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基于SolidWorks弧面分度凸轮的参数化三维实体造型方法

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           第 19 卷 第 6 期             东 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)             山 Vol. 19 No . 6 2005 年 11 月         Journal of Shandong U niversity of Technology (Sci & Tech)          Nov. 2005

文章编号 :1672 - 6197 ( 2005) 06 - 0075 - 04

基于 SolidWo r ks 弧面分度凸轮的 参数化三维实体造型方法
刘海涛 , 王好臣 , 刘伟洪
( 山东理工大学 机械工程学院 ,山东 淄博 255049 )

摘   : 以 VB6. 0 为开发工具 ,基于 SolidWorks 进行二次开发 ,实现了弧面分度凸轮的三维 要 实体造型 . 运用参数化和数字化相结合的成型方式 ,通过对凸轮的主要几何尺寸及构成不可展 工作轮廓面上点的坐标值计算 ,在 SolidWo rks 环境下自动生成弧面分度凸轮三维实体 , 为零 件加工分析和数控编程提供了重要依据 . 关键词 : 弧面分度凸轮 ; 三维实体造型 ; 参数化绘图 ; 数字化设计 中图分类号 : TP391. 73 文献标识码 : A

Method of parameterized 3D sol id model of globoidal indexing cam based on SolidWorks
L IU Hai2tao , WAN G Hao2chen , L IU Wei2ho ng

( School of Mechanical Engineering ,Shandong University of Technology ,Zibo 255049 ,China)

Abstract : Based o n SolidWorks , 3D solid model of glo boidal indexing cam is acco mplished by using VB6. 0 as a develop ment tool . Wit h meaning of parameter design and digital design , by calculating p rimary geo met rical dimensio n and coordinate of all point s , 3D solid model of glo boidal indexing cam can be built auto matically. The model can p rovide important data fo r part sπ machining and numerical co nt rol p rogramming. Key words : glo boidal indexing cam ; 3D solid model ;parameterized grap h ;digital design

弧面分度凸轮机构因其具有传动速度高 、 分度精度高 、 动力学性能好 、 承载能力大 、 可靠性好等优 点 ,已被广泛应用于高速运转的现代自动机械中 . 传统的弧面分度凸轮设计非常繁琐 ,不仅要计算数以 千计的数据 ,而且要绘制大量的图纸 ,尤其是其工作轮廓面是空间不可展曲面 ,数学模型极其复杂 ,很难 用常规的机械制图方法绘制 [ 1 ] , 因此只能借助于计算机进行辅助设计 . 在众多的三维造型软件中 ,
SolidWorks 以其功能强大 、 操作简洁而独树一帜 ,成为众多设计人员高效地进行产品设计的首选软件 .

为了方便用户进行二次开发 , SolidWo rks提供了几百个 A PI函数 , 这些 A PI函数是 SolidWorks 的 OL E

收稿日期 : 2005 04 27

作者简介 : 刘海涛 (1975 ) ,男 ,硕士研究生 .

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程序接口 ,用户可以使用 VB 或 VC + + 调用它们来开发自己的应用 程序[ 2 ] . 本文选择 Visual Basic 6. 0 作为开发工具对 SolidWorks 进 行二次开发 ,为了提高产品的设计效率和达到所建三维模型的最佳 精度要求 ,拟采用三维参数化和数字化相结合的造型技术 . 设计完成 的弧面分度凸轮三维实体模型 , 可为以后的零件加工和分析提供重 要的原始数据和数控编程依据 . 系统的总体结构如图 1 所示 .

1  弧面分度凸轮三维实体造型 CAD 系统的实现
1. 1   确定设计方案

分析弧面分度凸轮的外观 ( 见图 2 ) 可以得出以下结论 : 弧面凸 轮是由有规则的定位环面 ( 见图 3 ) 和不可展的空间曲面 ( 见图 4 ) 结 合而成的 ,因此可以采取以下方案进行三维造型 : 对规则图形采用参 数化设计 ,以提高设计效率 ; 对工作轮廓面采用数字化设计 ,以保证 设计精度 .
图1  弧面分度凸轮 CAD 系统结构框图

1. 2   原始参数输入

根据具体的工况要求 ,弧面分度凸轮的主要几何尺寸中心距 C , 转盘的分度数 I , 凸轮的许用压力 角α , 凸轮的分度期转角θ , 凸轮分度廓线头数 H , 滚子半径 R r 共 6 个参数作为设计时的基本数据 , 缺 p f 一不可 , 设计者必须将其作为已知参数进行手工输入 , 进行后续的设计工作 . 1. 3   计算数据 这一部分是本系统的基础 , 它的主要功能是根据输入的原始参数和设计要求 , 对弧面凸轮的各个主 要几何尺寸及构成不可展曲面的点坐标进行设计和计算 , 为下一步的参数化设计和数字化设计提供依 据 . 因此计算数据包含以下两部分内容 . ( 1) 计算工作轮廓面上所有点的坐标值 基本参数输入完毕 , 程序必须根据有关计算公式 [ 3 ] 自动计算工作轮廓面上点的精确坐标值 , 为以后 的数字化成型设计打好基础 . 这一项工程非常庞大 , 以单头左旋凸轮为例 , 若分度期转角θ = 120°凸轮 , f 角位移θ= 2°滚子曲面参数 r 的取值范围为 72~102mm , 步长 Δr = 2mm , 则共有 244 × × = 11 712 , 16 3 个数据 , 若手工计算处理这些数据则面临耗时长 、 精度低 、 出错率高等困难 , 计算机却可以在瞬间就处理 得尽善尽美 , 并能够运用 Ado dc1. Recordset . AddNew 命令将计算的数据导入指定的 Access 2000 数据 库中等待调用 . ( 2) 定位环面主要几何尺寸取值范围的计算 文献 [ 3 ]给出了定位环面的主要几何尺寸的计算公式和取值范围计算公式 , 如凸轮定位环面侧面长 度 h = b + e , 而 b = ( 1~1 . 4) R r , e = ( 0 . 2~0 . 3 ) b , 程序必须自动计算这些主要尺寸的数值 , 获得相关参 数的取值范围 , 并以改变 Label 的 cap tio n 属性的方式显示在界面上 , 供用户参考和填写 , 为下一步参数 化绘图提供依据 .

第 6 期            刘海涛 ,等 : 基于 SolidWorks 弧面分度凸轮的参数化三维实体造型方法

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1. 4   参数化成型定位环面

这一部分也可以采用数字化成型的方法完成 , 此处采用参数化绘图方式 , 是因为 : ( 1) 定位环面的几 何尺寸大多存在取值范围 , 需向用户进行反馈 , 由用户根据实际生产经验填写或经多次调试后获得最佳 数值 ; ( 2) 参数化绘图依托已存在的模板 , 运行时不占用太多的计算机内存 , 能够在瞬间完成任务 , 方便 快捷 、 不易出错 , 其速度是数字化设计无法比拟的 . 确定一组最优参数值 , 可使图形的尺寸更合理 , 从而 使机构结构更紧凑 , 提高机构的性能和使用寿命 . 1. 5   数字化成型工作轮廓面 这一部分是本系统的难点 . 弧面分度凸轮的工作轮廓面是不可展空间曲面 , 对这一部分掌握的信息 只有按照公式计算出的点的坐标 X , Y , Z 的数值 , 因此必须采用三维几何建模技术来进行三维数字化 设计 . 目前 , 计算机内部表示三维实体模型的方法很多 , 其中边界表示法的优点是含有较多的关于面 、 边、 点及其相互关系的信息 , 这些信息对于工程图绘制及图形显示都是十分重要的 , 并且易于同二维绘 图软件衔接和同曲面建模软件联合应用 . 除此以外 , 这种方法便于以人机交互方式对物体模型进行局部 修改[ 4 ] . 边界表示法的核心信息是*面 , 而每一个面又通过边 , 边通过点 , 点通过 3 个坐标值来定义 . 本 文的造型过程是先从数据库中读取设计创建合格点 , 由点生成曲线 , 再由曲线生成曲面 , 然后曲面与曲 面间放样形成实体 . 这既符合三维几何建模技术的原理 , 又易于操作 , 同时也降低了编程的难度 . 这一部分又是本系统的重点 . 因为凸轮的曲面精确度与编程时设定的循环步长有关 , 步长越小 , 所 得的凸轮曲面精度越高 . 循环步长主要设定两次 :每条线上点的个数 、 每个面上线的条数 . 但是如果步长 选择得太小 , 就会占用太多的计算机内存 , 程序运行耗时是一个方面 , 还会出现中断或其它不可预见的 错误 . 编程时要尽可能地选取既保证程序正常运行又使得步长尽可能小的最佳数值 . 仍以上述单头左旋 凸轮为例 , 凸轮角位移θ= 4° 即可符合所有要求 .
( 1) 合格点的创建

首先调用 SolidWorks A PI 函数中的 Insert3DSketch 函数建立三维草图 ,再把存放在数据库中的数 据 ,按照 “一一对应” 的方式读取 ,转化为 SolidWorks 环境下的空间点的坐标 ,根据 X , Y , Z 坐标值运用 Create Point2 ( x , y , z ) 函数创建所有点 . 由于根据公式计算的点的坐标并不全部符合要求 ,比如空间 点的 Z 向坐标不可大于凸轮的宽度 l ,编程时可根据实际需要添加一个条件语句对其范围进行控制取 舍 ,而进行这一步工作 ,也避免占用较多的计算机内存 ,缩短系统运行的时间 ,可谓一举两得 . ( 2) 用数字化点来拟合样条曲线 不同类型的三次参数曲线在交互控制的灵活性 、 拼接点处的连续程度 、 表示的一般性和计算速度等 方面各有不同 ,CAD 系统经常只要求几何连续性 , 此时 , 选择范围就缩小到几种样条曲线上 , 它们都能 达到 G1 和 G2 连续[ 5 ] . 在此我们选用样条曲线进行曲线形状的控制 . ( 3) 曲线生成曲面 、 曲面与曲面间放样生成实体分别应用的是 InsertLof t Ref Surface2 , Feat ureMan2 ager . Insert Prot rusio nBlend () 函数 . 图 5 是创建合格点 、 用数字化点来拟合曲线 、 曲线生成曲面 、 曲面生 成实体的三维效果显示 .
图5  数字化成型工作轮廓面

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2  设计实例
现利用已开发的弧面分度凸轮三维实体造型 CAD 系统软件进行凸轮的自动建模 . 设单头右旋弧面分度凸轮的中心距 C = 180mm ,从动盘滚子数 z = 8 个 ,从动盘的运动规律是修正 正弦曲线 ,凸轮分度期转角θ = 120°许用压力角是α = 30° , . f p ( 1) 打开 SolidWorks 应用软件 ,状态是 “新建零件” . ( 2) 启动弧面分度凸轮的三维 CAD 程序 ,界面如图 6 所示 . ( 3) 先单击 “删除数据库数据”确保在计算数据前数据库为空 ,再填写已知的基本参数数据 、 , 选择旋 向 ,然后单击 “计算数据” 命令按钮 ,则数据库中显示的数据是本次计算后要应用的数据 ,同时界面上也 显示出相应的定位环面的主要几何尺寸参数的选择范围 . ( 4) 按照界面上显示的参数选择范围进行优化输入后 ( 如图 7 所示) ,单击 “参数化成型定位环面” 按 钮 ,则 SolidWorks 环境下出现了相应的定位环面三维图形 ( 如图 3 所示) . ( 5) 单击 “数字化成型工作轮廓面” ,SolidWorks 就按点 — — — 线 面 面面放样的顺序开始运行 . 运行 结果如图 8 所示

3  结束语
以 Visual Basic 6. 0 作为开发工具对三维设计软件 SolidWorks 进行二次开发 ,开发出了面向弧面 分度凸轮的 CAD 系统 ,实现了弧面分度凸轮的自动化设计和参数化成型功能 , 缩短了设计周期 , 可为 零件加工 、 、 分析 数控编程提供依据 ,有助于弧面分度凸轮的进一步研究和制造 ,对机构的研究和设计也 有一定的参考价值 . 参考文献 :
[ 1 ] 刘言松 ,贺   ,唐学飞 ,等 . 弧面分度凸轮三维实体模型的建立 [J ] . 组合机床与自动化加工技术 ,2004 , (6) :36237. 伟 [ 3 ] 成大先 . 机械设计手册 [ M ] . 北京 : 化学工业出版社 ,2004. [ 4 ] 宁汝新 ,赵汝嘉 . CAD/ CAM 技术 [ M ] . 上海 : 上海科学技术出版社 ,1996. [ 5 ] Foley J D 著 . 计算机图形学导论 [ M ] . 董士海译 . 北京 : 机械工业出版社 ,2004. [ 2 ] 郑   ,熊绮华 ,尹明富 ,等. 弧面分度凸轮机构的廓面研究及基于 SolidWorks 的实体造型[J ] . 机械科学与技术 ,2002 ,21 (6) :9342935. 武




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