基于異地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的螺旋錐齒輪模型集成設(shè)計(jì)*

韓青金 孫文磊 袁逸萍 何 麗 王宏偉

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

螺旋錐齒輪代表機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域形式最復(fù)雜、最具廣泛用途的關(guān)鍵動(dòng)力傳動(dòng)部件［1］。一直以來(lái)，螺旋錐齒輪的模型設(shè)計(jì)技術(shù)都是機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化和計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同的異地設(shè)計(jì)尤為重要［2］。尤其在高尖端科技領(lǐng)域，協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)可以有效地利用資源、縮短開(kāi)發(fā)周期和節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用，完成鏟平的快速精確制造，具有重要意義和極具潛力的發(fā)展方向［3］。

為了滿足日益增長(zhǎng)的信息共享和業(yè)務(wù)整合需要，尤其是提升企業(yè)在螺旋錐齒輪制造市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，本文基于Web技術(shù)建立統(tǒng)一接口的Web服務(wù)發(fā)布向?qū)Ш透髌脚_(tái)的UDDI注冊(cè)中心，以形成一個(gè)資源共享集成的設(shè)計(jì)平臺(tái)?？芍С致菪F齒輪的研發(fā)團(tuán)隊(duì)的異地設(shè)計(jì)人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息的互換與共享，協(xié)同方案中的矛盾與沖突，保持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、統(tǒng)一性、連續(xù)性，達(dá)到高效高質(zhì)量的齒輪設(shè)計(jì)目的。

1 螺旋錐齒輪異地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同集成設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立

1.1 異地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同集成設(shè)計(jì)平臺(tái)的基本框架

Web服務(wù)技術(shù)為異地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)資源集成提供了一個(gè)迄今為止最好的方案［4］。圖1為基于Web服務(wù)的異地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同集成設(shè)計(jì)平臺(tái)。企業(yè)首先通過(guò)總平臺(tái)或分平臺(tái)提供統(tǒng)一接口的Web服務(wù)向?qū)В瑢⒕W(wǎng)絡(luò)共享的設(shè)計(jì)信息服務(wù)發(fā)布為Web服務(wù)，并在相關(guān)分平臺(tái)或總平臺(tái)上動(dòng)態(tài)注冊(cè)。這樣設(shè)計(jì)者在登錄分平臺(tái)或總平臺(tái)時(shí)就可通過(guò)Web服務(wù)代理接受設(shè)計(jì)者提交的查詢?nèi)蝿?wù)，對(duì)設(shè)計(jì)者需求進(jìn)行分解，調(diào)用相關(guān)平臺(tái)上的Web服務(wù)，并查詢結(jié)果進(jìn)行加工、匯集和整理，將結(jié)果返回設(shè)計(jì)者，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)者的操作更新相關(guān)數(shù)據(jù)，從而把完全分離的數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)為分布式的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

1.2 異地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同集成設(shè)計(jì)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 建立統(tǒng)一接口的Web服務(wù)發(fā)布向?qū)?/p>

如圖2所示，將各個(gè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)的信息服務(wù)發(fā)布為Web服務(wù)，以統(tǒng)一編碼(Wizard形式)提供統(tǒng)一的對(duì)外訪問(wèn)接口，各分平臺(tái)通過(guò)配置安裝向?qū)Й@取信息，通過(guò)Web服務(wù)完成對(duì)數(shù)據(jù)的檢索和更新。同時(shí)，發(fā)布Web服務(wù)的URL及相關(guān)信息提交到平臺(tái)UDDI注冊(cè)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)表中，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集形式提供數(shù)據(jù)和公開(kāi)方式。

1.2.2 各平臺(tái)UDDI注冊(cè)中心

通過(guò)開(kāi)發(fā)集成平臺(tái)之間的私有的UDDI注冊(cè)中心，采用統(tǒng)一的接口形式的Web服務(wù)發(fā)布向?qū)б约癏TTP傳輸協(xié)議，各個(gè)企業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)在發(fā)布Web服務(wù)時(shí)可以將相關(guān)信息資源通過(guò)HTTP傳輸協(xié)議基于地址、接口、提供者、發(fā)布時(shí)間將信息傳輸?shù)娇偲脚_(tái)和各個(gè)分平臺(tái)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣，每一個(gè)設(shè)計(jì)者在查詢時(shí)，系統(tǒng)就能動(dòng)態(tài)調(diào)用各個(gè)web服務(wù)在總臺(tái)上建立的UDDI映射表進(jìn)行資源調(diào)用服務(wù)。

2 螺旋錐齒輪的齒面信息基本介紹

螺旋錐齒輪是一種齒面齒形異常復(fù)雜其精度要求非常高的零部件。如圖3所示，一個(gè)完整的弧齒錐齒輪的齒廓至少由4部分組成:S1段齒頂曲線、S2段工作齒廓曲線、S3段齒根曲線以及連接工作齒廓及齒根的S4段齒根過(guò)渡圓角曲線。在加工過(guò)程中，工作齒廓線所成的曲面由刀具的直線刃部分包絡(luò)展成，過(guò)渡曲線所構(gòu)成的過(guò)渡曲面，根據(jù)刀具形狀的不同，是由刀具齒頂尖或者齒頂圓角包絡(luò)形成的。而一個(gè)完整的齒面應(yīng)該包括一個(gè)頂面、兩個(gè)側(cè)面、兩個(gè)端面。其中，頂面為齒頂面，是兩條齒頂線a、b與大小端面齒頂圓t1圍成;兩個(gè)側(cè)面是指輪齒的成對(duì)稱形狀的凹面和凸面，包括工作齒面、齒根面、以及兩者之間的過(guò)渡圓角曲面3個(gè)部分;其中工作齒面由齒頂線b和過(guò)渡圓角線c及端面的工作齒廓t2圍成，過(guò)渡圓角曲面是由過(guò)渡圓角線c、d和端面過(guò)渡圓角t4圍成，而大小端面是齒廓曲線圍成的。

3 螺旋錐齒輪模型設(shè)計(jì)的模塊定義

基于近些年來(lái)螺旋錐齒輪的研究成果，將其進(jìn)行歸納和總結(jié)，定義為快速參數(shù)化的模型設(shè)計(jì)模塊，可以通過(guò)相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)輸入，驅(qū)動(dòng)程序完成初步的實(shí)體模型，結(jié)合相關(guān)的誤差分析預(yù)測(cè)，完成齒面重構(gòu)，以輸出高精度的齒輪模型。其有關(guān)螺旋錐齒輪的模型設(shè)計(jì)模塊定義為:

3.1 由點(diǎn)到面的模型設(shè)計(jì)模塊

如圖4所示，齒面可以離散化表示為:齒面上均勻分布的網(wǎng)格曲線的交點(diǎn)，其中沿齒長(zhǎng)方向的曲線為U線，沿齒高方向的曲線為V線?；赪eb服務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)所提供的這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)入三維軟件繪圖操作中，首先由齒面離散點(diǎn)的坐標(biāo)信息借助由點(diǎn)云創(chuàng)建曲面功能擬合成一個(gè)輪齒齒面的模型;然后從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取齒坯的坐標(biāo)信息，讓單個(gè)齒與齒坯作布爾求差運(yùn)算得到一個(gè)齒槽;最后在齒坯上借助環(huán)形陣列功能得到整個(gè)齒輪的實(shí)體模型。在對(duì)初步得到的齒輪模型進(jìn)行齒面優(yōu)化與重構(gòu)以后，就能得到最終的齒輪實(shí)體模型。然后通過(guò)Web服務(wù)進(jìn)行網(wǎng)上發(fā)布而存入最終的齒輪零件數(shù)據(jù)庫(kù)封存。

3.2 由線構(gòu)面模型設(shè)計(jì)模塊

該模塊完成齒輪的模型設(shè)計(jì)的主要過(guò)程為:(1)基于Web服務(wù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取組成齒面的有關(guān)齒形曲線方程的基本數(shù)據(jù)信息;(2)進(jìn)入三維繪圖操作環(huán)境，輸出齒形曲線，由齒形曲線完成一個(gè)齒面的創(chuàng)建操作;(3)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的齒坯參數(shù)，快速參數(shù)創(chuàng)建齒坯實(shí)體;(4)由齒面與齒坯作求差運(yùn)算切出一個(gè)齒槽;(5)將齒槽通過(guò)陣列形式完成整個(gè)齒輪的模型設(shè)計(jì);(6)進(jìn)行齒面優(yōu)化和重構(gòu);(7)進(jìn)行網(wǎng)上發(fā)布，并存入最終的螺旋錐齒輪零件庫(kù)。

3.3 仿真加工模型設(shè)計(jì)模塊

仿真切齒加工的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)切削刀盤(pán)和工件的相互運(yùn)動(dòng)的布爾切齒運(yùn)算。如圖4所示，將齒坯和刀具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程離散化，從幾何方面考慮，在某一瞬間其切削過(guò)程就相當(dāng)于齒坯幾何體A上減去它和刀具幾何體B的重疊區(qū)域。然后，這樣逐個(gè)時(shí)段進(jìn)行布爾減運(yùn)算，最后在工件齒坯上留下刀具表面的包絡(luò)即是加工而出的弧齒錐齒輪齒面。故其主要過(guò)程是:(1)基于Web服務(wù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用切削刀盤(pán)參數(shù)和齒坯參數(shù);(2)進(jìn)入三維仿真軟件中，完成刀具與齒坯的布爾切齒運(yùn)算，輸出初步的齒輪模型;(3)對(duì)齒輪模型進(jìn)行優(yōu)化和重構(gòu);(4)進(jìn)行信息發(fā)布和入庫(kù)。

4 螺旋錐齒輪的模型設(shè)計(jì)任務(wù)的逐層分解

為了保證足夠的建模精度，完成一個(gè)弧齒錐齒輪的精確模型設(shè)計(jì)，可以將其任務(wù)分解為以下幾個(gè)子任務(wù):(1)數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存;(2)三維軟件操作;(3)齒面優(yōu)化與重構(gòu)。各個(gè)任務(wù)概括為:

4.1 數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存

4.1.1 齒面數(shù)據(jù)信息

齒面數(shù)據(jù)包括圖3所示的齒面上離散點(diǎn)、齒形曲線、基本曲面的相關(guān)信息。其數(shù)據(jù)信息的獲取主要有兩種途徑:一種是基于齒面方程的理論求導(dǎo)，可得出齒面的線和面的信息;另一種是基于齒面測(cè)量的實(shí)踐方法，主要是獲取齒面點(diǎn)的信息。其中，齒面方程的求導(dǎo)，主要有兩類方法:

(1)基于嚙合原理的傳統(tǒng)方法［5－6］。首先根據(jù)實(shí)際加工進(jìn)行刀具幾何形狀設(shè)計(jì)，然后創(chuàng)建刀具切削刃的基本方程，再通過(guò)嚙合原理的運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)的應(yīng)用進(jìn)行由刀盤(pán)到齒坯的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最后可求導(dǎo)出齒面的離散點(diǎn)或齒形曲線表達(dá)的參數(shù)化方程。圖5表示了傳統(tǒng)的齒面方程推導(dǎo)的一般過(guò)程。

(2)另一種是基于球面漸開(kāi)線理論的最新方法，可根據(jù)球面漸開(kāi)線形成原理［7－8］，直接由點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)軌跡得到齒面或齒面的形狀曲線。圖6則表示了利用球面漸開(kāi)線原理求導(dǎo)齒面或齒形曲線的原理，其中圓面Q在基圓錐面OK0N上作純滾動(dòng)，則圓面上的動(dòng)點(diǎn)K0的空間運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成一條端面齒廓曲線，而取圓面上的一條弧形端的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，則可直接構(gòu)成輪齒的一側(cè)齒面的基本形狀。

而基于測(cè)量設(shè)備的齒面測(cè)量方法，是對(duì)已經(jīng)完成加工的零件進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，獲取齒面均勻分布的離散點(diǎn)的坐標(biāo)信息。一般的測(cè)量設(shè)備有專用的齒輪測(cè)量?jī)x及其他精密測(cè)量?jī)x器，如圖6中的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。

4.1.2 仿真切齒加工信息

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的螺旋錐齒輪仿真切齒加工是其齒面模型設(shè)計(jì)的主要方法之一。

(1)切齒參數(shù)，主要包括切削刀盤(pán)參數(shù)和機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)。圖7左圖表示了切削刀盤(pán)的相關(guān)參數(shù)，切削刀盤(pán)的名義直徑Dd，內(nèi)外切刀尖直徑Ddi和Dda，內(nèi)外切壓力角ai和aa，刀頂距W等都可以通過(guò)齒輪的模數(shù)、齒形角、外錐距、齒面高、齒全高等參數(shù)計(jì)算求得。機(jī)床的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，是指模擬的格里森數(shù)控銑齒機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。圖7右圖表示了六軸五聯(lián)動(dòng)的全功能數(shù)控機(jī)床即格里森PHOENIX?Ⅱ型銑齒機(jī)床結(jié)構(gòu)模型，該機(jī)床具有3個(gè)平移軸X、Y、Z軸和2個(gè)回轉(zhuǎn)軸A、B軸，而刀盤(pán)C軸保持不動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)弧齒錐齒輪的展成加工［9］。而通過(guò)等效轉(zhuǎn)換［10］和程序控制［11］就可完成其運(yùn)動(dòng)參數(shù)的求解。

(2)工件齒坯參數(shù)，即創(chuàng)建齒坯時(shí)所需要的具體的尺寸和大小，主要基本參數(shù)包括齒輪副的軸交角Σ、齒數(shù)z、模數(shù)m、旋向(左旋或右旋)、螺旋角β、壓力角α、分錐角 δ和錐距R等［12］。

(3)機(jī)床設(shè)備參數(shù)，主要包括刀具參數(shù)、進(jìn)給速度、進(jìn)給量、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和退刀量等，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的具體情況而定。

4.2 三維軟件操作

繪圖軟件操作主要包括完成螺旋錐齒輪的實(shí)體繪圖操作和仿真切齒加工的操作。如圖8所示，在三維軟件(如Pro/E、Solidworks、UG等)中完成初步模型設(shè)計(jì)的一般步驟為:(1)創(chuàng)建基本曲線、齒輪基本圓;(2)創(chuàng)建齒廓曲線;(3)創(chuàng)建齒根圓角及齒根線;(4)創(chuàng)建截面與引導(dǎo)線;(5)掃描混合生成第一個(gè)輪齒;(6)陣列創(chuàng)建輪齒。

而仿真切齒加工的三維軟件操作為:在仿真繪圖軟件(如CATIA、VERICUT等)中，基于數(shù)據(jù)庫(kù)中的切削刀盤(pán)的參數(shù)和齒坯參數(shù)，快速參數(shù)化插件齒坯和刀盤(pán)的實(shí)體模型，然后調(diào)整好兩者的初始位姿進(jìn)行布爾切齒運(yùn)算，并編制程序保證加工過(guò)程中其位姿始終正確，切出一個(gè)齒槽后旋轉(zhuǎn)齒坯重復(fù)下一個(gè)齒面的運(yùn)動(dòng)直至得到齒輪精確的實(shí)體模型。

4.3 齒面光順與重構(gòu)

對(duì)初步完成的齒輪模型進(jìn)行齒面優(yōu)化與重構(gòu)是提高模型設(shè)計(jì)精度的一個(gè)必不可少的步驟。因?yàn)榈玫降某醪烬X輪模型其齒面精度較低，例如在求解齒面離散點(diǎn)的過(guò)程中存在的差值精度，在齒面測(cè)量取點(diǎn)中存在機(jī)械振動(dòng)誤差，在繪圖操作中存在累積誤差等。尤其是在仿真加工為主的模型設(shè)計(jì)中，輸出的最后的齒輪實(shí)體模型的齒面精度較低，不得不進(jìn)行齒面的光順處理，優(yōu)化與重構(gòu)齒面的方法有很多，其中基于NURBS蒙皮技術(shù)［13］的齒面重構(gòu)較為普遍。

根據(jù)齒面的點(diǎn)求取過(guò)程，及齒面方程的推導(dǎo)過(guò)程先求導(dǎo)組成齒面網(wǎng)格的交線中的U線和V線構(gòu)成，則這些交線的交點(diǎn)就為齒面均勻分布的離散點(diǎn)。而這些曲線網(wǎng)格，可以構(gòu)成一個(gè)NURBS曲面，其中由U向和V向的兩個(gè)參數(shù)變量(u，v)可以形成分段有理多項(xiàng)式。故其NURBS曲面可以定義為:

式中:pij為控制網(wǎng)格上頂點(diǎn)即交點(diǎn);wij為頂點(diǎn)的權(quán)因子;Ni，ku（u）為在交點(diǎn)區(qū)間內(nèi)第i個(gè)ku次樣條基函數(shù);Nj，kv（v）為在交點(diǎn)區(qū)間內(nèi)第j個(gè)kv次樣條基函數(shù)。

5 異地設(shè)計(jì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)互操作與信息資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配

利用對(duì)象技術(shù)，就有關(guān)模型設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)與任務(wù)功能進(jìn)行封裝，基于Web服務(wù)由異地的各企業(yè)進(jìn)行資源共享，同時(shí)支撐各個(gè)工作模塊的調(diào)用與工作，完成模型的快速精確設(shè)計(jì)。

其中封裝的內(nèi)容主要是螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)階段的即時(shí)更新與發(fā)布的數(shù)據(jù)，包括各個(gè)逐層分解的任務(wù)數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)模塊的實(shí)體模型入庫(kù)數(shù)據(jù);也包括數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的過(guò)程信息、人員角色信息、版本信息、模塊方案選擇、決策依據(jù)等。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)模塊內(nèi)部可通過(guò)互相協(xié)商完成其結(jié)構(gòu)配置、過(guò)程數(shù)據(jù)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)的參數(shù)關(guān)系;而外部可通過(guò)設(shè)定統(tǒng)一的處理原則，例如可以齒面建模的精度為原則完成對(duì)模塊的創(chuàng)建、管理和操作。另外。模塊的異地遠(yuǎn)程調(diào)用可在供Web服務(wù)的廣域網(wǎng)上以模塊－框架－網(wǎng)絡(luò)－模塊的形式，通過(guò)UDDI注冊(cè)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)訪問(wèn)、優(yōu)化和決策。

6 多設(shè)計(jì)者決策的協(xié)調(diào)與優(yōu)化

螺旋錐齒輪的異地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同集成設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)內(nèi)的各個(gè)設(shè)計(jì)者都處于同一個(gè)系統(tǒng)框架下，實(shí)時(shí)進(jìn)行資源共享和利用，通過(guò)總設(shè)計(jì)平臺(tái)及時(shí)提供和采集總的決策方案，由分平臺(tái)提供決策子方案以供下一級(jí)的設(shè)計(jì)平臺(tái)甚至設(shè)計(jì)者來(lái)完成齒輪的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。而各個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)之間決策沖突和仲裁方案，則需要總平臺(tái)即時(shí)檢測(cè)和管理已完成決策?？梢圆扇∫栽O(shè)計(jì)單元為屬性的子任務(wù)ID編號(hào)，采用遺傳算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速搜索和配置，已完成決策者的即時(shí)監(jiān)測(cè)與協(xié)調(diào)。

尤其是子任務(wù)的設(shè)計(jì)平臺(tái)之間，需要進(jìn)行即時(shí)的平衡和優(yōu)化，提供一個(gè)可供多個(gè)決策者進(jìn)行交換決策信息的平臺(tái)，以最終模塊設(shè)計(jì)完成的入庫(kù)的齒輪模型信息為載體，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的齒輪模型設(shè)計(jì)方案的決策。圖9表示了在模塊設(shè)計(jì)完成后，基于Web服務(wù)的最終螺旋錐齒輪零件庫(kù)的基本信息。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著螺旋錐齒輪數(shù)字化制造技術(shù)的興起，基于Web服務(wù)的異地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)將逐漸成為齒輪設(shè)計(jì)的一種主要手段。將齒輪模型設(shè)計(jì)方案模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，并及時(shí)進(jìn)行封裝與網(wǎng)上發(fā)布;由團(tuán)隊(duì)內(nèi)的異地設(shè)計(jì)人員進(jìn)行快速查詢與調(diào)用，完成資源共享式的齒輪設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化;基于統(tǒng)一或共同協(xié)商的決策方案完成最終的模型設(shè)計(jì)，將為螺旋錐齒輪的數(shù)字化設(shè)計(jì)甚至制造的研究提供新的方向和途徑。另外，這一螺旋錐齒輪的模型集成設(shè)計(jì)過(guò)程中的大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)域組成信息，可以為數(shù)字化制造過(guò)程中的其它重要環(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)和支撐。

［1］李敬財(cái).螺旋錐齒輪數(shù)字化制造基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)的研究［D］.天津:天津大學(xué)，2008.

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