JH-14型回柱絞車的設(shè)計【全套含CAD圖紙和說明書】
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第10頁英文原文中文譯文虛擬制造的多頭ZA蝸桿傳動的參數(shù)設(shè)計和運動分析孫劍萍、湯兆平華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院,江西省 南昌 330013sunjianpingecjtu.jx.cn摘要:阿基米德蝸桿輪齒面通常是用CAD來形成和模擬的。本文分析了多頭阿基米德蝸桿的加工特征和形成原則,建立了精確的模型,使設(shè)計參數(shù)化。并利用Pro/E軟件,應(yīng)用虛擬裝配和組件之間的相關(guān)性質(zhì),模擬現(xiàn)實過程,實際制作蝸輪,建立準(zhǔn)確的模型。另外,將生成的蝸輪,蝸桿組裝,同時對他們的運動進(jìn)行模擬和分析。關(guān)鍵詞:計算機(jī)輔助設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計、運動分析、Pro/E、多頭ZA蝸桿傳動裝置1、概述阿基米德蝸桿輪齒面的制作,目前一般是用CAD軟件模擬制圖來代替真正的蝸輪齒形制造1。但是,繪出復(fù)雜而又精確的輪齒是非常困難的,此外,蝸輪蝸桿配合被歸類為左旋,右旋,單線程和多頭的。這就為簡歷模型增加了困難。本文主要從阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)的加工原理入手,模擬其生產(chǎn)過程,并利用Pro/E中的關(guān)系函數(shù),實現(xiàn)準(zhǔn)確的ZA蝸桿參數(shù)模型。此外,在此基礎(chǔ)上也無形中制造出了蝸輪,以及蝸輪、蝸桿的組裝以及他們的運動分析。2、建立模型的思維過程為了模仿ZA蝸桿的傳動過程,繪制大小和形狀同參數(shù)化蝸輪滾刀相似的橫截面,以阿基米德螺旋線為軌跡,利用Pro/E軟件中的“變截面掃描/剪切”功能,在蝸桿毛坯上切一個槽,然后仿效槽,多頭蝸輪滾刀就生成了。使線程數(shù)和軌跡數(shù)充分參數(shù)化是制造模型的一個難點。關(guān)鍵點是:第一,要設(shè)置控制參數(shù)(右旋的參數(shù)值是1,左旋值是-1)和線程數(shù),然后用方程建立阿基米德螺旋線,從而改變線程數(shù)。第二,仿效蝸桿插槽,它是設(shè)計師選擇路徑的“方向”所必須的,并選擇蝸桿坯料的軸線作為參考,建立第一個方向,輸入線程數(shù)等于蝸桿頭數(shù),而且輸入螺距等于蝸桿各頭之間的間隔。在完成蝸輪滾刀的參數(shù)化模型后,然后再在此基礎(chǔ)上,通過改變參數(shù)來產(chǎn)生蝸桿模型。蝸輪和蝸桿滾刀的不同之處在于蝸輪滾刀是刀片槽,而且他們之間的間隙大于蝸輪半徑。蝸輪模式的獲得是采用蝸輪滾刀虛擬處理的方式。作者的基本思路是:在虛擬環(huán)境中,分別建立蝸輪滾刀和蝸輪毛坯,然后將他們放置于坐標(biāo)系當(dāng)中,通過裝配幾何關(guān)系理論,使他們能夠互相調(diào)整。然后利用布爾減法計算在運動過程中不同位置時的參數(shù),直到蝸輪已制作出整個外表面2。3、建立相關(guān)參數(shù)從以上的思路可以知道ZA蝸桿傳動的參數(shù)化設(shè)計與運動分析需要建立在諸如蝸輪滾刀部分、蝸桿部分,蝸輪滾刀和蝸桿滾刀之間的部件以及蝸輪和蝸桿之間的裝配等方面。為了實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計,這些部分需要設(shè)定基本的尺寸。利用Pro/E提供的參數(shù)和關(guān)系的功能,按照蝸桿與蝸輪之間的參數(shù)關(guān)系,設(shè)置蝸輪、蝸桿的模數(shù),蝸桿特征數(shù),頭數(shù),變位系數(shù)等,如表1所示。4、建立準(zhǔn)確地ZA蝸輪滾刀參數(shù)化模型根據(jù)以上所有的思路,首先,設(shè)計者需要在蝸桿滾刀毛坯上切一個連續(xù)的刀槽,如圖1(a)所示,然后以蝸桿滾刀軸線為導(dǎo)向線,如同已經(jīng)生成的刀槽一樣繼續(xù)切槽,并連續(xù)幾次,直到達(dá)到一定的線程數(shù)(蝸桿頭數(shù)),而且蝸桿螺距等于蝸桿各頭之間的間距,如圖1(b)所示。采用嵌入在Pro/E2.0中的程序模塊,用戶可以根據(jù)設(shè)計示意圖編輯程序,設(shè)計程序,而且可以驅(qū)動它的大小,使其充分和參數(shù)化。根據(jù)系統(tǒng)的提示,用戶導(dǎo)入不同的設(shè)計變量,蝸輪滾刀就可以生成滿足用戶要求的結(jié)果,如圖2所示。5、建立虛擬加工和裝配的基準(zhǔn)5.1建立裝配基準(zhǔn)在Pro/E中,這些部分之間的組成元件和裝配式互相關(guān)聯(lián)的。為了實現(xiàn)蝸輪滾刀和蝸輪在裝配時的相對運動,設(shè)計者必須在組件和裝配部件分別建立相應(yīng)的基準(zhǔn)點和基準(zhǔn)軸,而且使這些數(shù)據(jù)參數(shù)化,如圖3所示。每個組件在這些數(shù)據(jù)的幫助下組裝。如果參數(shù)發(fā)生變化,蝸輪滾刀和蝸輪將根據(jù)給定的傳動比相對旋轉(zhuǎn)。一般情況下,蝸輪傳動裝置兩角之間的夾角是90。在裝配時,設(shè)計者必須建立兩個獨立的縱橫基準(zhǔn)軸線和蝸輪滾刀和蝸輪裝配基準(zhǔn)點,并使這些數(shù)據(jù)參數(shù)化。在裝配時,除了前面已加以說明的所必須的參數(shù)如模數(shù),齒數(shù)外,驅(qū)動蝸輪滾刀和蝸輪公轉(zhuǎn)的角度參數(shù)也是必須要給出的。該參數(shù)設(shè)置成“角”,初始值是0。最后,要輸入關(guān)系如下:$d3=(m*q/2)*cos(jiao) /* x-蝸輪滾刀的定位點坐標(biāo);$d4=(m*q/2)*sin(jiao) /* y-蝸輪滾刀的定位點坐標(biāo);d5=m*z1*n/2 /* z-蝸輪滾刀的定位點坐標(biāo);d2=m*z1*n/2 /* z-蝸桿模擬運動中心定位點的坐標(biāo)APNT0,即x坐標(biāo)和y坐標(biāo)都為0,/ *蝸桿和蝸輪滾刀的定位軸是通過點APNT0和垂直線ASM_FRONT,/ *坐標(biāo)系統(tǒng)ACS0轉(zhuǎn)換為APNT0;$d7=-m*(q+z2+2*x2)/2 /* 中心定位基準(zhǔn)點APNT2的Y坐標(biāo)在蝸輪模擬毛坯的坐標(biāo)系統(tǒng)ACS0;d8=m*z1*n/2 /*中心定位基準(zhǔn)點APNT2的Y坐標(biāo)在蝸輪模擬毛坯的坐標(biāo)系統(tǒng)ACS0;/ *蝸輪的定位軸是通過APNT2對齊和垂直ASM_RIGHT;/ *坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為模擬蝸輪的APNT2,以默認(rèn)坐標(biāo)系統(tǒng)X軸的正方向為z軸正方向,y軸正方向與默認(rèn)的坐標(biāo)系統(tǒng)相同;$d9=m*z2/2*cos(jiao*z1/z2) /*蝸輪定位基準(zhǔn)點的X坐標(biāo)在蝸輪模擬坐標(biāo)系統(tǒng)中;$d10=m*z2/2*sin(jiao*z1/z2) /*蝸輪定位基準(zhǔn)點的Y坐標(biāo)在蝸輪模擬坐標(biāo)系統(tǒng)中。5.2建立虛擬加工和組裝每部分所需的基準(zhǔn)為了建立蝸輪滾刀參考圓的一個基準(zhǔn)點,在裝配期間,將滾刀軸與在組裝部件已經(jīng)建立好的蝸輪滾刀基準(zhǔn)軸對齊,將滾刀參考圓的基準(zhǔn)點與在組裝部件已經(jīng)建立好的相應(yīng)的基準(zhǔn)點對齊,因為基準(zhǔn)點在組裝部件上已經(jīng)被參數(shù)化,因此設(shè)計師可以實現(xiàn)圍繞基準(zhǔn)軸旋轉(zhuǎn)滾刀。利用函數(shù)關(guān)系是非常有必要的,基準(zhǔn)點的輸入關(guān)系如下:d69=m*q/2 /*x-蝸輪滾刀的定位基準(zhǔn)點坐標(biāo);d71=m*z1*n/2 /*z-蝸輪滾刀的定位基準(zhǔn)點坐標(biāo)。用同樣的方法,建立蝸輪毛坯。為了裝配方便,設(shè)計師在建立模型時,他必須按照裝配關(guān)系注意蝸輪毛坯軸的方向以及與坐標(biāo)系統(tǒng)的距離,并設(shè)置必要的組裝和模擬日期,輸入關(guān)系如下:D74=m*(q+x2*2)/2 /* z-蝸輪毛坯的定位基準(zhǔn)點坐標(biāo)。6、虛擬加工和裝配當(dāng)裝配各組件時,設(shè)計者需要分別校準(zhǔn)蝸桿軸,蝸輪毛坯軸,蝸桿參考圓的基準(zhǔn)點以及蝸輪毛坯參考圓的基準(zhǔn)點同他們相應(yīng)的軸或者是已經(jīng)建立好的基準(zhǔn)點。由于基準(zhǔn)點已經(jīng)在裝配時參數(shù)化,設(shè)計人員可以實現(xiàn)蝸桿和蝸輪毛坯輪圍繞他們各自已經(jīng)改變參數(shù)的校準(zhǔn)軸旋轉(zhuǎn)。利用“工具 - 參數(shù)”功能,改變角的參數(shù)值(間隔角越小,蝸輪切割效果越好),該模型就可以生成。利用“編輯 - 構(gòu)件運算 - 剪切”功能,切割坯料,然后,在蝸輪部分,設(shè)計者需要編輯修改前面已經(jīng)定義過的ID,并改變其每部分的屬性,確保其不隨參數(shù)值的變化而變化。重復(fù)上述所有步驟,直到所有蝸輪槽都用蝸輪滾刀完全、均勻的切割出來。如圖4所示。改變蝸桿和蝸輪毛坯的參數(shù),就可以生成不同的蝸輪,如圖5所示。7、蝸桿傳動的虛擬裝配和運動分析7.1虛擬裝配和模擬運動更換蝸輪滾刀,以蝸桿作為基準(zhǔn)組件,蝸輪和蝸桿利用針連接方式進(jìn)行組裝,當(dāng)連接組裝時,模擬運動相應(yīng)的校準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)點必須分別選擇,如圖6所示。元件布置完成后,設(shè)計人員可以添加模塊的相應(yīng)驅(qū)動器和模擬運動。選擇“應(yīng)用程序 - 機(jī)制”,設(shè)計師可以輸入機(jī)構(gòu)模塊;單擊“定義伺服電機(jī)”,分別建立新的“伺服電機(jī)1”和“伺服電機(jī)2”按鈕。選擇“類型”標(biāo)簽,在組裝蝸輪和蝸桿時,分別選擇已經(jīng)定義過的校準(zhǔn)軸以建立“聯(lián)合軸”,選擇“模擬類型”中的“旋轉(zhuǎn)”,設(shè)計者還必須注意伺服電機(jī)的兩個運動方向,在“配置”選項卡中,需要定義伺服電機(jī)1 “規(guī)范”選項中的“速度”和“等級”中的“常數(shù)”,“A”值為360乘以蝸桿的線程數(shù)和蝸輪的齒數(shù)。將伺服電機(jī)2的“A”值設(shè)置為360,以確保他們的運動能滿足蝸輪蝸桿的傳動比。用戶單機(jī)“運行分析”按鈕,新建“分析定義1”。在對話框的“喜好”選項卡中,設(shè)置“開始時間”,“結(jié)束時間”,“幀計數(shù)”和“幀速率”,預(yù)設(shè)“結(jié)束時間”是蝸輪齒數(shù),其余為默認(rèn)值。7.2運動模擬分析軟件中還有一些在機(jī)構(gòu)模塊中可以測量的選項,例如“位移”,“速度”,“加速度”,“連接反應(yīng)”,“網(wǎng)絡(luò)負(fù)載”等。分析蝸輪和蝸桿之間的相對運動,設(shè)計者必須選擇他們相應(yīng)的裝配坐標(biāo)系統(tǒng);確保坐標(biāo)系統(tǒng)不隨蝸桿傳動運轉(zhuǎn)。單擊“測量結(jié)果的原因分析”按鈕,新建措施1到措施4,選擇“圖形測量分析”,單擊“圖形測量結(jié)果”對話框,測量值可以通過圖形和數(shù)據(jù)輸出。它是比較直觀和準(zhǔn)確的,如圖7和圖8。在機(jī)構(gòu)模塊中,單擊“重播以前運行分析”按鈕,選擇對話框中的“干擾”選項卡,在動態(tài)干擾條件下檢測每個組件;點擊“播放當(dāng)前結(jié)果集” - “捕獲.”,電腦就可以可以播放MPEG格式的動畫(也可以導(dǎo)成mpg電影格式)。從以上輸出的所有運動模擬圖可以看出以下三點:(1)蝸輪,蝸桿的Y坐標(biāo)位移值可以利用改變正弦或余弦的方式來變化,Y坐標(biāo)的速度值也是如此。當(dāng)他們運行時,他們具有相同的圓周運動規(guī)律。(2)蝸輪Y坐標(biāo)的位移值范圍為-132.5至132.5毫米。蝸桿Y坐標(biāo)的位移值范圍是從-45至45毫米。蝸輪Y坐標(biāo)的速度值范圍是從-47.1238至47.1238毫米/秒,蝸桿Y坐標(biāo)的速度值范圍是從-282.743到282.743毫米/秒,這與他們的理論值完全一致。(3)蝸輪的Y坐標(biāo)有3個正弦波,而蝸桿的Y坐標(biāo)有53個正弦波。這與蝸輪蝸桿實際的傳動比相同??梢钥闯觯衼碜陨鲜龅哪M結(jié)果和他們的理論計算值是相同的,也與實際相符。參考資料1陳閩杰,賴貞華,李志明。“阿基米德蝸桿在UG環(huán)境中的精確建?!保甭殬I(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006,21(3):152156。2譚欣。“平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副數(shù)字化造型理論及仿真研究”,武漢:武漢理工大學(xué),2003,6:1722。
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