基于UG NX的變螺距螺旋面風(fēng)道的設(shè)計(jì)

侯衛(wèi)平 鐘蘇麗

（煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山東 煙臺(tái) 264670）

基于UG NX的變螺距螺旋面風(fēng)道的設(shè)計(jì)

侯衛(wèi)平 鐘蘇麗

（煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山東 煙臺(tái) 264670）

通過對(duì)變螺距正螺旋面的形成原理進(jìn)行分析，建立變螺距螺旋線的參數(shù)表達(dá)式，利用UG NX設(shè)計(jì)出變螺距螺旋面風(fēng)道，創(chuàng)建一種新的變螺距螺旋面風(fēng)道的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性。

變螺距螺旋面；UG NX；參數(shù)化設(shè)計(jì)；風(fēng)道設(shè)計(jì)

螺旋面在工程中應(yīng)用非常廣泛，農(nóng)業(yè)機(jī)械中的旋耕犁面、船舶機(jī)械葉輪的葉片、物料輸送機(jī)械中的輸送器都使用了不同的螺旋面設(shè)計(jì)。

UG NX是美國(guó)EDS公司出品的一套集CAD／CAE／CAM于一體的功能強(qiáng)大的三維參數(shù)化軟件系統(tǒng)，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件之一。利用UG NX軟件來設(shè)計(jì)變螺距螺旋面，可形成高精度、參數(shù)化的CAD圖形，為將來產(chǎn)品的修改和升級(jí)換代帶來方便，可大大降低設(shè)計(jì)工作量和縮短生產(chǎn)周期，同時(shí)還可最大限度減少產(chǎn)品的加工誤差，保證加工質(zhì)量。

本文主要從以下幾方面進(jìn)行了論述：① 根據(jù)螺旋面的形成原理，分析如何形成變螺距螺旋面；② 根據(jù)變螺距螺旋線的數(shù)學(xué)方程式，建立變螺距螺旋線的UG NX參數(shù)表達(dá)式；③ 利用UG NX對(duì)變螺距螺旋面風(fēng)道進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，形成準(zhǔn)確可靠的變螺距螺旋面風(fēng)道的CAD圖形。

1 變螺距螺旋面的形成

根據(jù)形成螺旋面的母線形式的不同，螺旋面可分為曲線螺旋面和直母線螺旋面［1］。直母線螺旋面較曲線螺旋面在工程中應(yīng)用更為普遍，直母線螺旋面包括正螺旋面和斜螺旋面兩種。本設(shè)計(jì)的風(fēng)道就采用了變螺距直母線螺旋面。

直母線螺旋面的形成原理見圖1。圖1中圓柱（半徑為r）為直母線螺旋面的芯軸，圓柱的直母線繞其軸線做等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，母線上一動(dòng)點(diǎn)B沿母線作等加（減）速運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)軌跡就形成了一條變螺距圓柱螺旋線L1，該螺旋線的螺旋升角隨著動(dòng)點(diǎn)B的位置變動(dòng)而變化。設(shè)該螺旋線的初始點(diǎn)為B0，B0點(diǎn)的螺旋升角為α0，B0點(diǎn)沿螺旋線轉(zhuǎn)過k0圈后到達(dá)B1點(diǎn)在圓柱軸線方向上上升高度為h1，以上參數(shù)確定的以k為參數(shù)的變螺距螺旋線方程式為［2］：

圖1 變螺距螺旋面的形成Figure 1 The formation of the variable pitch spiral face

同理，點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡形成了變螺距螺旋線L2。連接螺旋線L1上點(diǎn)B和螺旋線L2上的點(diǎn)A，形成直線AB，當(dāng)直線AB沿著螺旋線L1和L2運(yùn)動(dòng)，并且直線AB與螺旋線軸線所形成的角度始終保持90°，那么直線AB的軌跡就形成了變螺距直母線螺旋面［3］。

2 變螺距螺旋線的UG NX參數(shù)化表達(dá)式的建立

要形成變螺距螺旋面，首先要設(shè)計(jì)出變螺距的螺旋線，這是要形成準(zhǔn)確的螺旋面首先要解決的關(guān)鍵問題。在UG NX中的“螺旋線”命令只能繪制定螺距的圓柱螺旋線、半徑規(guī)律變化的螺旋線（如阿基米德螺旋線等）［4］。那么如何在UG NX中繪制變螺距螺旋線呢？可以采用“參數(shù)表達(dá)式”法、“纏繞／展開曲線”法、“掃掠”法和“規(guī)律延伸”4種方法［5］。本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過程中采用“參數(shù)表達(dá)式”的方法來設(shè)計(jì)變螺距的螺旋線。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在UG NX中建立的變螺距螺旋線的三維參數(shù)表達(dá)式為［6］：

式中：

T—— 系統(tǒng)變量；

A—— 螺旋線的變螺距，mm；

XT——螺旋線在X坐標(biāo)軸方向的變量，mm；

YT——螺旋線在Y坐標(biāo)軸方向的變量，mm；

ZT——螺旋線在Z坐標(biāo)軸方向的變量，mm。

要設(shè)計(jì)的螺旋線所在的圓柱芯軸的半徑為100mm，其中“T”為系統(tǒng)默認(rèn)的變量（0≤T≤1）。因?yàn)樽兟菥嗦菪€在XY坐標(biāo)平面的投影是圓，所以其X、Y的變化規(guī)律為圓的參數(shù)方程，而螺距是變化的，所以用Z規(guī)律表達(dá)式。用UG NX中“曲線”命令工具條中的“規(guī)律曲線”命令，“規(guī)律函數(shù)”選用菜單中的“根據(jù)方程”，然后利用上述參數(shù)表達(dá)式在UG NX中生成三維參數(shù)化變螺距螺旋線，見圖2。

圖2 變螺距螺旋線Figure 2 The variable pitch spirals

3 變螺距螺旋面風(fēng)道的生成

利用上述建立的變螺距螺旋線參數(shù)表達(dá)式采用相同的方法，重新生產(chǎn)一個(gè)圓柱芯軸半徑為300mm的變螺距螺旋線，然后用直線把兩條螺旋線對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)連接，見圖3。根據(jù)所形成曲面的需要來定義創(chuàng)建的這些曲線，從而利用UG NX相應(yīng)的命令來形成符合設(shè)計(jì)要求的變螺距螺旋曲面。

利用UG NX中的生成曲面命令“通過曲線網(wǎng)格”，選擇兩條變螺距螺旋線作為主線串，選擇連接變螺距螺旋線對(duì)應(yīng)端點(diǎn)的兩條直線作為交叉線串，生成變螺距螺旋面，并把生成的變螺距螺旋面進(jìn)行“片體加厚”，生成實(shí)體［7］。再生成這兩條變螺距螺旋線的圓柱芯軸并把圓柱芯軸進(jìn)行“孔”設(shè)計(jì)，最后把變螺距螺旋面和兩個(gè)圓柱芯軸進(jìn)行布爾加運(yùn)算，最終形成如圖4所示的變螺距螺旋面風(fēng)道。

圖3 兩條螺旋線形成的曲線網(wǎng)格Figure 3 The curve grid of two spirals forming

圖4 變螺距螺旋面風(fēng)道Figure 4 The variable pitch helicoids duct

4 結(jié)束語

根據(jù)變螺距螺旋面形成原理建立變螺距螺旋線相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程式，根據(jù)這些數(shù)學(xué)方程式來建立變螺距螺旋線的三維參數(shù)化表達(dá)式，利用建立的三維參數(shù)表達(dá)式在UG NX中生成變螺距螺旋線，最后利用生成的變螺距螺旋線基于UG NX設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確可靠的變螺距螺旋面風(fēng)道的CAD圖形，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)道的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，并為后期產(chǎn)品的加工減少加工誤差，提高加工質(zhì)量，大大縮短了產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，為生產(chǎn)提供了一種新的設(shè)計(jì)方法。

1 洪漢玉.直母線螺旋面三維真實(shí)感圖形的顯示［J］.武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（1）：57～60.

2 謝有才，杜玉明，潘鳳章.可展變螺距螺旋面的展開［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，31（1）：79～81.

3 王慶華，游有鵬.基于UG的變螺距螺旋面的研究與開發(fā)［J］.現(xiàn)代制造工程，2003（1）：24～26.

4 張士軍，韓學(xué)軍.UG設(shè)計(jì)與加工［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：41～42.

5 魏焱.在UG中繪制變螺距螺旋線的方法［J］.鹽城技師學(xué)院院報(bào)，2010（4）：27～29.

6 李錦標(biāo)，李成國(guó).UG NX6.0產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011：167～188.

7 趙志鵬，孫向陽(yáng).UG NX4中文版從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2010：202～210.

Design of variable pitch helicoids duct based on UG NX

HOU Wei－ping ZHONG Su－li

（Mechanical Engineering，Yantai Vocational College，Yantai，Shandong264670，China）

Establishs the parametric expression of the variable spiral face base on UG NX through by analyzing the forming principle of the variable spiral face.A new methods about the designing of the variable pitch helicoids duct were established.Changed the limitations of the traditional designing method，it has a great guidance meaning to actual production.

variable pitch helicoids；UG NX；parametric design；duct design

10.3969／j.issn.1003－5788.2011.04.029

山東省教育廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（編號(hào)：J08LB68）

侯衛(wèi)平（1973－），男，煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院講師，碩士。E－mail：houweipin＠sohu.com

2011－03－30