本文探討了Solidworks下圓柱蝸桿傳動(dòng)參數(shù)化虛擬造型系統(tǒng)的開發(fā)相關(guān)內(nèi)容。
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。
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)過宏記錄得到的宏文件通過編譯可被其他語言如Visual C++、Visual Basic調(diào)用。目前常采用通過修改CAD軟件宏記錄生成的宏文件來加速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)體的全過程記錄到宏文件中，再通過編譯、修改和簡化宏文件得到生成零件三維實(shí)體的應(yīng)用程序，通過運(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)體造型的全過程記錄到宏文件中，通過編譯、修改和簡化宏文件，并用變量來代替關(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。
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。
