基于AutoCAD 的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿三維建模與加工仿真

李建壯，仝蓓蓓

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)已廣泛應(yīng)用在重型機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域。 但是，目前平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)還停留在憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的水平，其加工方法基本上仍舊采用傳統(tǒng)的對(duì)偶范成法，CAD的應(yīng)用僅局限于一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)計(jì)算及制作零件圖、裝配圖等。 由于缺乏強(qiáng)大的三維建模環(huán)境工具，所以未能對(duì)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的齒面接觸、計(jì)算機(jī)模擬齒形加工成形、計(jì)算機(jī)仿真包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的嚙合過程、嚙合特性和表面性能進(jìn)行深入分析。 三維圖形直觀、真實(shí)感強(qiáng)，能夠比二維平面圖形更能清晰地表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖。 現(xiàn)代工程分析軟件的模型和數(shù)控加工的模型均要求提供三維圖形。 利用CAD 建立平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿零件的三維模型，可以使零件的設(shè)計(jì)更加直觀，更符合實(shí)際零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而使設(shè)計(jì)更加合理、高效。

1 AutoCAD 與Visual Basic[1]

1.1 ActiveX Automation 技術(shù)

ActiveX Automation 是Microsoft 基于部件對(duì)象模型(COM)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，是AutoCAD的新編程接口。 用戶可以用它來定義AutoCAD，與其他應(yīng)用程序共享圖形數(shù)據(jù)。 通過ActiveX Automation，AutoCAD 提供了由其對(duì)象模型描述的可編程對(duì)象。 這些可編程對(duì)象可由其他應(yīng)用程序創(chuàng)建、編輯和操縱。通過ActiveX Automation，AutoCAD將其內(nèi)部應(yīng)用模塊化，并以對(duì)象的形式提供給用戶。用戶可以利用開發(fā)工具直接對(duì)AutoCAD 內(nèi)部進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。

1.2 VB Active X Automation 與Auto CAD

Auto CAD 自R14 版本起，就增加了Active X Automation 自動(dòng)化服務(wù)的功能(Active X Automation Server Capabilities)，豐富了AutoCAD 自身的API，為AutoCAD 的進(jìn)一步發(fā)展開辟了新的途徑。 Auto Desk 公司在AutoCAD2006 中提供了ActiveX Automation 所提供的接口，因而用戶可以很方便地應(yīng)用ActiveX 客戶編程語言 （如Visual Basic、Delphi 和Microsoft J++等）來定制Auto CAD。微軟公司的VB是Windows 操作系統(tǒng)下最常用的支持ActiveX Automation 技術(shù)的開發(fā)工具。 它語法簡(jiǎn)單、 功能強(qiáng)大，提供了可執(zhí)行代碼的源代碼編譯器。 VB 則是一個(gè)獨(dú)立的開發(fā)工具，它不需要依賴于其他應(yīng)用程序，有自己完全獨(dú)立的工作環(huán)境和編譯、連接系統(tǒng)。

2 AutoCAD 三維建模技術(shù)基礎(chǔ)[2]

2.1 三維實(shí)體

三維實(shí)體對(duì)象在三維對(duì)象中信息最完整、應(yīng)用最廣，也最容易創(chuàng)建和編輯。 三維實(shí)體包括立方體和錐體等多種形狀，可以由二維面拉伸和旋轉(zhuǎn)創(chuàng)建。通過實(shí)體對(duì)象之間的布爾運(yùn)算，可以制作出形狀復(fù)雜的三維實(shí)體模型。 創(chuàng)建三維實(shí)體的方法主要有：創(chuàng)建圓柱體，創(chuàng)建拉伸實(shí)體，創(chuàng)建面域旋轉(zhuǎn)實(shí)體。

2.2 創(chuàng)建面域

面域是封閉的二維區(qū)域范圍。 一組在同一平面并且封閉的曲線（這些曲線可以是Line，Arc，Circle，Elliptical Arc，LightweightPolyline 和Spline 之 一 或它們的組合），可以創(chuàng)建一個(gè)面域。 創(chuàng)建面域的方法為AddRegion。

2.3 三維實(shí)體造型編輯

為了得到更復(fù)雜的實(shí)體模型，常用布爾運(yùn)算對(duì)兩個(gè)三維實(shí)體對(duì)象進(jìn)行交、減、和運(yùn)算。

布爾運(yùn)算在三維造型中應(yīng)用十分廣泛，可以用來進(jìn)行兩個(gè)三維實(shí)體對(duì)象的交、減、和運(yùn)算。 一些三維仿真、零件加工切削模擬，都可以用布爾運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。 具體操作有：acUnion（布爾和）、acIntersection（布爾減）和acSubtraction（布爾交）。

2.4 編輯三維實(shí)體

（1） 三維移動(dòng)。 三維實(shí)體的移動(dòng)采用object.Move 方法，該方法需指明移動(dòng)的起止點(diǎn)坐標(biāo)。

（2）三維旋轉(zhuǎn)。 用Rotate 及Rotate3D 方法均可以旋轉(zhuǎn)三維實(shí)體。 Rotate 方法是在二維面內(nèi)繞一個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)實(shí)體，Rotate3D 方法是在三維坐標(biāo)內(nèi)繞一根軸旋轉(zhuǎn)三維實(shí)體，軸由三維坐標(biāo)內(nèi)的兩個(gè)點(diǎn)定義。

3 蝸桿的三維參數(shù)化建模

3.1 創(chuàng)建蝸桿毛坯[3]

蝸桿毛坯為內(nèi)環(huán)面柱體，所以要采用創(chuàng)建面域旋轉(zhuǎn)實(shí)體的方法來創(chuàng)建蝸桿毛坯。 其步驟為：（1）定義蝸桿毛坯、 旋轉(zhuǎn)面域、 組成面域的曲線數(shù)組等。（2）通過參數(shù)傳遞，采用繪制各種曲線的方法給面域數(shù)組curves 賦值，并且要保證curves 封閉。 這樣面域Hind 才存在，才可以旋轉(zhuǎn)拉伸。 （3）適用AddRe gion 的方法創(chuàng)建面域，并賦值給Hind。 （4）采用Add RevolvedSolid 的方法來創(chuàng)建蝸桿毛坯 （蝸桿毛坯圖如圖1 所示）。

圖1 蝸桿毛坯圖Fig.1 Worm blank sketch

3.2 創(chuàng)建刀具

由于平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿實(shí)際加工過程由三把刀完成，即開槽刀、分別包絡(luò)形成左右齒面的刀。 這里采用由兩條直線及其他一些邊界條件線組成的實(shí)體作為刀具，來模擬加工過程。 具體過程為：

（1）通過參數(shù)傳遞，采用繪制各種曲線的方法給面域數(shù)組curves1 賦值，并且要保證組成的是一個(gè)封閉的曲線。

（2）使用AddRegion 的方法創(chuàng)建面域，并賦值給Knife。

（3）采用AddExtrudedSolid 方法來創(chuàng)建刀具（刀具如圖2 所示）。

圖.2 刀具圖（包含蝸桿毛坯）Fig.2 Cutters sketch (Including worm blank sketch)

3.3 刪除面域和線

在模擬切削加工的過程中，輪廓線和面域會(huì)影響效果，所以要將除蝸桿毛坯、刀具之外的內(nèi)容刪除。

4 加工運(yùn)動(dòng)仿真

4.1 加工原理

用一個(gè)拉伸的實(shí)體代替實(shí)際加工過程中的開槽、加工左齒面、加工右齒面的3 把刀具，與毛坯做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，來模擬實(shí)際加工中的除料過程。

在加工仿真過程中，刀具繞基圓圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)蝸桿毛坯繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具和毛坯的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度之比符合傳動(dòng)比要求。

4.2 加工實(shí)現(xiàn)[4]

要模擬切削加工，刀具和工件就要做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且要除去蝸桿毛坯上與刀具相交的部分。 所以，首先應(yīng)讓刀具和蝸桿毛坯轉(zhuǎn)動(dòng)起來。 采用Rotate3D讓刀具繞Z 軸旋轉(zhuǎn)，蝸桿毛坯繞Y 軸旋轉(zhuǎn)。 兩者轉(zhuǎn)過的角度之間存在著加工蝸桿傳動(dòng)比的關(guān)系，每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，就進(jìn)行Boolean 運(yùn)算（這里的Operation采用acIntersection），這樣就可以模擬實(shí)際的加工過程了。 加工過程圖如圖3 所示，加工結(jié)果如圖4 所示。

圖.3 蝸桿加工過程Fig.3 Worm manufacturing procedure

圖4 蝸桿零件圖Fig.4 Worm part sketch

5 結(jié)語

三維模型的機(jī)械零件加工運(yùn)動(dòng)仿真可以真實(shí)、直觀地再現(xiàn)各種復(fù)雜加工的效果，便于設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。利用AutoCAD 建立平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的三維模型，不僅可以實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、有限元分析、跑合過程的研究，而且還能對(duì)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的齒面接觸、計(jì)算機(jī)仿真包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的嚙合過程、干涉檢測(cè)、嚙合特性和表面性能進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析，為平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的數(shù)控加工提供了一種新的思路。

[1] 楊玉虎，沈煜等.環(huán)面蝸桿類零件實(shí)體建模研究[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2004(6):471-474.

[2] 徐光明，麥范金.基于AutoCAD 的參數(shù)化三維建模與加工仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005(8):71-72.

[3] 梁邦龍，徐輔仁. 基于數(shù)值分析方法的TI 蝸桿三維造型[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(6):132-134.

[4] 張晉西.Visual Basic 與AutoCAD 二次開發(fā)[M].清華大學(xué)出版社,2002.

[5] 譚昕，周紅.基于駕馭式虛擬加工的平面二次包絡(luò)蝸桿實(shí)體造型[J].機(jī)械設(shè)計(jì).2005(7):57-59.