基于CAXA螺纹实体设计及装配运动仿真

摘 要：文中以内、外三角螺纹为例，详细描述了使用CAXA实体设计曲面功能创建螺纹的全过程，装配、动画功能实现内外螺纹装配仿真运动。其中采用的一些技巧，对其他特殊螺纹实体设计有一定借鉴价值。

关键词：螺纹装配；曲面造型；仿真动画

0前言

螺纹是实现零件组装的常见联接结构。根据截面形状（牙型）的不同分为三角形（也称普通螺纹）、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。外螺纹和内螺纹配合可实现紧固、密封、传动的作用。三角形螺纹主要用于紧固联接，管螺主要用于纹密封，矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹主要用于螺旋传动[1]。在CAXA 实体设计软件中可利用[工具]设计元素库中的[紧固件]拖放到设计环境中构造三角螺纹[2]，且都是示意性的缺乏真实感。根据螺纹的构成特点，利用螺旋线、截面草图、扫描特征等可创建真实螺纹，其中矩形螺纹，梯形螺纹都可以生成实体，但因三角螺纹的草图截面大小在扫描特征中发生干涉，在生成螺纹时发生错误。通常做法是将草图截面图尺寸缩小，但内外螺纹配合时将配合不上，且很多教材里都没有关于内外螺纹配合的实例。为解决这一问题，本文对三角螺纹创建方法进行了创新修改，下面笔者详细描述使用CAXA实体设计曲面功能创建螺纹的整个过程，利用装配功能将内外三角螺纹进行装配，利用动画将装配运动仿真出来。

1内、外螺纹的零件图（如图1、图2）

2外螺纹实体设计

根据螺纹的构成特点，利用螺旋线、截面草图、扫描特征等可创建真实螺纹，其中矩形螺纹，梯形螺纹都可以生成实体，但因三角螺纹的草图截面大小在扫描特征中发生干涉，在生成螺纹时发生错误。这里通过两次扫描特征解决干涉问题，具体操作步骤如下：

M30的螺距为3.5mm，螺纹大径为30 mm。

1）创建30×70的圆柱体。在Z轴方向拖拽圆柱体元素，修改尺寸。

2）创建螺旋线。利用[曲面]―[三维曲线]―[插入螺旋线]命令。拾取圆柱底面中心点，弹出[螺旋线]对话框，修改参数，高度为58mm，起始端节距为3.5mm，起始端半径15mm。按F10调出三维球，沿轴线向圆柱底面外侧平移3.5mm，F10退出三维球。右键确定退出曲线命令。

3）绘制草图截面1。利用[草图]―[创建2D草图]命令，2D草图放置类型为[过曲线上一点的曲线法平面]，定位在曲线上位置选择[弧长]，几何元素拾取螺旋线起点，确定进入草图平面。绘制草图如图3所示，退出草图。

4）扫描除料。利用[特征]―[扫描]命令，选择[从设计环境中选择一个零件]，单击圆柱体，依次选择草图1为轮廓，螺旋线为路径，使用默认锁定方向，除料，确定退出扫描特征。

5）绘制草图截面2。利用[草图]―[创建2D草图]命令，2D草图放置类型为[过曲线上一点的曲线法平面]，定位在曲线上位置选择[弧长]，几何元素拾取螺旋线起点，确定进入草图平面。绘制草图如图4所示，退出草图。

6）扫描除料。利用[特征]―[扫描]命令，选择[从设计环境中选择一个零件]，单击圆柱体，依次选择草图2为轮廓，螺旋线为路径，使用默认锁定方向，除料，确定退出扫描特征。

7）保存并退出文件。

3内螺纹实体设计

内螺纹可用扫描增量创建实体，同外三角螺纹一样分两次进行，其中草图截面与外螺纹不同，具体如下：

1）创建45×20的圆柱体，30通孔。在Z轴方向拖拽圆柱体元素，修改尺寸。

2）创建螺旋线。利用[曲面]―[三维曲线]―[插入螺旋线]命令。拾取圆柱顶面中心点，弹出[螺旋线]对话框，修改参数，高度为28mm，起始端节距为3.5mm，起始端半径15mm。按F10调出三维球，沿轴线向圆柱底面外侧平移3.5mm，F10退出三维球。右键确定退出曲线命令。

3）绘制草图截面3。利用[草图]―[创建2D草图]命令，2D草图放置类型为[过曲线上一点的曲线法平面]，定位在曲线上位置选择[弧长]，几何元素拾取螺旋线起点，确定进入草图平面。绘制草图如图3所示，退出草图。

4）扫描增料。利用[特征]―[扫描]命令，选择[从设计环境中选择一个零件]，单击圆柱体，依次选择草图3为轮廓，螺旋线为路径，使用默认锁定方向，增料，确定退出扫描特征。

5）绘制草图截面4。利用[草图]―[创建2D草图]命令，2D草图放置类型为[过曲线上一点的曲线法平面]，定位在曲线上位置选择[弧长]，几何元素拾取螺旋线起点，确定进入草图平面。绘制草图如图4所示，退出草图。

6）扫描增料。利用[特征]―[扫描]命令，选择[从设计环境中选择一个零件]，单击圆柱体，依次选择草图4为轮廓，螺旋线为路径，使用默认锁定方向，增料，确定退出扫描特征。

7）保存并退出文件。

4螺纹装配、运动仿真

通过三角螺纹装配分析，假定外螺纹不动，那么内螺纹运动为自身旋转一周时，轴向移动1个螺距。根据这一规律添加运动仿真动画。将内螺纹切掉1/4，使观察方便。下面通过智能动画向导创建自定义动画，具体步骤如下：

1）新建一个设计文件；

2）导入内螺纹，外螺纹。利用[装配]功能―[零件/装配]命令，弹出[插入零件]对话框，点击[导入选项]，取消 [手动放置]、[把所有的组合成为一个几何体]选框，点击[确定]，点击[打开]；

3）利用三维球将内螺纹调到合适位置，要求内外螺纹同轴，之间距离为整数陪螺距（L=np），这里距离调整为40mm。

4）制作动画1。利用[显示]功能，选中[内螺纹]，点击[添加新路径]，弹出[智能动画向导]对话框，选择[旋转]，[绕高度方向轴]，参数修改为7200，点击[下一步]，修改时间为20，点击[完成]。

5）制作动画2。继续点击[添加新路径]，弹出[智能动画向导]对话框，选择[移动]，[绕高度方向轴]，参数修改为80，点击[下一步]，修改时间为20，点击[完成]。

6）编辑制作动画2的时间。选择[智能动画编辑器]命令，弹出[智能动画编辑器]对话框，鼠标放置在[装配2]上右键[展开]，鼠标放置在[高度移动]上右键[属性]，修改追踪起点时间为0s，点击[确定]。

7）播放动画。点击动画功能中的[打开]―[播放]。图3、4、5为装配过程中的三个截图。

8）保存文件。

5结束语

利用CAXA实体设计软件创建了内外三角螺纹，并用装配动画功能实现了装配运动仿真运动，与实际情况相符，这证明了上述建模方法的正确。该方法同样适用于矩形、梯形等特殊形状螺纹，利用沿螺旋线扫描一个完整的牙型截面草图生成螺纹实体。

参考文献

[1] 邵刚. 机械设计基础（第二版）[M]. 北京： 电子工业出版社， 2009.

[2] 李景仲， 张幼明. CAXA三维实体设计教程（第2版）[M]. 北京： 国防工业出版社， 2012.