JH-14型回柱绞车设计【11张CAD图纸+PDF图】
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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
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