圓柱蝸桿傳動(dòng)參數(shù)化虛擬造型系統(tǒng)開發(fā)

2013-05-14 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

作者: 肖蓉川來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 蝸桿傳動(dòng) 參數(shù)化虛擬造型
在分析圓柱蝸桿傳動(dòng)中蝸桿與蝸輪的嚙合關(guān)系和齒廓形成的基礎(chǔ)上,結(jié)合三維CAD系統(tǒng)SolidWorks二次開發(fā)的方法,討論了圓柱蝸桿傳動(dòng)參數(shù)化虛擬造型系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程和方法,完成了蝸輪的三維實(shí)體造型,為進(jìn)行蝸桿傳動(dòng)的加工仿真、有限元分析等提供了必要的條件。

0 引言

在CAD/CAM系統(tǒng)中,實(shí)體模型可表示實(shí)體的幾何特性和物理特性,可為NC編程、有限元分析、虛擬裝配等工程應(yīng)用提供所需要的各種信息,同時(shí)參數(shù)化建模或參數(shù)化設(shè)計(jì)是虛擬設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向,因此精確的三維實(shí)體造型是進(jìn)行以上研究的基礎(chǔ),對(duì)探討機(jī)械產(chǎn)品零部件的參數(shù)化虛擬造型具有十分重要的意義。

蝸桿傳動(dòng)用于傳遞空間垂直交錯(cuò)軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),由于它具有傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無(wú)噪聲、沖擊振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床、冶金、礦山及起重設(shè)備等的傳動(dòng)系統(tǒng)中。但由于蝸桿傳動(dòng)中蝸輪、蝸桿的形狀較為復(fù)雜,應(yīng)用低檔CAD系統(tǒng)進(jìn)行造型具有一定的難度,目前對(duì)蝸桿傳動(dòng)的蝸輪三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)的研究較為少見。為此,本文運(yùn)用逆向虛擬造型設(shè)計(jì)的方法,在SolidWorks軟件環(huán)境下,應(yīng)用Visual Basic 6.0開發(fā)了蝸桿傳動(dòng)三維實(shí)體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)蝸桿、蝸輪進(jìn)行三維實(shí)體造型,它可為傳動(dòng)的虛擬設(shè)計(jì)提供精確的實(shí)體模型。

    1 圓柱蝸桿傳動(dòng)三維實(shí)體造型

    1.1 圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及幾何計(jì)算分析

本文以圓柱蝸桿傳動(dòng)中最常用的阿基米德蝸桿傳動(dòng)的蝸輪三維造型為例進(jìn)行討論。如圖1所示,普通圓柱蝸桿傳動(dòng)在主剖面(中間平面)上,蝸桿齒廓為直線,蝸輪齒廓曲線為漸開線,蝸桿與蝸輪的嚙合關(guān)系相當(dāng)于直齒齒條與漸開線齒輪的嚙合關(guān)系。故在設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)時(shí),均取主剖面上的參數(shù)(如模數(shù)、壓力角等)和尺寸(如齒頂圓、分度圓等)為基準(zhǔn),并沿用齒輪傳動(dòng)的計(jì)算關(guān)系;蝸桿與蝸輪嚙合時(shí),在中間平面上,蝸桿的軸面模數(shù)、壓力角應(yīng)與蝸輪的端面模數(shù)、壓力角相等,并把中間平面上的模數(shù)和壓力角同時(shí)規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值。在進(jìn)行圓柱蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí),需要確定的主要參數(shù)包括模數(shù)m、壓力角a、蝸桿頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2以及蝸桿直徑系數(shù)q等。圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本幾何尺寸見圖2。

圓柱蝸桿傳動(dòng)參數(shù)化虛擬造型系統(tǒng)開發(fā)autocad案例圖片1

圓柱蝸桿傳動(dòng)參數(shù)化虛擬造型系統(tǒng)開發(fā)autocad技術(shù)圖片2

    1.2蝸輪的基本齒廓

蝸輪齒形生成是蝸輪三維實(shí)體造型的關(guān)鍵和核心。對(duì)于普通圓柱蝸桿傳動(dòng),在其中間平面上,蝸輪基本齒廓與漸開線齒輪輪齒的基本齒廓基本相同,只是頂隙C=0.2 m,齒根圓角半徑pf=0.3 m,為此可建立與漸開線齒輪相同的齒廓曲線方程。很多文獻(xiàn)已對(duì)漸開線齒輪的齒廓曲線方程進(jìn)行了推導(dǎo),此處不再贅述。為了實(shí)現(xiàn)蝸輪三維實(shí)體的精確造型,需先根據(jù)齒廓曲線方程對(duì)齒形曲線進(jìn)行求解,并在中間平面上生成,然后以中間平面為起點(diǎn),選擇"凸臺(tái).掃描"命令,沿螺旋線分別向左、右掃描生成蝸輪的一個(gè)輪齒。

    1.3蝸輪三維實(shí)體造型步驟

基于上述分析,可確定出在圓柱蝸桿傳動(dòng)中蝸輪三維實(shí)體造型的主要步驟如下:

(1)在前視面上通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)按照計(jì)算確定蝸桿傳動(dòng)中心距a、蝸輪寬度B、蝸輪齒頂圓弧半徑R:,繪制草圖和通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)繪制中心線,寬度B對(duì)稱于坐標(biāo)原點(diǎn)。
(2)選擇凸臺(tái)旋轉(zhuǎn)命令旋轉(zhuǎn)得到蝸輪坯實(shí)體。
(3)選擇前視面通過(guò)原齒頂圓弧半徑R:的圓心繪制蝸桿的分度圓直徑d.。由蝸桿螺旋線升角等于入、蝸桿的分度圓直徑d。,按照t=пd1tgλ計(jì)算螺距t,選擇插入螺旋線/渦狀線,設(shè)置定義方式為螺距和圈數(shù),螺距輸人計(jì)算螺距t、圈數(shù)輸入0.25,角度設(shè)置為2700。
    (4)選擇右視面由程序調(diào)入蝸輪的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m、壓力角a、齒數(shù)z2、齒頂高系數(shù)ha*計(jì)算繪制的蝸輪主剖面齒形,并使齒形分度圓上的對(duì)稱點(diǎn)與右視面上的螺旋線起始點(diǎn)重合。
    (5)選擇凸臺(tái)-掃描命令,以形成蝸輪的左半部分齒形。
    (6)重復(fù)步驟3在螺旋線對(duì)話框中設(shè)置方向?yàn)?反向"、"逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)",其它同步驟3。
    (7)重復(fù)步驟4形成蝸輪的右半部分齒形。
    (8)選擇實(shí)體圓周陣列命令,以蝸輪齒數(shù)為陣列,生成全部輪齒。
    (9)切除蝸輪寬度兩端面以外的齒形。
    (10)選擇前視面通過(guò)原齒頂圓弧半徑R:的圓心、以(R2+m*c)為半徑繪制蝸輪的齒根圓弧的圓,通過(guò)圓的圓心對(duì)稱繪制包角21線相交于圓弧,如圖2所示。
    (11)選擇旋轉(zhuǎn)切除命令切去多余齒形和得到蝸輪端面倒角,完成蝸輪齒圈部分的實(shí)體造型。

2 圓柱蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)化造型系統(tǒng)開發(fā)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)主要要求在于輔助設(shè)計(jì)變量和已有設(shè)計(jì)的可再使用性,為此在許多設(shè)計(jì)任務(wù)中要有目的地采用參數(shù)化建模,以使設(shè)計(jì)適應(yīng)新的要求,面向工程應(yīng)用。參數(shù)化三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)是以變量幾何和生成歷程樹為基礎(chǔ),以尺寸驅(qū)動(dòng)為特征的一種三維造型方法。其基本過(guò)程可描述為:首先利用草圖功能勾畫零件基本形狀,然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求標(biāo)注必要的尺寸,最后修改尺寸值以驅(qū)動(dòng)模型變化,動(dòng)態(tài)地修改產(chǎn)品幾何模型,快速生成新的三維實(shí)體模型。

    2.1 SolidWorks的二次開發(fā)的方法簡(jiǎn)介

SolidWorks是基于Windows平臺(tái)的三維設(shè)計(jì)軟件,由于其具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)前微機(jī)平臺(tái)上的主流三維設(shè)計(jì)軟件。SolidWorks通過(guò)OLE技術(shù)為用戶提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口,凡支持OLE編程的開發(fā)工具,如Visual C++、Visual Basic、Delphi等均可用于SolidWorks的二次開發(fā)。用戶通過(guò)在客戶應(yīng)用程序中對(duì)SolidWorks提供的OLE對(duì)象及其方法和屬性的操作,就可在自己開發(fā)的應(yīng)用軟件中實(shí)現(xiàn)諸如創(chuàng)建直線、構(gòu)造實(shí)體、檢查曲面表面參數(shù)等所有的SolidWorks軟件的功能。

宏記錄是所有三維CAD軟件普遍具有的功能。宏是從軟件內(nèi)部編程角度操作其對(duì)象的方式,它是一段定義好的操作,或是一批指令的集合,或是一段程序代碼。經(jīng)過(guò)宏記錄得到的宏文件通過(guò)編譯可被其他語(yǔ)言如Visual C++、Visual Basic調(diào)用。目前常采用通過(guò)修改CAD軟件宏記錄生成的宏文件來(lái)加速CAD軟件的二次開發(fā),即所謂的逆向虛擬造型設(shè)計(jì)。逆向虛擬造型設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)者運(yùn)用CAD軟件設(shè)計(jì)出零件三維初始實(shí)體,標(biāo)注必要的關(guān)鍵常數(shù),用宏記錄自動(dòng)把生成零件三維實(shí)體的全過(guò)程記錄到宏文件中,再通過(guò)編譯、修改和簡(jiǎn)化宏文件得到生成零件三維實(shí)體的應(yīng)用程序,通過(guò)運(yùn)行此應(yīng)用程序便可生成零件三維實(shí)體。最后,把零件三維實(shí)體的關(guān)鍵常數(shù)用變量來(lái)代替,即得到零件三維實(shí)體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序,由此可對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行參數(shù)化虛擬造型設(shè)計(jì)。

    2.2系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圓柱蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)化造型系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。本系統(tǒng)根據(jù)不同用戶需要以三種方式進(jìn)入SolidWorks軟件,實(shí)現(xiàn)圓柱蝸桿傳動(dòng)的自動(dòng)造型設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊主要功能在于通過(guò)接收用戶輸入的圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)或設(shè)計(jì)計(jì)算,優(yōu)化設(shè)計(jì)所得到的圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù),計(jì)算圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本幾何尺寸。齒形計(jì)算模塊主要完成圓柱蝸桿傳動(dòng)的蝸輪、蝸桿的齒形,通過(guò)計(jì)算得到中間平面上的齒廓參數(shù),為實(shí)體造型準(zhǔn)備所需的數(shù)據(jù)。

實(shí)體造型模塊主要完成與SolidWorks的通訊和蝸輪、蝸桿的三維實(shí)體造型。該模塊利用宏記錄命令,將蝸輪三維實(shí)體造型的全過(guò)程記錄到宏文件中,通過(guò)編譯、修改和簡(jiǎn)化宏文件,并用變量來(lái)代替關(guān)鍵常數(shù),得到零件三維實(shí)體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序。將該應(yīng)用程序放到"實(shí)體造型"按鈕下,程序運(yùn)行時(shí),點(diǎn)擊該按鈕,即可根據(jù)蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)生成蝸輪的三維實(shí)體模型。

圓柱蝸桿傳動(dòng)參數(shù)化虛擬造型系統(tǒng)開發(fā)autocad技術(shù)圖片3

    3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

應(yīng)用前述原理和方法,在SolidWorks軟件環(huán)境下,應(yīng)用Visual Basic6.0開發(fā)出蝸桿傳動(dòng)三維實(shí)體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這里以用戶直接輸入的圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)方式進(jìn)行蝸輪三維參數(shù)化實(shí)體造型。參數(shù)輸入對(duì)話框及生成的蝸輪三維實(shí)體模型如圖4所示。

    4 結(jié)論

本文在分析圓柱蝸桿傳動(dòng)中蝸輪主剖面齒廓曲線形狀的基礎(chǔ)上,討論了在SolidWorks軟件中蝸輪三維實(shí)體造型的主要步驟,并根據(jù)SolidWorks軟件的常用二次開發(fā)方法,用Visual Basic6.0開發(fā)出圓柱蝸桿傳動(dòng)三維實(shí)體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的開發(fā)具有操作方便、使用簡(jiǎn)單、生成模型快和準(zhǔn)確的特點(diǎn),為圓柱蝸桿傳動(dòng)的CAE/CAM系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助工藝、加工仿真、運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)特性分析、有限元分析等提供精確的三維實(shí)體模型。

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