基于UG NX的變螺距螺旋面風道的設計

侯衛平 鐘蘇麗

（煙臺職業學院機械工程系，山東 煙臺 264670）

基于UG NX的變螺距螺旋面風道的設計

侯衛平 鐘蘇麗

（煙臺職業學院機械工程系，山東 煙臺 264670）

通過對變螺距正螺旋面的形成原理進行分析，建立變螺距螺旋線的參數表達式，利用UG NX設計出變螺距螺旋面風道，創建一種新的變螺距螺旋面風道的設計方法。該設計改變了傳統設計方法的局限性。

變螺距螺旋面；UG NX；參數化設計；風道設計

螺旋面在工程中應用非常廣泛，農業機械中的旋耕犁面、船舶機械葉輪的葉片、物料輸送機械中的輸送器都使用了不同的螺旋面設計。

UG NX是美國EDS公司出品的一套集CAD／CAE／CAM于一體的功能強大的三維參數化軟件系統，是當今世界上最先進的計算機輔助設計、分析和制造軟件之一。利用UG NX軟件來設計變螺距螺旋面，可形成高精度、參數化的CAD圖形，為將來產品的修改和升級換代帶來方便，可大大降低設計工作量和縮短生產周期，同時還可最大限度減少產品的加工誤差，保證加工質量。

本文主要從以下幾方面進行了論述：① 根據螺旋面的形成原理，分析如何形成變螺距螺旋面；② 根據變螺距螺旋線的數學方程式，建立變螺距螺旋線的UG NX參數表達式；③ 利用UG NX對變螺距螺旋面風道進行參數化設計，形成準確可靠的變螺距螺旋面風道的CAD圖形。

1 變螺距螺旋面的形成

根據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。本設計的風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運動時，母線上一動點B沿母線作等加（減）速運動，點B的運動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點B的位置變動而變化。設該螺旋線的初始點為B0，B0點的螺旋升角為α0，B0點沿螺旋線轉過k0圈后到達B1點在圓柱軸線方向上上升高度為h1，以上參數確定的以k為參數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A的運動軌跡形成了變螺距螺旋線L2。連接螺旋線L1上點B和螺旋線L2上的點A，形成直線AB，當直線AB沿著螺旋線L1和L2運動，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參數化表達式的建立

要形成變螺距螺旋面，首先要設計出變螺距的螺旋線，這是要形成準確的螺旋面首先要解決的關鍵問題。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“參數表達式”法、“纏繞／展開曲線”法、“掃掠”法和“規律延伸”4種方法［5］。本設計在設計過程中采用“參數表達式”的方法來設計變螺距的螺旋線。根據設計的要求，在UG NX中建立的變螺距螺旋線的三維參數表達式為［6］：

式中：

T—— 系統變量；

A—— 螺旋線的變螺距，mm；

XT——螺旋線在X坐標軸方向的變量，mm；

YT——螺旋線在Y坐標軸方向的變量，mm；

ZT——螺旋線在Z坐標軸方向的變量，mm。

要設計的螺旋線所在的圓柱芯軸的半徑為100mm，其中“T”為系統默認的變量（0≤T≤1）。因為變螺距螺旋線在XY坐標平面的投影是圓，所以其X、Y的變化規律為圓的參數方程，而螺距是變化的，所以用Z規律表達式。用UG NX中“曲線”命令工具條中的“規律曲線”命令，“規律函數”選用菜單中的“根據方程”，然后利用上述參數表達式在UG NX中生成三維參數化變螺距螺旋線，見圖2。

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

3 變螺距螺旋面風道的生成

利用上述建立的變螺距螺旋線參數表達式采用相同的方法，重新生產一個圓柱芯軸半徑為300mm的變螺距螺旋線，然后用直線把兩條螺旋線對應的端點連接，見圖3。根據所形成曲面的需要來定義創建的這些曲線，從而利用UG NX相應的命令來形成符合設計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應端點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行“片體加厚”，生成實體［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行“孔”設計，最后把變螺距螺旋面和兩個圓柱芯軸進行布爾加運算，最終形成如圖4所示的變螺距螺旋面風道。

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

圖4 變螺距螺旋面風道Figure 4 The variable pitch helicoids duct

4 結束語

根據變螺距螺旋面形成原理建立變螺距螺旋線相應的數學方程式，根據這些數學方程式來建立變螺距螺旋線的三維參數化表達式，利用建立的三維參數表達式在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設計出準確可靠的變螺距螺旋面風道的CAD圖形，實現對風道的三維參數化設計，提高了設計的效率和準確性，并為后期產品的加工減少加工誤差，提高加工質量，大大縮短了產品的改型設計生產周期，為生產提供了一種新的設計方法。

1 洪漢玉.直母線螺旋面三維真實感圖形的顯示［J］.武漢化工學院學報，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］.天津大學學報，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［J］.現代制造工程，2003（1）：24～26.

4 張士軍，韓學軍.UG設計與加工［M］.北京：機械工業出版社，2010：41～42.

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

6 李錦標，李成國.UG NX6.0產品模具設計［M］.北京：清華大學出版社，2011：167～188.

7 趙志鵬，孫向陽.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劃資助項目（編號：J08LB68）

侯衛平（1973－），男，煙臺職業學院講師，碩士。E－mail：houweipin＠sohu.com

2011－03－30