圓柱螺旋壓縮彈簧的Pro/PROGRAM參數(shù)化建模設(shè)計(jì)

張鵬程,李國芹,賈新立

(河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校 電力工程系,河北 滄州 061001)

參數(shù)化設(shè)計(jì)[1][2]是指通過改動(dòng)圖形的某一部分或某幾部分的尺寸,自動(dòng)完成對(duì)圖形中相關(guān)部分的修改,從而實(shí)現(xiàn)同類結(jié)構(gòu)機(jī)械產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。引入?yún)?shù)式設(shè)計(jì)能夠有效地減少人工改圖或者設(shè)計(jì)計(jì)算所需的時(shí)間,大大提高工作效率。Pro/Engineer是美國 PTC公司開發(fā)的大型CAD/CAM/CAE集成軟件,具有單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征的三維實(shí)體造型軟件系統(tǒng),在我國的機(jī)械制造業(yè)和模具制造業(yè)應(yīng)用極廣。

彈簧是工業(yè)中最常用的零件之一,在很多機(jī)構(gòu)和機(jī)器作為彈性元件,它要求受外力后能有較大的變形,而隨著載荷的卸除,其變形消失,恢復(fù)原狀。圓柱螺旋壓縮彈簧的特性線呈線性,剛度穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,應(yīng)用較廣,在機(jī)械設(shè)備中多用作緩沖,減振,以及存儲(chǔ)能量和控制運(yùn)動(dòng)等。

文中以 YI型、YII型、YIII型三種工業(yè)中最常用的圓柱螺旋壓縮彈簧[3]數(shù)化設(shè)計(jì)為例,先采用 Pro/E建立彈簧的通用模型,然后利用 PROGRAM模塊對(duì)模型參數(shù)化改造,建立不同參數(shù)之間的驅(qū)動(dòng)關(guān)系,使得彈簧模型能夠根據(jù)輸入的不同參數(shù)值而進(jìn)行交互式更新,從而極大的方便了設(shè)計(jì)過程。

1 圓柱螺旋壓縮彈簧的一般設(shè)計(jì)要求

圓柱螺旋壓縮彈簧通常是用圓形剖面的彈簧絲卷繞而成,且為等節(jié)距的。彈簧的兩端為支承圈,它與彈簧座相接觸,兩端支承圈各由 0.75～1.75圈彈簧并緊而成,工作時(shí)不參與彈簧的變形,故又稱為死圈[4]。要求支承圈端面與彈簧的軸心線相垂直。并緊的支承圈端部形式有不磨平端部和磨平端部?jī)煞N。受交變載荷的重要彈簧要采用磨平端部。其磨平長(zhǎng)度應(yīng)不小于一圈彈簧圓周長(zhǎng)度的 3/4,彈簧絲末端厚度應(yīng)近于d/4,d為彈簧絲線徑。

2 彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算方法

圓柱形螺旋彈簧結(jié)構(gòu)如圖 1所示,主要參數(shù)有:彈簧絲線徑 d、彈簧外徑D、彈簧圈內(nèi)徑 D1,彈簧圈中徑D2,彈簧工作圈數(shù)(有效圈數(shù))n,支撐圈數(shù)n1,t,自由長(zhǎng)度 H0等[5],其中:中徑 D2=C×d,C為彈簧指數(shù),d為彈簧絲線徑,外徑 D=D2+d,內(nèi)徑 D1=D2-d;總?cè)?shù)為n1=n+2(0.75～1.75),0.75～1.75為一端的支撐圈數(shù),n為工作圈數(shù);節(jié)距為

W′為最大工作載荷作用下彈簧相鄰圈間的間隙,通常取W′≥0.1d;自由高度為

圖1 彈簧的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3 彈簧的 Pro/E建模過程[6]

1)新建一個(gè)文件,名稱為Spring,類型為“零件”,子類型為實(shí)體,模板為“mmns_part_solid”。

2)使用菜單命令“插入”＞“螺旋掃描”＞“伸出項(xiàng)”。

3)在屬性菜單中選中“可變的”、“穿過軸”以及“右手定則”,選中 FRONT作為基準(zhǔn)平面,方向?yàn)檎?草繪視圖選擇缺省。

4)進(jìn)入草繪環(huán)境,繪制螺旋軌跡曲線的輪廓及旋轉(zhuǎn)軸線。

5)輸入軌跡起始端的螺距值,利用控制曲線菜單添加和刪除控制點(diǎn),在這些控制點(diǎn)處指定具體的螺距值。

6)繪制掃描的載面,點(diǎn)擊確定,完成彈簧建模。

7)創(chuàng)建拉伸特征,選擇去除材料,對(duì)彈簧的端部進(jìn)行切除,實(shí)現(xiàn)磨平效果。

4 利用 Pro/PROGRAM進(jìn)行參數(shù)化建模

Pro/PROGRAM是 Pro/ENGINEER中的一個(gè)模塊,它可以用來記錄特征的整個(gè)創(chuàng)建過程,包括特征類型、參數(shù)、關(guān)系等創(chuàng)建特征所需要的所有信息,通過適當(dāng)修改該段程序,就可以方便地生成一族外型類似的特征,從而大大提高設(shè)計(jì)建模速度。

彈簧模型建立完成之后,執(zhí)行工具菜單中的程序,在菜單管理器中選擇編輯設(shè)計(jì),打開 Spring.pls文件進(jìn)行編輯。

4.1 設(shè)置輸入提示與參數(shù)

為了根據(jù)要求輸入不同彈簧參數(shù),而使模型的改變和更新具有交互式的效果,在 INPUT… END INPUT之間輸入提示語句,這樣用戶在執(zhí)行 PROGRAM時(shí),可以根據(jù)系統(tǒng)提示選擇輸入需要修改的參數(shù)值。如彈簧端部形式的選擇,分別用“1”,“2”,“3”代表三種不同形式的彈簧:

INPUT

端部形式 NUMBER

″請(qǐng)選擇端部形式(1.并緊研磨 2.并緊不研磨 3.不并緊不研磨):

END INPUT

4.2 添加驅(qū)動(dòng)關(guān)系

三種圓柱彈簧的區(qū)別在于不同的端部形式和不同的并圈數(shù),而不同的參數(shù)及其驅(qū)動(dòng)關(guān)系最終規(guī)定了模型的具體形狀。在 PROGRAM中 RELAT ION… END RELATION之間輸入原有參數(shù)之間、新設(shè)參數(shù)與原有參數(shù)之間的關(guān)系式,利用 IF… ELSE語句,使 Pro/E根據(jù)判斷條件選擇性的執(zhí)行某些關(guān)系式,從而獲得不同的彈簧模型參數(shù)。以 YI型彈簧為例,端部形式為并緊研磨,其主要關(guān)系描述如下:

RELATION

……

IF端部形式==1

端部處理方式= '研磨 '

并圈數(shù)=2

總?cè)?shù)=有效圈數(shù)+并圈數(shù)

自由長(zhǎng)度=有效圈數(shù)*(節(jié)距-線徑)+(總?cè)?shù)-0.5)*線徑

D1=自由長(zhǎng)度-1.5*線徑

D14=自由長(zhǎng)度-2*線徑

ENDIF

……

END RELAT ION

5 參數(shù)化模型執(zhí)行結(jié)果

打開模型文件 Spring.par,單擊菜單中的“再生模型”按鈕,在提示輸入的菜單中點(diǎn)擊“輸入”,參數(shù)選擇菜單如圖 2所示,單擊“選取全部”,重新輸入彈簧的各個(gè)參數(shù),輸入?yún)?shù)對(duì)話框如圖 3所示,最后可以獲得所需要的彈簧模型。圖 4中為選擇不同端部形式,采用不同參數(shù)利用文中方法設(shè)計(jì)完成的三種不同形式的彈簧實(shí)體模型,即端部并緊磨平(YI型)、端部并緊不磨平(YII型)、端部不并緊不磨平(YIII)型。

圖2 選擇輸入?yún)?shù)菜單

6 結(jié)論

利用 Pro/E的 Pro/PROGRAM設(shè)計(jì)產(chǎn)品,通過對(duì) PROGRAM文件的編輯,可以自動(dòng)創(chuàng)建所需要的產(chǎn)品模型,更加體現(xiàn)了 Pro/E參數(shù)化設(shè)計(jì)的思想,充分發(fā)揮了 Pro/ENGINEER的強(qiáng)大功能;企業(yè)能夠根據(jù)自身的產(chǎn)品對(duì)象,開發(fā)出適合自已使用的標(biāo)準(zhǔn)零件和標(biāo)準(zhǔn)組件庫,從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更富有選擇性和彈性。

[1]韓國才,張鋰.基于Pro/E的機(jī)械零件特片模型庫參數(shù)化設(shè)計(jì) [J].制造業(yè)自動(dòng)化,2006,28(4):14-16.

[2]田啟華,趙衛(wèi),杜義賢.基于Pro/E的機(jī)械零件三維 CAD系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) [J].機(jī)械制造,2004,42(476):42-44.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本.彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社 ,2004.

[4]王時(shí)任,郭文平,漆德儉等.機(jī)械原理及機(jī)械零件 [M].北京:高等教育出版社,1984.

[5]侯順強(qiáng),張麗麗,螺旋圓柱壓縮彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].煤礦機(jī)械,2006,27(2):202-204.

[6]鐘日銘.Pro/ENGIN EER野火版 3.0完全實(shí)例導(dǎo)航[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.