基于AutoCAD 的平面二次包络环面蜗杆三维建模与加工仿真

李建壮，仝蓓蓓

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

平面二次包络环面蜗杆传动已广泛应用在重型机械传动领域。 但是，目前平面二次包络环面蜗杆副的设计与生产还停留在凭经验进行的水平，其加工方法基本上仍旧采用传统的对偶范成法，CAD的应用仅局限于一些简单的设计计算及制作零件图、装配图等。 由于缺乏强大的三维建模环境工具，所以未能对平面二次包络环面蜗杆的齿面接触、计算机模拟齿形加工成形、计算机仿真包络环面蜗杆传动的啮合过程、啮合特性和表面性能进行深入分析。 三维图形直观、真实感强，能够比二维平面图形更能清晰地表达设计者的意图。 现代工程分析软件的模型和数控加工的模型均要求提供三维图形。 利用CAD 建立平面二次包络环面蜗杆零件的三维模型，可以使零件的设计更加直观，更符合实际零件的运动状态，从而使设计更加合理、高效。

1 AutoCAD 与Visual Basic[1]

1.1 ActiveX Automation 技术

ActiveX Automation 是Microsoft 基于部件对象模型(COM)体系结构开发的一项技术，是AutoCAD的新编程接口。 用户可以用它来定义AutoCAD，与其他应用程序共享图形数据。 通过ActiveX Automation，AutoCAD 提供了由其对象模型描述的可编程对象。 这些可编程对象可由其他应用程序创建、编辑和操纵。通过ActiveX Automation，AutoCAD将其内部应用模块化，并以对象的形式提供给用户。用户可以利用开发工具直接对AutoCAD 内部进行操作，设计出功能强大的应用程序。

1.2 VB Active X Automation 与Auto CAD

Auto CAD 自R14 版本起，就增加了Active X Automation 自动化服务的功能(Active X Automation Server Capabilities)，丰富了AutoCAD 自身的API，为AutoCAD 的进一步发展开辟了新的途径。 Auto Desk 公司在AutoCAD2006 中提供了ActiveX Automation 所提供的接口，因而用户可以很方便地应用ActiveX 客户编程语言 （如Visual Basic、Delphi 和Microsoft J++等）来定制Auto CAD。微软公司的VB是Windows 操作系统下最常用的支持ActiveX Automation 技术的开发工具。 它语法简单、 功能强大，提供了可执行代码的源代码编译器。 VB 则是一个独立的开发工具，它不需要依赖于其他应用程序，有自己完全独立的工作环境和编译、连接系统。

2 AutoCAD 三维建模技术基础[2]

2.1 三维实体

三维实体对象在三维对象中信息最完整、应用最广，也最容易创建和编辑。 三维实体包括立方体和锥体等多种形状，可以由二维面拉伸和旋转创建。通过实体对象之间的布尔运算，可以制作出形状复杂的三维实体模型。 创建三维实体的方法主要有：创建圆柱体，创建拉伸实体，创建面域旋转实体。

2.2 创建面域

面域是封闭的二维区域范围。 一组在同一平面并且封闭的曲线（这些曲线可以是Line，Arc，Circle，Elliptical Arc，LightweightPolyline 和Spline 之 一 或它们的组合），可以创建一个面域。 创建面域的方法为AddRegion。

2.3 三维实体造型编辑

为了得到更复杂的实体模型，常用布尔运算对两个三维实体对象进行交、减、和运算。

布尔运算在三维造型中应用十分广泛，可以用来进行两个三维实体对象的交、减、和运算。 一些三维仿真、零件加工切削模拟，都可以用布尔运算来实现。 具体操作有：acUnion（布尔和）、acIntersection（布尔减）和acSubtraction（布尔交）。

2.4 编辑三维实体

（1） 三维移动。 三维实体的移动采用object.Move 方法，该方法需指明移动的起止点坐标。

（2）三维旋转。 用Rotate 及Rotate3D 方法均可以旋转三维实体。 Rotate 方法是在二维面内绕一个点旋转实体，Rotate3D 方法是在三维坐标内绕一根轴旋转三维实体，轴由三维坐标内的两个点定义。

3 蜗杆的三维参数化建模

3.1 创建蜗杆毛坯[3]

蜗杆毛坯为内环面柱体，所以要采用创建面域旋转实体的方法来创建蜗杆毛坯。 其步骤为：（1）定义蜗杆毛坯、 旋转面域、 组成面域的曲线数组等。（2）通过参数传递，采用绘制各种曲线的方法给面域数组curves 赋值，并且要保证curves 封闭。 这样面域Hind 才存在，才可以旋转拉伸。 （3）适用AddRe gion 的方法创建面域，并赋值给Hind。 （4）采用Add RevolvedSolid 的方法来创建蜗杆毛坯 （蜗杆毛坯图如图1 所示）。

图1 蜗杆毛坯图Fig.1 Worm blank sketch

3.2 创建刀具

由于平面二次包络环面蜗杆实际加工过程由三把刀完成，即开槽刀、分别包络形成左右齿面的刀。 这里采用由两条直线及其他一些边界条件线组成的实体作为刀具，来模拟加工过程。 具体过程为：

（1）通过参数传递，采用绘制各种曲线的方法给面域数组curves1 赋值，并且要保证组成的是一个封闭的曲线。

（2）使用AddRegion 的方法创建面域，并赋值给Knife。

（3）采用AddExtrudedSolid 方法来创建刀具（刀具如图2 所示）。

图.2 刀具图（包含蜗杆毛坯）Fig.2 Cutters sketch (Including worm blank sketch)

3.3 删除面域和线

在模拟切削加工的过程中，轮廓线和面域会影响效果，所以要将除蜗杆毛坯、刀具之外的内容删除。

4 加工运动仿真

4.1 加工原理

用一个拉伸的实体代替实际加工过程中的开槽、加工左齿面、加工右齿面的3 把刀具，与毛坯做相对运动，来模拟实际加工中的除料过程。

在加工仿真过程中，刀具绕基圆圆心转动，同时蜗杆毛坯绕其自身轴线转动，刀具和毛坯的转动角速度之比符合传动比要求。

4.2 加工实现[4]

要模拟切削加工，刀具和工件就要做相对运动，并且要除去蜗杆毛坯上与刀具相交的部分。 所以，首先应让刀具和蜗杆毛坯转动起来。 采用Rotate3D让刀具绕Z 轴旋转，蜗杆毛坯绕Y 轴旋转。 两者转过的角度之间存在着加工蜗杆传动比的关系，每转过一个角度，就进行Boolean 运算（这里的Operation采用acIntersection），这样就可以模拟实际的加工过程了。 加工过程图如图3 所示，加工结果如图4 所示。

图.3 蜗杆加工过程Fig.3 Worm manufacturing procedure

图4 蜗杆零件图Fig.4 Worm part sketch

5 结语

三维模型的机械零件加工运动仿真可以真实、直观地再现各种复杂加工的效果，便于设计人员发现和创新。利用AutoCAD 建立平面二次包络环面蜗杆副的三维模型，不仅可以实现装配设计、外观设计、强度分析、有限元分析、跑合过程的研究，而且还能对平面二次包络环面蜗杆的齿面接触、计算机仿真包络环面蜗杆传动的啮合过程、干涉检测、啮合特性和表面性能进行进一步的深入分析，为平面二次包络环面蜗杆副的数控加工提供了一种新的思路。

[1] 杨玉虎，沈煜等.环面蜗杆类零件实体建模研究[J].天津大学学报,2004(6):471-474.

[2] 徐光明，麦范金.基于AutoCAD 的参数化三维建模与加工仿真[J].机械设计与制造,2005(8):71-72.

[3] 梁邦龙，徐辅仁. 基于数值分析方法的TI 蜗杆三维造型[J].机械设计与制造,2006(6):132-134.

[4] 张晋西.Visual Basic 与AutoCAD 二次开发[M].清华大学出版社,2002.

[5] 谭昕，周红.基于驾驭式虚拟加工的平面二次包络蜗杆实体造型[J].机械设计.2005(7):57-59.