串“SECTION”開頭，緊接著是組碼 “2”和表示段名的字符串（如 HEADER）。段的中間，可以使用組碼和值定義段中的元素。段的結(jié)尾使用組碼 “0”和字符串“ENDSEC”來定義。 將第二章中得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 DXF 格式得到圖 4-1 19圖 4-1 DXF文件的截圖 204.1.2 齒輪的線切割加工 1.導(dǎo)入圖片生成加工軌跡 DK7720 機床自帶 AutoCut 功能 ， 可直接調(diào) 用生成的 DXF 格式的圖片生成加工軌跡 ， 圖 4-2， 進入虛擬卡試走刀 即完成了加工前的準(zhǔn)備工作 ，圖 4-3。 圖 4-2 設(shè)置參數(shù) 圖 4-3 試走刀 212.對齒輪進行加工 在加工界面 設(shè)置加工參數(shù)（圖 4-4、 4-5），然后進行 加工，如圖 4-6。 圖 4-4 設(shè)置加工參數(shù) 圖 4-5 加工界面 22圖 4-6 加工過程 3.加工電參數(shù)的選擇 正確選擇脈沖電源電參數(shù)，可以提高線切割加工的加工工藝指標(biāo)和加工的穩(wěn)定性。 脈沖電源的電參數(shù)主要包括：空載電壓，脈沖寬度，脈沖間隔，短路電流峰值等。 利用脈沖電源進行切割加工時，其電參數(shù)對加工工藝指標(biāo)的影響有 如下的一般規(guī)律： 切割速度隨空載電壓、短路峰值電流、脈沖寬度、脈沖重復(fù)的增大而提高。也就是說，切割速度雖加工的平均電流增加而增大。 加工表面粗糙度隨空載電壓、短路峰值電流、脈沖寬度的減少而提高 。 放電間隙隨空載電壓的提高而增大。 加工穩(wěn)定時的平均電流約為間隙短路電流值的百分之七十五到百分之八十左右。 平均加工電流一定得情況下，脈沖寬度的增加有利于提高加工穩(wěn)定性和切割效率，但表面粗糙度隨之下降。 234.齒輪的介紹 如下圖 4-7 為加工出來的齒輪 圖 4-7 齒輪零件 該齒輪為外嚙合漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪， 具有角速比不變的優(yōu)點 他的 齒形的接觸點上的正壓力方向始終與漸開線的基 圓 相切。這樣可以保證嚙合時傳動比的恒定 ，因此經(jīng)常被用在齒輪變速箱上，用來精確傳動。 4.2 本章小結(jié) 本章先介紹了 HF 線切割數(shù)控加工系統(tǒng)，然后從數(shù)據(jù)點的轉(zhuǎn)換開始對加工的整個過程進行了詳細(xì)的介紹，最后對加工的齒輪進行了簡要