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以SolidWorks為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。以VB為編程語(yǔ)言，攻克了蝸輪三維實(shí)體參數(shù)化造型的難關(guān)，開(kāi)發(fā)蝸輪三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅包含三維實(shí)體參數(shù)化造型，而且還包含了強(qiáng)度計(jì)算。減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng)，提高了設(shè)計(jì)的效率，并為后續(xù)的有限元分析、機(jī)構(gòu)仿真、數(shù)控加工、模具制造提供了必要條件。
1蝸輪三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
蝸輪三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程如圖1所示。該流程圖有兩個(gè)分支，第一個(gè)分支為根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)出蝸輪的尺寸，然后自動(dòng)生成蝸輪三維實(shí)體，設(shè)計(jì)窗口參見(jiàn)圖3,4。第二個(gè)分支根據(jù)輸人的模數(shù)、齒數(shù)自接生成蝸輪三維實(shí)體，設(shè)計(jì).窗口參見(jiàn)圖2。
1.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊
根據(jù)界面模塊的用戶輸人的參數(shù)，計(jì)算蝸輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
1.2齒形計(jì)算模塊
該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，可以完成蝸輪齒形計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得到特定截面的齒廓參數(shù)，為齒形生成準(zhǔn)備所需的數(shù)據(jù)。
1.3三維CAD軟件接口模塊
該模塊提供在OLE Automation層上所有與三維CAD軟件SolidWorks通訊的函數(shù)。CAD軟件的API函數(shù)以類(lèi)的形式封裝起來(lái)，在直齒圓錐齒輪造型時(shí)，通過(guò)這些函數(shù)驅(qū)動(dòng)CAD軟件生成蝸輪實(shí)體。
1.4蝸輪實(shí)體造型模塊
該模塊首先應(yīng)用Solidworks的凸臺(tái)掃描操作，按照結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊輸出的參數(shù)，生成蝸輪的基體部分。然后根據(jù)齒形計(jì)算模塊的輸出參數(shù)，利用SolidWorks的凸臺(tái)掃描在基體上生成蝸輪一個(gè)齒的特怔，再應(yīng)用圓周陣列生成所有的齒，最終得到蝸輪的實(shí)體造型。需要指出，利用系統(tǒng)生成的蝸輪在中間平面內(nèi)的齒形為標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒形，其壓力角為20°。其余非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)部分在使用中可根握劇招到群睡時(shí)摸型的基礎(chǔ)上作一些簡(jiǎn)單的修改即可。
1.5輸入原始數(shù)據(jù)模塊
如圖3所示，輸人功率、轉(zhuǎn)速、材料、蝸桿頭數(shù)、傳動(dòng)比、載荷性質(zhì)、dl/a的值等，為后續(xù)的強(qiáng)度計(jì)算提供必要條件。
1.6強(qiáng)度設(shè)計(jì)模塊
即按齒面接觸強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)出蝸輪的尺寸。在設(shè)計(jì)過(guò)程中相關(guān)圖表的查詢，全部以代碼的形式輸人計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，只需輸人基本參數(shù)便能得到設(shè)計(jì)結(jié)果。然后點(diǎn)擊蝸輪建模，進(jìn)入蝸輪繪圖分支，同時(shí)顯示出設(shè)計(jì)結(jié)果(如圖4)。
2蝸輪中間平面內(nèi)漸開(kāi)線齒廓的數(shù)學(xué)模型
在直角坐標(biāo)系下，用漸開(kāi)線的直角坐標(biāo)方程式，計(jì)算漸開(kāi)線輪廓上各點(diǎn)坐標(biāo)值，然后在用樣條曲線繪出齒輪的一個(gè)實(shí)際齒廓形狀。具體方法如下:
以齒輪中心0為坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)于齒數(shù)為Z，模數(shù)為m，分度圓壓力角為α的標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒輪，其分度圓半徑為r=O.5mz,基圓半徑rb=O.5mzcosa,齒頂圓半徑ra= O.5m(z+1)，漸開(kāi)線齒廓上任意點(diǎn)的向徑與X軸的夾角為P，齒數(shù)比為u，變位系數(shù)為x，漸開(kāi)線齒廓上任意點(diǎn)的坐標(biāo)為:
3蝸輪三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
3.1跨CAD平臺(tái)技術(shù)
宏是從軟件內(nèi)部編程角度操作其對(duì)象的方式，它是一段定義好的操作，它可能是一批指令的集合，也可能是一段程序代碼�？梢杂肰B的函數(shù)Createobiect創(chuàng)建一個(gè)三維CAD軟件的程序?qū)ο螅ㄟ^(guò)對(duì)程序?qū)ο蠹捌渥訉?duì)象的方法、屬性的調(diào)用，可操作圖形數(shù)據(jù)庫(kù)。宏記錄是一個(gè)較為普遍的功能，幾乎所有的三維機(jī)械CAD軟件都有該功能，經(jīng)過(guò)宏記錄得到的宏文件通過(guò)編輯都可以被VB或CC++編程語(yǔ)言調(diào)用。
3.2蝸輪實(shí)體建模
蝸輪的建模難度很大，難就難在螺旋齒分布在圓弧表面上。下面是具體的建模方法:
(1)首先應(yīng)用Solidworks的凸臺(tái)掃描操作，生成蝸輪的基體部分。
(2)根據(jù)蝸輪的螺旋線與蝸桿的螺旋線是同一條線，在圓弧面上做出蝸桿的螺旋線(如圖7)。
(3)在中間平面上，作出漸開(kāi)線齒廓曲線。由于用直角坐標(biāo)系計(jì)算出的漸開(kāi)線上各點(diǎn)坐標(biāo)連線與X軸不對(duì)稱，做齒廓的另一側(cè)有困難(如圖5)，故通過(guò)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)將漸開(kāi)線上各點(diǎn)坐標(biāo)變換到與X軸對(duì)稱的位置(如圖6)。(注:圖6和圖7取自于作者與上海通用控制自動(dòng)化有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的編控一體化CAD/CAM系統(tǒng))然后通過(guò)VB編程用繪制樣條曲線的方法，把齒廓上各個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)，得到蝸輪中間平面內(nèi)漸開(kāi)線齒廓曲線草圖(如圖）。
(4)用凸臺(tái)掃描命令，以該草圖為掃描輪廓、蝸桿的螺旋線為掃描路徑進(jìn)行掃描，得到蝸輪的一個(gè)齒。如圖8所示。
(5)用圓周陣列的命令生成所有的齒，再通過(guò)切除掃描對(duì)蝸輪進(jìn)行倒角，最終得到蝸輪的實(shí)體造型(如圖9)。
3.3宏文件的編輯
首先通過(guò)SolidWorks設(shè)計(jì)出蝸輪基體，并把蝸輪基體生成的全過(guò)程經(jīng)過(guò)宏記錄轉(zhuǎn)變成宏文件。把宏文件和齒形生成程序結(jié)合，即把蝸輪建模的全過(guò)程記錄為宏文件，找出宏文件中與模型生成有關(guān)的關(guān)健函數(shù)。確定關(guān)鍵函數(shù)中的關(guān)鍵常數(shù)，弄清楚關(guān)鍵常數(shù)的變化對(duì)實(shí)體模型的影響。把關(guān)鍵常數(shù)用變量替換，這樣就完成了齒輪參數(shù)化程序的建立。由于宏文件是自動(dòng)記錄生成的，在宏文件中有一些語(yǔ)句并無(wú)實(shí)際作用，刪除它并不影響程序的執(zhí)行結(jié)果。
將編輯好的宏文件放入"蝸輪建模"鍵的CLICK事件中。每次點(diǎn)擊"蝸輪建模"鍵，在三維機(jī)械CAD軟件Solidworks環(huán)境下，打開(kāi)一張新零件圖進(jìn)行蝸輪三維實(shí)體建模，即可得到所需要的蝸輪實(shí)體。
4結(jié)論
蝸輪的造型比較復(fù)雜，是三維機(jī)械CAD設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。系統(tǒng)完成了蝸輪實(shí)體的變量化自動(dòng)生成，其思路和方法可以應(yīng)用到其他復(fù)雜曲面零件的自動(dòng)造型。在蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中，始終體現(xiàn)了所有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的全關(guān)聯(lián)，使設(shè)計(jì)結(jié)果具有延續(xù)性和繼承性，體現(xiàn)了柔性工程的設(shè)計(jì)理念，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更具有.彈性。實(shí)踐證明，蝸輪三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)縮短了蝸輪設(shè)計(jì)制造的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)精度，簡(jiǎn)化了加工過(guò)程，在蝸輪設(shè)計(jì)制造中具有重要的實(shí)用價(jià)值。
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