基于Auto CAD的蜗杆车削加工仿真

郭良超，贾宏浩

河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467000

AutoCAD作为广为流行的一种通用CAD平台软件，不但具有强大的交互式三维绘图功能，还可以在其基础上进行二次开发，具有参数化三维实体造型功能。以AutoCAD为基本环境，用其内嵌Visual LISP语言、DCL语言实现蜗杆的参数化建模并实现蜗杆齿形加工的动态仿真，在工程设计中具有重要的意义。

1 蜗杆车削加工仿真和参数化建模原理

1.1 蜗杆轴向直廓齿形截面的确定

阿基米德蜗杆的基本参数如下：蜗杆头数∶Z，模数∶m，直径系数q，齿形角α（一般选取20°），根据这些基本参数可以列出蜗杆的计算参数：蜗杆轴向齿距Pa=πm，分度圆直径：d=mq，齿顶高：ha=m，齿根高：hf=1.2m，齿顶圆直径：da=d+2ha，齿根圆直径：df=d-2hf。由于阿基米德蜗杆在轴向主平面与涡轮式直线齿条与渐开线齿轮啮合，有以上计算参数可以推算出蜗杆轴向直廓齿形的几何尺寸，并绘制出轮廓截面。

1.2 阿基米德螺旋线的确定

加工时阿基米德蜗杆圆柱坯体围绕自身轴线，作匀速圆周运动（角速度为ω），同时车刀在作平行于圆柱母线的匀速直线运动（线速度为v），将两者运动轨迹合成即为阿基米德螺旋线。（车刀前面刀刃中点P的运动轨迹线）。以圆柱体体为参考，车刀前面刀刃中点P的运动轨迹方程为：x=rcosθ，y=rsinθ，z=bθ。（其中θ=ωt，b=v/ω）。根据以上方程和2r=da，可以计算出在相同时间内圆柱坯体旋转的弧度和车刀水平运动距离之间的关系。

1.3 车削加工蜗杆仿真的基本原理

利用AutoCAD内嵌的Visual LISP语言二维绘图命令（command）绘制出蜗杆轴向直廓齿形截面，并通过三维拉伸命令（extruded）实现车刀实体建模。利用循环函数（repeat）嵌套三维实体旋转命令（rotate3D）、移动命令（move）和布尔运算求差集命令（subtract），实现车刀在水平方向上的移动以及圆柱毛坯体绕其轴线的旋转，使车刀前面刀刃中点P沿阿基米德螺旋线轨迹运动。布尔运算在每一次循环后求出车刀与圆柱毛坯体的差集。经过若干次连续循环后及形成蜗杆车削加工的仿真。

1.4 参数化建模的原理

利用了AutoCAD中的DCL语言编写对话框，将蜗杆加工时的几个必要参数输入到对话框中，然后在再用Visual Lisp语言驱动DCL对话框，将输入到对话框中的参数值读取并传递到Visual Lisp中用于绘制二维轮廓以及三维实体。经过上述循环后，就能得到符合参数输入要求的蜗杆三维实体。

2 程序的简要介绍

1）定义函数并驱动DLC对话框语句为：

2）从对话框中取值语句为：

3）初始化AtuoCAD三维环境语句为：

4）车削蜗杆工艺系统（机床、工件、刀具、夹具）建模：

运用“polar”命令确定草图各个定点位置，用command命令中的“line”参数将各点连接画线用“entlast”命令生成面域，用command命令中的“extrude” 、"cylinder"、"union"、"array"等参数进行实体建模。

整个工艺系统建模如下图所示：

图1

图2

5）车削加工运动仿真语句为：

其中“repeat”为循环命令“copy”为复制命令“subtract”为布尔减运算。

6）经过连续运动后自动生成的蜗杆三维实体造型（如图2）

7）DLC语言编写对话框：

利用DLC语言中的“dialog”“text”“edit_text”“ok_cancel”等控件命令，

8）程序的加载运行

在AutoCAD Visual Lisp编辑其中加载程序，在AutoCAD命令窗口输入程序定义的函数名“cam”，上图4对话框会自动弹出，在对话框中输入蜗杆的基本参数，点击“确定”按钮，整个加工仿真过程就会在AutoCAD模型窗口中自动演示，最后通过Visual Lisp语言中擦除命令“eraser”将其它三维实体擦除，只保留蜗杆三维造型（如图2）。

3 结论

加工仿真技术是上世纪90年代兴起的一种新的制造技术。该技术借助三维动态的仿真模型模拟产品设计及其相关的过程，以实现在实际的物理生产活动之前完成产品的可行性分析。在机械产品设计中，利用计算机来实现仿真加工已成为一种必然趋势。机械加工仿真技术在我国尚处于起步阶段，这方面还有很多工作需要做进一步的研究和探索。

[1]胡仁喜，胡星，史青录.Auto LISP机械设计高级应用实例[M].机械工业出版社.

[2]吴永进，林美樱.AutoLISP&DCL基础篇[M].中国铁道出版社.