圆柱螺旋压缩弹簧

圆柱螺旋压缩弹簧

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圆柱螺旋压缩弹簧参数化建模

张信群

【摘要】针对复杂零件三维模型的更新过程非常繁琐的问题,研究了在

SolidWorks环境下圆柱螺旋压缩弹簧参数化建模的方法.首先建立了圆柱螺旋压缩

弹簧三维模型,将控制弹簧模型结构的特征尺寸定义为变量参数,选用VisualBasic

6.0作为编程工具,与Access2003数据库技术相结合,开发出VB应用程序.在VB

界面中通过人机对话窗口,对变量参数赋予不同的数值,自动生成圆柱螺旋压缩弹簧

的系列零件.研究结果表明,采用参数化建模的方法,可以显著提高复杂零件三维建模

的自动化程度.%Aimingatsolvingtheproblemofcomplicatedupgradingin

theprocessofthree-dimensionalmodelingofcomplexparts,themethod

ofparametricmodelingofcylindroidhelical-coilcompressionspringsin

ee-dimensionalmodelofcylindroid

helical-coilcompressionspringswasfirstlyestablishedandthe

characteristicdimensionscontrollingthespringstructureswassetasthe

variantparameters,theVBapplicationsweredevelopedbyVisualBasic6.0,

sof

cylindroidhelical-coilcompressionspringscanbegeneratedautomatically

byassigningdifferentvaluestothevariantparametersthroughtheman-

ultsindicatethatthe

automaticityofthree-dimensionalmodelingofcomplexpartscanbe

improvedsignificantlybymeansofparametricmodeling.

【期刊名称】《机电工程》

【年(卷),期】2011(028)003

【总页数】5页(P305-309)

【关键词】SolidWorks;圆柱螺旋压缩弹簧;参数化建模;特征尺寸

【作者】张信群

【作者单位】滁州职业技术学院,安徽,滁州,239000

【正文语种】中文

【中图分类】TH135.1;TP391.72

弹簧是机械产品中广泛使用的通用零件，具有夹紧、减振、复位、调节等多种功能，

其中圆柱螺旋压缩弹簧是最为常见的一种。

随着CAD技术由二维绘图发展为三维实体建模，在机械设计中对零件进行三维实

体建模已经成为必不可少的设计手段。目前我国企业中所采用的三维CAD软件有

SolidWorks、UG、Pro/E、SolidEdge等，这些CAD软件都具有尺寸驱动功能，

只要建立了零件模型，就可以通过修改某些特定的尺寸，来实现整个模型的更新，

以达到调用同一系列零件的目的［1-2］。但是这种修改过程往往是非常繁琐的，

对于弹簧这样结构复杂的零件更是如此，不仅耗费了设计人员大量的重复性劳动，

造成机械产品设计的周期长、效率低，也直接影响了企业的市场竞争力。所以，有

必要对所应用的三维CAD软件进行二次开发，建立起参数化模型库，以提高设计

的自动化程度［3-8］。

本研究探讨在SolidWorks环境下实现圆柱螺旋压缩弹簧的参数化建模。

参数化建模就是将控制零件模型结构形状的尺寸参数定义为变量参数，通过对变量

参数赋予不同的数值来驱动整个模型的完全更新。这种控制零件模型结构形状的尺

寸称为特征尺寸。

圆柱螺旋压缩弹簧分为有效圈和左、右支承圈，如图1所示。

有效圈是弹簧受力的主体部分，根据GB/T2089-1994，圆柱螺旋压缩弹簧的有效

圈圈数的尾数推荐用1/2圈，只有在极个别的情况下才采用整数圈。

支承圈的两端并紧且磨平，作用是使压缩弹簧工作时受力均匀，保证轴线垂直于支

承端面。支承圈数通常有1.5圈、2圈和2.5圈三种。

影响圆柱螺旋压缩弹簧结构的主要特征尺寸是弹簧钢丝直径d、弹簧的中径D1、

弹簧有效圈的节距t、弹簧有效圈的圈数n［9］。由于圆柱螺旋压缩弹簧是一种

标准件，因而这几项特征尺寸国家标准均做了统一规定。只要它们选取不同的数值，

弹簧零件结构就会随之改变。

圆柱螺旋压缩弹簧参数化建模的过程是首先建立弹簧的初始几何模型，然后将其特

征尺寸参数用相应的变量参数代替，并将国家标准规定的标准规格尺寸数值集合在

一起建立变量的参数库，最后通过编写相应的程序调用参数库中的数据，对变量参

数赋予不同的数值，再由SolidWorks软件进行模型重构。

实现参数化建模以后，在调用不同的规格圆柱螺旋压缩弹簧零件模型时，就彻底摒

弃了在SolidWorks界面手工反复修改尺寸数值的模式，有效地减少了弹簧设计中

的重复性工作。

在SolidWorks环境下，圆柱螺旋压缩弹簧的建模可以采用将圆作为特征平面沿螺

旋线扫描运算的方式而得到［10］。

(1)创建圆柱螺旋线。

由于弹簧有效圈和左、右支承圈的螺距和圈数不相同，在建模时应该分别画出3

条半径相同、螺距和圈数不同的螺旋线，要注意3段螺旋线的起始角度和旋向设

置一致，并使其首尾相接;然后将这3段螺旋线组合为一段曲线。

(2)创建弹簧钢丝截面。

建立新基准面，在新建基准面内以螺旋线端点为圆心作出表示弹簧钢丝直径的圆。

(3)创建沿螺旋线扫描特征。

以圆截面为母线，以组合螺旋线为导线，扫描后得到圆柱螺旋实体。

(4)磨平弹簧左、右支承圈两端。

支承圈两端的磨平，则通过设置两次“切除—拉伸”特征，对弹簧左、右端支承

圈两端各切除半圈来实现。

最后得到圆柱螺旋压缩弹簧零件模型，保存为“圆柱螺旋压缩弹簧.sldpet”，如

图2所示。

在本初始模型中，弹簧的中径D1、钢丝直径d、弹簧有效圈节距t、弹簧有效圈

圈数n均根据GB/T2089-1994选取:D1=30mm，d=4.5mm，t=9.76mm，

n=6.5。

考虑到建模的要求，弹簧左、右端支承圈不能完全并紧，其节距应略大于钢丝直径

d，可以取为1.1d，左、右端支承圈的圈数均取为2.5圈。

在建立零件模型时，SolidWorks系统会为标注的尺寸默认一个尺寸名称，并且对

于不同特征的尺寸名称可以重复，如图2中的D1、D2、D4、D5、D6等等，但

是这种尺寸名称极不规则，也没有明确的意义，并且可以被多个特征尺寸共用。由

于这些特征尺寸就是要定义的变量参数，为了在编写程序文件时方便，应该按照一

定的规则为变量参数重新命名，并且名称应尽量接近于国标中规定的尺寸名称

［11-12］。

圆柱螺旋压缩弹簧零件模型中变量参数修改后的给定名称，如图3所示。

笔者建立了1个VB工程文件，在VB窗体上添加1个Image控件，1个Data控

件，1个MSFlexGrid1控件，3个Labal控件，1个Text控件和2个Combo控

件，此外还要添加2个Command控件，并对各控件赋予相应的名称。窗体的界

面设计如图4所示。

由于圆柱螺旋压缩弹簧是标准件，可以采用数据库技术，将特征尺寸数值按照一定

数据结构形式存放在数据库中，由数据库系统进行统一管理。

本研究选择MicrosoftAccess2003为数据库管理系统，通过VB程序调用数据

库中的参数数值，并且在窗体上可以看到国标规定的不同规格圆柱螺旋压缩弹簧的

特征尺寸的数值，在参数化建模的同时，能够了解弹簧的各个特征尺寸，调用不但

灵活，而且具有针对性。

本研究采用Access2003，将钢丝直径d、弹簧中径D1、弹簧有效圈节距t作为

变量参数，建立的数据表如图5所示。

因为弹簧左、右端支承圈节距t3、t2与钢丝直径d满足一定关系，即t3=t2=1.1

d，为了使数据表简化，变量参数t3、t2的数值不再单独列入数据表中，而是由

钢丝直径d的数值驱动。

编制以上程序应注意的问题是:在VB程序中尺寸参数的数值都是以米作为单位，

所以钢丝直径d、弹簧中径D1、弹簧有效圈节距t和弹簧左、右端支承圈节距t3、

t2，均应该除以1000才能转换为毫米单位。而表示弹簧有效圈圈数的变量参数n

不是以长度单位来计量，所以应将它与长度单位的参数区别对待，不将其列入数据

库中，而是在VB程序中另外设置一个供用户自由选择有效圈圈数的语句:

建模时设计人员可以手动输入有效圈圈数n的数值。

同理，弹簧左、右端支承圈圈数n3、n2也不以长度单位来计量，但是它们仅能在

几个有限的数值中选择，所以在VB窗体上添加两个Combo控件，由用户在下拉

列表框中选择支承圈圈数，如图6所示。

“圆柱螺旋压缩弹簧.exe”文件，如图7所示。

EXE文件实际上提供了一个人机对话窗口，并且可以在Windows环境中直接运行，

非常方便。

执行EXE文件时，先在数据表中选择需要创建的圆柱螺旋压缩弹簧代号，然后再

手动输入有效圈的圈数和选择左、右端支承圈的圈数，最后单击“建模”按钮，就

可以得到相应的圆柱螺旋压缩弹簧零件模型。

本研究开发的程序采用人机对话的方式进行操作，可以自动生成圆柱螺旋压缩弹簧

的系列零件，为广大弹簧设计人员提供较大的方便。

本程序在建立初始模型时，选择有效圈的圈数是6.5圈(即尾数为0.5圈)，运行程

序时，只要输入任何尾数为0.5的数字作为有效圈的圈数，都可以立即实现模型重

构。但是如果输入的有效圈的圈数为整数，则必须调整有效圈和支承圈所在螺旋线

的起始角度，使两者相适应，才能实现建模。

对圆柱螺旋压缩弹簧进行参数化建模，实际上就是建立圆柱螺旋压缩弹簧标准件库，

可以为机械产品设计提供共享资源，因而在企业中具有较大的推广价值。

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