X 5 0 3 2立式铣床主传动系统正交齿轮参数化实体建模及动态仿真

王素粉

（三门峡职业技术学院 机电工程系，河南 三门峡 472000）

引言

正交齿轮传动是两个圆锥齿轮两正交轴之间的传动，其轴夹角∑为90°，用来传递正交轴之间的运动和动力。是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，利用平面绘图及静态描述的方法已经不能把传动系统中圆锥齿轮的啮合过程明确地表达出来，X5032立式铣床主传动系统中的直齿圆锥齿轮正交传递系统的传递精度及运动状态直接影响到铣床的铣削精度，为了实现对其传递过程的立体描述及实时控制，本文利用三维造型软件SolidWorks及VC++6.0对直齿圆锥齿轮进行参数化建模，并对其传动进行装配，最后利用Animator插件进行动态仿真，此参数化设计的方法为直齿圆锥齿轮提供了更为快捷和准确的设计方式，使设计人员能够全方位地观察圆锥齿轮的运动状态。为立式铣床的传动系统中正交齿轮的受力分析及其他的力学性能分析奠定了理论基础。

1 X5032立式铣床主传动系统分析

图1是X5032铣床传动系统，传动系统包括主传动和进给传动，主要分析主传动系统，电动机通过I—II—III—IV四根轴上面的齿轮传动把动力传递到第V根轴，那么，第V根轴在进行力的传递时是通过直齿圆锥齿轮进行的，把力的方向改变90°，传递到第VI根轴，最后到达主轴。在此传递的过程当中，直齿圆锥齿轮不但起到了力的传递，还对力的方向进行了改变，其传递效果直接影响到主轴运转的情况，影响到加工效果。

图1 X5032铣床传动系统

2 正交直齿圆锥齿轮传动的几何参数计算及参数化建模

2.1 正交齿轮的几何参数计算

X5032铣床主传动系统图1中所显示的直齿圆锥齿轮齿数、模数均相等。先确定基础参数模数M=3.0、齿数Z1=Z2=29，通过基本参数计算出其他的参数，分度圆、齿顶圆、齿根圆、锥距、齿根角等。由于X5032铣床主传动系统中直齿圆锥齿轮的基本参数相同，现只进行其中一个齿轮的参数化建模，直齿圆锥齿轮传动的基本尺寸如图2所示，其参数计算公式如表1所示。

图2 直齿圆锥齿轮传动的基本尺寸

2.2 直齿圆锥齿轮参数化建模

根据2.1中的对直齿圆锥齿轮的几何参数计算，笔者利用VC++语言作为SolidWorks的二次开发工具，对X5032立式铣床的主传动系统中的直齿圆锥齿轮进行参数化建模，通过对其结构的分析及计算公式的约束，利用VC语言进行后台支撑，生成参数计算的界面，如图3所示，此计算过程有齿轮基本参数输入端和齿轮参数计算端，通过修改齿轮的输入参数可以生成新的齿轮，实现参数化操作界面，同时可以生成齿轮的三维模型，X5032铣床主传动系统最终生成的齿轮如图4所示。

3 直齿圆锥齿轮的虚拟装配

在所建立好的直齿圆锥齿轮的模型的前提下，对其进行装配，装配之前要先进行机架的设计，这样可以使得齿轮实现正确的啮合。此设计过程为：点击 “新建”，装配体文件—插入机架—插入齿轮（依次插入两个齿轮及齿轮轴）—选择“配合”按钮，利用同轴心配合、平行度及重合度配合标准，可以很精确的把两个直齿圆锥齿轮正确的约束在所设计的机架上面，再选择SolidWorks中高级配合“齿轮配合”，精确的把两个直齿圆锥齿轮约束在一起，为了保证齿轮啮合的精确度，选择“干涉检验”按钮，即可有效检验出所装配的齿轮中是否存在干涉现象。检验齿轮啮合无干涉后把所设计的机架部分进行隐藏，这样界面中所显示的只有啮合齿轮，便于观察其运动情况。直齿圆锥齿轮传动虚拟装配如图5所示。

表1 圆锥齿轮参数计算

图3 直齿圆锥齿轮参数化设计界面

图4 生成的圆锥齿轮模型

图5 直齿圆锥齿轮虚拟装配

4 正交齿轮传动系统运动仿真

把直齿圆锥齿轮装配图打开，点击 “模拟”按钮→选择“马达”，设置好两个圆锥齿轮的旋转方向以及角速度值→选择“计算模拟”，这样两个齿轮就按照所设置的方向和速度旋转→选择 “重播模拟”可以观看模拟动画，也可以通过选择动画控制里面的快速和慢速播放来控制其播放速度→点击 “保存”按钮，可以保存动画的AVI格式。

利用Animator插件来编辑制作好的动画。可以自动生成直齿圆锥齿轮在啮合的过程当中零件的渐变效果，其原理如图6所示。

图6 正交齿轮传动运动仿真原理

在动画编辑区域，把时间栏放置在某位置，来设置零件的状态，软件能自动生成零件的渐变效果。

5 结语

本文通过SolidWorks三维实体造型软件及VC++语言，实现对X5032铣床主传动系统中正交齿轮的参数化设计及虚拟装配，此参数化设计的方法为直齿圆锥齿轮提供了更为快捷和准确的设计方式，最后利用Animator插件对正交轴圆锥齿轮的传动过程进行实时录制，实现动态仿真，可以通过控制仿真视频的速度对其啮合状况进行实时监控，使设计人员能够全方位地观察圆锥齿轮的运动状态。为立式铣床的传动系统中正交齿轮的受力分析及其他的力学性能分析奠定了理论基础。

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