2024年5月15日发(作者：魅蓝m3参数)

机械

　　２００５年第４期　总第３２卷　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　计算机应用技术　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

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UG二次开发在蜗轮三维参数化建模中的应用

杨建宇，谢刚，周兵

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

摘要：根据蜗轮的加工原理，利用UG系统所提供的三维参数化造型功能和内嵌的UG/Open GRIP开发环境，实现了用

仿真加工方法参数化创建圆柱阿基米德蜗轮三维模型的目的。

关键词：UG；UG/ Open GRIP；蜗轮；仿真加工；参数化建模

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006－0316(2005)04－0041－04

蜗轮作为通用的传动元件广泛地应用在各种机

械制造部门中，对它进行参数化建模，快速、准确

地创建可用于分析和制造的三维模型有很大的应用

价值。目前，用于三维建模的软件很多，如UG、

Pro/E、Ideas、Solidwork等。这其中Unigraphics(简

称UG)是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制

造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件。它实现

了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组

合，使用户能够数字化地创建和获取三维产品定义，

是世界上最优秀的三维建模软件，所以本文以UG

为软件平台，研究了使用UG/Open GRIP语言来创

建参数直接趋动的蜗轮三维实体的建模程序。

蜗轮按形状不同可分为圆柱蜗轮、环面蜗轮、

锥蜗轮三类。由于刀具加工位置的不同，圆柱蜗轮

又有阿基米德蜗轮、渐开线蜗轮、法向直廓蜗轮等

多种，其中最常见的是阿基米德蜗轮

[2]

。这里我们

以圆柱阿基米德蜗轮为例，介绍如何通过编制GRIP

程序创建蜗轮的实体模型。按照GRIP的语法规则

编写参数趋动的蜗轮建模源程序的主要步骤如下：

（1）申明变量：在GRIP程序中必须对全部变

量进行正确地申明，才能保证程序运行正确。

（2）输入参数：通过人-机交互语句输入创建

蜗杆机构实体模型所必需的参数。

主要包括：模数m、蜗杆的头数z

1

、蜗轮的齿数

z

2

、压力角a、分度圆导程角?、中心距a、变位系

数x、齿顶高系数h

a

*

、径向间隙c

*

、齿根圆角半径

?

f

、蜗轮厚度b。

（3）计算结构尺寸：按蜗杆蜗轮机构的尺寸公

式计算参数，分别得出蜗杆蜗轮的齿顶圆、分度圆、

齿根圆、基圆、蜗轮母圆、喉圆的直径以及分度圆

齿距等建模过程中要使用的结构数据。

（4）创建蜗杆形刀具：根据计算出的尺寸，绘

出封闭的蜗杆齿槽轮廓线。对所创建的齿槽轮廓线

进行移动、扫掠、缝合等操作生成三维模型，并进

创建蜗轮实体 创建附加结构

申明变量 输入参数

计算结构尺寸 创建蜗杆形刀具

1 UG/Open GRIP

UG/Open GRIP是UG的CAD/CAM软件包中

的一个模块，是UG软件的二次开发工具之一。它

可以针对具体对象在软件平台上设计出界面友好、

功能强大和使用方便的专用产品的CAD/ CAM系

统。GRIP(Graphics Interactive Programming)是一种

专用的图形交互编程语言，开发者可以用GRIP编

程的方法自动实现在UG下进行的绝大部分操作。

而且，UG/Open GRIP可以与功能更强大的二次开发

模块UG/Open API的相互调用，实现两者的联合开

发

[1]

。

2 蜗杆传动机构三维参数化建模方案

2.1 总体编程步骤

——————————————

收稿日期：2004－11－03

・

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计算机应用技术　

　

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一步通过布尔加、减运算生成蜗杆形刀具。

（5）创建蜗轮实体：用所创建的蜗杆形刀具，

在蜗轮坯体上仿真加工出蜗轮齿廓。

（6）创建附加结构：蜗轮上一般有倒角等附加

结构，这些可以通过程序完成创建，使建模工作更

简便、快捷。

ZPOS= PITCH*TURNS*PSPACE+ZCENTR

HINT= HINT+1

HPNTS(HINT)= POINT / XPOS,YPOS,ZPOS

LAB2：

HSPLENT(1)= SPLINE / HPNTS(1..201)

DRAW / HSPLENT(1)

DELETE / HPNTS(1..201)

2.2 蜗轮创建

（1）创建蜗杆坯体

根据蜗杆齿顶圆直径（作为刀具的蜗杆齿顶要

加高m

c

*

以便加工出顶隙）创建圆柱体，高度大于参

与啮合的长度即可，坐标系原点位于中心（如图1

所示）。

Y

C

X

C

其中：HASTART为螺旋线起始角；HRADIUS(1) 为

蜗杆分度圆半径；TURNS为螺旋线圈数 ；PITCH

为螺距；HPNTS(HINT)为拟合点 ；HSPLENT(1)为

螺旋线。

若螺旋线为左旋，Y坐标计算公式改为：

YPOS=-HRADIUS(1)*SINF(HASPACE)+YCENTR

为了保证扫掠过程中矢量的正确，应再创建一

条等螺距的同轴螺旋线作为并存的扫掠路径，如图

3所示。

Y

C

图1 蜗杆坯体

（2）创建蜗杆齿槽轮廓

蜗杆齿形在中平面上是标准直齿齿条的齿廓

[3]

图3 蜗杆扫掠路径

，可以根据计算出的齿顶圆半径，齿根圆半径，

分度圆半径，压力角直接绘制出齿槽轮廓，注意要

创建出刀具圆角，以得到蜗轮的齿根过渡圆角（如

图2所示）。

m

c

*

齿顶加高m

c

*

刀具圆角

（4）生成齿槽三维实体

在GRIP语言中直接将自由形状的轮廓扫掠成

实体比较困难，可以用B曲面扫掠法依次将各条轮

廓线沿扫路径掠成曲面，再对曲面进行缝合，形成

齿槽三维实体，如图4所示。

X

C

图2 蜗杆齿槽轮廓

图4 蜗杆齿槽实体

（3）创建扫掠路径。

蜗杆齿槽的扫掠路径是以蜗杆中心轴为轴线，

蜗杆分度圆直径为直径，蜗杆分度圆导程角为螺旋

升角的螺旋线。根据蜗杆的旋向不同，设置可选择

左旋或右旋的选项。

螺旋线（右旋）创建方法如下：

DO/LAB2：, PSPACE, 0, 1.005, 0.005

HASPACE= HASTART+TURNS*360*PSPACE

XPOS=HRADIUS(1)*COSF(HASPACE)+,$

XCENTR

YPOS= HRADIUS(1)*SINF(HASPACE)+,$

YCENTR

（5）创建蜗杆实体模型

以蜗杆的轴线为中心，按头数对齿槽实体旋转

复制。本例是双头蜗杆，将齿槽实体旋转180º复制。

用布尔减操作，在坯体上减去齿槽实体，完成蜗杆

形刀具的创建，如图5所示。

（6）旋转蜗杆实体

将蜗杆实体旋转到减运算的初始位置,转动角

度为ROTANG2。根据设定的步长TANGLE1，用复

制的方式绕蜗杆轴线旋转生成一系列蜗杆实体，这

些实体就是用来加工的“刀具”。

ROTANG1=ACOSF((A-GTOPRAD)/LTOPRAD)

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・

ROTANG2=ROTANG1×LZ / GZ

MAT2=MATRIX / XYROT, -ROTANG2

TRANSF / MAT2, HENT(1), MOVE

DO/LAB11：, ASPACE2, 0, 1.025, 0.025

TANGLE1 = ASPACE2× ROTANG2×2

MAT3 = MATRIX / XYROT, TANGLE1

CINT= CINT+1

HCENT (CINT) = TRANSF / MAT3, HENT(1)

LAB11：

以得到不同精度的轮齿。

（9）创建蜗轮实体

按齿数旋转复制单个轮齿模型，再布尔相加就

可以得到一个完整的蜗轮实体。

（10）创建蜗轮附加结构

最后在实体上创建出蜗轮喉圆和倒角，蜗轮三

维实体就创建完成(如图8所示)。

图7 单个蜗轮轮齿

其中：HENT(1)和HCENT(CINT)均为蜗杆实体

（7）创建蜗轮坯体

把工作坐标系换到蜗轮中心创建蜗轮仿真加工

坯体。蜗轮齿坯是一个带孔的圆柱体。为了减少计

算量，加快程序运行速度，最好只创建单个齿扇作

为齿坯，旋转齿坯使之移动到中线与蜗杆实体相接

触的位置（旋转角度ROTANG1），模拟加工后用阵

列的方法形成整个蜗轮(如图6所示)。

Y

C

齿坯初始位置

Z

C

X

C

图8 蜗轮实体

3 结论

本文研究了基于UG系统的蜗轮三维参数化建

模方法，使用GRIP语言编制实用的二次开发程序，

实现了仅输入必要参数即可快速准确建模的目标，

使建模过程大大简化。本方法可极大地缩短蜗轮的

建模时间，为以后的运动分析、力学分析、虚拟装

配等都奠定良好基础，具有较高的实用价值。

齿坯旋转位置

Y

C

图5 蜗杆实体 图6 蜗轮坯体

（8）旋转切削蜗轮坯体

以适当的步长（ROTANG3）绕蜗轮轴线旋转移

动蜗轮坯体，每旋转移动一次就减去相应的蜗杆形

刀具一次，直到蜗轮坯体与相应的蜗杆形刀具没有

交集。

ST11：

IFTHEN/INT<40

ROTANG3 = 2×0.025×ROTANG1

MAT4 = MATRIX / XYROT, ROTANG3

INT = INT+1

TRANSF / MAT4, ENT(1), MOVE

SUBTRA / ENT(1), WITH, HCENT(INT), $

IFERR, ST12：

JUMP/ST11：

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循环相减完成后，所得到的实体就是蜗轮单个

轮齿的模型了（如图7所示）。改变旋转的步长，可