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蜗轮三维参数化设计系统
作者:陈敏 姜小敏 沈耀仁
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EDA/专用CAD软件展厅
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以SolidWorks为开发平台。以VB为编程语言,攻克了蜗轮三维实体参数化造型的难关,开发蜗轮三维参数化设计系统。该系统不仅包含三维实体参数化造型,而且还包含了强度计算。减少了设计人员的重复劳动,提高了设计的效率,并为后续的有限元分析、机构仿真、数控加工、模具制造提供了必要条件。

1 蜗轮三维参数化设计系统结构

蜗轮三维参数化设计系统流程如图1所示。该流程图有两个分支,第一个分支为根据强度条件设计出蜗轮的尺寸,然后自动生成蜗轮三维实体,设计窗口参见图3,4。第二个分支根据输人的模数、齿数自接生成蜗轮三维实体。

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系统流程图

1.1 结构计算模块

根据界面模块的用户输人的参数,计算蜗轮的结构参数。

1.2齿形计算模块

该模块是整个系统的核心,可以完成蜗轮齿形计算。通过计算得到特定截面的齿廓参数,为齿形生成准备所需的数据。

1.3三维CAD软件接口模块

该模块提供在OLE Automation层上所有与三维CAD软件SolidWorks通讯的函数。CAD软件的API函数以类的形式封装起来,在直齿圆锥齿轮造型时,通过这些函数驱动CAD软件生成蜗轮实体。

1.4蜗轮实体造型模块

该模块首先应用Solidworks的凸台扫描操作,按照结构计算模块输出的参数,生成蜗轮的基体部分。然后根据齿形计算模块的输出参数,利用SolidWorks的凸台扫描在基体上生成蜗轮一个齿的特怔,再应用圆周阵列生成所有的齿,最终得到蜗轮的实体造型。需要指出,利用系统生成的蜗轮在中间平面内的齿形为标准渐开线齿形,其压力角为20°。其余非标准结构部分在使用中可根握剧招到群睡时摸型的基础上作一些简单的修改即可。

1.5输入原始数据模块

如图3所示,输人功率、转速、材料、蜗杆头数、传动比、载荷性质、dl/a的值等,为后续的强度计算提供必要条件。

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1.6强度设计模块

即按齿面接触强度条件设计出蜗轮的尺寸。在设计过程中相关图表的查询,全部以代码的形式输人计算机,由计算机自动完成,只需输人基本参数便能得到设计结果。然后点击蜗轮建模,进入蜗轮绘图分支,同时显示出设计结果(如图4)。

2蜗轮中间平面内渐开线齿廓的数学模型

在直角坐标系下,用渐开线的直角坐标方程式,计算渐开线轮廓上各点坐标值,然后在用样条曲线绘出齿轮的一个实际齿廓形状。具体方法如下:

以齿轮中心0为坐标原点,对于齿数为Z,模数为m,分度圆压力角为α的标准渐开线齿轮,其分度圆半径为r=O.5mz,基圆半径rb=O.5mzcosa,齿顶圆半径ra= O.5m(z+1),渐开线齿廓上任意点的向径与X轴的夹角为P,齿数比为u,变位系数为x,渐开线齿廓上任意点的坐标为:

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3蜗轮三维参数化设计系统的关键技术

3.1跨CAD平台技术

宏是从软件内部编程角度操作其对象的方式,它是一段定义好的操作,它可能是一批指令的集合,也可能是一段程序代码。可以用VB的函数Createobiect创建一个三维CAD软件的程序对象,通过对程序对象及其子对象的方法、属性的调用,可操作图形数据库。宏记录是一个较为普遍的功能,几乎所有的三维机械CAD软件都有该功能,经过宏记录得到的宏文件通过编辑都可以被VB或CC++编程语言调用。

3.2蜗轮实体建模

蜗轮的建模难度很大,难就难在螺旋齿分布在圆弧表面上。下面是具体的建模方法:

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(1)首先应用Solidworks的凸台扫描操作,生成蜗轮的基体部分。

(2)根据蜗轮的螺旋线与蜗杆的螺旋线是同一条线,在圆弧面上做出蜗杆的螺旋线(如图7)。

(3)在中间平面上,作出渐开线齿廓曲线。由于用直角坐标系计算出的渐开线上各点坐标连线与X轴不对称,做齿廓的另一侧有困难(如图5),故通过坐标轴的旋转将渐开线上各点坐标变换到与X轴对称的位置(如图6)。(注:图6和图7取自于作者与上海通用控制自动化有限公司联合开发的编控一体化CAD/CAM系统)然后通过VB编程用绘制样条曲线的方法,把齿廓上各个点连接起来,得到蜗轮中间平面内渐开线齿廓曲线草图(如图)。

(4)用凸台扫描命令,以该草图为扫描轮廓、蜗杆的螺旋线为扫描路径进行扫描,得到蜗轮的一个齿。如图8所示。

(5)用圆周阵列的命令生成所有的齿,再通过切除扫描对蜗轮进行倒角,最终得到蜗轮的实体造型(如图9)。

3.3宏文件的编辑

首先通过SolidWorks设计出蜗轮基体,并把蜗轮基体生成的全过程经过宏记录转变成宏文件。把宏文件和齿形生成程序结合,即把蜗轮建模的全过程记录为宏文件,找出宏文件中与模型生成有关的关健函数。确定关键函数中的关键常数,弄清楚关键常数的变化对实体模型的影响。把关键常数用变量替换,这样就完成了齿轮参数化程序的建立。由于宏文件是自动记录生成的,在宏文件中有一些语句并无实际作用,删除它并不影响程序的执行结果。

将编辑好的宏文件放入"蜗轮建模"键的CLICK事件中。每次点击"蜗轮建模"键,在三维机械CAD软件Solidworks环境下,打开一张新零件图进行蜗轮三维实体建模,即可得到所需要的蜗轮实体。

4 结论

蜗轮的造型比较复杂,是三维机械CAD设计的难点。系统完成了蜗轮实体的变量化自动生成,其思路和方法可以应用到其他复杂曲面零件的自动造型。在蜗轮蜗杆的设计过程中,始终体现了所有设计数据的全关联,使设计结果具有延续性和继承性,体现了柔性工程的设计理念,使产品的设计更具有.弹性。实践证明,蜗轮三维参数化设计系统缩短了蜗轮设计制造的时间,提高了设计精度,简化了加工过程,在蜗轮设计制造中具有重要的实用价值。 (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (7/8/2008)
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