基于UG的双向螺旋轴的建模方法探讨

吴 丹

（广西柳州钢铁（集团）公司职工培训中心，广西 柳州545002）

双向螺旋轴传动是一种新颖的传动形式，可以实现从单向转动到双向往复平动的转化，具有结构紧凑、传动可靠等特点，广泛用于水稻插秧机的横向送秧机构中。其轴上加工有首尾连接在一起的封闭的左旋、右旋螺旋槽，滑块沿螺旋槽运动。工作时螺旋轴单向旋转推动滑块沿螺旋轴的轴线横向运动，带动与滑块连接的装置往返移动[1-2]。双向螺旋轴的结构比较特殊，在双向螺旋传动装置的设计、分析及优化过程中，均需建立双向螺旋轴的三维模型[3-4]，本文探讨基于UG软件的双向螺旋轴建模方法。

1 双向螺旋轴结构

双向螺旋轴的工作部位是其滑槽，它由中间正常段的螺旋线滑槽、两端回转段和它们之间的连接段组成，本文建模所用的双向螺旋轴总长360 mm，零件图见图1.滑槽沿中间有两根旋向相反螺距为28 mm的8圈完整螺旋线段，滑槽左右两端为回转段，中间段和回转段间各连接有两根旋向相反螺距为33.6 mm的2/3圈螺旋线，滑槽具体尺寸如图2所示，图纸要求中间段和连接段间、连接段和回转段间光滑过渡。

图1 双向螺旋轴零件图

图2 滑槽展开图

本文建立双向螺旋轴三维模型的顺序为：首先做出基础轴段部分（即图1中φ25 mm×340 mm圆柱段），然后绘制双螺旋轴中间段螺旋线和连接段螺旋线，接着定出回转段曲线的若干点，用艺术样条绘出回转段曲线，除回转段曲线绘制时可控制其首尾与连接段螺旋线连接处光滑过渡外，连接段螺旋线与中间段螺旋线连接处由于各自螺距不同，不是光滑过渡，必须进行处理。曲线处理后应用扫掠功能，在轴上切出滑槽，最后进行倒角、挖孔等特征的建模。

2 双向螺旋轴的建模

2.1 中间段和连接段螺旋线的绘制

创建螺旋线前，先创建φ25 mm×340 mm基础圆柱段，其位置按UG默认主视图方向横放，即其轴线与全局坐标Z轴负方向重合，φ4 mm小孔轴线位置与全局坐标Z轴重合。此轴段的圆柱面将会作为后续桥接曲线及扫掠操作时的参考面。在UG中的创建螺旋线时，其基点默认为绝对坐标系的原点，起点为X轴正向，方向沿着Z轴的正向，若直接使用上述的绝对坐标系，将得不到所需的螺旋线。因此绘制螺旋线前需要建立一个新的基准坐标系并将该基准坐标系设为工作坐标系，新坐标系的原点设置在正常移动段的螺旋线起点，X轴向下，Z轴设置为沿着双向螺旋轴的轴线方向后就可以开始螺旋线的绘制。首先，根据双向螺旋轴中间段螺旋线的参数，建立两根长度8圈、螺距为28 mm、旋向分别为左旋和右旋的螺旋线，然后再新建坐标系，其位置见图3，并将其设为工作坐标系，在绘好的螺旋线两端各建立两根2/3圈、螺距为33.6 mm、旋向分别为左旋和右旋的螺旋线。

图3 创建完成的中间段、连接段螺旋线

2.2 回转段曲线的绘制

左右两端回转段曲线从分析图2可知，其为光滑样条曲线，图中用柱坐标的形式给出了曲线上的七个点，其中有两点位于两条连接段螺旋线的终点上，另外五点的坐标值，用相对于中间段螺旋线的坐标系的柱坐标值表示，分别是：（12.5，275°，25.2）、（12.5，315°，27.2）、（12.5，0°，28）、（12.5，45°，27.2）、（12.5，85°，25.2）。柱坐标系是一种三维坐标系，是由径向距离ρ、方位角φ、高度z三种坐标构成，分别对应UG里的半径、角度、ZC增量。创建点时将工作坐标系指定为连接段螺旋线的坐标系，在创建点对话框内选择坐标参考为WCS，XC、YC、ZC的值为0，并将偏置选项设置为柱面副，并输入柱坐标值，见图4.

图4 创建点对话框

点构造完成之后，应用艺术样条命令，依次按顺序选取点，艺术样条的起点和端点选择两根2/3圈螺旋线的端点，此外，为了保证曲线的连续性，要对样条曲线的首末两点进行约束，约束类型均为G1相切，并且选取2/3段螺旋线为指定相切方向，见图5.

图5 创建回转段样条曲线

2.3 桥接曲线的绘制

由于中间段螺旋线与连接段螺旋线螺距不同，两者连接处不是光滑连接。如果不处理，滑块移动到该位置时速度会发生跳跃，造成装置移动不平稳，因此须对此进行光滑处理。处理的思路是将中间段或连接段螺旋线截短一小段，使得两条螺旋线分离，然后应用UG的桥接曲线将这两段分离的螺旋线连接起来，并控制桥接曲线的起点与终点均与所连接的螺旋线相切，实现中间段和连接段的螺旋线光滑连接。在本例中，应用UG的曲线编辑中的长度命令先将中间段螺旋线的首尾均截短5 mm，具体菜单操作为：编辑/曲线/长度，弹出曲线长度对话框，见图6.

图6 中间段螺旋线截短

完成曲线截短后，用桥接曲线将其与连接段光滑连接起来，并控制桥接曲线沿轴段圆柱面生成，见图7.

图7 桥接曲线对话框

至此，完成了滑槽扫掠轨迹曲线的创建，结果见图8.

图8 滑槽扫掠轨迹曲线

2.4 滑槽实体的建模

双向螺旋轴的滑槽实体应用扫掠命令生成，扫掠是指将一个平面截面图形沿着指定的引导线运动，从而创建出相应的三维实体或曲面，引导线可以是直线、圆弧和样条等曲线，但是引导线最多可以指定三条。当截面曲线为封闭曲线时，生成的扫掠特征为实体，当截面曲线为不封闭的曲线时，扫掠生成曲面特征。

双向螺旋轴的滑槽为宽5 mm深4.5 mm的槽，即扫掠截面应为5 mm×4.5 mm的矩形，在扫掠滑槽实体时，扫掠截面确定为5 mm×5 mm的矩形，见图9.

图9 滑槽扫掠截面

应用扫掠命令建立滑槽实体，由于上面所创建的扫掠轨迹自相交，不能直接一次全选，需要分段创建扫掠体，每次按顺序选择若干段不自相交的轨迹，在选择所需轨迹时，应先隐藏不需要的轨迹。在创建每段扫掠体时，需要在扫掠命令对话框的截面选项中的定位方法选择面的法向，然后选择基础轴端圆柱面，保证扫掠时截面的法向方向与圆柱面相切，见图10.最终完成的滑槽实体见图11.

图10 扫掠对话框

图11 滑槽实体

2.5 螺旋轴滑槽生成

螺旋轴的滑槽是用先前的基础轴段切去滑槽实体而成，在UG中应用布尔运算的求差即可，通过观察发现应用上述方法获得的滑槽表面的光滑性较差，其结果不能直接用于螺旋轴的分析等，见图12.这是由于UG软件的扫掠功能算法决定的，需将其去除。

图12 滑槽生成结果

3 改进模型

3.1 修改扫掠截面

为解决滑道表面光滑性较差的问题，本例在建模过程中，将扫掠截面的高度增加1 mm，即扫掠截面为5 mm×6 mm的矩形，见图13.并在扫掠完成之后，用φ16 mm×340 mm圆柱体切除多余部分，然后用获得的滑槽实体在基础轴段切出滑槽。通过先增加滑槽体的厚度，并切除多余部分，保证了滑槽体底部光滑，从而保证切出的滑槽表面是光滑的，见图14.

图13 改进扫掠截面

图14 滑槽改进结果

3.2 细节建模

按图纸要求，做出轴孔、退刀槽、倒角的细节特征的建模，完成双向螺旋轴的建模，见图15.

图15 双向螺旋轴建模结果

4 结束语

本文分析双向螺旋轴的结构特点，基于UG软件，探讨适当的建模方法，中间段、连接段螺旋线直接应用UG的曲线功能的螺旋线命令创建，回转段曲线先用柱坐标方式创建点，用艺术样条曲线过点连成光滑曲线。为解决中间段、连接段螺旋线由于螺距不同，连接处不光滑的情况，将中间段螺旋线先截短，增加一段桥接曲线将两者光滑连接起来。用扫掠功能做出滑槽实体，其厚度比滑槽深度稍大，接着切除多出部分，保证底面光滑。再用滑槽实体在基础轴端上切出滑槽。最后作出其他轴段、轴孔、退刀槽、倒角的特征，完成双向螺旋轴的建模。