圆柱螺旋压缩弹簧的Pro/PROGRAM参数化建模设计

张鹏程,李国芹,贾新立

(河北工程技术高等专科学校 电力工程系,河北 沧州 061001)

参数化设计[1][2]是指通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸,自动完成对图形中相关部分的修改,从而实现同类结构机械产品的快速设计。引入参数式设计能够有效地减少人工改图或者设计计算所需的时间,大大提高工作效率。Pro/Engineer是美国 PTC公司开发的大型CAD/CAM/CAE集成软件,具有单一数据库、参数化、基于特征的三维实体造型软件系统,在我国的机械制造业和模具制造业应用极广。

弹簧是工业中最常用的零件之一,在很多机构和机器作为弹性元件,它要求受外力后能有较大的变形,而随着载荷的卸除,其变形消失,恢复原状。圆柱螺旋压缩弹簧的特性线呈线性,刚度稳定,结构简单,制造方便,应用较广,在机械设备中多用作缓冲,减振,以及存储能量和控制运动等。

文中以 YI型、YII型、YIII型三种工业中最常用的圆柱螺旋压缩弹簧[3]数化设计为例,先采用 Pro/E建立弹簧的通用模型,然后利用 PROGRAM模块对模型参数化改造,建立不同参数之间的驱动关系,使得弹簧模型能够根据输入的不同参数值而进行交互式更新,从而极大的方便了设计过程。

1 圆柱螺旋压缩弹簧的一般设计要求

圆柱螺旋压缩弹簧通常是用圆形剖面的弹簧丝卷绕而成,且为等节距的。弹簧的两端为支承圈,它与弹簧座相接触,两端支承圈各由 0.75～1.75圈弹簧并紧而成,工作时不参与弹簧的变形,故又称为死圈[4]。要求支承圈端面与弹簧的轴心线相垂直。并紧的支承圈端部形式有不磨平端部和磨平端部两种。受交变载荷的重要弹簧要采用磨平端部。其磨平长度应不小于一圈弹簧圆周长度的 3/4,弹簧丝末端厚度应近于d/4,d为弹簧丝线径。

2 弹簧的设计参数及计算方法

圆柱形螺旋弹簧结构如图 1所示,主要参数有:弹簧丝线径 d、弹簧外径D、弹簧圈内径 D1,弹簧圈中径D2,弹簧工作圈数(有效圈数)n,支撑圈数n1,t,自由长度 H0等[5],其中:中径 D2=C×d,C为弹簧指数,d为弹簧丝线径,外径 D=D2+d,内径 D1=D2-d;总圈数为n1=n+2(0.75～1.75),0.75～1.75为一端的支撑圈数,n为工作圈数;节距为

W′为最大工作载荷作用下弹簧相邻圈间的间隙,通常取W′≥0.1d;自由高度为

图1 弹簧的结构及参数

3 弹簧的 Pro/E建模过程[6]

1)新建一个文件,名称为Spring,类型为“零件”,子类型为实体,模板为“mmns_part_solid”。

2)使用菜单命令“插入”＞“螺旋扫描”＞“伸出项”。

3)在属性菜单中选中“可变的”、“穿过轴”以及“右手定则”,选中 FRONT作为基准平面,方向为正向,草绘视图选择缺省。

4)进入草绘环境,绘制螺旋轨迹曲线的轮廓及旋转轴线。

5)输入轨迹起始端的螺距值,利用控制曲线菜单添加和删除控制点,在这些控制点处指定具体的螺距值。

6)绘制扫描的载面,点击确定,完成弹簧建模。

7)创建拉伸特征,选择去除材料,对弹簧的端部进行切除,实现磨平效果。

4 利用 Pro/PROGRAM进行参数化建模

Pro/PROGRAM是 Pro/ENGINEER中的一个模块,它可以用来记录特征的整个创建过程,包括特征类型、参数、关系等创建特征所需要的所有信息,通过适当修改该段程序,就可以方便地生成一族外型类似的特征,从而大大提高设计建模速度。

弹簧模型建立完成之后,执行工具菜单中的程序,在菜单管理器中选择编辑设计,打开 Spring.pls文件进行编辑。

4.1 设置输入提示与参数

为了根据要求输入不同弹簧参数,而使模型的改变和更新具有交互式的效果,在 INPUT… END INPUT之间输入提示语句,这样用户在执行 PROGRAM时,可以根据系统提示选择输入需要修改的参数值。如弹簧端部形式的选择,分别用“1”,“2”,“3”代表三种不同形式的弹簧:

INPUT

端部形式 NUMBER

″请选择端部形式(1.并紧研磨 2.并紧不研磨 3.不并紧不研磨):

END INPUT

4.2 添加驱动关系

三种圆柱弹簧的区别在于不同的端部形式和不同的并圈数,而不同的参数及其驱动关系最终规定了模型的具体形状。在 PROGRAM中 RELAT ION… END RELATION之间输入原有参数之间、新设参数与原有参数之间的关系式,利用 IF… ELSE语句,使 Pro/E根据判断条件选择性的执行某些关系式,从而获得不同的弹簧模型参数。以 YI型弹簧为例,端部形式为并紧研磨,其主要关系描述如下:

RELATION

……

IF端部形式==1

端部处理方式= '研磨 '

并圈数=2

总圈数=有效圈数+并圈数

自由长度=有效圈数*(节距-线径)+(总圈数-0.5)*线径

D1=自由长度-1.5*线径

D14=自由长度-2*线径

ENDIF

……

END RELAT ION

5 参数化模型执行结果

打开模型文件 Spring.par,单击菜单中的“再生模型”按钮,在提示输入的菜单中点击“输入”,参数选择菜单如图 2所示,单击“选取全部”,重新输入弹簧的各个参数,输入参数对话框如图 3所示,最后可以获得所需要的弹簧模型。图 4中为选择不同端部形式,采用不同参数利用文中方法设计完成的三种不同形式的弹簧实体模型,即端部并紧磨平(YI型)、端部并紧不磨平(YII型)、端部不并紧不磨平(YIII)型。

图2 选择输入参数菜单

6 结论

利用 Pro/E的 Pro/PROGRAM设计产品,通过对 PROGRAM文件的编辑,可以自动创建所需要的产品模型,更加体现了 Pro/E参数化设计的思想,充分发挥了 Pro/ENGINEER的强大功能;企业能够根据自身的产品对象,开发出适合自已使用的标准零件和标准组件库,从而使产品设计更富有选择性和弹性。

[1]韩国才,张锂.基于Pro/E的机械零件特片模型库参数化设计 [J].制造业自动化,2006,28(4):14-16.

[2]田启华,赵卫,杜义贤.基于Pro/E的机械零件三维 CAD系统的研究与实现 [J].机械制造,2004,42(476):42-44.

[3]成大先.机械设计手册单行本.弹簧·起重运输件·五金件 [M].北京:化学工业出版社 ,2004.

[4]王时任,郭文平,漆德俭等.机械原理及机械零件 [M].北京:高等教育出版社,1984.

[5]侯顺强,张丽丽,螺旋圆柱压缩弹簧优化设计 [J].煤矿机械,2006,27(2):202-204.

[6]钟日铭.Pro/ENGIN EER野火版 3.0完全实例导航[M].北京:机械工业出版社,2006.