◆◆◆◆ 蜗轮蜗杆传动ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ参数化建模 ◆米广杰 （泰山职业技术学院机电工程系） 【摘要】蜗轮蜗杆传动机构作为一种典型的传动机构广泛应用于现代机械传动，其运动学和动力学特性关系到整个设备性能的发挥。通 过当前手工建模的一些分析，提出了以ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ为软件平台，用ＶＢ实现对蜗轮蜗杆的三维参数化建模，提高了产品开发的效率和质 量，研究成果对实际工程的运用具有一定的指导作用。 Ｉ关键词】ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 蜗杆传动参数化建模 １前言 随着计算机辅助设计技术的发展，三维造型与复杂曲面造型技术的应 用越来越广泛，目前ＣＡＤ软件都普遍采用三维的方式进行建模，以其直观、 能直接转化成二维工程图和模拟装配等优势在现代工程设备的设计方面 有着绝对的优势，大大提高了设计效率。 常用的蜗杆传动有普通圆柱蜗杆、圆弧齿蜗杆及圆弧面蜗杆传动，用 于传递空间交错轴的运动和动力，具有传动比大、传动平稳以及结构尺寸 紧凑等优点，在各类机械设备的传动系统中广泛应用。 蜗杆传动中的蜗杆蜗轮外形比较复杂，用手工方法进行三维建模，不 仅过程烦琐、效率低，而且容易出错，本文以应用最为广泛的阿基米德螺旋 线蜗杆传动为例，在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ环境下，用ＶＢ实现对蜗杆蜗轮的三维参数 化建模，可以提高产品开发的效率和质量，为后续进行的有限元分析也提 供了必要的条件。 ２参数化建模的总体思路 参数化设计是指参数化的尺寸不需用确定的数值表示，改变一个参数 值将自动改变所有与它相关的尺寸，通过调整参数来修改和控制几何形 状，自动实现产品的三维造型。对加速新产品开发、缩短设计周期．提高质 量、节约成本、增强市场竞争力发挥着重要作用。 参数化设计模型的形成过程如图１所示：首先对实际要解决的问题进 行分析，根据实际问题确定关键的约束参数，这些约束参数，必须能够唯一 确定一个造型；然后输入约束参数，并进行参数的有效性判定，并据此判定 是否需要修改参数；最后，观察绘制的模型是否符合要求，如果符合则保存 设计好的产品造型，否则进行参数的修改，重新进行绘制和判定。 薪并掇麟参数 ｌ黼鼍｛ 龄 ＿揪搬参数绘制模躞一 输如瓣｛模擘 Ｊ＝｛《Ｉｌ参数化设计流楗 ３蜗轮蜗杆的三维参数化设计 蜗轮齿廓部分结构复杂，三维设计过程中曲面造型部分难度较大，尽 管Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ提供扫描、放样、缝合等多种曲面功能，对齿廓部分可以形成 一个完整的、无厚度的曲面，再由曲面形成一个实体从而完成蜗轮曲面部 分的造型。但在三维设计中完全可以利用三维设计软件独特，自顶向下从 装配体开始设计，使用一个零件的几何体定义另一个零件或生成组装零件 后才具有的加工特征来进行蜗轮的三维设计。这种与传统不同的设计方 法可以简化设计开发工作量，缩短设计开发周期，为复杂零部件设计提供 新途径。因此在蜗轮的三维设计过程中利用装配体设计方法生成复杂表 面形状的蜗轮相比复杂曲面建模而言简便得多。模型从特征开始是三维 造型的基本思想，形成特征和添加特征是三维造型的基本方法。实际建模 过程是生成特征和添加特征的过程。但是特征的添加并非一定在零件图 环境下完成，根据蜗轮结构的复杂性。对蜗轮的三维实体建模可以分３步 完成。首先去除蜗轮表面的齿廓来初步建立蜗轮的三维实体模型，这可以 直接利用拉伸、切除、旋转等特征操作进行三维建模，并根据蜗轮喉圆直径 绘制草图。利用旋转切除功能初步建立蜗轮三维模型基本体；其次根据蜗 轮表面齿廓尺寸、形状在零件图环境下建立蜗轮轮齿部分的三维实体；最 后在装配体环境下对蜗轮的三维模型基本体和蜗轮表面轮齿模型进行装 配，并为轮齿模型和蜗轮模型基本体添加装配关系，然后利用插入零部件 阵列圆形阵列，将蜗轮齿廓模型作为源零部件。选择蜗轮轴线作为阵列中 心完成蜗轮三维建模。蜗杆蜗轮的三维参数化造型过程中，首先要根据蜗 杆蜗轮绘制的特性，分析问题，提取问题的约束参数，然后应用高级编程语 言Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ。设计界面，编程实现。 ３．１提取约束参数 以应用最为广泛的阿基米德螺旋线蜗杆传动为例，分析约束参数的提 取过程，根据用户在设计蜗杆蜗轮的需求，结合蜗杆传动的关键尺寸约束， 这里得到蜗杆蜗轮的主要参数有： 蜗轮齿数 、蜗杆头数 、模数ｍ、蜗杆直径系数ｑ、蜗轮变位系数 、 中心距Ⅱ，这些是绘制蜗轮蜗杆时的常用参数，约束了这些变量，蜗杆蜗轮 就确定好了且是唯一的。 ３．２蜗杆传动参数化建模的关键算法分析 蜗杆传动参数化建模的算法设计关键是蜗轮渐开线齿廓的算法设计， 在这个过程中要掌握蜗轮的设计原理，灵活应用ＶＢ程序设计方法，充分利 用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ的ＡＰＩ函数及宏录制功能进行设计。这里以阿基米德螺旋线 蜗杆传动为例，详细论述了蜗轮渐开线齿廓的算法分析与设计的方法，主 要包括以下几个关键部分： 绘制蜗轮坯体：调用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的ＡＰＩ函数以前视基准面为绘图平面， 建立草图，用ＣｒｅａｔｅＣｉｒｃｌｅ画蜗轮的齿根圆。直径由约束参数计算为：以＝ｍ ，×（ 一２．４＋２ ），然后拉伸，拉伸的高度由约束参数计算为：ｂ＝０．６５）（ （ｍ ｑ＋２ｍ ），即可得到蜗轮的坯体。 绘制蜗轮渐开线齿形草图：齿廓的生成主要有两种方法。一种是用直 线段逼近的方法，另一种是先确定齿廓上的部分点，用曲线拟合的方法。 直线段逼近法计算量比较大。曲线拟合算法简单同时在精度上也不比直线 段逼近法差，所以这里选择曲线拟合的方法生成渐开线齿廓。利用直角坐 标系下的渐开线方程生成不同角度“对应的点，循环确定６Ｏ个点：Ｆｏｒｋ＝１ Ｔｂ ６０； ）＝ ＋ 一１）×／】×ｃ钿 ，传＂； ）＝ ＋ 一１）×／】ｘ曲 Ⅺ，其中．厂＝（ｄ 一 ｄ６）／１０，齿顶圆直径ｄ ＝ ×（ ２＋２＋２ｘ），基圆直径ｄ６＝ｍ ｚ２Ｃｏｓ（ｄ７ｒ．／ １８０。）。用样条曲线对这些点进行拟合连接，得到光滑的渐开线齿廓形状， 再用镜像功能对称生成另一半渐开线齿廓，这样一个完整的草图就生 成了。 形成单个轮齿：根据生成的齿廓草图，调用路径扫描函数ＩｎｓｅｒｔＰｒｏｔｒｕ— ｓｉｏｎＳｗｅｐ（）进行扫描，即可得到完整的单个轮齿。 阵列并生成蜗轮：对单个轮齿以蜗轮基体特征的轴线进行圆周阵列生 成全部轮齿。最后再调用ＡＰＩ中的相关函数进行蜗轮的圆角处理即可得 到蜗杆传动中的蜗轮三维造型。 如图２所示．蜗杆传动中的蜗杆三维造型用类似的方法可以得到．如 图３所示。 ３．３用ＶＢ实现蜗杆传动的三维参数化建模 通过以上的关键算法的分析，应用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ程序开发语言，并结合 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件自身提供的ＡＰＩ函数，设计用户交互界面并编制程序实现． 如图４所示。 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ提供了大量的ＯＬＥ对象用于自身（下转第１３８页） ０８／２０１２ １２９
