外文翻譯--虛擬制造的多頭ZA蝸桿傳動的參數(shù)設(shè)計和運動分析

中文譯文 虛擬 制造 的 多頭 ZA 蝸桿傳動 的 參數(shù) 設(shè)計和運動分析 孫劍萍、湯兆平 華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院，江西省 南昌 330013 摘要 ： 阿基米德 蝸桿 輪 齒面通常是用 CAD 來形成和模擬的。 本文分析了多 頭 阿基米德蝸桿的加工特征和形成原則，建立了精確的模型，使設(shè)計參數(shù)化。 并利 用 Pro/E 軟件，應(yīng)用虛擬裝配和組件之間的相關(guān)性質(zhì)，模擬現(xiàn)實過程，實際 制作蝸輪， 建立準確的模型。另外 ，將生成的蝸輪，蝸桿組裝，同時對他們 的運動 進行模擬和分析。 關(guān)鍵詞： 計算機輔助設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計、運動分析、 Pro/E、多頭 ZA蝸桿傳動裝置 1、概述 阿基米德蝸桿輪齒面的制作，目前一般是用 CAD 軟件模擬制圖來代替真正的蝸輪齒形制造 1。但是，繪出復(fù)雜而又精確的輪齒是非常困難的，此外，蝸輪蝸桿配合被歸類為左旋，右旋，單線程和多頭的。這就為簡歷模型增加了困難。本文主要從阿基米德蝸桿（ ZA蝸桿）的加工原理入手，模擬其生產(chǎn)過程，并利用 Pro/E 中的關(guān)系函數(shù)，實現(xiàn)準確的 ZA蝸桿參數(shù)模型。此外，在此基礎(chǔ)上也無形中制造 出了蝸輪，以及蝸輪、蝸桿的組裝以及他們的運動分析。 2、建立模型的思維過程 為了模仿 ZA 蝸桿的傳動過程，繪制大小和形狀同參數(shù)化蝸輪滾刀相似的橫截面，以阿基米德螺旋線為軌跡，利用 Pro/E 軟件中的“變截面掃描 /剪切”功能，在蝸桿毛坯上切 一個 槽，然后 仿效 槽，多頭蝸輪滾刀就生成了。使線程數(shù)和軌跡數(shù)充分參數(shù)化是制造模型的一個難點。關(guān)鍵點是：第一， 要設(shè)置控制參數(shù) （右旋的參數(shù)值是 1，左旋值是 -1）和線程數(shù)，然后用 方程 建立阿基米德螺旋線 ， 從而改變線程數(shù) 。第二， 仿效蝸桿插槽 ，它是設(shè)計師選擇 路徑的“方向”所必須的， 并選擇 蝸桿 坯料的軸線作為參考， 建立第一個方向，輸入線程數(shù)等于 蝸桿頭數(shù)，而且 輸入螺距等于 蝸桿各頭之間的 間隔。 在完成蝸輪滾刀的參數(shù)化模型后，然后再在此基礎(chǔ)上，通過改變參數(shù)來產(chǎn)生蝸桿模型。蝸輪和蝸桿滾刀的不同之處在于 蝸輪滾刀 是 刀 片 槽， 而且他們之間的間隙 大于蝸輪 半徑 。 蝸輪模式的獲得是采用蝸輪滾刀虛擬處理的方式。作者的基本思路是：在虛擬環(huán)境中，分別建立蝸輪滾刀和蝸 輪 毛坯，然后將 他們放置于 坐標系 當中 ， 通過裝配幾何關(guān)系 理論，使他們 能夠互相調(diào)整。然后利用布爾減法計算在運動過程中 不同位置 時的參數(shù) ，直到蝸輪已制作 出整個外 表面 2。 3、建立相關(guān)參數(shù) 從以上的思路可以知道 ZA 蝸桿傳動的參數(shù)化設(shè)計與運動分析需要建立在諸如蝸輪滾刀部分、蝸桿部分，蝸輪滾刀和蝸桿滾刀之間的部件以及蝸輪和蝸桿之間的裝配等方面。為了實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，這些部分需要設(shè)定基本的尺寸。 利用 Pro/E 提供的參數(shù)和關(guān)系的功能，按照蝸桿與蝸輪之間的參數(shù)關(guān)系，設(shè)置蝸輪、蝸桿的模數(shù)，蝸桿特征數(shù)，頭數(shù)，變位系數(shù)等，如表 1所示。 4、建立準確地 ZA 蝸輪滾刀參數(shù)化模型 根據(jù)以上所有的思路，首先，設(shè)計者需要在蝸桿滾刀毛坯上切一個連續(xù)的刀槽，如圖1（ a）所示，然后以蝸桿 滾刀軸線為導(dǎo)向線，如同已經(jīng)生成的刀槽一樣繼續(xù)切槽，并連續(xù)幾次，直到達到一定的線程數(shù)（蝸桿頭數(shù)），而且蝸桿螺距等于蝸桿各頭之間的間距，如圖 1（ b）所示。 采用 嵌入在 Pro/E2.0 中的 程序模塊，用戶 可以 根據(jù)設(shè)計示意圖 編輯程序， 設(shè)計程序，而且 可以驅(qū)動它的大小， 使其 充分和參數(shù)化。根據(jù)系統(tǒng)的提示， 用戶 導(dǎo)入不同的設(shè)計變量，蝸輪滾刀 就 可以生成滿足 用戶要求的結(jié)果 ，如圖 2所示。 5、建立 虛擬加工和裝配 的基準 5.1 建立 裝配基準 在 Pro/E 中，這些部分之間的組成元件和裝配式互相關(guān)聯(lián)的。為 了實現(xiàn)蝸輪滾刀和蝸輪在裝配時的相對運動，設(shè)計者必須在組件和裝配部件分別建立相應(yīng)的基準點和基準軸，而且使這些數(shù)據(jù)參數(shù)化，如圖 3所示。每個組件在這些數(shù)據(jù)的幫助下組裝。如果參數(shù)發(fā)生變化，蝸輪滾刀和蝸輪將根據(jù)給定的傳動比相對旋轉(zhuǎn)。 一般 情況下， 蝸輪傳動裝置 兩角之間 的夾角 是 90 。在 裝配時 ，設(shè)計者必須建立 兩個獨立 的縱橫 基準 軸線 和 蝸輪滾刀和蝸輪 裝配 基準點， 并使 這些數(shù)據(jù)參數(shù)化。在 裝配時 ，除了 前面已加以說明的所必須的參數(shù) 如 模數(shù) ，齒數(shù) 外 ， 驅(qū)動蝸輪滾刀和蝸輪 公轉(zhuǎn) 的角度參數(shù)也是必須要給出的。 該參數(shù)設(shè)置成 “ 角 ” ，初始值是 0。最后，要輸入關(guān)系如下： $d3=(m*q/2)*cos(jiao) /* x-蝸輪滾刀的定位點坐標； $d4=(m*q/2)*sin(jiao) /* y-蝸輪滾刀的定位點坐標； d5=m* *z1*n/2 /* z-蝸輪滾刀的定位點坐標； d2=m*z1*n/2 /* z-蝸桿模擬 運動中心 定位點的 坐標 APNT0， 即 x坐標和 y 坐標 都為 0， / *蝸桿和蝸輪滾刀的定位軸是通過點 APNT0 和垂直線 ASM_FRONT， / *坐標系統(tǒng) ACS0 轉(zhuǎn)換為 APNT0； $d7=-m*(q+z2+2*x2)/2 /* 中心定位基準點 APNT2 的 Y 坐標在蝸輪模擬毛坯的坐標系統(tǒng) ACS0； d8=m*z1*n/2 /*中心定位基準點 APNT2 的 Y 坐標在蝸輪模擬毛坯的坐標系統(tǒng)ACS0； / *蝸輪的定位軸是通過 APNT2 對齊和垂直 ASM_RIGHT； / *坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為模擬 蝸輪的 APNT2，以 默認坐標系統(tǒng) X軸的正方向 為 z軸正方向，y軸正方向 與默認的坐標系統(tǒng) 相同 ； $d9=m*z2/2*cos(jiao*z1/z2) /*蝸輪定位基準點的 X坐標在蝸輪模擬坐標系統(tǒng)中； $d10=m*z2/2*sin(jiao*z1/z2) /*蝸輪定位基準點的 Y 坐標在蝸輪模擬坐標系統(tǒng)中。 5.2 建立虛擬加工和組裝每部分所需的基準 為了建立蝸輪滾刀參考圓的一個基準點，在裝配期間，將滾刀軸與在組裝部件已經(jīng)建立好的蝸輪滾刀基準軸對齊，將滾刀參考圓的基準點與在組裝部件已經(jīng)建立好的相應(yīng)的基準點對齊，因為基準點在組裝部件上已經(jīng)被參數(shù)化，因此設(shè)計師可以實現(xiàn)圍繞基準軸旋轉(zhuǎn)滾刀。 利用函數(shù)關(guān)系是非常有必要的，基準點的輸入關(guān)系如下： d69=m*q/2 /*x-蝸輪滾刀的定位基準點坐標； d71=m*z1*n/2 /* z-蝸輪 滾刀的定位基準點坐標。 用同樣的方法，建立蝸輪毛坯。為了裝配方便，設(shè)計師在建立模型時，他必須按照裝配關(guān)系注意蝸輪毛坯軸的方向以及與坐標系統(tǒng)的距離，并設(shè)置必要的組裝和模擬日期，輸入關(guān)系如下： D74=m*(q+x2*2)/2 /* z-蝸輪毛坯的定位基準點坐標。 6、虛擬加工和裝配 當裝配各組件時，設(shè)計者需要分別校準蝸桿軸，蝸輪毛坯軸，蝸桿參考圓的基準點以及蝸輪毛坯參考圓的基準點同他們相應(yīng)的軸或者是已經(jīng)建立好的基準點。由于基準點已經(jīng)在裝配時參數(shù)化，設(shè)計人員可以實現(xiàn)蝸桿和蝸輪毛坯輪圍繞他們各自已經(jīng)改變參數(shù)的校 準軸旋轉(zhuǎn)。 利用“工具 - 參數(shù)”功能，改變角的參數(shù)值（間隔角越小，蝸輪切割效果越好），該模型就可以生成。 利用“編輯 - 構(gòu)件運算 - 剪切”功能，切割坯料，然后，在蝸輪部分，設(shè)計者需要編輯修改前面已經(jīng)定義過的 ID，并改變其每部分的屬性，確保其不隨參數(shù)值的變化而變化。 重復(fù)上述所有步驟，直到所有蝸輪槽 都用蝸輪滾刀完全、 均勻 的切割出來。如圖 4 所示。 改變 蝸桿 和蝸輪毛坯的參數(shù) ， 就可以生成 不同的蝸輪，如圖 5 所示。 7、蝸桿傳動的虛擬裝配和運動分析 7.1 虛擬裝配和模擬運動 更換蝸輪滾刀，以 蝸桿 作 為基準組件 ，蝸輪 和蝸桿利用針連接方式進行 組裝 ， 當連接組裝 時 ，模擬 運動 相應(yīng) 的校準 軸和基準點必須 分別 選擇， 如 圖 6 所示。 元件 布置 完成后，設(shè)計人員可以添加模塊的相應(yīng)驅(qū)動器 和 模擬 運動 。 選擇“應(yīng)用程序 - 機制”，設(shè)計師可以輸入機 構(gòu) 模塊 ； 單擊“定義 伺服電機 ”，分別建立新的“ 伺服電機 1”和“ 伺服電機 2”按鈕。 選擇 “類型”標簽， 在組裝蝸輪和蝸桿時，分別選擇已經(jīng)定義過的校準軸以建立“聯(lián)合軸”，選擇“模擬類型”中的“旋轉(zhuǎn)”， 設(shè)計者 還必須 注意 伺服電機 的兩個 運動 方向 ， 在“配置”選項卡 中 ， 需要定義 伺服電機 1 “規(guī)范” 選項中的“速度”和“等 級” 中的“常數(shù) ”，“ A” 值為 360 乘以 蝸桿 的線程數(shù)和蝸輪的齒數(shù)。 將 伺服電機 2 的“ A” 值 設(shè)置為 360，以確保 他們的 運動 能滿足 蝸輪 蝸桿 的 傳動比。 用戶單機 “運行分析” 按鈕 ，新建“ 分析定義 1”。在對話框的“喜好”選項卡 中 ，設(shè)置“開始時間”，“結(jié)束時間”，“幀計數(shù)”和“幀速率”， 預(yù)設(shè) “結(jié)束時間”是蝸輪齒數(shù)，其余為默認 值 。 7.2 運動 模擬 分析 軟件中還 有一些 在機構(gòu) 模塊 中可以測量的選項 ， 例 如 “位移 ”，“速度”，“加速 度 ”，“連接反應(yīng)”，“網(wǎng)絡(luò)負載”等 。 分析蝸輪 和蝸桿 之 間的相對運動，設(shè)計者必須選擇他們相應(yīng)的裝配 坐標系統(tǒng)； 確保坐標系統(tǒng) 不隨 蝸桿傳動 運轉(zhuǎn)。 單擊 “ 測量結(jié)果的原因分析”按鈕，新建 措施 1 到措施 4，選擇“圖形測量分 析 ”，單擊“圖形 測量結(jié)果”對話框 ，測量值可以 通過 圖形和數(shù)據(jù) 輸出 。它是 比較直觀和 準確 的 ，如 圖 7和圖 8。 在機構(gòu) 模塊中 ， 單 擊 “重播以前運行分析” 按鈕 ， 選擇 對話框中 的“干擾”選項卡，在動態(tài)干擾條件下 檢測 每個組件； 點擊“播放當前結(jié)果集” - “捕獲 .”， 電腦 就可以可以 播放 MPEG 格式的動畫 （ 也可以導(dǎo)成 mpg 電影 格式 ）。 從以上輸出的所有運 動 模擬 圖可以看出以下三點 ： （ 1）蝸輪，蝸桿的 Y 坐標位移值可以利用改變 正弦或余弦 的 方式 來變化 ， Y坐標的 速度 值也是如此 。 當他們運行時，他們具有相同的圓周運動規(guī)律。 （ 2）蝸輪 Y 坐標的位移值 范圍為 -132.5 至 132.5 毫米。 蝸桿 Y 坐標的位移值 范圍是從 -45至 45 毫米。蝸輪 Y坐標的速度值 范圍是從 -47.1238 至 47.1238 毫米 /秒 ，蝸桿 Y 坐標的速度值 范圍是從 -282.743 到 282.743 毫米 /秒 ，這 與他們的理論值 完全 一致。 （ 3）蝸輪的 Y 坐標 有 3個正弦