滚子链轮的计算机辅助三维参数化设计.doc

杨长辉1 ,鹏2张(11 重庆工学院计算机科学与工程学院 , 重庆 400050 ; 21 重庆大学制造工程研究所 , 重庆 400044)摘要 : 分析了套筒滚子链轮齿形的特点 。以 UG 软件为平台 , 利用参数化方法设计 、用组合自定义特征和列表数据检索方法 , 实现了滚子链轮尺寸和形状的全面参数化设计 。其方法也适于其它齿形链轮 。关键词 : 滚子链轮 ; 参数化 ; 齿形 ; 三维模型中图分类号 : TH12612文章编号 : 1001 - 3881 (2004) 8 - 132 - 3文献标识码 : B3D Para metric Design f or the Roller Cha in WheelYANG Chang2hui1 , ZHANG Peng2(11Chongqing Institute of Technology , Chongqing 400050 , China ;21Chongqing University , Chongqing 400044 , China)Abstract : The characters of geometric model and tooth profile curve of the roll chain wheel was analyzed. By means of parametric design sketch , user - defined - feature and data indexing , a method of 3D design was built . For this method , when the control parameters are mod2ified , a roll chain wheel can be redesigned at once .Key words : Roll chain wheel ; Three dimension ; Parametric design ;链传动由于其经济可靠等优点 , 广泛使用于冶 金 、矿山 、起重 、运输 、化工等部门 。在链传动中 ,Tooth profile curve工作段圆弧中心角 : = 18 - 56/ z 工作段圆弧弧长ab : ab = ( 21605 3 d+ 011) 3套筒滚子链形状简单 , 应用较多 。其齿形通常为三圆弧加一直线 。链轮基本参数为节距 p 和齿数 z 。p 从9152511413 有 14 个系列 , 最小齿数 z 为 7 。理论上 每一种链轮只要参数 p 、z 任一个变化 , 齿形就发生变化 , 需要重新进行大量重复计算 。由于链轮的设计过程统一 , 结构特征相似 , 计算方法一致 , 所以可以 采取参数化设计技术来实现 。参数化设计技术以约束造型为核心 , 以尺寸驱动为特征 , 允许设计者首先进行草图设计 , 勾画出零件轮廓 , 然后输入精确尺寸值 来完成最终的设计 。与无约束设计相比 , 参数化设计更符合实际工程设计习惯 。在系列化设计中 , 优点就 更加突出 。同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现 。我们以 UG 软件为平台 , 利用 计算机三维参数化设计解决了链轮的设计问题 。只需修改链轮的基本参数 节距 p 和 ( 或) 齿数 z , 就(/ 2)sin图 1 链轮端面齿形齿沟段和齿顶段圆心间距 O1 O3 : O1 O3 = 113 3 d齿顶段圆心 O3 坐标 :V = O1 O3 3 sin; W = O1 O3 3 cos可以立即自动完成新链轮的三维设计 ,链轮检验样板图纸 。1链轮齿形的计算并可同时更新齿形半角 := 17 - 64/ z齿顶段圆弧半径 r3 :r3 = d 3 ( 113 3 cos+ 018 3 cos) - r2工作段直线长度 :链轮基本参数设定为链轮节距 p 和齿数 z 。与链轮节距 p 与配用的链滚子外径为 d 。齿形的组成为齿bc = d 3 ( 113 3 sin- 018 3 sin)因为齿形与节距 p 和齿数 z 直接相关 , 为便于加 工减少专用刀具的数量 , 将链轮齿数分为 5 组 。每组 用一个计算齿数 Zc 来决定 。节距 p 相同的同一组链 轮齿形也相同 , 不同之处在于齿形距链轮中心产生了 平移 。但这样也导致一组齿中齿数越大 , 齿形越尖 , 为此引入角度来修正齿形 。计算齿数 Zc 和修正角的引入 , 使链轮的实际沟圆弧fa ,圆心 O1 ; 工作段圆弧ab ,圆心 O2 ; 齿顶段圆弧cd , 圆心 O3 ; 直线段 bc 。根据机械原理 ,得到图 1 中的各个参数的结构关系为 : 齿沟圆弧半径 r1 : r1 = 015025 3 d + 0105 齿沟半角 : = 55 - 60/ z可以齿沟段和工作段圆心间距 O1 O2 : O1 O2 = 018 3 d工作段圆心 O2 坐标 :计算工作段圆弧中心角: = 18 - 56/ Zc计算齿形半角 : = 17 + 116/ Zc - 将上面三个角度取代理论角度 , 代入工作段圆 弧 、工作段直线 、齿顶段圆弧的圆心坐标 、半径和长度公式 , 就可以获得修正后的链轮齿形 。2齿形参数化根据链轮齿形的计算理论 , 传统的链轮齿形计算 机设计是根据节距 p 和齿数 z , 通过计算齿沟半角 、工作段圆弧中心角 、齿形半角等三个角度代入三圆弧 一直线的圆心坐标 、半径和长度公式获得实际值 , 然后通过构图来实现 。它们之间没有尺寸和几何约束 ,当基本参数 p 和 ( 或) z 发生变化时 , 需要重新计算 构图 。我们利用 UG 软件通过建立参数化草图特征来实现齿形参数化 。它以约束为核心 , 与无约束设计相 比 , 链轮齿形参数化设计就是当基本参数 p 和 ( 或)z 发生变化时 , 齿形可以马上改变 。 草图特征是建立链轮齿形的二维参数化图形 , 它可以通过拉伸旋转等获得三维特征 , 也可以作为控制参考 。草图特征首先是建立草图平面 、基准轴和连接 控制点 。然后用直线 、圆等构图命令建立草绘的几何图元 。最后添加约束使之成为参数化的准确草图 。草 图平面和基准轴是几何图元依附的平面和基准 。约束有几何约束和尺寸约束 。几何约束也称为拓扑约束 ,是确定草图的整体形状 , 指明定位方向 、几何图元之 间的关系等 。定位方向有水平 、竖直 , 几何图元之间关系包括图元之间互相平行 、垂直 、夹角 、共线 、共 点 、同心 、等长 、等半径 、镜像等 。为保证图元之间的相互关系 , 可以添加适当的辅助点 、线和圆作为参 考图元 。尺寸约束使用驱动尺寸控制草图的大小 , 定量约束几何元素间相对位置 , 如各种距离 、两线夹角 、圆的半径等 。尺寸约束是参数化驱动的对象 , 尺 寸约束使用驱动尺寸作为控制草图的大小 , 尺寸是参数化的 , 尺寸变化后 , 草图的大小也随之变化 。尺寸 可以是数值 , 对于非独立尺寸可以用表达式建立相互的关系 。通常情况下先进行几何约束 。间一阶连续即相接并相切 。为此首先建立三圆弧一直线 , 各段首尾相接并相切由此建立相切和共点几何约 束 。用三个角度 、两个圆心距和齿沟圆弧半径作为尺寸约束 ( 图 2 中除齿间角外的其他尺寸) , 并通过齿形公式建立这 6 个尺寸和节距 p 、齿数 z 的表达式关 系 ( 具体表达式见链轮齿形的计算) , 这时 , 各圆心坐标 、各段长度和弧长完全确定 。然后通过镜象就形 成一个完整的参数化的齿形 。齿形在链轮的位置采取如下约束 : 齿沟圆弧中心 在节圆上 , 为此我们建立了齿形草图和节圆 、顶圆 、根圆草图的位置 , 并建立了两个草图之间的关联关系 。约束为点在节圆曲线上 , 用节圆 、顶圆和根圆直 径用尺寸约束 , 并建立他们和节距 p 和齿数 z 计算用表达式 , 这样齿形位置也就确定 。 根据实际齿数的多少和齿间角建立了齿形的圆周阵列关系 , 并把阵列个数的多少与实际齿数建立关系 , 这样就获得了完整的二维参数化图形 。当修改链 轮节距 p 和齿数 z 时 , 驱动相关的尺寸并保持恒定的几何约束 , 获得了新的齿形 。图 3 链轮端面完整齿形和参数化3 列表数据检索参数化链轮有许多参数 , 但通常由 p 和 z 来控制的设计 表格和一些设计原则来确定 。常规方法是采用数据库 技术解决 , 但需要专门软件 。通过分析 , 我们没有采 取这个方法 。由于许多表格和设计原则的数据之间是 一个关系型数据 , 通过 p 和 z 的不同取值 , 确定参数 在设 计 表 格 中 的 位 置 。我 们 充 分 利 用 了 if ( exp1 )( exp2) else ( exp3) 判断语句解决了这个问题 。它的含 义为当条件满足表达式 exp1 , 结果为表达式 exp2 , 否 则为表达式 exp3 。通过这个判断语句实现数据转移 , 可以获得所有的设计数据 , 实现了结构尺寸列表参数 化 。当需要修改时 , 改变链轮节距 p 和齿数 z , 相应 的链轮参数就可以查出 。这种方法缺点是程序量大 , 但程序非常简单易写 。比如说链轮齿数分为 组 7 8 、9 11 、12 17 、18 34 、35 以 上 , 其 计 算 齿 数 分 别 为 7147 、9190 、14107 、23154 、56 , 修 正 角 为 24、1810、12、5、图 2 链轮端面齿形控制草图特征根据链轮齿形的实际设计理论 , 三圆弧一直线之Zc = Zc1/ / 链轮计算齿数 ZcZc1 = if ( z = 7 & z = 9 & z = 12 & z = 18 & z = 35) (56)其他的链 轮 结 构 尺 寸 如 链 滚 子 外 径 、齿 宽 、排距 、轴向齿形圆角 、等可以按照此种方式来完成 , 由 于篇幅所限此处不再赘述 。4链轮结构特征的三维参数化设计链轮上安装孔尺寸 、键槽尺寸 、腹板形状和尺寸 等结构特征 , 形状多 、尺寸复杂 , 如果建立前面的表达式判断语句 , 需要的组合很多 , 实现困难 , 为此我 们建立 了 不 同 的 用 户 自 定 义 特 征 ( Used- defined-fea2ture) , 根据具体的链轮结构需要选用不同的用户自定 义特征 。如对于不同链轮的轮腹和安装孔 , 我们分别建立如下的用户自定义特征供链轮设计时选用 。其他用户自定义特征不再详述 。图 5 p = 91525 , z = 21 的腹板式链轮三维模型图 6 p = 19105 , z = 8 的整体式链轮三维模型结合草图特征 、用户自定义特征和列表数据检索 方法可以实现套筒滚子链轮尺寸和形状的全面参数化 三维设计 。如结合数控机床 , 可以实现链轮齿形和检 验样板的参数化集成制造 。参考文献【1】孙家广 1 计算机辅助设计技术基础 C 1 北京 : 清华 大学出版社 , 2000191【2】四川机械工业局 1 复杂刀具设计手册 ( 下) C京 : 机械工业出版社 , 197911 北图 4 链轮安装孔和腹板用户自定义特征5链轮三维参数化设计和设计实例链轮三维参数化设计就是当基本参数链轮节距 p和 ( 或) 齿数 z 发生变化时 , 齿形和链轮结构发生变 化 , 与此同时 , 链轮三维模型随之改变 , 相应的二维图纸也发生改变 。链轮齿形的三维设计是通过拉伸齿形参数化草图特征来实现 。通过添加不同的用户自定 义特征 , 可以实现链轮三维参数化设计 。图 5 和图 6是采用参数化设计的两个三维模型 。6结束语【3】张 峰 , 李兆前 , 黄传真 1 参数化设计的研究现状和发展趋势 J1 机械工程师 , 2002 (1) : 13151【4】齿轮手册编委会 1 齿轮手册 C 1 北京 : 机械工业出版社 , 2000191【5】UGS 公司 1UG Documentation Help CD CD 1【6】四川机械 工 业 局 1 齿 轮 刀 具 设 计 理 论 基 础 C京 : 机械工业出版社 , 198211 北作者 联 系 方 式 : 杨 长 辉 , 电 话 : 023 - 68678576 ( HP) , E - mail : yang- chh yahoo1com1cn , isun2way sohu1com 。收稿时间 : 2003 - 10 - 14【4】贺云波 , 简林柯等 1 模糊控制器的三种积分改进方法对比及应用 1 机床与液压 , 2001 (1) 1【5】焦晓红 , 方一鸣等 1 并联机器人轨迹跟踪离散变结构鲁 棒控制器设计 1 工业仪表与自动化装置 , 2001 (5 ) 1 作者简介 : 张泽友 (1974) , 男 , 硕士研究生 , 研究方向为机电系统与工业过程的计算机监控与控制 。(上接第 98 页)【1】孔令富 , 方跃法 1