渦旋真空泵型線主要有圓漸開線、線段漸開線、正多邊形漸開線、螺旋線、包絡(luò)型線以及通用集成型線等。由于圓漸開線理論成熟且易于加工，一般用圓漸開線作為渦旋齒壁型線。但單一型線渦旋齒難以實現(xiàn)完全嚙合，需對渦旋機械性能影響較大的渦旋齒齒頭型線進行修正，以確保渦旋型線光滑連續(xù)，從而實現(xiàn)渦旋齒的正確嚙合。介紹了基于圓漸開線參數(shù)方程和劉振全教授的圖解修正法，通過UG 軟件平臺對渦旋真空泵零部件進行參數(shù)化建模仿真，為渦旋真空泵渦旋盤的設(shè)計和生產(chǎn)提供有效方案。

　　渦旋理論的提出, 可以追溯到20 世紀(jì)初。1905 年, 法國人Leon Creux 以渦旋膨脹機為題申請了專利，1925 年L.Nordi 以渦旋液體泵為題申請了的專利。在隨后的70 年里，由于渦旋盤渦旋齒型線的設(shè)計、加工以及檢測受限，渦旋機械沒有得到更深入的研究和發(fā)展，直到20 世紀(jì)70 年代，能源危機及溫室效應(yīng)出現(xiàn)，節(jié)省能源和環(huán)境保護要求日益高漲，渦旋機械以其效率高、振動噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等特點重新受到人們尤其是真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)的重視，同時，隨著計算機軟件以及高精度數(shù)控加工技術(shù)的更新?lián)Q代，為渦旋機械的發(fā)展帶來新的機遇。渦旋機械應(yīng)用領(lǐng)域包括壓縮機、增壓器、液體泵、發(fā)動機、膨脹機和真空泵等。渦旋真空泵的研制始于20 世紀(jì)80 年代末，1987 年，日本三菱電機首次成功開發(fā)出渦旋真空泵，之后日本日立、巖田涂裝、英國Edwards、美國Varian 等公司也相繼推出了渦旋真空泵樣機^[1~3]。

1、UG 軟件簡介

　　UG NX 是UGS(Unigraphics Solution)公司推出的Microsoft Windows 環(huán)境下的CAD/CAE/CAM集成化軟件。功能強大、內(nèi)容豐富，它支持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，模具設(shè)計，數(shù)控加工編程和工程分析，實現(xiàn)了并行工程CAD/CAE/CAM的集成與聯(lián)動。該軟件具有實體建模(Solid Modeling)、特征建模(Features Modeling) 、工業(yè)設(shè)計(Shape Studio)、制圖(Drafting)、裝配(Assemblies)、分析(Analysis)和運動仿真(Dynamic Simulation)等功能，它采用單一數(shù)據(jù)、參數(shù)化、基于特征、完全關(guān)聯(lián)性以及工程數(shù)據(jù)再利用等新技術(shù)，改變傳統(tǒng)設(shè)計的觀念。用UG 進行設(shè)計任何時間修改任何尺寸，其關(guān)聯(lián)的三維和二維實體模型都將可以自動更改;基于特征參數(shù)化建模技術(shù)，以規(guī)則或代數(shù)方程的形式定義尺寸間約束關(guān)系，擺脫傳統(tǒng)基于點、線為主的構(gòu)圖方式^[4]。這種設(shè)計手段可大大避免設(shè)計人員重復(fù)勞動，并為加快產(chǎn)品系列化生產(chǎn)、多品種設(shè)計節(jié)省時間，減少費用。

　　本文主要介紹基于圓漸開線參數(shù)方程和劉振全教授的圖解修正法，通過UG NX6.0 軟件平臺對渦旋真空泵零部件進行參數(shù)化建模仿真。

2、渦旋真空泵工作原理和特點

　　渦旋真空泵主要由動靜渦盤支架、偏心軸以及防自轉(zhuǎn)機構(gòu)組成, 其中靜盤型線展開角比動盤型線展開角多出180°, 形成數(shù)對月牙形封閉壓縮腔,通過壓縮腔的變化改變?nèi)莘e,整個運動包括吸氣、壓縮、排氣3 個同時進行的過程，以此達到真空的目的^[3]。

　　渦旋真空泵相鄰壓縮腔之間的氣體壓差小,氣體泄漏少,容積效率高,可達90%~98%,其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、零件少(特別是易損件少)、可靠性高，是一種新型、節(jié)能、省材、低噪的容積式流體機械。動、靜渦盤是渦旋真空泵的關(guān)鍵零件,其加工精度,特別是渦盤的形位公差,端板平整度及其與渦盤側(cè)壁面的垂直度, 直接影響渦旋真空泵的工作性能,它的加工效率、經(jīng)濟性則影響其工業(yè)化生產(chǎn)程度。

3、渦旋真空泵參數(shù)化設(shè)計與建模

　　渦旋真空泵設(shè)計首先根據(jù)任務(wù)書的要求，如理論排氣量、轉(zhuǎn)速、壓縮比、渦旋圈數(shù)，渦旋齒厚、渦旋齒高以及圓漸開線基圓半徑發(fā)生角等參數(shù)，利用mat lab 的特征計算程序可方便計算圓漸開線等參數(shù)方程。渦旋盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，由于型線方程的不同, 其參數(shù)化的量不同。常用的型線有圓漸開線、線段漸開線、螺旋線、包絡(luò)型線以及通用集成型線等。由于圓漸開線理論成熟且易于加工，一般用圓漸開線作為渦旋齒壁型線，即渦旋體內(nèi)、外壁面上任一點的坐標(biāo)滿足式(1)

　　式中r———基圓半徑;v———漸開線發(fā)生角;u———漸開線的漸開角,u=2πN+π/2; N 為渦旋線圈數(shù);下標(biāo)i、o———渦旋體內(nèi)、外壁面漸開線另一個重要參數(shù)為漸開線節(jié)距p：

p = 2πr (2)

　　渦旋真空泵工作時,動渦盤基圓中心繞靜渦盤的基圓中心作半徑為R 的圓周運動。運動圓周半徑r 與節(jié)距p 和渦旋體壁厚t 有關(guān)。

r = p/2- t (3)

t = 2rv (4)

　　了解這些參數(shù)的相互關(guān)系后, 就利用UG 提供的特征功能來實現(xiàn)內(nèi)外渦旋型線的繪制。但單一型線渦旋齒難以實現(xiàn)完全嚙合，不能兼顧壓縮、排氣和加工等方面要求，往往需對渦旋機械性能影響較大的渦旋齒齒頭型線進行修正，以確保渦旋型線光滑連續(xù)，從而實現(xiàn)渦旋齒的正確嚙合。修正方程不同，其參數(shù)量也不同，常用的方法有圖解法和解析法。而圖解法中又分為雙圓弧修正和直線圓弧修正等。無論采取哪種修正方法,只要清楚零件的本質(zhì)特征尺寸關(guān)系,從參數(shù)最少化角度出發(fā),總是可以進行完全或部分參數(shù)化設(shè)計。

3.1、渦旋盤型線繪制

　　將坐標(biāo)系原點移至需要建立漸開線的圓的中心。點擊工具圖標(biāo)出現(xiàn)下拉菜單選擇表達式圖標(biāo)，在出現(xiàn)的對話框中按所得漸開線參數(shù)輸入如下公式:

　　輸入完畢后點擊確定圖標(biāo)。接著點擊規(guī)律曲線圖標(biāo), 在出現(xiàn)的對話框中點擊函數(shù)圖標(biāo)后連續(xù)按確定鍵生成所需渦旋型線。

圖1 渦旋型線

　　然后利用“編輯”菜單中的“移動對象”指令,將原始漸開線繞Z 軸方向按同一個角度進行正反轉(zhuǎn), 形成2 條新的規(guī)律曲線，運用刪除功能將原始漸開線刪除, 得到渦盤內(nèi)外型線。點擊草繪圖標(biāo),開始繪制草圖。點擊插入圖標(biāo),在接下來的菜單中選擇現(xiàn)有曲線, 選擇之前變換后的兩條漸開線, 按照劉振全教授雙圓弧圖解法對變換后的漸開線進行修正，形成完整封閉的曲線^[1]。投影到指定平面后點擊拉伸圖標(biāo), 選擇繪制好的封閉曲線,輸入拉伸高度,完成拉伸操作。

3.2、渦旋真空泵零部件建模

　　利用UG 的特征造型功能，通過拉伸、凸臺、孔、抽殼、倒角、拔模等命令繪制動渦盤、靜渦盤、殼體、偏心軸、防自轉(zhuǎn)機構(gòu)等零部件，完成三維實體造型如下^[5~6]：

4、虛擬裝配和運動仿真

　　在完成上述零部件的建模后，先進行虛擬裝配，狹義的虛擬裝配是把幾個零件套裝在一起形成一臺機器和一個部件的過程。而廣義的虛擬裝配在于產(chǎn)品生命周期的全過程，考核產(chǎn)品設(shè)計方案的可裝配性、可維修性以及零部件間的干涉情況;當(dāng)產(chǎn)品進行到并行設(shè)計階段時，虛擬裝配還可以幫助設(shè)計者預(yù)先確定產(chǎn)品上市時間，并提高產(chǎn)品的質(zhì)量^[6~7]。在UG 環(huán)境下裝配，即把設(shè)計好的各零件按UG 裝配約束關(guān)系，如對齊、貼合、插入等，其模型的裝配圖如圖6 所示。

　　裝配體上所需的標(biāo)準(zhǔn)件(如螺栓、螺母、墊片)可以從標(biāo)準(zhǔn)庫中調(diào)用，在裝配體上建立曲柄滑塊機構(gòu)后可利用ANIMATE 功能進行動態(tài)模擬。然后利用軟件的放大功能，在放大幾萬倍的條件下，嚙合點依然保持接觸，并且在動態(tài)模擬的過程中運轉(zhuǎn)正常^[8]。同時UG 運動仿真模塊還可以進行機構(gòu)干涉分析，跟蹤零件軌跡，分析零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運動仿真模塊的結(jié)果可以證明型線理論的正確性，同時指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計或調(diào)整零件的材料。設(shè)計的更改可以反映在裝配主模型的復(fù)制品仿真方案中，然后重新仿真，一旦確定優(yōu)化的設(shè)計方案，設(shè)計更改可以直接反映到裝配主模塊中。拓寬了渦旋型線設(shè)計理論與方法研究的思路。圖7 所示為在UG 環(huán)境下渦旋真空泵的運動仿真示意圖。

5、結(jié)束語

　　利用UG 完成渦旋盤設(shè)計、G 代碼生成過程,不僅能極大提高修改編輯、系列化設(shè)計效率和產(chǎn)品的直觀性，同時減少繪圖和編程的工作量,而且能較好滿足渦旋盤加工精度要求, 最終實現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化、系列化的虛擬裝配和運動仿真，為渦旋類機械設(shè)計和生產(chǎn)提供一套行之有效的方法。UG 是集CAD、CAM功能于一體的較完善高端軟件，在建模時，對于繪制拉伸體可以運用草圖設(shè)計功能先在草圖中繪制好可以拉伸的封閉曲線，然后再進行拉伸�？梢赃\用表達式功能繪制渦旋盤的漸開線部分，再運用草圖設(shè)計功能對漸開線進行修正。

參考文獻

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　　[8] 杜桂榮，王訓(xùn)杰.虛擬裝配技術(shù)在渦旋壓縮機設(shè)計中的應(yīng)用[J].機床與液壓，2004(11).