基于UG NX的变螺距螺旋面风道的设计

侯卫平 钟苏丽

（烟台职业学院机械工程系，山东 烟台 264670）

基于UG NX的变螺距螺旋面风道的设计

侯卫平 钟苏丽

（烟台职业学院机械工程系，山东 烟台 264670）

通过对变螺距正螺旋面的形成原理进行分析，建立变螺距螺旋线的参数表达式，利用UG NX设计出变螺距螺旋面风道，创建一种新的变螺距螺旋面风道的设计方法。该设计改变了传统设计方法的局限性。

变螺距螺旋面；UG NX；参数化设计；风道设计

螺旋面在工程中应用非常广泛，农业机械中的旋耕犁面、船舶机械叶轮的叶片、物料输送机械中的输送器都使用了不同的螺旋面设计。

UG NX是美国EDS公司出品的一套集CAD／CAE／CAM于一体的功能强大的三维参数化软件系统，是当今世界上最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一。利用UG NX软件来设计变螺距螺旋面，可形成高精度、参数化的CAD图形，为将来产品的修改和升级换代带来方便，可大大降低设计工作量和缩短生产周期，同时还可最大限度减少产品的加工误差，保证加工质量。

本文主要从以下几方面进行了论述：① 根据螺旋面的形成原理，分析如何形成变螺距螺旋面；② 根据变螺距螺旋线的数学方程式，建立变螺距螺旋线的UG NX参数表达式；③ 利用UG NX对变螺距螺旋面风道进行参数化设计，形成准确可靠的变螺距螺旋面风道的CAD图形。

1 变螺距螺旋面的形成

根据形成螺旋面的母线形式的不同，螺旋面可分为曲线螺旋面和直母线螺旋面［1］。直母线螺旋面较曲线螺旋面在工程中应用更为普遍，直母线螺旋面包括正螺旋面和斜螺旋面两种。本设计的风道就采用了变螺距直母线螺旋面。

直母线螺旋面的形成原理见图1。图1中圆柱（半径为r）为直母线螺旋面的芯轴，圆柱的直母线绕其轴线做等速回转运动时，母线上一动点B沿母线作等加（减）速运动，点B的运动轨迹就形成了一条变螺距圆柱螺旋线L1，该螺旋线的螺旋升角随着动点B的位置变动而变化。设该螺旋线的初始点为B0，B0点的螺旋升角为α0，B0点沿螺旋线转过k0圈后到达B1点在圆柱轴线方向上上升高度为h1，以上参数确定的以k为参数的变螺距螺旋线方程式为［2］：

图1 变螺距螺旋面的形成Figure 1 The formation of the variable pitch spiral face

同理，点A的运动轨迹形成了变螺距螺旋线L2。连接螺旋线L1上点B和螺旋线L2上的点A，形成直线AB，当直线AB沿着螺旋线L1和L2运动，并且直线AB与螺旋线轴线所形成的角度始终保持90°，那么直线AB的轨迹就形成了变螺距直母线螺旋面［3］。

2 变螺距螺旋线的UG NX参数化表达式的建立

要形成变螺距螺旋面，首先要设计出变螺距的螺旋线，这是要形成准确的螺旋面首先要解决的关键问题。在UG NX中的“螺旋线”命令只能绘制定螺距的圆柱螺旋线、半径规律变化的螺旋线（如阿基米德螺旋线等）［4］。那么如何在UG NX中绘制变螺距螺旋线呢？可以采用“参数表达式”法、“缠绕／展开曲线”法、“扫掠”法和“规律延伸”4种方法［5］。本设计在设计过程中采用“参数表达式”的方法来设计变螺距的螺旋线。根据设计的要求，在UG NX中建立的变螺距螺旋线的三维参数表达式为［6］：

式中：

T—— 系统变量；

A—— 螺旋线的变螺距，mm；

XT——螺旋线在X坐标轴方向的变量，mm；

YT——螺旋线在Y坐标轴方向的变量，mm；

ZT——螺旋线在Z坐标轴方向的变量，mm。

要设计的螺旋线所在的圆柱芯轴的半径为100mm，其中“T”为系统默认的变量（0≤T≤1）。因为变螺距螺旋线在XY坐标平面的投影是圆，所以其X、Y的变化规律为圆的参数方程，而螺距是变化的，所以用Z规律表达式。用UG NX中“曲线”命令工具条中的“规律曲线”命令，“规律函数”选用菜单中的“根据方程”，然后利用上述参数表达式在UG NX中生成三维参数化变螺距螺旋线，见图2。

图2 变螺距螺旋线Figure 2 The variable pitch spirals

3 变螺距螺旋面风道的生成

利用上述建立的变螺距螺旋线参数表达式采用相同的方法，重新生产一个圆柱芯轴半径为300mm的变螺距螺旋线，然后用直线把两条螺旋线对应的端点连接，见图3。根据所形成曲面的需要来定义创建的这些曲线，从而利用UG NX相应的命令来形成符合设计要求的变螺距螺旋曲面。

利用UG NX中的生成曲面命令“通过曲线网格”，选择两条变螺距螺旋线作为主线串，选择连接变螺距螺旋线对应端点的两条直线作为交叉线串，生成变螺距螺旋面，并把生成的变螺距螺旋面进行“片体加厚”，生成实体［7］。再生成这两条变螺距螺旋线的圆柱芯轴并把圆柱芯轴进行“孔”设计，最后把变螺距螺旋面和两个圆柱芯轴进行布尔加运算，最终形成如图4所示的变螺距螺旋面风道。

图3 两条螺旋线形成的曲线网格Figure 3 The curve grid of two spirals forming

图4 变螺距螺旋面风道Figure 4 The variable pitch helicoids duct

4 结束语

根据变螺距螺旋面形成原理建立变螺距螺旋线相应的数学方程式，根据这些数学方程式来建立变螺距螺旋线的三维参数化表达式，利用建立的三维参数表达式在UG NX中生成变螺距螺旋线，最后利用生成的变螺距螺旋线基于UG NX设计出准确可靠的变螺距螺旋面风道的CAD图形，实现对风道的三维参数化设计，提高了设计的效率和准确性，并为后期产品的加工减少加工误差，提高加工质量，大大缩短了产品的改型设计生产周期，为生产提供了一种新的设计方法。

1 洪汉玉.直母线螺旋面三维真实感图形的显示［J］.武汉化工学院学报，1999（1）：57～60.

2 谢有才，杜玉明，潘凤章.可展变螺距螺旋面的展开［J］.天津大学学报，1998，31（1）：79～81.

3 王庆华，游有鹏.基于UG的变螺距螺旋面的研究与开发［J］.现代制造工程，2003（1）：24～26.

4 张士军，韩学军.UG设计与加工［M］.北京：机械工业出版社，2010：41～42.

5 魏焱.在UG中绘制变螺距螺旋线的方法［J］.盐城技师学院院报，2010（4）：27～29.

6 李锦标，李成国.UG NX6.0产品模具设计［M］.北京：清华大学出版社，2011：167～188.

7 赵志鹏，孙向阳.UG NX4中文版从入门到精通［M］.北京：人民邮电出版社，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

山东省教育厅科技计划资助项目（编号：J08LB68）

侯卫平（1973－），男，烟台职业学院讲师，硕士。E－mail：houweipin＠sohu.com

2011－03－30