用设计计算实现齿轮三维设计系统的探讨

　　本文探讨了用设计计算实现齿轮三维设计系统的相关内容。

　　引言

　　CAD/CAM技术的飞速发展，缩短了企业的产品开发周期，提高了生产效率。但一般的CAD/CAM系统都是通用的辅助设计平台，专业针对性差。设计计算是产品开发的关键和依据，机械零部件设计计算中使用CAD技术，可以继承经典的零部件设计理论，改变繁琐的手工检索和计算，并引人优化、可靠性等现代设计方法。因此企业在使用CAD软件开发产品时，如对符合本企业标准规范的通用零部件如齿轮进行二次开发，建立专门的设计模块，不仅能简化设计流程，还可以快速应用于装配设计、运动仿真中，加快产品的更新换代。

　　齿轮传动是最重要的机械传动方式之一，型式多样、应用广泛。齿轮设计在机械设计中占据着相当重要的地位，但它的设计步骤和涉及参数多，需查询的图表总数有二十多个，以前繁琐的手工检索计算已经不能满足企业产品的快速设计要求，限制了生产率的提高。国内外一些常用的CAD软件，如美国EDS公司的UG和SolidEdge等都不能直接进行齿轮的设计。为此我们仔细分析齿轮的设计过程，提取其合理的设计流程，将其设计流程和三维建模很好地融合在一起，开发了基于设计计算的齿轮三维设计系统，该系统不仅能够很好地按照用户给定的一些初始条件进行齿轮的设计，得到其绘制参数，而且能够根据其绘制参数准确地生成三维模型，继而为后续的装配和仿真服务。

　　1系统设计

　　1.1 SolidWorks二次开发原理简介

　　任何支持 OLE(对象链接与嵌人)和COM(组件对象模型)的编程语言例如VisualBasic,Visual C++都可以作为SolidWorks的开发工具。SolidWorks为用户提供了强大的二次开发接口(API)，其中包含有数以百计的功能函数，这些函数提供了程序员直接访问SolidWorks功能的能力。SolidWorks二次开发分为两种:一种是基于自动化技术的，可以开发EXE形式的程序，即外挂式的;另一种是基于COM的，可以生成*.dll格式的文件，即内寄生式的。采用VC++作为开发工具进行开发的步骤是:首先，从SolidWorks公司的网站上下载向导文件Swizard.awx，将其复制到bficrosoft Visual Studio Common MSDev98 Template目录下;然后在Visual C++中用该向导创建D几工程，加入相关代码，编译生成*.dll文件。用户只需要通过命令"Add-Ins (*.d11)"，加载自己的DLL，就可以将必要的用户程序输出。

　　1.2系统的总体设计

　　本系统可分为:功能嵌人，设计计算，数据存储和三维建模4个模块。功能嵌人模块主要是把应用程序内嵌到SolidWorks中，通过菜单响应，输出应用程序。设计计算模块实现齿轮的强度设计和判断选型过程，数据存储模块对齿轮的校核参数和尺寸参数进行相应的操作管理，建模模块调出尺寸参数并建立相应的三维模型。4个模块的关系如图1所示。

　　本系统的流程为:通过内嵌方式在SolidWorks中加载齿轮三维设计系统，当用户点击二次开发的菜单项或者工具条上的命令图标时，进人设计系统的设计算模块，齿轮在设计计算时由程序自动根据用户输入的初始条件载人相应的数据，数据存储模块协助完成齿轮的判断选型以及强度校核过程，同时提供建模尺寸参数，建模模块接收到参数信息后，自动绘制齿轮的三维模型，以用于装配设计、运动仿真等产品开发的其他用途。系统体系结构如图2所示。

　　2关键技术

　　2.1设计计算

　　在设计的一开始，用户先进行相关的初始参数的选择，比方说齿轮的材料、精度等。按照保证齿面接触强度和齿根弯曲强度两项准则进行计算，设计出齿轮的基本参数如模数m,齿数z等，具体设计流程如图3所示。本软件系统采用了向导型设计界面，使用方便，部分设计界面如图6所示。

　　在设计计算的过程中，需要对很多参数进行处理，并查询很多的图和表，本系统在开发过程中主要采用3种方式来解决图表的查询问题:

　　(1)数据库直接存取法一些比较简单的图表，如齿轮的齿宽系数、弹性影响系数等，采用在SQLServer 2000中创建数据库的方法来存储和提取数据。

　　(2)插值法一些比较复杂而又有规律可循的图表，如齿形系数、应力校正系数等，采用插值法可以使结果较为准确，同时也减少了用户的查表时间。

　　(3)交互查表法对于特别复杂而又没有规律可循的图表，如弯曲疲劳寿命系数、接触疲劳寿命系数等，就直接在应用程序的框架界面上显示相关的图表让用户自己进行查询和选取，以提高用户和程序的交互性。

　　2.2数据存储

　　在数据管理和存储上，我们根据项目需求以及建库的规模，采用ADO方式管理数据库，数据库采用SQL Server 2000的数据文件。数据库存储了齿轮类零件在强度设计时所需要的所有国标参数以及三维建模的尺寸参数。需要说明的是，由于应用程序中的对象与ADO对象可能出现命名冲突，故在此将EOF(文件结束)更名为adoEOF。同时为了实现数据源连接的可视化和数据访问的透明性，采用微软提供的数据连接文件(.UDL)来建立和测试ADO连接属性，方便采用统一的编程方法。

　　2.3三维建模

　　2.3.1斜齿轮建模方法

　　斜齿轮的齿面是一渐开线螺旋面，所以目前在SolidWorks下对斜齿轮的建模方法主要有两种

　　a)作出一个法面齿廓，建立一条螺旋线，用法面齿廓沿螺旋线进行Sweep(扫描)操作，圆周阵列生成的扫描特征，然后用齿轮的两个端面切割实体，中间剩下的就是斜齿轮。

　　b)作出一个端面齿廓，对此端面齿廓进行Pan(平移)以及Revolve(旋转)一个螺旋角操作，建立一条齿根线或齿顶的导引螺旋线，再进行Loft(放样)操作，最后圆周阵列生成的放样特征，生成斜齿轮。

　　无论采用何种方法，在对斜齿轮建模时，关键都在于建立斜齿轮的齿廓曲线。

　　齿廓曲线是由渐开线和齿根过渡曲线连接而成，而齿根过渡曲线与齿轮的加工方法和加工刀具密切相关，本文以展成法为例，讨论齿条形刀具加工齿轮时齿廓曲线的生成方法。SolidWorks没有绘制渐开线的专用命令，也没有根据参数方程绘制曲线的能力，因此给齿轮的三维造型造成了一定的困难，本文使用Visual C++编制程序，计算齿廓曲线上的一系列点坐标，以此绘制样条曲线，实现齿廓曲线的精确绘制。

　　1)渐开线的计算

　　在直角坐标系下的渐开线的方程为

　　2)齿根过渡曲线的求取

　　用齿条形刀具加工齿轮，相当于齿条齿轮的无间隙啮合运动，以齿条形刀具为例，刀具齿廓的顶部有两个圆角，Cp是圆角的圆心，rp是圆角半径。

　　被加工齿轮轮廓的渐开线部分由刀具的斜直线部分切出，齿根过渡曲线由刀具的圆角部分切出。如图5所尔，加工过程中刀具的加工节线与齿轮的节圆相切纯滚，刀具圆角的圆心将形成延伸渐开线，因此齿轮的过渡曲线是该延伸渐开线的等距曲线。图5中，P是节点，nn刀具圆角与过渡曲线接触点的公法线，a是nn与刀具加工节线间的夹角，r是齿轮分度圆半径，选取图5中的坐标系，不考虑变位，可求得齿根过渡曲线的参数方程为

　　依据上述参数方程编制程序生成齿廓曲线。

　　2.3.2斜齿轮律樟程序

　　最后依据齿轮尺寸选取不同的结构类型，进一步完善三维模型，如建立轮载、轴孔、键槽等特征，这样斜齿轮零件的毛坏大致就形成了，接下来需要对其进行具体修饰。获取了需要的特征拓扑元素以后，利用倒角函数LnsertFeatureChamfer()和圆角函数FeatureFilleto完成在拓扑元素上的倒角、圆角等修饰，三维建模过程完毕。

　　3结束语

　　笔者开发的齿轮三维设计系统是应国防科工委的项目要求开发的通用零部件参数化设计系统的主要组成部分，它有以下特点:

　　①能够快速地建立企业所需的齿图7斜齿轮完整模型轮三维模型，极大地缩短了企业产品的研发周期，符合市场竞争的需要;②面向后期装配，能够提供相关的零部件，适应装配设计及运动仿真的需求。

　　该系统虽然在企业的调试和应用过程中取得了一定效果，但也存在一些问题，需要进一步改进和完善，最终形成服务于企业的高效的参数化集成设计系统。