本文探討了Solidworks下圓柱蝸桿傳動參數(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體造型，為進(jìn)行蝸桿傳動的加工仿真、有限元分析等提供了必要的條件。 0 引言
在CAD/CAM系統(tǒng)中，實體模型可表示實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，同時參數(shù)化建模或參數(shù)化設(shè)計是虛擬設(shè)計的一個發(fā)展方向，因此精確的三維實體造型是進(jìn)行以上研究的基礎(chǔ)，對探討機(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。
蝸桿傳動用于傳遞空間垂直交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動，由于它具有傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無噪聲、沖擊振動小等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床、冶金、礦山及起重設(shè)備等的傳動系統(tǒng)中。但由于蝸桿傳動中蝸輪、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，目前對蝸桿傳動的蝸輪三維實體造型設(shè)計的研究較為少見。為此，本文運用逆向虛擬造型設(shè)計的方法，在SolidWorks軟件環(huán)境下，應(yīng)用Visual Basic 6.0開發(fā)了蝸桿傳動三維實體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)對蝸桿、蝸輪進(jìn)行三維實體造型，它可為傳動的虛擬設(shè)計提供精確的實體模型。
1 圓柱蝸桿傳動三維實體造型
1.1 圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何計算分析
本文以圓柱蝸桿傳動中最常用的阿基米德蝸桿傳動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)計蝸桿傳動時，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)，并沿用齒輪傳動的計算關(guān)系;蝸桿與蝸輪嚙合時，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)和壓力角同時規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值。在進(jìn)行圓柱蝸桿傳動設(shè)計時，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體造型的關(guān)鍵和核心。對于普通圓柱蝸桿傳動，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。為了實現(xiàn)蝸輪三維實體的精確造型，需先根據(jù)齒廓曲線方程對齒形曲線進(jìn)行求解，并在中間平面上生成，然后以中間平面為起點，選擇"凸臺.掃描"命令，沿螺旋線分別向左、右掃描生成蝸輪的一個輪齒。
1.3蝸輪三維實體造型步驟
基于上述分析，可確定出在圓柱蝸桿傳動中蝸輪三維實體造型的主要步驟如下：
(1)在前視面上通過坐標(biāo)原點按照計算確定蝸桿傳動中心距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)原點繪制中心線，寬度B對稱于坐標(biāo)原點。
(2)選擇凸臺旋轉(zhuǎn)命令旋轉(zhuǎn)得到蝸輪坯實體。
(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*計算繪制的蝸輪主剖面齒形，并使齒形分度圓上的對稱點與右視面上的螺旋線起始點重合。
(5)選擇凸臺-掃描命令，以形成蝸輪的左半部分齒形。
(6)重復(fù)步驟3在螺旋線對話框中設(shè)置方向為"反向"、"逆時針旋轉(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體造型。
2 圓柱蝸桿傳動的參數(shù)化造型系統(tǒng)開發(fā)
現(xiàn)代設(shè)計系統(tǒng)的一個主要要求在于輔助設(shè)計變量和已有設(shè)計的可再使用性，為此在許多設(shè)計任務(wù)中要有目的地采用參數(shù)化建模，以使設(shè)計適應(yīng)新的要求，面向工程應(yīng)用。參數(shù)化三維實體造型設(shè)計是以變量幾何和生成歷程樹為基礎(chǔ)，以尺寸驅(qū)動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)計要求標(biāo)注必要的尺寸，最后修改尺寸值以驅(qū)動模型變化，動態(tài)地修改產(chǎn)品幾何模型，快速生成新的三維實體模型。
2.1 SolidWorks的二次開發(fā)的方法簡介
SolidWorks是基于Windows平臺的三維設(shè)計軟件，由于其具有一些獨特的優(yōu)點而成為當(dāng)前微機(jī)平臺上的主流三維設(shè)計軟件。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SolidWorks提供的OLE對象及其方法和屬性的操作，就可在自己開發(fā)的應(yīng)用軟件中實現(xiàn)諸如創(chuàng)建直線、構(gòu)造實體、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。逆向虛擬造型設(shè)計是指設(shè)計者運用CAD軟件設(shè)計出零件三維初始實體，標(biāo)注必要的關(guān)鍵常數(shù)，用宏記錄自動把生成零件三維實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體的應(yīng)用程序，通過運行此應(yīng)用程序便可生成零件三維實體。最后，把零件三維實體的關(guān)鍵常數(shù)用變量來代替，即得到零件三維實體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計的應(yīng)用程序，由此可對三維實體進(jìn)行參數(shù)化虛擬造型設(shè)計。
2.2系統(tǒng)框架設(shè)計
圓柱蝸桿傳動的參數(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，實現(xiàn)圓柱蝸桿傳動的自動造型設(shè)計。
結(jié)構(gòu)計算模塊主要功能在于通過接收用戶輸入的圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)或設(shè)計計算，優(yōu)化設(shè)計所得到的圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)，計算圓柱蝸桿傳動的基本幾何尺寸。齒形計算模塊主要完成圓柱蝸桿傳動的蝸輪、蝸桿的齒形，通過計算得到中間平面上的齒廓參數(shù)，為實體造型準(zhǔn)備所需的數(shù)據(jù)。
實體造型模塊主要完成與SolidWorks的通訊和蝸輪、蝸桿的三維實體造型。該模塊利用宏記錄命令，將蝸輪三維實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)，得到零件三維實體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計的應(yīng)用程序。將該應(yīng)用程序放到"實體造型"按鈕下，程序運行時，點擊該按鈕，即可根據(jù)蝸桿傳動的基本參數(shù)生成蝸輪的三維實體模型。
3 系統(tǒng)運行結(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)出蝸桿傳動三維實體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計系統(tǒng)。這里以用戶直接輸入的圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)方式進(jìn)行蝸輪三維參數(shù)化實體造型。參數(shù)輸入對話框及生成的蝸輪三維實體模型如圖4所示。
4 結(jié)論
本文在分析圓柱蝸桿傳動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)出圓柱蝸桿傳動三維實體參數(shù)化虛擬造型設(shè)計系統(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，為圓柱蝸桿傳動的CAE/CAM系統(tǒng)計算機(jī)輔助工藝、加工仿真、運動分析和動態(tài)特性分析、有限元分析等提供精確的三維實體模型。
