基于UG NX4.0的齿轮参数化设计及虚拟装配的实现

齿轮传动设计模块程序的实现 ,包括两方面的内容:一是将齿轮传动系统的设计过程用 C 语言来实现;二是制作齿轮设计模块的界面。界面的设计 要 综 合 使 用 U G/ OPEN API、U G/ OPENMenuscript。在该模块的设计过程中 ,关键是实现对用户输入数据的读取。完成这一任务 ,依靠的是API函数。在 U G中 ,访问UIStyler 数据输入控件用到的数据类型是结构类型数据 UF STYL ER items、函 数 UF STYL ER ask value。UFSTYL ER item s 数据成员中最常用到的是表示控件标识的item id 和描述控件属性的结构变量item at t r。函数 UF STYL ER ask value 用来查询对话框控件的属性 ,它只能在对话框定义的回调函数中使用 ,下面以读取齿轮设计对话框中“设计参数”中相关参数为例 ,说明 API 函数的使用[5 ]。

　　int CANSHU back cb ( int dialog id ,

　　void 3 client data ,

　　UF STYL ER item value type p t

　　callback data)

　　{

　　if (UF initialize () ! = 0)

　　return

　　(UF UI CB CONTINUE DIALOG) ;

　　UF STYL ER item value type t data

　　[5 ]

　　;

　　data[0 ] . item id = CANSHU REAL 0 ;

　　data[0 ] . item at t r = UF STYL ER VALUE ;

　　UF STYL ER ask value ( dialog id , &data

　　[0 ]) ;

　　n = data[0 ] . value. real ;

　　…

　　}

　　2 　齿轮的参数化建模

　　2. 1 　直齿圆柱齿轮的三维造型原理

　　2. 1. 1 　渐开线方程的推导

　　绘制齿形 ,需要确定镜像中心 ,以保持轮齿的对称性。这就需要研究齿轮渐开线的形成及其方程式。如图 1 所示

　　

　　图 1 　渐开线的形成

　　当直线发生域沿一个圆的圆周作纯滚动时 ,直线上任意一点 K的轨迹AK称为该圆的渐开线,简称渐开线。点 A 为渐开线在基圆上的起点, K为渐开线上任意一点,其向径用 r K表示,渐开线 A K 段的展角用θK 表示,基圆半径为r K。法线 B K与点 K速度方向线之间所夹得锐角称为齿廓在该点压力角,记为αK。 根据渐开线的性质 ,得到渐开线的极坐标参数方程式为:

　　

　　2. 1. 2 　渐开线的绘制

　　根据渐开线的极坐标参数方程式(1)取点 ,然后用样条曲线拟和 ,实现自动绘图。

　　2. 1. 3 　镜像中心的确定

　　为计算方便 ,程序中渐开线的起点为 Y 轴上的象限点,如图2 所示。这时 Y 轴与齿轮渐开线的镜像中心夹角为θ,θ=θK +θ ′ 。以标准齿轮为例,分度圆上压力角为 20° , 则分度圆上的展角为:θK =tan20 - 20 × π/ 180 ,1/ 2 齿厚的夹角为θ ′=90/ z ,其中 z 为齿数。

　　

　　U G中坐标系 WCS旋转角度θ:

　　θ= ( tan20 - 20 × π/ 180) ×180/π+ 90/ z (2)

　　进行坐标旋转后 ,以 Y 轴为镜像中心进行镜像 ,可得到齿轮轮齿的另一条渐开线。

　　2. 1. 4 　完整的齿轮造型

　　上述两条渐开线与齿顶圆和齿根圆一起经修剪后得到一封闭曲线 ,拉伸该曲线后 ,可得到齿轮的一个轮齿。将得到的轮齿绕一确定的点进行旋转 ,然后将轮齿与齿根圆进行布尔加操作 ,这样齿轮的基本雏形就形成了。

　　2. 2 　利用 GRIP实现齿轮三维参数化建模

　　根据齿轮造型原理和对特征参数的提取 ,本文通过二次开发工具 GRIP完成齿轮的参数化建模 ,开发流程如图 3 所示。

　　

　　GRIP 语言通过命令行的形式来实现对 U G的操作 ,每一条命令的形式为:关键词/参数。在本部分开发的 GRIP 程序中 ,只需输入齿轮相关参数 ,即可自动生成齿轮。对话框中的默认参数就是GRIP程序从 API 接受的计算结果的数据[6 ]。若已知齿轮的相关参数 ,可直接向对话框中输入数据后 ,即可得到齿轮的三维模型。用 GRIP 绘制齿轮模型的步骤为: (1)打开在齿轮设计时所生成的齿轮数据文件或接受用户输入齿轮的有关参数; (2)确定齿轮轴线方向和中心位置; (3)根据齿根圆直径、齿轮厚度和所确定的位置与方向生成一个圆柱实体; (4)根据渐开线方程和齿轮参数生成齿轮的渐开线齿轮轮廓; (5)将齿轮轮廓拉伸成三维实体; (6)以圆柱实体的轴线为中心 ,将拉伸成的渐开线齿轮轮齿实体按齿数进行阵列; (7)将圆柱实体和齿轮轮齿实体进行布尔加操作 ,即按指定的方向和位置生成了直齿圆柱齿轮的三维模型; (8)最后进行打孔等操作 ,做出齿轮的其他特征(如凸台、工艺孔、键槽等) ,生成齿轮的三维模型。

　　在齿轮的参数化建模的过程中 ,要考虑到齿轮的结构。齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求及经济性等因素有关。在进行齿轮的结构设计时 ,必须综合考虑上述各因素的影响。通常是先按齿轮直径的大小 ,选定合适的结构形式 ,再根据经验数据 ,进行结构设计。本文建立了实心式和腹板式两种结构齿轮的模型。

　　3 　基于 U G关联约束的齿轮虚拟装配

　　U G装配过程是指在装配中建立部件之间的连接关系。它通过关联条件在部件间建立约束关系 ,来确定部件在产品中的位置。对于齿轮啮合装配来说 ,啮合曲面复杂 ,要使齿轮啮合 ,就需要分别在要进行啮合的两齿轮上建立参考平面。方法是:选中齿轮渐开线分度圆上一点 ,通过它建立一个参考平面 ,使其垂直于轮齿 ,即齿廓法线方向。在与之相啮合的另一齿轮的相应轮齿分度圆上 ,用同样的方法作一个参考平面。然后在这两个参考平面间建立面贴和关系 ,即可实现两个齿轮的啮合。齿轮装配中的难点就是齿轮的啮合。要保证齿轮的啮合 ,用上述的建立参考平面的方法能够实现 ,但是建立参考平面的过程比较繁琐 ,需要知道啮合齿轮的分度圆半径 ,同时要做出齿轮的分度圆 ,但是在参数化建模的过程当中 ,并不需要建立分度圆。经过笔者的反复实践发现 ,在建模的过程当中 ,渐开线上的一点的角度取的是分度圆的压力角 ,即该点是分度圆上的点。当正确约束两齿轮的中心距 、两端面平行时 ,只需要建立对应两点的贴和关系 ,也可保证齿轮的正确啮合。

　　4 　基于 UIStyler 定制用户对话框