基于UG的雙向螺旋軸的建模方法探討

吳 丹

（廣西柳州鋼鐵（集團(tuán)）公司職工培訓(xùn)中心，廣西 柳州545002）

雙向螺旋軸傳動(dòng)是一種新穎的傳動(dòng)形式，可以實(shí)現(xiàn)從單向轉(zhuǎn)動(dòng)到雙向往復(fù)平動(dòng)的轉(zhuǎn)化，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)可靠等特點(diǎn)，廣泛用于水稻插秧機(jī)的橫向送秧機(jī)構(gòu)中。其軸上加工有首尾連接在一起的封閉的左旋、右旋螺旋槽，滑塊沿螺旋槽運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)螺旋軸單向旋轉(zhuǎn)推動(dòng)滑塊沿螺旋軸的軸線橫向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與滑塊連接的裝置往返移動(dòng)[1-2]。雙向螺旋軸的結(jié)構(gòu)比較特殊，在雙向螺旋傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化過程中，均需建立雙向螺旋軸的三維模型[3-4]，本文探討基于UG軟件的雙向螺旋軸建模方法。

1 雙向螺旋軸結(jié)構(gòu)

雙向螺旋軸的工作部位是其滑槽，它由中間正常段的螺旋線滑槽、兩端回轉(zhuǎn)段和它們之間的連接段組成，本文建模所用的雙向螺旋軸總長360 mm，零件圖見圖1.滑槽沿中間有兩根旋向相反螺距為28 mm的8圈完整螺旋線段，滑槽左右兩端為回轉(zhuǎn)段，中間段和回轉(zhuǎn)段間各連接有兩根旋向相反螺距為33.6 mm的2/3圈螺旋線，滑槽具體尺寸如圖2所示，圖紙要求中間段和連接段間、連接段和回轉(zhuǎn)段間光滑過渡。

圖1 雙向螺旋軸零件圖

圖2 滑槽展開圖

本文建立雙向螺旋軸三維模型的順序?yàn)椋菏紫茸龀龌A(chǔ)軸段部分（即圖1中φ25 mm×340 mm圓柱段），然后繪制雙螺旋軸中間段螺旋線和連接段螺旋線，接著定出回轉(zhuǎn)段曲線的若干點(diǎn)，用藝術(shù)樣條繪出回轉(zhuǎn)段曲線，除回轉(zhuǎn)段曲線繪制時(shí)可控制其首尾與連接段螺旋線連接處光滑過渡外，連接段螺旋線與中間段螺旋線連接處由于各自螺距不同，不是光滑過渡，必須進(jìn)行處理。曲線處理后應(yīng)用掃掠功能，在軸上切出滑槽，最后進(jìn)行倒角、挖孔等特征的建模。

2 雙向螺旋軸的建模

2.1 中間段和連接段螺旋線的繪制

創(chuàng)建螺旋線前，先創(chuàng)建φ25 mm×340 mm基礎(chǔ)圓柱段，其位置按UG默認(rèn)主視圖方向橫放，即其軸線與全局坐標(biāo)Z軸負(fù)方向重合，φ4 mm小孔軸線位置與全局坐標(biāo)Z軸重合。此軸段的圓柱面將會(huì)作為后續(xù)橋接曲線及掃掠操作時(shí)的參考面。在UG中的創(chuàng)建螺旋線時(shí)，其基點(diǎn)默認(rèn)為絕對(duì)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，起點(diǎn)為X軸正向，方向沿著Z軸的正向，若直接使用上述的絕對(duì)坐標(biāo)系，將得不到所需的螺旋線。因此繪制螺旋線前需要建立一個(gè)新的基準(zhǔn)坐標(biāo)系并將該基準(zhǔn)坐標(biāo)系設(shè)為工作坐標(biāo)系，新坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)置在正常移動(dòng)段的螺旋線起點(diǎn)，X軸向下，Z軸設(shè)置為沿著雙向螺旋軸的軸線方向后就可以開始螺旋線的繪制。首先，根據(jù)雙向螺旋軸中間段螺旋線的參數(shù)，建立兩根長度8圈、螺距為28 mm、旋向分別為左旋和右旋的螺旋線，然后再新建坐標(biāo)系，其位置見圖3，并將其設(shè)為工作坐標(biāo)系，在繪好的螺旋線兩端各建立兩根2/3圈、螺距為33.6 mm、旋向分別為左旋和右旋的螺旋線。

圖3 創(chuàng)建完成的中間段、連接段螺旋線

2.2 回轉(zhuǎn)段曲線的繪制

左右兩端回轉(zhuǎn)段曲線從分析圖2可知，其為光滑樣條曲線，圖中用柱坐標(biāo)的形式給出了曲線上的七個(gè)點(diǎn)，其中有兩點(diǎn)位于兩條連接段螺旋線的終點(diǎn)上，另外五點(diǎn)的坐標(biāo)值，用相對(duì)于中間段螺旋線的坐標(biāo)系的柱坐標(biāo)值表示，分別是：（12.5，275°，25.2）、（12.5，315°，27.2）、（12.5，0°，28）、（12.5，45°，27.2）、（12.5，85°，25.2）。柱坐標(biāo)系是一種三維坐標(biāo)系，是由徑向距離ρ、方位角φ、高度z三種坐標(biāo)構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)UG里的半徑、角度、ZC增量。創(chuàng)建點(diǎn)時(shí)將工作坐標(biāo)系指定為連接段螺旋線的坐標(biāo)系，在創(chuàng)建點(diǎn)對(duì)話框內(nèi)選擇坐標(biāo)參考為WCS，XC、YC、ZC的值為0，并將偏置選項(xiàng)設(shè)置為柱面副，并輸入柱坐標(biāo)值，見圖4.

圖4 創(chuàng)建點(diǎn)對(duì)話框

點(diǎn)構(gòu)造完成之后，應(yīng)用藝術(shù)樣條命令，依次按順序選取點(diǎn)，藝術(shù)樣條的起點(diǎn)和端點(diǎn)選擇兩根2/3圈螺旋線的端點(diǎn)，此外，為了保證曲線的連續(xù)性，要對(duì)樣條曲線的首末兩點(diǎn)進(jìn)行約束，約束類型均為G1相切，并且選取2/3段螺旋線為指定相切方向，見圖5.

圖5 創(chuàng)建回轉(zhuǎn)段樣條曲線

2.3 橋接曲線的繪制

由于中間段螺旋線與連接段螺旋線螺距不同，兩者連接處不是光滑連接。如果不處理，滑塊移動(dòng)到該位置時(shí)速度會(huì)發(fā)生跳躍，造成裝置移動(dòng)不平穩(wěn)，因此須對(duì)此進(jìn)行光滑處理。處理的思路是將中間段或連接段螺旋線截短一小段，使得兩條螺旋線分離，然后應(yīng)用UG的橋接曲線將這兩段分離的螺旋線連接起來，并控制橋接曲線的起點(diǎn)與終點(diǎn)均與所連接的螺旋線相切，實(shí)現(xiàn)中間段和連接段的螺旋線光滑連接。在本例中，應(yīng)用UG的曲線編輯中的長度命令先將中間段螺旋線的首尾均截短5 mm，具體菜單操作為：編輯/曲線/長度，彈出曲線長度對(duì)話框，見圖6.

圖6 中間段螺旋線截短

完成曲線截短后，用橋接曲線將其與連接段光滑連接起來，并控制橋接曲線沿軸段圓柱面生成，見圖7.

圖7 橋接曲線對(duì)話框

至此，完成了滑槽掃掠軌跡曲線的創(chuàng)建，結(jié)果見圖8.

圖8 滑槽掃掠軌跡曲線

2.4 滑槽實(shí)體的建模

雙向螺旋軸的滑槽實(shí)體應(yīng)用掃掠命令生成，掃掠是指將一個(gè)平面截面圖形沿著指定的引導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，從而創(chuàng)建出相應(yīng)的三維實(shí)體或曲面，引導(dǎo)線可以是直線、圓弧和樣條等曲線，但是引導(dǎo)線最多可以指定三條。當(dāng)截面曲線為封閉曲線時(shí)，生成的掃掠特征為實(shí)體，當(dāng)截面曲線為不封閉的曲線時(shí)，掃掠生成曲面特征。

雙向螺旋軸的滑槽為寬5 mm深4.5 mm的槽，即掃掠截面應(yīng)為5 mm×4.5 mm的矩形，在掃掠滑槽實(shí)體時(shí)，掃掠截面確定為5 mm×5 mm的矩形，見圖9.

圖9 滑槽掃掠截面

應(yīng)用掃掠命令建立滑槽實(shí)體，由于上面所創(chuàng)建的掃掠軌跡自相交，不能直接一次全選，需要分段創(chuàng)建掃掠體，每次按順序選擇若干段不自相交的軌跡，在選擇所需軌跡時(shí)，應(yīng)先隱藏不需要的軌跡。在創(chuàng)建每段掃掠體時(shí)，需要在掃掠命令對(duì)話框的截面選項(xiàng)中的定位方法選擇面的法向，然后選擇基礎(chǔ)軸端圓柱面，保證掃掠時(shí)截面的法向方向與圓柱面相切，見圖10.最終完成的滑槽實(shí)體見圖11.

圖10 掃掠對(duì)話框

圖11 滑槽實(shí)體

2.5 螺旋軸滑槽生成

螺旋軸的滑槽是用先前的基礎(chǔ)軸段切去滑槽實(shí)體而成，在UG中應(yīng)用布爾運(yùn)算的求差即可，通過觀察發(fā)現(xiàn)應(yīng)用上述方法獲得的滑槽表面的光滑性較差，其結(jié)果不能直接用于螺旋軸的分析等，見圖12.這是由于UG軟件的掃掠功能算法決定的，需將其去除。

圖12 滑槽生成結(jié)果

3 改進(jìn)模型

3.1 修改掃掠截面

為解決滑道表面光滑性較差的問題，本例在建模過程中，將掃掠截面的高度增加1 mm，即掃掠截面為5 mm×6 mm的矩形，見圖13.并在掃掠完成之后，用φ16 mm×340 mm圓柱體切除多余部分，然后用獲得的滑槽實(shí)體在基礎(chǔ)軸段切出滑槽。通過先增加滑槽體的厚度，并切除多余部分，保證了滑槽體底部光滑，從而保證切出的滑槽表面是光滑的，見圖14.

圖13 改進(jìn)掃掠截面

圖14 滑槽改進(jìn)結(jié)果

3.2 細(xì)節(jié)建模

按圖紙要求，做出軸孔、退刀槽、倒角的細(xì)節(jié)特征的建模，完成雙向螺旋軸的建模，見圖15.

圖15 雙向螺旋軸建模結(jié)果

4 結(jié)束語

本文分析雙向螺旋軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于UG軟件，探討適當(dāng)?shù)慕７椒?，中間段、連接段螺旋線直接應(yīng)用UG的曲線功能的螺旋線命令創(chuàng)建，回轉(zhuǎn)段曲線先用柱坐標(biāo)方式創(chuàng)建點(diǎn)，用藝術(shù)樣條曲線過點(diǎn)連成光滑曲線。為解決中間段、連接段螺旋線由于螺距不同，連接處不光滑的情況，將中間段螺旋線先截短，增加一段橋接曲線將兩者光滑連接起來。用掃掠功能做出滑槽實(shí)體，其厚度比滑槽深度稍大，接著切除多出部分，保證底面光滑。再用滑槽實(shí)體在基礎(chǔ)軸端上切出滑槽。最后作出其他軸段、軸孔、退刀槽、倒角的特征，完成雙向螺旋軸的建模。