基于SolidWorks-API二次開(kāi)發(fā)的錐齒輪自動(dòng)建模與仿真

李妍姝（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同，037000）

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基于SolidWorks-API二次開(kāi)發(fā)的錐齒輪自動(dòng)建模與仿真

李妍姝
（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同，037000）

摘 要：漸開(kāi)線圓錐齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有著非常廣泛的應(yīng)用前景。為了滿足CAD、CAM、CAE的需要，實(shí)現(xiàn)錐齒輪三維參數(shù)化建模有非常重要的意義。本文以Visual Basic軟件作為開(kāi)發(fā)工具，借助于SolidWorks-API應(yīng)用函數(shù)接口，開(kāi)發(fā)了一套漸開(kāi)線錐齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)程序；還介紹了錐齒輪齒廓曲線的方程，并得出了齒坯的形成方法，以及切齒掃描線的繪制方法。利用VB界面輸入?yún)?shù)自動(dòng)生成錐齒輪的三維模型，結(jié)果準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：錐齒輪；弧齒錐齒輪；SolidWorks-API；自動(dòng)建模；VB編程；仿真

引言

齒輪傳動(dòng)裝置具有質(zhì)量小、體積小、傳動(dòng)比大和效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中。而在齒輪傳動(dòng)中，錐齒輪可用于兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。錐齒輪按輪齒形狀又分為直齒錐齒輪、斜齒錐齒輪以及弧齒錐齒輪。其中，弧齒錐齒輪具有傳動(dòng)能力大、傳動(dòng)平穩(wěn)，重合度大、承載能力大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于航空、航天和飛行器的動(dòng)力裝置中，有著廣泛的應(yīng)用前景，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)及加工制造中都相對(duì)困難。

近年來(lái)，在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面普遍進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，參數(shù)化設(shè)計(jì)和CAD應(yīng)用發(fā)展很快。這樣可以縮短前期準(zhǔn)備周期、提高性能、保證產(chǎn)品性能。因此，齒輪類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也趨向于參數(shù)化設(shè)計(jì)。特別是隨著塑料齒輪的廣泛應(yīng)用、快速成型技術(shù)的迅速發(fā)展，使用三維軟件實(shí)現(xiàn)錐齒輪、特別是弧齒錐齒輪的參數(shù)化建模也成為了設(shè)計(jì)者的迫切需要［1］。

本文以常用三維軟件Solidworks為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，介紹了研究中所用到的二次開(kāi)發(fā)原理、思路和方法等，采用設(shè)計(jì)變量與編程相結(jié)合的二次開(kāi)發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)了錐齒輪自動(dòng)建模與仿真。

1 基于SolidWorks二次開(kāi)發(fā)

1.1 基于SolidWorks軟件二次開(kāi)發(fā)的思路

研究表明，基于SolidWorks三維軟件的二次開(kāi)發(fā)一般有兩種思路：一是完全由設(shè)計(jì)者編程以調(diào)用API對(duì)象，即所有API對(duì)象全部在編程環(huán)境中完成調(diào)用；二是由使用者輸入設(shè)計(jì)變量，并與設(shè)計(jì)者所編寫的程序相結(jié)合以調(diào)用API對(duì)象，即在SolidWorks軟件中建立的典型三維模型，用使用者輸入的設(shè)計(jì)變量作為驅(qū)動(dòng)尺寸形成最終所需的三維模型。本文采用第二種二次開(kāi)發(fā)方式，采用此方式生成零件的具體工作流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)變量與編程相結(jié)合的二次開(kāi)發(fā)流程圖

1.2 SolidWorks二次開(kāi)發(fā)的方法

基于SolidWorks的二次開(kāi)發(fā)方法有兩種：一種是編程法，一種是尺寸驅(qū)動(dòng)法［2］。其中編程法是通過(guò)程序來(lái)順序的執(zhí)行所有的設(shè)計(jì)過(guò)程及計(jì)算關(guān)系式；而尺寸驅(qū)動(dòng)法則是在原有典型三維模型的基礎(chǔ)上，利用使用者輸入的變量尺寸獲得與典型模型結(jié)構(gòu)不變而尺寸不同的類似零件。

但是開(kāi)發(fā)者若要對(duì)SolidWorks三維軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，無(wú)論使用哪種開(kāi)發(fā)方式或是哪種編程語(yǔ)言，都需要對(duì)SolidWorks-API編程函數(shù)非常熟悉?？梢圆捎靡粋€(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，那就是必須采用VB編程軟件［3］，開(kāi)發(fā)者可以在SolidWorks三維軟件中“錄制宏”，即在打開(kāi)“宏操作”的前提下手工建模所需的典型模型，得到的“宏代碼”是符合VB編程語(yǔ)法的。開(kāi)發(fā)者只需甄別“宏代碼”中的編程語(yǔ)言和數(shù)字參數(shù)，將數(shù)字參數(shù)設(shè)置為用戶輸入的驅(qū)動(dòng)尺寸，即可用于SolidWorks二次開(kāi)發(fā)的主程序部分［4］。

2 錐齒輪參數(shù)化自動(dòng)建模

本文以弧齒錐齒輪為例，如圖2所示，介紹弧齒錐齒輪的自動(dòng)建模過(guò)程。

2.1 建模思路

弧齒錐齒輪的建模思路有4步：

（1）繪制封閉的齒廓曲線，之后繪制齒坯草圖，旋轉(zhuǎn)拉伸形成齒坯；

（2）繪制切除掃描弧線；

（3）切除掃描生成單個(gè)齒形；

（4）圓周陣列（3）中特征即可生成所需的弧齒錐齒輪。

2.2 具體建模過(guò)程

（1）生成漸開(kāi)線齒廓曲線

圖2 齒條刀具齒形曲線

首先，在VB中建立兩數(shù)組x1、y1，分別存放齒條刀具齒形曲線的兩個(gè)坐標(biāo)，齒條刀具曲線如圖2所示。即刀具齒形曲線dc段上的10個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)由式（1）得到，曲線bc段上的10個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)由式（2）得到，曲線ab上的20個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)由式（4）得到。

式中：xoc、yoc為圓弧bc的圓心oc坐標(biāo)。

其次，建立數(shù)組phi存放齒廓曲線轉(zhuǎn)過(guò)的角度，兩數(shù)組x2，y2分別存放齒廓曲線的兩個(gè)坐標(biāo)。按式（5）、式（6）分別計(jì)算齒廓曲線轉(zhuǎn)過(guò)的角度和齒廓曲線的坐標(biāo)。計(jì)算中用數(shù)值差分代替式（5）中的導(dǎo)數(shù)計(jì)算［5］。

算得的齒廓曲線坐標(biāo)點(diǎn)可通過(guò)Solidworks-API中Part.InsertCurveFilePoint的命令繪制出樣條曲線形式的單側(cè)齒廓曲線，如圖3（a）所示；用“鏡像”（Part.SketchMirror）命令生成另一側(cè)齒廓曲線，如圖3（b）所示；最后用兩條直線連接兩側(cè)齒廓曲線，使用“草圖-直線”（Part.CreateLine）命令形成封閉的齒廓曲線以便切除單個(gè)齒形，如圖3（c）所示；最后使用刪除（Part.Extension.SelectByID2）命令刪除中心線，以防止在后續(xù)步驟中形成干擾，如圖3（d）所示。

圖3 漸開(kāi)線齒廓的繪制過(guò)程

（2）自動(dòng)計(jì)算齒坯點(diǎn)，繪制齒坯草圖并形成齒坯

為了方便繪制，選擇將齒廓曲線繪制在前視基準(zhǔn)面，齒坯草圖繪制在右視基準(zhǔn)面上，各坐標(biāo)點(diǎn)（見(jiàn)表1）用“草圖-直線”（Part.C r e a t e L i n e）命令連成如圖4所示的草圖，再用“旋轉(zhuǎn)-拉伸”（Part.FeatureManager.FeatureRevolve）命令將其繞軸線l78旋轉(zhuǎn)即可得到齒坯的三維實(shí)體，如圖5所示。

圖4 齒坯計(jì)算示意圖

圖5 齒坯效果圖

表1 錐齒輪齒坯各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式

（3）判斷錐齒輪類型，以弧齒錐齒輪為例介紹自動(dòng)建模過(guò)程［6］

為了方便使用者，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的標(biāo)準(zhǔn)，本文所設(shè)計(jì)程序中自動(dòng)選擇合適的刀盤公稱直徑，不需要使用者由界面輸入。根據(jù)使用者界面輸入的弧齒旋向，由草圖-圓?。≒art.SketchManager.CreateArc）命令生成掃描弧線，如圖6所示。

圖6 弧齒錐齒輪切齒掃描線繪制過(guò)程

再使用掃描-切除（Part.FeatureManager.InsertCutSwept3）命令，將第（1）步中形成的齒廓曲線沿掃描弧線切除，形成單個(gè)齒，如圖7所示。最后通過(guò)陣列（Part.FeatureManager.FeatureCircularPattern2）命令形成整個(gè)弧齒錐齒輪，如圖8所示。

圖7 切除單個(gè)齒形

圖8 弧齒錐齒輪

3 程序運(yùn)行及仿真

由程序輸入界面（如圖9所示）輸入齒輪參數(shù)，齒形角α，齒數(shù)z1、z2，模數(shù)m，齒頂高系數(shù)h ，齒隙系數(shù)c，齒厚b，選擇所需的齒輪類型、旋向等，點(diǎn)擊確定即可生成單個(gè)齒輪零件。零件生成后，將會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)“生成報(bào)告界面”，如圖10所示。

圖9 程序輸入界面

圖10 生成報(bào)告界面

將大小齒輪零件分別保存，再調(diào)入裝配體中，只需設(shè)置兩個(gè)錐齒輪的節(jié)錐點(diǎn)和產(chǎn)形輪平面分別重合即可完成裝配。圖11為程序自動(dòng)建模完成的等高齒、收縮齒、弧齒以及根切錐齒輪副的仿真模型。

圖11 設(shè)計(jì)實(shí)例三維實(shí)體造型

4 結(jié)論

本文分析了國(guó)內(nèi)對(duì)錐齒輪實(shí)體造型的研究現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)SolidWorks三維軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了各種錐齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)建模。本文在SolidWorks二次開(kāi)發(fā)思路及方法的基礎(chǔ)上，分析了錐齒輪自動(dòng)建模思路及具體建模過(guò)程，通過(guò)實(shí)際程序運(yùn)行生成了三維實(shí)體造型。成功建模錐齒輪，為弧齒錐齒輪的制造加工提供了另一種方式，即用快速成型技術(shù)、粉末冶金方法加工制造弧齒錐齒輪。本文所闡述的生成漸開(kāi)線廓線的過(guò)程，可方便的應(yīng)用于其他漸開(kāi)線齒輪場(chǎng)合，具有精確、簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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Study on Automatic Modeling and Simulation of Bevel Gears Based on SolidWorks-API

Yanshu Li
（Coal Engineering College， Shanxi Datong University， Shanxi， 037000， China）

Abstract：Bevel gears are widely used with much advantage， such as its high stability and bearing heavy loads.To meet the needs of CAD，CAM and CAE， realized bevel gear 3-D parametric modeling is a very important practice.The paper summarized the method of parametric entity construction under the SolidWorks， which was supported by Visual Basic.With the aid of SolidWorks- API application function interface， developed a set of involute bevel gear parametric design program.Bevel gear tooth profile curve equation was introduced in the paper， and concluded the formation of gear blank method， and the gear cutting line drawing method.Three-dimensional model of bevel gear was generated by using VB interface input parameter， satisfactory result has obtained.

Key words：Bevel Gear； Spiral Bevel Gear； SolidWorks-API； Automatic Modeling； VB Programming； Simulation

中圖分類號(hào)：TH132.421

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-234-05

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.030

作者簡(jiǎn)介：

李妍姝（1987-），女，工作于山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，現(xiàn)任助教，工學(xué)碩士研究生。研究方向：參數(shù)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

E-mail： lys19870119@126.com