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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 330013
sunjianping@ecjtu.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行模擬和分析。
關(guān)鍵詞：計算機輔助設(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
5.1建立裝配基準
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)的基準點和基準軸，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軸線和蝸輪滾刀和蝸輪裝配基準點，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；
$d4=(m*q/2)*sin(jiao) /* y-蝸輪滾刀的定位點坐標；
d5=m*π*z1*n/2 /* z-蝸輪滾刀的定位點坐標；
d2=m*π*z1*n/2 /* z-蝸桿模擬運動中心定位點的坐標APNT0，即x坐標和y坐標都為0，
/ *蝸桿和蝸輪滾刀的定位軸是通過點APNT0和垂直線ASM_FRONT，
/ *坐標系統(tǒng)ACS0轉(zhuǎn)換為APNT0；
$d7=-m*(q+z2+2*x2)/2 /* 中心定位基準點APNT2的Y坐標在蝸輪模擬毛坯的坐標系統(tǒng)ACS0；
d8=m*π*z1*n/2 /*中心定位基準點APNT2的Y坐標在蝸輪模擬毛坯的坐標系統(tǒng)ACS0；
/ *蝸輪的定位軸是通過APNT2對齊和垂直ASM_RIGHT；
/ *坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為模擬蝸輪的APNT2，以默認坐標系統(tǒng)X軸的正方向為z軸正方向，y軸正方向與默認的坐標系統(tǒng)相同；
$d9=m*z2/2*cos(jiao*z1/z2) /*蝸輪定位基準點的X坐標在蝸輪模擬坐標系統(tǒng)中；
$d10=m*z2/2*sin(jiao*z1/z2) /*蝸輪定位基準點的Y坐標在蝸輪模擬坐標系統(tǒng)中。
5.2建立虛擬加工和組裝每部分所需的基準
為了建立蝸輪滾刀參考圓的一個基準點，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軸對齊，將滾刀參考圓的基準點與在組裝部件已經(jīng)建立好的相應(yīng)的基準點對齊，因為基準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)圍繞基準軸旋轉(zhuǎn)滾刀。
利用函數(shù)關(guān)系是非常有必要的，基準點的輸入關(guān)系如下：
d69=m*q/2 /*x-蝸輪滾刀的定位基準點坐標；
d71=m*π*z1*n/2 /*z-蝸輪滾刀的定位基準點坐標。
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點坐標。
6、虛擬加工和裝配
當(dāng)裝配各組件時，設(shè)計者需要分別校準蝸桿軸，蝸輪毛坯軸，蝸桿參考圓的基準點以及蝸輪毛坯參考圓的基準點同他們相應(yīng)的軸或者是已經(jīng)建立好的基準點。由于基準點已經(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，以蝸桿作為基準組件，蝸輪和蝸桿利用針連接方式進行組裝，當(dāng)連接組裝時，模擬運動相應(yīng)的校準軸和基準點必須分別選擇，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 - 機制”，設(shè)計師可以輸入機構(gòu)模塊；單擊“定義伺服電機”，分別建立新的“伺服電機1”和“伺服電機2”按鈕。選擇“類型”標簽，在組裝蝸輪和蝸桿時，分別選擇已經(jīng)定義過的校準軸以建立“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的兩個運動方向，在“配置”選項卡中，需要定義伺服電機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“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)，其余為默認值。
7.2運動模擬分析
軟件中還有一些在機構(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)的裝配坐標系統(tǒng)；確保坐標系統(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。它是比較直觀和準確的，如圖7和圖8。
在機構(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坐標位移值可以利用改變正弦或余弦的方式來變化，Y坐標的速度值也是如此。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坐標的位移值范圍為-132.5至132.5毫米。蝸桿Y坐標的位移值范圍是從-45至45毫米。蝸輪Y坐標的速度值范圍是從-47.1238至47.1238毫米/秒，蝸桿Y坐標的速度值范圍是從-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坐標有3個正弦波，而蝸桿的Y坐標有53個正弦波。這與蝸輪蝸桿實際的傳動比相同。
可以看出，所有來自上述的模擬結(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?！鞍⒒椎挛仐U在UG環(huán)境中的精確建模”，湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006,21（3）：152?156。
[2]譚欣?！捌矫娑伟j(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)，2003,6:17?22。
英文原文