基于SolidWorks的齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2013-05-13  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

作者: 張建德*邵定宏*陸金桂 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 齒輪模型 參數(shù)化設(shè)計(jì) 漸開(kāi)線 SolidWorks 二次開(kāi)發(fā)

SolidWorks由于其強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)功能而在工業(yè)三維模型設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。本文以SolidWorks二次開(kāi)發(fā)為基礎(chǔ),采用參數(shù)化程序設(shè)計(jì)的方法,詳細(xì)介紹了SolidWorks中工業(yè)直齒輪參數(shù)化繪制的設(shè)計(jì)方法與技巧。討論了齒廓漸開(kāi)線和齒根過(guò)渡曲線部分的參數(shù)化繪制方法,并編制了用戶化參數(shù)設(shè)定接口,在SolidWorks中,通過(guò)宏調(diào)用,輸入齒輪參數(shù),自動(dòng)繪制出了精確的直齒輪三維造型,避免了人工圖板圖樣的繪制,提高了造型設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平

 1引言
   
在當(dāng)今的工業(yè)領(lǐng)域,越來(lái)越多地把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、制造、數(shù)據(jù)管理與信息技術(shù)融為一體,以此提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。以前,三維產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)都是首先由設(shè)計(jì)師在圖板上畫(huà)出圖樣,然后由圖形軟件使用人員根據(jù)圖樣繪制出產(chǎn)品模型,這樣既浪費(fèi)了人力和物力,設(shè)計(jì)效率也比較低。隨著SolidWorks等三維設(shè)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用,以其開(kāi)放性體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),利用高級(jí)編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì),這樣無(wú)疑提高了設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平。本文正是以SolidWorks為基礎(chǔ),通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)進(jìn)行圖形繪制軟件的二次開(kāi)發(fā),使用戶通過(guò)友好的參數(shù)設(shè)定界面輸人齒輪參數(shù),根據(jù)不同的參數(shù),自動(dòng)生成一系列齒輪模型,既節(jié)省了資源,也縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率,對(duì)工業(yè)產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展有重要意義。
   
2參數(shù)化設(shè)計(jì)模型
   
參數(shù)化設(shè)計(jì)是由軟設(shè)計(jì)者根據(jù)軟件使用者提出的需求,結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題,預(yù)先設(shè)置一些幾何圖形的約束條件,供軟件使用者以此定制自己的產(chǎn)品造型。在實(shí)際問(wèn)題中,主要是幾何尺寸方面參數(shù)的約定,這些約定之間要符合一定的約束關(guān)系。一般情況下要求符合以下三個(gè)關(guān)系:基于特征的、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān),以此保證約定的有效性。
   
參數(shù)化設(shè)計(jì)模型的形成過(guò)程如圖1所示:首先,對(duì)實(shí)際要解決的問(wèn)題進(jìn)行分析,根據(jù)實(shí)際問(wèn)題確定關(guān)鍵的約束條件,這些約束條件必須能夠確定并且唯一確定一個(gè)造型;然后輸人約束參數(shù),并進(jìn)行參數(shù)有效性判定,即參數(shù)間不能有不相容條件存在,并據(jù)此判定是否需要修改參數(shù);最后,觀察繪制的模型是否符合要求,如果符合則保存設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品造型,否則進(jìn)行參數(shù)的修改重新進(jìn)行繪制和判定。這樣就是參數(shù)化設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。

 3齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)原理
   
在直齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中,首先要根據(jù)齒輪繪制的特性,分析問(wèn)題,提取問(wèn)題的約定參數(shù);然后是分析齒輪模型,設(shè)計(jì)漸開(kāi)線齒廓和齒根過(guò)渡曲線的關(guān)系,分析時(shí),設(shè)定好參變量,預(yù)留程序設(shè)計(jì)接口,這是編程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ);最后應(yīng)用高級(jí)編程語(yǔ)言,設(shè)計(jì)界面,編程實(shí)現(xiàn)。
   
    3.1提取約束參數(shù)
   
這里以直齒輪為例,分析約束參數(shù)的提取過(guò)程,該方法可以擴(kuò)展到其它產(chǎn)品模型約束參數(shù)的提取中。根據(jù)用戶在設(shè)計(jì)直齒輪圖樣時(shí)的需求,結(jié)合齒輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸約定,這里得到直齒輪的主要參數(shù)有:齒數(shù)z,模數(shù)m,分度圓壓力角a,齒頂高度h,頂隙系數(shù)c,變位系數(shù)e,拉伸厚度hou。這些是齒輪繪制時(shí)的常用參數(shù),約定了這些變量,一個(gè)直齒輪便定制好了且是唯一的。
   
    3.2齒輪繪制算法分析
   
齒輪繪制算法的設(shè)計(jì)主要是漸開(kāi)線齒廓的算法設(shè)計(jì),在這個(gè)過(guò)程中要掌握齒輪的設(shè)計(jì)原理,靈活應(yīng)用VB程序設(shè)計(jì)方法,充分利用SolidWorks的API函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。有關(guān)齒輪繪制算法的分析,這里以直齒輪的算法分析與設(shè)計(jì)為例,詳細(xì)論述了齒輪參數(shù)化繪制的方法,其主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵部分:
   
(1)繪制齒根圓并拉伸:這里調(diào)用SolidWorks的AP1函數(shù)以正視圖為繪制平面,建立草圖,用CreateCircle畫(huà)齒根圓,半徑由約束參數(shù)計(jì)算為:rf=(z一2*h一2*c+2*e)*m,然后拉伸生成圓柱體,即:齒坯;
   
(2)繪制漸開(kāi)線齒形草圖:齒廓的生成主要有兩種方法,一種是用直線段逼近的方法,另一種是先確定齒廓上的部分點(diǎn),用曲線擬合的方法。直線段逼近法計(jì)算量比較大,曲線擬合算法簡(jiǎn)單同時(shí)在精度上也并不比直線段逼近法差,所以這里選擇曲線擬合的方法生成漸開(kāi)線齒廓。
利用直角坐標(biāo)系下的漸開(kāi)線方程生成不同角度u對(duì)應(yīng)的點(diǎn),由循環(huán)確定6個(gè)點(diǎn):For i=1 To 6;x(i)-((r6+(i-1) * f)*Cas(u(i)); Y(i)=(rb+(i-1)*f)*Sin(u(i)),其中f=(ra-rb)/5,齒頂圓半徑ra= ra=(z+2*h十2*e) * m;基圓半徑rb= r*Cos(a*p i/180),用同樣方法確定同側(cè)對(duì)稱(chēng)的6個(gè)控制點(diǎn),然后繪制齒根點(diǎn),用B樣條曲線對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行擬合連接,裁剪掉基圓、齒頂圓、漸開(kāi)線封閉圖形以外的部分,就得到了光滑的齒廓形狀,如圖2所示。這里得到的只是齒形的一半,可以在基圓上對(duì)稱(chēng)生成另一半漸開(kāi)線齒廓,這樣,一個(gè)完整的齒形草圖就生成了;

(3)形成單個(gè)輪齒:根據(jù)生成的齒廓草圖,調(diào)用路徑掃描函數(shù)InsertProtrusionSwepO進(jìn)行掃描,可以得到完整的單個(gè)輪齒如圖3,單個(gè)輪齒的設(shè)計(jì)必須精確,因?yàn)檫@是整個(gè)齒輪設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是產(chǎn)品的關(guān)鍵部位;

(4)陣列并生成直齒輪:對(duì)單個(gè)輪齒以齒輪基體特征的掃面軸線進(jìn)行圓周陣列生成全部輪齒。最后,對(duì)齒頂圓和齒根圓進(jìn)行圓角處理,并調(diào)用切除拉伸函數(shù)主要是Part.FeatureCut}來(lái)生成直齒輪孔等結(jié)構(gòu)。通過(guò)以上算法的分析與設(shè)計(jì),一個(gè)完整的直齒輪就生成了,這里最主要的是漸開(kāi)線齒廓的算法設(shè)計(jì)。
   
3.3編程實(shí)現(xiàn)
   
通過(guò)以上的算法分析與設(shè)計(jì),根據(jù)漸開(kāi)線與齒根過(guò)渡曲線的設(shè)計(jì)原理,應(yīng)用Visual Basic程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,并結(jié)合SolidWorks軟件自身提供的API函數(shù),設(shè)計(jì)用戶交互界面并編制程序?qū)崿F(xiàn)。
   
    SolidWorks提供了大量的OLE對(duì)象用于軟件自身的二次開(kāi)發(fā),這些OLE對(duì)象涵蓋了全部的SolidWorks的數(shù)據(jù)模型,通過(guò)對(duì)SolidWorks的OLE對(duì)象屬性的設(shè)置和對(duì)OLE劉象方法的調(diào)用,就可以在用戶自己開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與SolidWorks相同的功能。SolidWorks中常用的主要OLE對(duì)象有SolidWorks, Mode1Doc,PartDoc,AssemblyDoc,DrawingDoc,Sketch, Dimension等。在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中,充分利用這些對(duì)象的強(qiáng)大功能,方便了SolidWorks的二次開(kāi)發(fā)。
   
由于分度圓壓力角不方便設(shè)置,為了便于選擇,在下拉框中提供了常用分度圓壓力角,這樣用戶可以根據(jù)需要自行輸人或是從下拉框中選擇適當(dāng)?shù)慕嵌?。齒輪的參數(shù)設(shè)定后,以VB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為基礎(chǔ),調(diào)用SolidWorks的API函數(shù),編程實(shí)現(xiàn)齒輪模型的參數(shù)化繪制,這樣通過(guò)在用戶交互界面中,輸入約束參數(shù)進(jìn)行齒輪造型的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)方便而且所設(shè)計(jì)的齒輪模型比較精確,也更直觀。
   
4齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)例
   
根據(jù)齒廓漸開(kāi)線和齒根過(guò)渡曲線部分的參數(shù)化繪制方法,本文以直齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法為例,以VB為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了直齒輪的參數(shù)輸人界面,并根據(jù)輸人的齒輪參數(shù),最終快速繪制出了精確的直齒輪模型。當(dāng)然可以根據(jù)需要,構(gòu)建自己的零件庫(kù),這樣就可以方便的繪制各種不同類(lèi)型的零件。這里以直齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)為例,參數(shù)設(shè)定如下:齒數(shù)為20,模數(shù)為3,分度圓壓力角20度,齒頂高度為1,頂隙系數(shù)設(shè)為0.25 ,變位系數(shù)為0,拉伸厚度設(shè)為10,其它零件構(gòu)建思想類(lèi)似。其結(jié)果如圖4和圖5所示;

  其中圖4是齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)的餓參數(shù)設(shè)定界面,圖5為按照本文的直齒輪設(shè)計(jì)方法,最終自動(dòng)繪制的直齒輪造型。由此可以看到,此方法繪制的齒輪精確、直觀,并且只要通過(guò)更改參數(shù)的設(shè)定,便可以方便地對(duì)齒輪造型進(jìn)行再生成,方便三維造型的設(shè)計(jì)

 5結(jié)論
   
SolidWorks是口前最優(yōu)秀的三維造型設(shè)計(jì)軟件之一,它具有開(kāi)放性的軟件體系結(jié)構(gòu),便于根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展。利用本文的齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,可以設(shè)計(jì)友好的交互界面,根據(jù)輸人的齒輪參數(shù),迅速地繪制出具體的氣維造型,省去了煩瑣的圖板圖樣設(shè)計(jì),節(jié)省了人力物力資源,縮短了模型設(shè)計(jì)周期,降低了設(shè)計(jì)成本。參數(shù)化設(shè)計(jì)極大地改善了工業(yè)產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段,此齒輪三維設(shè)計(jì)方法界面清晰、運(yùn)行可靠,可以廣泛應(yīng)用到齒輪三維設(shè)計(jì)中,有廣闊的發(fā)展前景。
   
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):本文以SolidWorks強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)功能為基礎(chǔ),充分應(yīng)用其開(kāi)放性的體系結(jié)構(gòu),進(jìn)行軟件的二次開(kāi)發(fā)。分析了參數(shù)化設(shè)計(jì)的一般模型,并在此基礎(chǔ)上,以直齒輪為例,設(shè)計(jì)了齒輪參數(shù)化繪制中最主要的齒廓漸開(kāi)線和齒根過(guò)渡曲線部分的參數(shù)化繪制方法,并進(jìn)行了算法的優(yōu)化。齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法為建立自己的零件庫(kù)提供了方便,使自動(dòng)化的模型設(shè)計(jì)方法代替了傳統(tǒng)的圖板圖樣的人工繪制方法,提高了設(shè)計(jì)效率,有重要的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

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