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）公司職工培訓中心，廣西 柳州545002）

雙向螺旋軸傳動是一種新穎的傳動形式，可以實現從單向轉動到雙向往復平動的轉化，具有結構緊湊、傳動可靠等特點，廣泛用于水稻插秧機的橫向送秧機構中。其軸上加工有首尾連接在一起的封閉的左旋、右旋螺旋槽，滑塊沿螺旋槽運動。工作時螺旋軸單向旋轉推動滑塊沿螺旋軸的軸線橫向運動，帶動與滑塊連接的裝置往返移動[1-2]。雙向螺旋軸的結構比較特殊，在雙向螺旋傳動裝置的設計、分析及優化過程中，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 雙向螺旋軸結構

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段，中間段和回轉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為：首先做出基礎軸段部分（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，接著定出回轉段曲線的若干點，用藝術樣條繪出回轉段曲線，除回轉段曲線繪制時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，必須進行處理。曲線處理后應用掃掠功能，在軸上切出滑槽，最后進行倒角、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

創建螺旋線前，先創建φ25 mm×340 mm基礎圓柱段，其位置按UG默認主視圖方向橫放，即其軸線與全局坐標Z軸負方向重合，φ4 mm小孔軸線位置與全局坐標Z軸重合。此軸段的圓柱面將會作為后續橋接曲線及掃掠操作時的參考面。在UG中的創建螺旋線時，其基點默認為絕對坐標系的原點，起點為X軸正向，方向沿著Z軸的正向，若直接使用上述的絕對坐標系，將得不到所需的螺旋線。因此繪制螺旋線前需要建立一個新的基準坐標系并將該基準坐標系設為工作坐標系，新坐標系的原點設置在正常移動段的螺旋線起點，X軸向下，Z軸設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，根據雙向螺旋軸中間段螺旋線的參數，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，然后再新建坐標系，其位置見圖3，并將其設為工作坐標系，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 創建完成的中間段、連接段螺旋線

2.2 回轉段曲線的繪制

左右兩端回轉段曲線從分析圖2可知，其為光滑樣條曲線，圖中用柱坐標的形式給出了曲線上的七個點，其中有兩點位于兩條連接段螺旋線的終點上，另外五點的坐標值，用相對于中間段螺旋線的坐標系的柱坐標值表示，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）。柱坐標系是一種三維坐標系，是由徑向距離ρ、方位角φ、高度z三種坐標構成，分別對應UG里的半徑、角度、ZC增量。創建點時將工作坐標系指定為連接段螺旋線的坐標系，在創建點對話框內選擇坐標參考為WCS，XC、YC、ZC的值為0，并將偏置選項設置為柱面副，并輸入柱坐標值，見圖4.

圖4 創建點對話框

點構造完成之后，應用藝術樣條命令，依次按順序選取點，藝術樣條的起點和端點選擇兩根2/3圈螺旋線的端點，此外，為了保證曲線的連續性，要對樣條曲線的首末兩點進行約束，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 創建回轉段樣條曲線

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，滑塊移動到該位置時速度會發生跳躍，造成裝置移動不平穩，因此須對此進行光滑處理。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與終點均與所連接的螺旋線相切，實現中間段和連接段的螺旋線光滑連接。在本例中，應用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 橋接曲線對話框

至此，完成了滑槽掃掠軌跡曲線的創建，結果見圖8.

圖8 滑槽掃掠軌跡曲線

2.4 滑槽實體的建模

雙向螺旋軸的滑槽實體應用掃掠命令生成，掃掠是指將一個平面截面圖形沿著指定的引導線運動，從而創建出相應的三維實體或曲面，引導線可以是直線、圓弧和樣條等曲線，但是引導線最多可以指定三條。當截面曲線為封閉曲線時，生成的掃掠特征為實體，當截面曲線為不封閉的曲線時，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，即掃掠截面應為5 mm×4.5 mm的矩形，在掃掠滑槽實體時，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

應用掃掠命令建立滑槽實體，由于上面所創建的掃掠軌跡自相交，不能直接一次全選，需要分段創建掃掠體，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，應先隱藏不需要的軌跡。在創建每段掃掠體時，需要在掃掠命令對話框的截面選項中的定位方法選擇面的法向，然后選擇基礎軸端圓柱面，保證掃掠時截面的法向方向與圓柱面相切，見圖10.最終完成的滑槽實體見圖11.

圖10 掃掠對話框

圖11 滑槽實體

2.5 螺旋軸滑槽生成

螺旋軸的滑槽是用先前的基礎軸段切去滑槽實體而成，在UG中應用布爾運算的求差即可，通過觀察發現應用上述方法獲得的滑槽表面的光滑性較差，其結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 滑槽生成結果

3 改進模型

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體在基礎軸段切出滑槽。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 改進掃掠截面

圖14 滑槽改進結果

3.2 細節建模

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

圖15 雙向螺旋軸建模結果

4 結束語

本文分析雙向螺旋軸的結構特點，基于UG軟件，探討適當的建模方法，中間段、連接段螺旋線直接應用UG的曲線功能的螺旋線命令創建，回轉段曲線先用柱坐標方式創建點，用藝術樣條曲線過點連成光滑曲線。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。再用滑槽實體在基礎軸端上切出滑槽。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。