（交通运输工程专业论文）混凝土搅拌运输车搅拌筒cadcam技术研究.pdf

摘要 混凝土搅拌输送车是大规模、高质量预制混凝土的重要输送工 具，在现代建筑施工中具有重要作用。搅拌筒是混凝土搅拌输送车的 重要构件，设计质量直接关系着商品化预制混凝土的搅拌质量。搅拌 筒及其螺旋叶片结构复杂，采用传统的设计制造方式需要耗费大量的 人力和物力。本文通过研究c a d c a m 技术，实现搅拌筒及其螺旋叶片 的三维参数化设计和数控编程，可大大提高设计质量和生产效率。 搅拌筒螺旋叶片主要采用斜圆锥对数螺旋曲面，属于空间三维曲 面，有严格的数学模型控制其叶型。论文以修正对数螺旋线为基础， 引入假想的计算锥，建立了螺旋叶片前锥、圆柱段和后锥段螺旋曲线 的数学表达式。 在分析基于s o l i d w o r k s 的参数化设计技术基础上，采用c o m 组 件技术进行了搅拌筒参数化设计组件开发。通过s o li d w o r k sa p i 提 供的曲面建模接口函数，实现了搅拌叶片三维曲面的参数化自动绘 制。采用定步长辛普森法得到搅拌筒有效装载容量和拌筒重心的数学 求解模型，开发软件实现了有效装载容量和拌筒重心设计计算。 针对搅拌筒螺旋叶片无法一次成形的困难，采用三角形展开法， 根据叶片的数学表达式模型，对螺旋叶片进行展开计算，开发c o m 组 件实现了螺旋叶片展开图的自动生成。在分析数控加工编程的一般方 法和步骤的基础上，开发软件模块实现了叶片数控切割的代码的生 成。从而实现了搅拌筒叶片从设计到制造的计算机一体化设计。 本文完成的研究工作将为搅拌筒及螺旋叶片的设计提供有效的 支持，大大提高了设计的效率。有关研究成果已在混凝土搅拌车生产 企业的设计开发中得到应用。 关键词搅拌筒，螺旋叶片，c a d ，参数化设计，软件开发，数控编程 a b s t r a c t c o n c r e t em i x e ri sa n i m p o r t a n tt o o l t o t r a n s p o r th i g h - q u a l i t y c o m m e r c i a lc o n c r e t eo nal a r g es c a l ew h i c h p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e m o d e ma r c h i t e c t u r ec o n s t r u c t i o n w h i l ea g i t a t o rt a n ki sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to fc o n c r e t ei n i x e r s ，a n di t sd e s i g nq u a l i t yi n f l u e n c e st h e q u a l i t yo f c o m m e r c i a lc o n c r e t ed i r e c t l y a st h es t r u c t u r e so fa g i t a t o rt a n k a n dh e l i c a lv a n ea r ec o m p l e x ，i tc o n s u m e sal a r g ea m o u n to fm a n p o w e r a n dm a t e r i a lr e s o u r c e su s i n gt r a d i t i o n a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r em e t h o d b yr e s e a r c h i n gc a d c a mt e c h n o l o g yo fa g i t a t o rt a n k , t h r e e - d i m e n s i o n a l p a r a m e t r i cd e s i g na n dn cp r o g r a m m i n gt oa g i t a t o rt a n ka n di t sh e l i c a l v a n ec a nb ei m p l e m e n t e d ，w h i c hw i l li m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t ya n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yg r e a t l y o b l i q u ec o n eh e l i e a ls u r f a c ei sm a i n l yu s e di nh e l i c a lv a n e ，w h i c h b e l o n g s t ot h r e e - d i m e n s i o n a ls u r f a c e a n dt h e r e ss t r i c tm a t h e m a t i c a l m o d e lt oc o n t r o li t sb l a d ep r o f i l e s b a s e do nm o d i f i e dl o gh e l i x , a h y p o t h e t i c a lc a l c u l a t e dc o n ei si n t r o d u t e d ，a n dm a t h e m a t i ce x p r e s s e so f t h eh e l i xv a n ea r eb u i l to nt h r e ef u n c t i o ns e c t i o i l so fm i x e rv a n e ：f r o m c o n e ，m i d d l ec o l u m n , a n db a c kc o n e b a s e do nt h ea n a l y s i st ot h e p a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n o l o g yo f s o l i d w o r k s c o mc o m p o n e n tt e c h n o l o g yi s a d o p t e dt od e v e l o pa p a r a m e t r i cd e s i g nc o m p o n e n tf o ra g i t a t o rt a n k t h o u g ht h es u r f a c e m o d e l i n gi n t e r f a c ef u n c t i o n sa p p l i e db ys o l i d w o r k sa p i 1 1 1 ec o m p o n e n t a u t o m a t i c a l l yd r a w st h ep a r a m e t r i c3 ds u r f a c em o d e lo ft h em i x e rv a n e u s i n gf i x e ds t e ps i m p s o nl a w , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe f f e c t i v e l o a d i n gc a p a c i t ya n db a r y c e n t e ro fm i x i n gd r u mi so b t a i n e d , a n dt h e d e v e l o p e ds o r w a r ec a nd oc a l c u l a t i o n st oe f f e c t i v el o a d i n gc a p a c i t ya n d b a r y c e n t e ro f a g i t a t o rt a n k i na l l u s i o nt ot h ed i f f i c u l t yt h a th e l i c a lv a l l ec a nn o tb es h a p e do n e s h o t ，u s i n gt r i a n g l es p r e a d i n gm e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fv a n e ，t h eh e l i c a lv a n ei so u t s p r e a da n dac o m c o m p o n e n ti s d e v e l o p e d t or e a l i z et h eo u t s p r e a do f h e l i c a lv a n ea u t o m a t i c a l l y b a s e do n t h ea n a l y s i so ft h eg e n e r a lm e t h o d sa n dp r o c e s s e so fn c ，t h ed e v e l o p e d s o r w a r em o d u l ec a ng e n e r a t et h en cc o d eo f h e l i c a lv a n e c o n s e q u e n t l y , c o m p u t e ra u t o m a t i o nf r o md e s i g nt om a n u f a c t u r et oc o n c r e t em i x e rv a n e i sa c h i e v e d 耽es t u d yf i n i s h e di nt h ep a p e rc a ns u p p l ye f f e c t i v es u p p o r t st ot h e d e s i g no fa g i t a t o rt a n ka n dh e l i c a lv a n e ，w h i c hh i 曲l yi m p r o v e st h e d e s i g ne f f i c i e n c y a n ds o m ep r o d u c t i o nh a sb e e na p p l i e di n t h e c o r p o r a t i o np r o d u c i n gc o n c r e t em i x e r k e yw o r d s a g i t a t o rt a n k , h e l i c a lv a n e ，c a d ，p a r a m e t r i cd e s i g n , s o f t w a r ed e v e l o p m e n t , n c i r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：越 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：越导师签名4 丝日期：掣旺月坐日 工程硕士学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 檄述 在大多数工程建设中，混凝土的质量的优劣直接关系到工程的质量，混凝土 作为建筑工程中的一种主要材料，用途广、用量大。我国是混凝土使用大国，年 需要量约1 0 亿吨。因此要求混凝土在专业的搅拌站进行混合配比，以获得高质 量的混凝土。目前混凝土的生产已经往商品化的方向发展，混凝土的市场集中到 工厂进行，工厂把混凝土作为一种商品提供给各施工现场。但是混凝土的商品化 生产势必将混凝土从厂站输送到各个需求工地的距离拉长，如果仍然使用一般的 机械进行运输，混凝土就可能在运输过程中发生分层离析，甚至初凝现象，严重 影响混凝土质量 1 】。因而，导致了混凝土搅拌运输车的发展和应用。 作为一种长距离运送混凝土的专用车辆，混凝土搅拌输送车是在汽车底盘上 安置一个可以自行转动的搅拌筒，搅拌车在行驶的同时对拌筒内的混凝土进行搅 动，以防止混凝土发生分层离析，或在较长时间的运输途中凝结硬化，因此它是 具有运输与搅拌双重功能的专用车辆。混凝土搅拌输送车的总体结构如图1 1 。 1 威盘2 传动系统3 供水系统4 搅拌筒 5 副车架6 人梯7 出料装置8 进料装置 图1 1 混凝土搅拌输送车 l 工程硕士学位论文 第一章前言 搅拌筒是搅拌车的核心部件，其性能的优劣直接关系到整车工作状况的好 坏。搅拌筒主要由简体、连接法兰、滚道及搅拌叶片组成，简体的结构大多是两 端锥体( 前锥和后锥) 、中间圆柱体。后锥根据搅动容积的大小由单锥或双锥组 成，如图l - 2 所示。 卜茸堆2 - 柱，- 后锥4 搅拌筒叶片5 一滚道6 一连接法兰 图1 _ 2 搅拌筒结构 搅拌筒通过副车架固定在汽车底盘上，副车架主要由前台支撑、后台支撑和 主梁三部分组成，整个副车架是由厚度不均的钢板焊接而成。 1 2 混凝土搅拌输送车拌简结构概述 目前搅拌筒在汽车底盘上有三种布置形式，一种是筒口朝向汽车的后方倾斜 设置，混凝土从车尾部装进和卸出；另一种是搅拌筒向前倾斜，在搅拌筒前方装 料和卸料；还有一种是整个车可以回转的斜置搅拌筒。其中以搅拌筒后倾斜布置 的结构形式最多。 在传统的拌筒结构设计中，叶片都采用等螺矩的阿基米德螺旋线。阿基米德 螺旋曲线的叶片与拌筒各部分的交角，随拌简各部分直径的不同而有所变化。在 拌筒的中间部分，叶片与轴线的夹角a 较大，混凝土就易于从叶片上滑下；在拌 筒出料口处，叶片与轴线的夹角1 3 减小，混凝土就不易从叶片上滑下而淤积在叶 片表面。这种结构形状的叶片就使拌筒出料困难【2 】，如图1 3 所示。 2 工程硕士学位论文第一章前言 图i - 3 阿基米德螺旋线 为了改善这种情况，近年来采用了斜圆锥对数螺旋曲面。这样就使叶片在拌 筒各部分的交角保持不变，混凝土在拌筒出料口处的下滑角与拌简中部的下滑角 一样，这样拌筒的出料性能就得到了改善1 5 】。本论文也采用这种螺旋曲面，这种 叶片的结构形状如图1 4 所示。 a 均相等 图1 4 斜圆锥对数螺旋线 1 3c a d ，c a m 的概念 计算机辅助设计和计算机辅助制造( 简称c a d c a m ) 技术是产品设计和制 造工程技术人员在计算机系统的辅助之下，合理有效地进行产品设计和制造的一 项新技术。c a d c a m 是传统设计与制造技术与现代计算机技术的有机结合。 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n , 简称c a d ) 是指工程技术人员以 3 工程硕士学位论文 第一章前言 计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部 件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和产品图绘制等工作。 一般认为c a d 系统应包括如下功能：草图设计、零件设计、工程分析，装配设 计、产品数据交换等。c a d 系统的功能模型如图1 5 所示，其中矩形盒表示c a d 系统实现的功能，左侧箭头表示c a d 系统的输入，右侧箭头表示c a d 系统的 输出，下方箭头表示支持c a d 系统工作的软硬件环境阅。 图1 - 5c a d 系统功能模型 计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u d n g ，简称c a m ) 有狭义和广义 两种定义。狭义c a m 通常是指计算机辅助数控加工程序的编制，包括刀具路径 规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、n c 代码生成以及与数控机床数控装置的 软件接口等。狭义c a m 系统的功能模型如图1 - 6 所示。广义c a m 一般是指利 用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，包括工艺过程设计、 工装设计、n c 自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。 图1 - 6 狭义c a m 系统功能模型 4 工程硕士学位论文 第一章前言 c a d c a m 系统是设计、制造过程中的信息处理系统，它充分利用了计算 机高效准确的计算功能、图形处理功能以及复杂工程数据的存贮、传递、加工功 能，在运行过程中，结合人的经验、知识及创造性，形成一个人机交互、各尽所 长、紧密配合的系统。c a d c a m 系统输入的是设计要求，输出的是制造加工信 息。一个较为完整的c a d c a m 系统的工作过程如图1 7 所示，它包括以下几 个方面： ( 1 ) 通过市场需求调查以及用户对产品性能的要求，向c a d 系统输入设 计要求，利用几何建模功能，构造出产品的几何模型，计算机将此模型转换为内 部的数据信息，存贮在系统的数据库中。 ( 2 ) 调用c m c a m 系统程序库中的各种应用程序对产品模型进行详细设 计计算及结构方案优化分析，以确定产品总体设计方案及零部件的结构及主要参 数，同时，调用c a d c a m 系统中的图形库，将设计的初步结果以图形的方式输 出在显示器上。 ( 3 ) 当把设计对象描述为计算机内部模型后，通过计算机辅助工程分析计 算功能对产品技术性能指标进行优化设计、性能预测、结构分析和仿真。即通过 计算机数值分析求解速度快、效率商的优势，对设计产品的结构和性能指标进行 必要的工程分析和仿真计算。 ( 4 ) 根据计算机显示的结果，设计人员对设计的初步结果作出判断，如果 不满意，可以通过人机交互的方式进行修改，直至满意为止，修改后的数据仍存 储在c a d c a m 系统的数据库中。 ( 5 ) c a d c a m 系统从数据库中提取产品的设计制造信息，在分析其零件 几何形状特点及有关技术要求后，对产品进行工艺规程设计，设计的结果存入系 统的数据库，同时在屏幕上显示输出。 5 工程硕士学位论文第一章前言 图1 7c a d c a m 系统的工作过程 ( 6 ) 工艺设计人员可以对工艺规程设计的结果进行分析、判断，并允许以 人机交互的方式进行修改。最终的结果可以是生产中需要的工艺卡片或以数据接 口文件的形式存入数据库，以供后续模块读取。 ( 7 ) 在打印机上输出工艺卡片，成为车间生产加工的指导性文件。c a m 子系统从数据库中读取零件几何信息和加工工艺规程，生成n c 加工程序。 ( 8 ) 有些c a d c a m 系统在生成了产品加工的工艺规程之后，对其进行 仿真、模拟，验证其是否合理、可行。同时，还可以进行刀具、夹具、工件之间 的干涉、碰撞检验。 ( 9 ) 在普通机床、数控机床上按照工艺规程和n c 加工程序加工制造出有 关产品。 6 工程硬士学位论文第一章前言 由上述过程可以看出，从初始的设计要求、产品设计的中间结果，到最终的 加工指令，都是信息不断产生、修改、交换、存取的过程，c a d c a m 系统应能 保证用户随时观察、修改阶段数据，实施编辑处理，直到获得最佳结果。 1 4 国内外研究现状 混凝土搅拌运输车的研制在国外，尤其像欧美、日本，起步较早，发展迅速， 已形成了系列产品。混凝土搅拌运输车在我国的研制和发展时间较短，但近几年， 混凝土搅拌运输车所显示出的优越性，引起了混凝土施工行业的重视，从而推动 了混凝土搅拌运输车的设计研究，其生产已经从引进国外配、散套件组装发展到 独立设计、生产国产化的先进水平。 搅拌装置作为混凝土搅拌运输车的核心部分，一直是国内外混凝土搅拌运输 车制造企业的研究重点，拌筒的合理尺寸、叶片的数学模型、叶片的螺旋角等等， 均关系着混凝土搅拌运输车装载容量和搅拌质量。 混凝土搅拌运输车的有效装载容量是用户最为关心的，而混凝土搅拌运输车 的底盘均是从汽车厂家外购，因此，需要在底盘的承载范围内，优化拌筒的设计 尺寸。文献 4 1 拌筒表面积为目标函数，建立有效装载容量和轴向长度约束函数， 运用约束规划问题的随机方法建立了拌筒的优化模型；文献 s j n 提出了搅拌筒有 效装载容量和满载条件下搅拌筒重心的计算方法和数学模型。 搅拌筒内的搅拌叶片是混凝土搅拌输送车设计的关键部件。搅拌筒叶片断面 和空间形成螺旋线的形状是控制搅拌筒搅拌和退料效果的关键。文献 1 6 1 1 1 7 1 18 】【1 9 】【3 1 】对螺旋叶片的搅拌机理及其数学模型进行了阐述，文献 刀则通过具 体的搅拌筒模型，根据文献【n 】提出的搅拌叶片数学模型，给出了螺旋叶片展开图 的数学方程。文献例刚则提出了较新的叶型优化方法，在叶片的制造上，目前 主要采用分段冲压，而在冲压模的制造上，随着数控设备的广泛应用，大部分厂 家已经使用数控加工中心来加工叶片模具，文献【1 8 】【1 9 】【2 0 】【2 1 1 探讨了该方法的实现。 在搅拌车的三维参数化设计方面，北京航空航天大学采用v b a 技术，在 a u t o c a d 平台下开发了混凝土搅拌输送车搅拌筒计算参数化设计系统，该系统 主要基于二维的叶片展开图的生成。文献【1 0 】f l l 】所探讨的搅拌叶片三维模型的创 建是通过在三维软件中创建辅助的纵、横剖面的方式获得空间点，得到叶片三维 模型，并没有根据叶片的数学模型得到较为精确的三维参数化叶片模型。 7 工程硕士学位论文 第一章前言 1 5 论文的主要任务 搅拌车的搅拌筒之所以具有搅拌和卸料等工作性能，主要是因为其内部有两 条连续螺旋叶片推动混凝土沿搅拌筒轴向和切向产生复合运动的结果，因此这两 条叶片的螺旋益线直接影响搅拌筒的工作性能。但是由于螺旋曲面是空间复杂曲 面，仅仅依靠传统的三维模型设计软件是很难绘制出较准确的螺旋叶片，所以在 本次设计中，主要任务就是对三维模型设计软件( s o l i d w o r k s ) 进行二次开发， 通过参数化设计由程序直接绘制出满足搅拌要求的螺旋叶片。 根据以往的工作经验和理论，采用斜圆锥对数螺旋曲线能很好的满足工作要 求，在本次设计中，将以s o l i d w o r k s 为开发平台，v i s u a lc + + 为开发环境，运用 c o m 组件技术来开发三维模型( 搅拌简及其螺旋叶片) 参数化设计软件。具体 任务如下： ( 1 ) 根据混凝土搅拌车的搅拌机理和搅拌特点，论文以修正对数螺旋线为基 础，引入假想的计算锥，建立了搅拌叶片前锥、圆柱段和后锥段螺旋曲线的数学 模型。 ( 2 )以s o l i d w o r k s 为应用平台，v i s u a lc - 阡为开发平台，采用c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 组件技术，开发参数化组件，自动 创建拌筒的三维模型和斜圆锥对数螺旋搅拌叶片的三维数学模型。 ( 3 ) 采用定步长辛普森法得到搅拌筒有效装载容量和拌筒重心等技术参数 的数学求解模型，开发了设计计算软件实现了这两个参数的自动计算。 ( 4 ) 采用三角形展开法，根据叶片的数学模型，对螺旋叶片进行展开计算， 并生成展开叶片切割的数控代码。实现了混凝土搅拌车叶片从设计到制造的计算 机自动化。 8 工程硕士学位论文第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 2 1 搅拌筒螺旋叶片概述 搅拌车的搅拌筒之所以具有搅拌和卸料等工作性能，主要是因为其内部特有 的两条连续螺旋叶片推动混凝土沿搅拌筒轴向和切向产生复合运动的结果。当搅 拌筒正方向转动时，熟料从漏斗流入搅拌筒，被螺旋叶片向筒底的方向推去并顺 着球形底板被翻起向前流动。另一方面由于叶片、搅拌筒与混凝土之间的摩擦阻 力，在搅拌筒旋转时，混凝土被带着倾斜一个角度，当混凝土的倾斜角度达到一 定程度，重力产生向下滑移得力超过了混凝土的极限剪应力，混凝土自行坍塌， 并与螺旋叶片推动轴向流动的混凝土搅混在一起，这样，筒内的混凝土在汽车行 驶过程中，始终被均匀地搅拌着。在浇注前，搅拌简以6 - 1 0 r l m i n 的转速做高速 转动，迫使筒内的混凝土得到更充分的搅拌。出料时，只要将搅拌筒转动方向改 成反转即可，此时混凝土顺着叶片逐渐被推到搅拌筒出口，顺着滑槽流出【3 】。 因此这两条叶片的螺旋曲线直接影响搅拌筒的工作性能，在其几何设计中。 必须根据工作性能要求和混凝土的性质要求等有关因素，恰当确定叶片曲线的形 式和具体参数。螺旋线有多种形式，它决定混凝土在搅拌筒内沿轴向或切向运动 的强度，从而影响着搅拌和卸料性能。 目前在搅拌运输车中采用两种实用叶片螺旋曲线形式，即阿基米德螺旋曲线 和对数螺旋曲线： 1 阿基米德螺旋曲线( 等螺距螺旋曲线) 这种曲线叶片的特点是螺旋环绕筒壁的叶片在搅拌筒轴线方向上的间距保 持不变，但叶片的螺旋升角却随着搅拌筒横断面的直径成反比的变化。如果叶片 曲线的升角按搅拌区段工作要求选定，则叶片进入卸料区段其螺旋升角将随搅拌 筒断面的收缩而愈来愈大，因而可能使卸料性能变坏；如果按卸料区段的工作要 求选择叶片螺旋升角，则搅拌区段叶片螺旋升角将过小，可能无法保证搅拌质量。 因而目前在大容量的搅拌运输车中已经很少采用这种螺旋叶片。 2 对数螺旋曲线( 等升角螺旋曲线) 这种叶片的螺旋升角始终不变，螺距却随搅拌简直径正比变化，虽然卸料区 9 工程硕士学位论文第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 段的叶片间距相对于搅拌区段较小，但设计适当并不影响卸料性能。采用这种螺 旋曲线的叶片选择适中的螺旋升角，比较容易兼顾搅拌和卸料的性能要求。在大 容量的搅拌运输车中采用较多【4 j 。 为了适应输送坍落度更低的混凝土，进一步改善卸料性能，在设计新的搅拌 运输车时，应使叶片在采用对数螺旋曲线的同时，按前述划分功能区段的原则， 在搅拌筒的不同工作区段分别选用适用的螺旋升角，这虽然使叶片的设计和制造 安装复杂化，但由于真正实现区别适应不同工作性能要求，因而使叶片达到比较 理想的工作性能。这种变参数的螺旋叶片，目前已经广泛应用在大、中容量的搅 拌运输车上。本文下面所阐述的数学模型就是采用这种变螺旋升角的螺旋叶片。 2 2 斜圆锥对数螺旋面的形成 设在搅拌筒的圆台侧表面上有一条圆锥对数螺旋线，如图2 - l 所示。 t 其方程可以表示为： 图2 - 1 圆台与螺旋线 卜岛d 啬口 蛐s 口 y = 岛x d 啬口卜证口 卜风e d 啬占卜口 公式( 2 - 1 ) 圆锥对数螺旋线的切线与圆锥母线的夹角，即螺旋线螺旋角 工程硕士学位论文第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 岛圆锥顶到圆台小头的母线长度 口参数 设有一空间曲线，与z 轴的夹角伊恒为常数，其长度为d ，则其方程可以写 为： 三二丑：c o s 口 d 兰丑：c o s p d 兰丑：血口 d 公式( 2 - 2 ) 当，的一端( 五，n ，毛) 沿着螺旋线公式( 2 - d 绕z 轴作螺旋运动时，则形成 斜圆锥对数螺旋面，将公式( 2 - 1 ) 带入公式( 2 - 2 ) 得到的方程可以表示为： 卜= 岛d 啬口卜h 川础 y = 风d 凿曰 x s i n = x e o s o + d 血9 = 岛d 嚣日卜刚c o s 妒 公式( 2 - 3 ) 2 3 螺旋角和计算锥 2 3 1 螺旋角 轴线与螺旋面轴线重合的圆柱面或圆锥面同该螺旋面的交线分别称为圆柱 螺线或圆锥螺线。螺线的切线和圆柱面或圆锥面的母线之间的夹角称为螺旋角， 用b 表示。显然由于不同的圆柱面( 或圆锥面) 与同一螺旋面相交所得的螺线是 不同的，因而螺旋角也不相同【1 5 1 。 工程硕士学位论文 第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 图2 - 2 螺旋及其展开 图2 - 2 中画出了锥、柱螺线的视图和内壁展开图。螺线上任意一点m 对应 的投影和展开位置用册、m 和m 表示，西为m 点平面投影m 的位置角。锥面 展开为一扇形面，为扇形角，e 为m 点在展开面上的位置角，p = o m 。 由几何关系知， ，= 2 ，r s i n 只，= z s i n 0 f = 尹s i n o j d e = d q a s i n b z = p e o s o ：d z = d p e o s o 设螺线上另一点为n ，其相应的位置参量为矿n 、z n 、e n 和p n 当点n 与 工程硕士学位论文第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 m 无限接近时，直线m n 就是m 点的切线t ，其螺旋角表达式为 ：z s i n o 粤：，粤 公式( 刎 宓忽 ” 当为圆柱面时，口= o ，= r 。其螺旋角的表达式为 即啪老 醐2 - 5 ) 2 3 2 内外圆锥( 或圆柱) 上螺旋角的关系 如图2 3 ，斜螺旋面的任一条母线n 分别与内锥、外锥相交于点1 和2 ，内、 外锥的半锥角分别为0l 、02 ，以0 2 为原点建立坐标系x 0 2 z ，1 1 线与x 轴的 夹角为。 设母线n 绕z 轴旋转无限小角d 矽到达母线疗的位置，刀线与内外锥面分别 相交于点1 和2 ，设届，局分别为点l 和点2 的螺旋角。 图2 - 3 内外锥螺旋角关系 由几何关系得： 警：型笔坠堕；堕 公式( 2 卿 鹕z 2 s i n a 2 1 2 ” 这就是同一螺旋面在不同圆锥面上产生的螺旋线的螺旋角之间的关系。 工程硕士学位论文 第二章搅拌简螺旋叶片理论分析 ( 1 ) 当岛= 岛o ，即内外锥平行， 盟。t g 5 2 z l z 3 z 2 z ，：z ，+ z 3 t g 吐9 0 1 1 1 一t g u t g 岛 ( 2 ) 当岛= o e = 0 ，即内柱外柱的情况， 公式( 2 - 7 ) 盟：t g f l 2 而x2 公式( 2 - 8 ) z 2 = z 1 + ( x 2 一善i ) t g , ( 3 ) 当q o ，岛= o ，即内锥一外柱的情况，且点1 和点2 重合， 公式( 2 9 ) z 2 = z i 2 3 3 计算锥 当已知斜角为的斜螺旋面上的两条母线，l 和n ，与已知锥面l ：相交于点 2 f f l 2 ，其螺旋角分别为压和厦，则必能找到一个锥面l 。，使其l i l 2 ( 即 0 = e l = 岛) ，= 届= 詹，这个锥面l i 叫做计算锥。届和a 为计算锥与珞疗的 交点1 和f 的螺旋角，如图2 - 4 。 1 4 工程硕士学位论文第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 根据几何关系得： 图2 4 计算锥 t a n 展= t a n 屈 - 一面南i t a n 爿= t a n 厦 1 一而南 由于= 届= 彳，故得： 公式( 2 - 1o ) z 3 = 墨盖( 1 一馓口) 蝴2 州， 互 z 2 将z 3 代入公式( 2 - 1 0 ) 便可求得计算锥上点1 和l 的螺旋角。 2 4 螺旋叶片数学模型 2 4 1 前锥段螺旋叶片的设计计算 入。 已知前锥半锥顶角口= 嘶= ，叶片斜置角u = - a ，拌筒其它参数由界面输 工程硕士学位论文第二章搅拌简螺旋叶片理论分析 - 1氐 宝 - 兹 ， i渺 图2 - 5 搅拌筒参数 由以上铡良容躲口= 啊= = 叫= 嗍( 警) ，z 2 凇d ，x 2 为坐标轴，建立坐标系： 甘算惟 叶片覃奢 叶片撮知 图2 - 6 前锥与计算锥 1 2 工程硬士学位论文第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 z l ：三 s m 口 乙：；黑 啪口 乙2 = 磊2 一f l 乏2 = 乙2 + b s i n a 乏2 = 乙2 + b s i n a 根据“叶片顶部应工作在临界线上或临界线附近”的原则，选取合适的圆柱 段叶片顶部螺旋角b ，由参数对话框输入。则6 f 点出的螺旋角： t g 瓯= q t g g c o s 口t g p 公式( 2 1 2 ) 为了改善前锥段小端处的出料性能，取小端处的螺旋升角厦适当大于大端 的螺旋升角( 一般为5 或6 度) 。以使工作点低一些，取厦= 孱+ 酽。 在图2 - 6 中，再以z l 为圆心，x l 为坐标轴，建立坐标系得， z ：。z ：。 t a n 尼= t a n 孱 1 一历而i 6 ：兰2 1 兰塑竺：塑竺 i t a n t a n g 毛= 乏。一6 公式( 2 1 3 ) z 。m m 乙，一6 。 计算锥上各点只角均相等，计算锥展开成扇形面时，其螺旋线展开线是一 1 7 工程硕士学位论文第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 条对数螺旋线，这样就可以简化各点纵坐标的计算。在图2 - 6 中以计算锥顶点z 3 为坐标原点，x ，为坐标轴。 z ，= z 二一z 3 。 乏，= 乏。一z 3 。 由对数螺旋线的性质可知：五= z o x f - z ) t 公式( 2 - 1 4 ) 3 m 搿、，2 ，r 式中：p t g 岛”：常数( 口，芦，已经由相关变量计算出) 捍螺旋线投影图时，在平面图中所取的等分线数 z 第i 等分点的纵坐标 z o 扣0 点的纵坐标 i 等分编号，i = o 一0 由于工艺上的限制，实际生产中，叶片是分段压制拼接而成，所以通常把筒 壁交点( 如图2 - 6 中的a 、b 点) 的母线布置在接头上，所以计算时也把a 、b 作 为等分点计算出来。 ( i ) 当j = o 时，取a 点作为开始点，得到z o = z 二3 ( 2 ) 当f ：。时，取b 点作为结束点，反求得到：竺掣，并取整 通过以上的分析，计算锥上任一点等分点处的纵坐标可以表示为： 互= z o = z 3 公式( 2 - 1 5 ) 以前锥小端截面圆心为坐标原点，以z o 为坐标原点，五为坐标轴，得到前 锥叶片顶部螺线方程和底部螺线方程。 工程硕士学位论文 第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 z = t a n a x o ) l + z 3 1 如口一口) d 鲁，) y = t a n g x ( _ o f + z 3 1 s l n z x ) s 孵z ) 醐z z = z 二3 国。- z 3 ls i n 2 口一z x = b t a n g x s + ( z 3 l + z i ：) s 证口一口】d 等 y = b 眦删+ ( z 3 1 + z 1 2 ) s 证洲】s 文等x z = z = 3 。一( z ”+ z 1 2 ) s i n 2 a z 公式( 2 - 1 7 ) 2 4 2 圆柱段螺旋叶片的设计计算 为了保证圆柱段叶片的工作性能，其叶片顶部的螺旋角b 应适当选取，其原 则是要保证叶片顶部应该工作在临界线上或临界线附近，本文由参数对话框输 入。利用叶片顶部螺旋角和筒壁螺旋线出螺旋角屈的关系式 肛= 嘴( 黜 公式( 2 - 18 ) 因取圆柱段螺旋角为等螺旋角，所以有：t g a = 号i 警，式中z 为每等 分上z 轴增量。显然z ：垄竺! 譬，对z 用高斯函数取整即可得到实际的岛值。 x t g 岛 圆柱段等分数= 等( 取整) o 圆柱段筒壁螺旋线各点纵坐标为：z i + i - - z + z 。 仍以前锥小端截面圆心z o 为坐标原点，为坐标轴，则圆柱段的顶部和底部螺 线方程可以表示为： 1 9 、_=，、_= 工程硕士学位论文第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 x = ( m r 一功c o 俘 y = 一曰) s m 睁 z = f l + z i i 石= ( f 2 a f ) y = m r s 孵t ) z = f l + a t , 1x i 公式( 2 1 9 ) 公式( 2 - 2 0 ) 2 4 3 后锥段螺旋叶片的设计计算 后锥段叶片的主要功能是引导迸卸料，为了设计和计算的方便，将后锥段螺 旋叶片按正圆锥对数螺旋面展开。 j 图2 - 7 后锥与计算锥 、“、=叫 工程硕士学位论文第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 已知后锥叶片顶部半锥顶角为彳，叶片根部半锥顶角为磋，叶片斜置角 = 0 。，后锥大端叶片母线宽度为b ，后锥小端叶片母线宽度为b 。根据几何关 系得： 钟= 嘴( 坠半) 公式( 2 - 2 1 ) 迸= 嗷( 警) 以z 2 为圆心，x ：为坐标轴，建立坐标系，可以计算后锥c 、d 两点的螺旋角 尾和岛，前面已经计算出圆柱段叶片根部的螺旋角肛，则后锥上c 点的螺旋角 厦= 船 t g 岛( 1 一t g t g 磅) c o s 霹 。 为了改善后锥段小端处的出料性能，取小端处的螺旋升角适当大于大端的螺 旋升角( 一般为5 或6 度) 。以使工作点低一些，取历= 屈+ 6 。 z 3 2 2 = 裂若蔫o - t a n p x t a n g ：) z dz 。 公式( 2 2 2 ) 后锥计算趾的螺旋角胛= 毗卜( 一而z 劬, z 2 蚓j j 1 以计算锥顶 点z 3 为坐标原点，x ，为坐标轴，可以得到 乏= z d z 3 2 2 公式( 2 - 2 3 ) 乏= 乏+ b l 与前锥段相似，求得z 二= z o ，= l n ( 乏z 二伽国( 取整) s i l l 础、，2 石 式中：p 面万百：常数 2 1 工程硕士学位论文 第二章搅拌筒螺旋叶片理论分析 以后锥大端圆心为坐标原点，得到后锥顶部和底部叶片螺旋线方程： k = z ：x o j ( “。) l v w = ( z + z 3 2 2 一z i z 2x t a n 口? 一z t a n 口： 卜= 亿协n 口；国1 ) + v w ) c 。s ( 等纯 【y = 阢t a n 口：x o j ( j j - o + v w ) 熵悟g 一，) ) 一f ) ) x = 亿x t a n 口：。) + z 3 2 2 t a n 磋) c o s ( 等以一 y = 亿x t a n 小国0 , - 0 + z 3 2 2 t a n 口：) 蛐( 等瓴一 z = b l + f l + a l l + z o z s z ：加。) 公式( 2 - 2 4 ) 公式( 2 2 5 ) 工程硕士学位论文第三章基于s o f i d w o r k s 的三维参数化设计方法 第三章基于s o l i d w o r k s 的三维参数化设计方法 在现代企业中，产品的形式越来越多样化，产品的形状和功能也越来越复杂， 并且产品中用到了很多复杂曲面，单单依靠传统模具设计的方法来进行设计和制 造是非常困难的，就比如本文中的螺旋叶片，可以说无法直接在三维设计软件中 精确的画出，并且在制造时叶片时所需要的压模就有l o 1 5 副之多，如欲变动螺 旋角、拌筒尺寸之类的参数，那就必须重新设计各种模具，显然这是非常困难的， 也是不经济的。如果采用参数化设计方法，根据产品的相似性原理，当改变产品 某一参数时，我们并不需要完全重新设计，只需在程序中改变相应的参数即可。 这样大大提高了产品的设计开发效率，降低了产品开发的成本。 3 1 参数化设计概述 对三维软件设计系统而言，所谓参数化软件开发是指以三维设计软件为平 台，根据用户的具体要求而开发出来的软件系统，用户不参与模型的构造，只需 要提供零件的设计参数，由参数化软件系统构造出完整的零件模型。其最大特点 是底层功能由三维软件设计系统提供，对原来系统有很大的依赖性，但是可以大 大提高应用软件的开发效率。目前，很多三维软件设计公司均对其产品提供了二 次开发功斛埘。如p r o e n g i n e e r 的p r o t o o l k i t 开发包、u gn x 的o p e nc + + 开发 包、s o l i d w o r k s 提供的a p i 接口等等。 在零件模型中，特征是组成零件实体模型最基本的元素，它体现了产品的功 能要素和工程含义，是描述产品信息的集合。设计人员直接用特征来定义零件的 几何结构，其操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，诸如凸 台、倒角、圆角、螺纹孔和键槽等。它使产品设计工作在更高的层次上进行，因 此，基于特征的设计思想更符合设计人员的设计思路，更有利于发挥设计者的创 造力和想象力圆。 参数化是指对零件上的各种特征施加各种约束形式。各个特征的几何形状与 尺寸大小用变量的方式表示，如果定义某个特征的变量发生了改变，则零件的这 个特征的几何形状与尺寸大小将随着参数的改变而改变。参数驱动方法具有简 工程硕士学位论文第三章基于s o l l d w o r k s 的三维参数化设计方法 单、方便、易开发和使用的特点，能够在现有的绘图系统基础上进行二次开发， 大大提高了新产品的开发效率。 1 尺寸驱动 对于较为简单的模型，参数定义关系较为简单，可以首先在三维设计软件模 板中，将主要的驱动尺寸以参数的形式存入数据库。这样，当设计相似件时，只 需要选定相应的标准件模板模型，然后给定设计参数，由程序打开模扳文件，调 用三维设计软件a p i 函数将用户输入的驱动尺寸值替换模板文件中的原始尺寸， 重建模型函数即可得到用户所需的标准件。 由于目前基本上所有的商业c a d 软件本身均带有这种功能，因此，单独对 于某个零件采用尺寸驱动法进行二次开发的意义不大，目前主要是在针对某类系 统的开发( 如模具设计系统) 上，为保持系统的整体性而使用这种开发方式。 2 程序建模 对于复杂的零件，正如本论文所研究的螺旋叶片，其模型是由复杂的数学模 型决定的，模型中特征的创建需要进行较为复杂的运算，很难用有限个驱动尺寸 来驱动整个模型，显然这样的模型不适合使用尺寸驱动的方式进行二次开发。 因此，对于复杂模型的建立，并不能采用尺寸驱动，仅仅通过参数的改变而创建 新的零件模型，而是在二次开发程序中根据数学模型调用三维设计软件中相应的 特征绘制函数，通过程序代码来实现特征的创建，从而得到需要的三维模型。 本文将