外文翻译--虚拟制造的多头ZA蜗杆传动的参数设计和运动分析

中文译文 虚拟 制造 的 多头 ZA 蜗杆传动 的 参数 设计和运动分析 孙剑萍、汤兆平 华东交通大学轨道交通学院，江西省 南昌 330013 摘要 ： 阿基米德 蜗杆 轮 齿面通常是用 CAD 来形成和模拟的。 本文分析了多 头 阿基米德蜗杆的加工特征和形成原则，建立了精确的模型，使设计参数化。 并利 用 Pro/E 软件，应用虚拟装配和组件之间的相关性质，模拟现实过程，实际 制作蜗轮， 建立准确的模型。另外 ，将生成的蜗轮，蜗杆组装，同时对他们 的运动 进行模拟和分析。 关键词： 计算机辅助设计、参数化设计、运动分析、 Pro/E、多头 ZA蜗杆传动装置 1、概述 阿基米德蜗杆轮齿面的制作，目前一般是用 CAD 软件模拟制图来代替真正的蜗轮齿形制造 1。但是，绘出复杂而又精确的轮齿是非常困难的，此外，蜗轮蜗杆配合被归类为左旋，右旋，单线程和多头的。这就为简历模型增加了困难。本文主要从阿基米德蜗杆（ ZA蜗杆）的加工原理入手，模拟其生产过程，并利用 Pro/E 中的关系函数，实现准确的 ZA蜗杆参数模型。此外，在此基础上也无形中制造 出了蜗轮，以及蜗轮、蜗杆的组装以及他们的运动分析。 2、建立模型的思维过程 为了模仿 ZA 蜗杆的传动过程，绘制大小和形状同参数化蜗轮滚刀相似的横截面，以阿基米德螺旋线为轨迹，利用 Pro/E 软件中的“变截面扫描 /剪切”功能，在蜗杆毛坯上切 一个 槽，然后 仿效 槽，多头蜗轮滚刀就生成了。使线程数和轨迹数充分参数化是制造模型的一个难点。关键点是：第一， 要设置控制参数 （右旋的参数值是 1，左旋值是 -1）和线程数，然后用 方程 建立阿基米德螺旋线 ， 从而改变线程数 。第二， 仿效蜗杆插槽 ，它是设计师选择 路径的“方向”所必须的， 并选择 蜗杆 坯料的轴线作为参考， 建立第一个方向，输入线程数等于 蜗杆头数，而且 输入螺距等于 蜗杆各头之间的 间隔。 在完成蜗轮滚刀的参数化模型后，然后再在此基础上，通过改变参数来产生蜗杆模型。蜗轮和蜗杆滚刀的不同之处在于 蜗轮滚刀 是 刀 片 槽， 而且他们之间的间隙 大于蜗轮 半径 。 蜗轮模式的获得是采用蜗轮滚刀虚拟处理的方式。作者的基本思路是：在虚拟环境中，分别建立蜗轮滚刀和蜗 轮 毛坯，然后将 他们放置于 坐标系 当中 ， 通过装配几何关系 理论，使他们 能够互相调整。然后利用布尔减法计算在运动过程中 不同位置 时的参数 ，直到蜗轮已制作 出整个外 表面 2。 3、建立相关参数 从以上的思路可以知道 ZA 蜗杆传动的参数化设计与运动分析需要建立在诸如蜗轮滚刀部分、蜗杆部分，蜗轮滚刀和蜗杆滚刀之间的部件以及蜗轮和蜗杆之间的装配等方面。为了实现参数化设计，这些部分需要设定基本的尺寸。 利用 Pro/E 提供的参数和关系的功能，按照蜗杆与蜗轮之间的参数关系，设置蜗轮、蜗杆的模数，蜗杆特征数，头数，变位系数等，如表 1所示。 4、建立准确地 ZA 蜗轮滚刀参数化模型 根据以上所有的思路，首先，设计者需要在蜗杆滚刀毛坯上切一个连续的刀槽，如图1（ a）所示，然后以蜗杆 滚刀轴线为导向线，如同已经生成的刀槽一样继续切槽，并连续几次，直到达到一定的线程数（蜗杆头数），而且蜗杆螺距等于蜗杆各头之间的间距，如图 1（ b）所示。 采用 嵌入在 Pro/E2.0 中的 程序模块，用户 可以 根据设计示意图 编辑程序， 设计程序，而且 可以驱动它的大小， 使其 充分和参数化。根据系统的提示， 用户 导入不同的设计变量，蜗轮滚刀 就 可以生成满足 用户要求的结果 ，如图 2所示。 5、建立 虚拟加工和装配 的基准 5.1 建立 装配基准 在 Pro/E 中，这些部分之间的组成元件和装配式互相关联的。为 了实现蜗轮滚刀和蜗轮在装配时的相对运动，设计者必须在组件和装配部件分别建立相应的基准点和基准轴，而且使这些数据参数化，如图 3所示。每个组件在这些数据的帮助下组装。如果参数发生变化，蜗轮滚刀和蜗轮将根据给定的传动比相对旋转。 一般 情况下， 蜗轮传动装置 两角之间 的夹角 是 90 。在 装配时 ，设计者必须建立 两个独立 的纵横 基准 轴线 和 蜗轮滚刀和蜗轮 装配 基准点， 并使 这些数据参数化。在 装配时 ，除了 前面已加以说明的所必须的参数 如 模数 ，齿数 外 ， 驱动蜗轮滚刀和蜗轮 公转 的角度参数也是必须要给出的。 该参数设置成 “ 角 ” ，初始值是 0。最后，要输入关系如下： $d3=(m*q/2)*cos(jiao) /* x-蜗轮滚刀的定位点坐标； $d4=(m*q/2)*sin(jiao) /* y-蜗轮滚刀的定位点坐标； d5=m* *z1*n/2 /* z-蜗轮滚刀的定位点坐标； d2=m*z1*n/2 /* z-蜗杆模拟 运动中心 定位点的 坐标 APNT0， 即 x坐标和 y 坐标 都为 0， / *蜗杆和蜗轮滚刀的定位轴是通过点 APNT0 和垂直线 ASM_FRONT， / *坐标系统 ACS0 转换为 APNT0； $d7=-m*(q+z2+2*x2)/2 /* 中心定位基准点 APNT2 的 Y 坐标在蜗轮模拟毛坯的坐标系统 ACS0； d8=m*z1*n/2 /*中心定位基准点 APNT2 的 Y 坐标在蜗轮模拟毛坯的坐标系统ACS0； / *蜗轮的定位轴是通过 APNT2 对齐和垂直 ASM_RIGHT； / *坐标系统转换为模拟 蜗轮的 APNT2，以 默认坐标系统 X轴的正方向 为 z轴正方向，y轴正方向 与默认的坐标系统 相同 ； $d9=m*z2/2*cos(jiao*z1/z2) /*蜗轮定位基准点的 X坐标在蜗轮模拟坐标系统中； $d10=m*z2/2*sin(jiao*z1/z2) /*蜗轮定位基准点的 Y 坐标在蜗轮模拟坐标系统中。 5.2 建立虚拟加工和组装每部分所需的基准 为了建立蜗轮滚刀参考圆的一个基准点，在装配期间，将滚刀轴与在组装部件已经建立好的蜗轮滚刀基准轴对齐，将滚刀参考圆的基准点与在组装部件已经建立好的相应的基准点对齐，因为基准点在组装部件上已经被参数化，因此设计师可以实现围绕基准轴旋转滚刀。 利用函数关系是非常有必要的，基准点的输入关系如下： d69=m*q/2 /*x-蜗轮滚刀的定位基准点坐标； d71=m*z1*n/2 /* z-蜗轮 滚刀的定位基准点坐标。 用同样的方法，建立蜗轮毛坯。为了装配方便，设计师在建立模型时，他必须按照装配关系注意蜗轮毛坯轴的方向以及与坐标系统的距离，并设置必要的组装和模拟日期，输入关系如下： D74=m*(q+x2*2)/2 /* z-蜗轮毛坯的定位基准点坐标。 6、虚拟加工和装配 当装配各组件时，设计者需要分别校准蜗杆轴，蜗轮毛坯轴，蜗杆参考圆的基准点以及蜗轮毛坯参考圆的基准点同他们相应的轴或者是已经建立好的基准点。由于基准点已经在装配时参数化，设计人员可以实现蜗杆和蜗轮毛坯轮围绕他们各自已经改变参数的校 准轴旋转。 利用“工具 - 参数”功能，改变角的参数值（间隔角越小，蜗轮切割效果越好），该模型就可以生成。 利用“编辑 - 构件运算 - 剪切”功能，切割坯料，然后，在蜗轮部分，设计者需要编辑修改前面已经定义过的 ID，并改变其每部分的属性，确保其不随参数值的变化而变化。 重复上述所有步骤，直到所有蜗轮槽 都用蜗轮滚刀完全、 均匀 的切割出来。如图 4 所示。 改变 蜗杆 和蜗轮毛坯的参数 ， 就可以生成 不同的蜗轮，如图 5 所示。 7、蜗杆传动的虚拟装配和运动分析 7.1 虚拟装配和模拟运动 更换蜗轮滚刀，以 蜗杆 作 为基准组件 ，蜗轮 和蜗杆利用针连接方式进行 组装 ， 当连接组装 时 ，模拟 运动 相应 的校准 轴和基准点必须 分别 选择， 如 图 6 所示。 元件 布置 完成后，设计人员可以添加模块的相应驱动器 和 模拟 运动 。 选择“应用程序 - 机制”，设计师可以输入机 构 模块 ； 单击“定义 伺服电机 ”，分别建立新的“ 伺服电机 1”和“ 伺服电机 2”按钮。 选择 “类型”标签， 在组装蜗轮和蜗杆时，分别选择已经定义过的校准轴以建立“联合轴”，选择“模拟类型”中的“旋转”， 设计者 还必须 注意 伺服电机 的两个 运动 方向 ， 在“配置”选项卡 中 ， 需要定义 伺服电机 1 “规范” 选项中的“速度”和“等 级” 中的“常数 ”，“ A” 值为 360 乘以 蜗杆 的线程数和蜗轮的齿数。 将 伺服电机 2 的“ A” 值 设置为 360，以确保 他们的 运动 能满足 蜗轮 蜗杆 的 传动比。 用户单机 “运行分析” 按钮 ，新建“ 分析定义 1”。在对话框的“喜好”选项卡 中 ，设置“开始时间”，“结束时间”，“帧计数”和“帧速率”， 预设 “结束时间”是蜗轮齿数，其余为默认 值 。 7.2 运动 模拟 分析 软件中还 有一些 在机构 模块 中可以测量的选项 ， 例 如 “位移 ”，“速度”，“加速 度 ”，“连接反应”，“网络负载”等 。 分析蜗轮 和蜗杆 之 间的相对运动，设计者必须选择他们相应的装配 坐标系统； 确保坐标系统 不随 蜗杆传动 运转。 单击 “ 测量结果的原因分析”按钮，新建 措施 1 到措施 4，选择“图形测量分 析 ”，单击“图形 测量结果”对话框 ，测量值可以 通过 图形和数据 输出 。它是 比较直观和 准确 的 ，如 图 7和图 8。 在机构 模块中 ， 单 击 “重播以前运行分析” 按钮 ， 选择 对话框中 的“干扰”选项卡，在动态干扰条件下 检测 每个组件； 点击“播放当前结果集” - “捕获 .”， 电脑 就可以可以 播放 MPEG 格式的动画 （ 也可以导成 mpg 电影 格式 ）。 从以上输出的所有运 动 模拟 图可以看出以下三点 ： （ 1）蜗轮，蜗杆的 Y 坐标位移值可以利用改变 正弦或余弦 的 方式 来变化 ， Y坐标的 速度 值也是如此 。 当他们运行时，他们具有相同的圆周运动规律。 （ 2）蜗轮 Y 坐标的位移值 范围为 -132.5 至 132.5 毫米。 蜗杆 Y 坐标的位移值 范围是从 -45至 45 毫米。蜗轮 Y坐标的速度值 范围是从 -47.1238 至 47.1238 毫米 /秒 ，蜗杆 Y 坐标的速度值 范围是从 -282.743 到 282.743 毫米 /秒 ，这 与他们的理论值 完全 一致。 （ 3）蜗轮的 Y 坐标 有 3个正弦