基于SolidWorks二次開發(fā)的漸開線齒輪參數建模系統

鄧琨 趙罘 林建邦

摘 要：漸開線齒輪是一種最常見的齒輪傳動，具有其他機械傳動不可代替的優(yōu)點，廣泛的應用于各種機械結構中。傳統的漸開線齒輪設計需要工作人員進行大量的計算與查閱資料，往往需要耗費較長的時間，工作效率低也不能直接將設計結果體現在模型上，而且手工計算及其容易出錯。因此本課題結合SolidWorks二次開發(fā)技術，將漸開線齒輪的參數化設計與三維建模統一起來，設計出一套參數建模系統，這樣不但可以大大的減少機械工程師在齒輪設計過程中的工作量，也能極大的提高機械產品的生產效率。程序設計的主要思路是，首先使用MATLAB擬合齒輪參數設計中的圖表，然后編寫強度校核程序界面與后臺算法，最后要鏈接到SolidWorks使能夠根據參數設計結果自動進行三維模型的繪制。以實際工況條件為例，使用程序進行了漸開線齒輪設計，從而證明程序方法的實用性和可行性。

關鍵詞：漸開線齒輪；參數化設計；MATLAB曲線擬合；SolidWorks二次開發(fā)

中圖分類號：TH128 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0010-04

Abstract： Involute gear is one of the most common gear drives， which has the irreplaceable advantages of other mechanical transmission， and is widely used in various mechanical structures. The traditional involute gear design needs a lot of calculation and reference， which often takes a long time， and the low efficiency can not directly reflect the design results on the model， and manual calculation and error prone. Therefore， adopting the technology of SolidWorks secondary development， this paper unifies the parametric design and 3D modeling of involute gear， and designs a set of parameter modeling system. This can not only greatly reduce the workload of mechanical engineers in the process of gear design， but also greatly improve the production efficiency of mechanical products. The main idea of the program design is to first use MATLAB to fit the graph of gear parameter design， then write the strength check program interface and background algorithm， and finally link to SolidWorks to make 3D model drawing automatically according to the parameter design results. With the actual working condition as an example， the involute gear is designed with the program， which proves the practicability and feasibility of the program method.

Keywords： involute gear； parametric design； MATLAB curve fitting； SolidWorks secondary development

引言

漸開線齒輪傳動是機械傳動中的主要形式之一，具有其他機械傳動不可代替的優(yōu)點，如：速比范圍大、功率范圍廣、結構緊湊等。但是齒輪的設計與校核過程需要大量的手工計算過程，往往需要耗費較長的時間，工作效率低，而且手工計算及其容易出錯。所以現代的齒輪制造工程中急需一種計算機輔助設計的參數化校核與建模系統應用，這樣不但可以大大的減少機械工程師在齒輪設計過程中的工作量，也能極大的提高機械產品的生產效率。

目前開發(fā)交互式系統實現齒輪的參數化設計是最熱門的應用技術之一，能否實現參數化設計也成為評價CAD系統優(yōu)劣的重要指標。張小明、羅靜、李新華等人做了基于SolidWorks的漸開線參數化設計的研究，探索使用VB作為主體開發(fā)語言，分析建立齒輪方程，編寫基于VB語言的齒輪仿真系統的源程序，實現漸開線齒輪參數化設計[1]；陰天龍、陳林等人開發(fā)了基于SolidWorks的漸開線齒輪參數化建模與裝配的系統，使用VB語言創(chuàng)建dll插件嵌入到SolidWorks中去進行二次開發(fā)，程序可以進行齒輪建模與裝配，效率高精度高，將設計人員從繁復的建模過程中釋放出來，提升了設計效率[2]；馬曉芳、王春燕等人做了基于Visual Basical和APDL的漸開線齒輪參數化建模的研究，利用ANSYS自帶的參數化設計語言與Visual Basical結合，對ANSYS進行二次開發(fā)，設計出了一種便捷、有效的漸開線齒輪參數化建模方法。這一方法可以是操作界面簡單化并面向對象，使沒有學習過ANSYS軟件的工程設計人員也能很好的進行有限元分析[3]；楊向 、陳順洪等人做了基于UGNX的漸開線齒輪參數化設計的研究，利用UGNX的原有命令來實現圓柱直齒輪的參數化設計。能夠在UG的環(huán)境下利用其表達式功能，選用適當的參數化驅動命令，實現齒輪等復雜體的參數化設計，同時繪制結果比較精確。這種實現為其他具有復雜表面形狀形態(tài)的參數化設計與建模提供的參考方法[4]。

目前研究出來的系統往往只能夠根據用戶輸入的參數進行簡單的三維建模，并不能保證其強度上的可靠性?；蛘哂行┊a品只能進行強度校核，但是沒有解決后續(xù)鏈接三維軟件進行建模和繪制工程圖的問題。所以本課題致力于開發(fā)一種參數化設計與建模系統，鏈接校核軟件與三維建模軟件，用戶只需輸入相應的工況條件，由系統進行強度校核，再將校核的參數傳遞到三維軟件中繪制三維模型和工程圖。這樣一體化的工作流程從根本上解決了繁瑣的齒輪設計的難題。

1 強度校核程序開發(fā)

1.1 MATLAB曲線擬合

對于強度校核中眾多的圖形圖表參數需要使用MATLAB的cftool工具擬合曲線模型。第一步需要截取圖形上的點，截取的點的范圍要遍布整條曲線，在曲率變化較大的位置要盡可能多取點。第二步，取點完成后就可以錄入到MATLAB中，啟動cftool工具，如圖1所示。定義的擬合方式為Custom Equation，因為到曲線最后收斂到2.106點，所以為了使擬合結果盡可能準確同時方便錄入到程序中，自定義方程為：

（1）

式中a、b、c、d、e、f是待定系數，程序會自動擬合出相應的系數值和取值范圍，對擬合結果的準確性要進行檢驗，主要的檢驗標準是組內方差（SSE）值，當SSE小于0.01時，擬合的結果滿足精度要求，數學模型可以使用。

最后可以將擬合結果的參數值和方程保存到TXT文件中，方便后續(xù)工作使用，當所有的曲線都擬合完成后，需要驗證方程是不是符合要求，將所有的參數編寫到一個程序中，調用繪圖工具繪制出原圖形，如果與原圖形無誤則可以使用，如圖2所示。

1.2 程序設計

程序開發(fā)平臺使用的是Visual Studio 2013版，選擇VB.NET作為開發(fā)語言。這主要是因為VB.NET語言是一種面向對象的編程語言，它適用于VS平臺，比VB更加的便捷和強大。VB.NET接受了C#全部面向對象的特征，只有在語法表現形式上照顧廣大VB使用者，用擴充的VB表達。同時，SolidWorks二次開發(fā)時使用的原始代碼是VBA編程語言，其在語法上與VB.NET有一定的共性，這就為編寫與修改程序提供了方便。

程序設計流程如圖3所示：

為了滿足工程上的要求，開發(fā)的強度校核程序需要具備一下特點：

（1）允許用戶根據工況條件輸入或修改設計參數。

（2）程序要能夠在設計完成后展示強度校核所需的相關參數，并展示這些參數的取值范圍。

（3）對于齒輪材料的選擇提供兩種方案，一是給出推薦材料，二是允許用戶自定義齒輪的材料。

（4）在強度校核后能夠在后臺計算出齒輪尺寸參數，并連接SolidWorks完成三維建模繪制。

程序開發(fā)過程中首先要進行窗體設計，這里需要調用VS平臺提供的工具模塊，通過設定模塊的屬性和觸發(fā)事件可以進行相應的操作。在工具模塊的后臺編寫校核計算單元，定義全局參數接收保存計算結果提供后續(xù)建模程序使用。如圖4所示的程序界面，主要使用了TextBox和Button窗體工具進行設計，完成的是齒輪變位系數的計算步驟，在程序后臺定義了相應的計算單元，通過單機計算按鈕觸發(fā)計算事件。

2 SolidWorks二次開發(fā)建模

SolidWorks二次開發(fā)是利用支持OLE和COM編程的開發(fā)平臺，通過調用SW API函數來實現相應功能的開發(fā)[5]，從而建立專用功能模塊的過程。目前對SW二次開發(fā)有兩種方法：其一是OLE（Object Linking and Embedding）， 譯為對象的嵌套技術，即開發(fā)的程序以DLL插件文件的形式嵌入到SolidWorks中，用戶可以在使用時方便調用而且穩(wěn)定性較高；另外一種是COM（Component Object Model），譯為組件對象模型技術[6]，使用這種方法開發(fā)的程序是獨立于SolidWorks之外的，用戶使用時能夠自動打開建模軟件并生成三維模型，這種方法的優(yōu)點在于能夠編輯更多的交互界面，方便使用本課題采用的是第二種COM二次開發(fā)的技術，基本的設計思路歸納如下：

（1）在SW中進行零件的三維圖繪制和工程圖繪制，使用宏錄制功能記錄下相應的VBA代碼。

（2）修改VBA代碼為VB.NET代碼，刪除冗余代碼，將其作為源代碼插入到開發(fā)的程序中。

（3）將源程序進行參數化修改，將強度校核得到的齒輪尺寸參數添加到程序中去。

（4）在開發(fā)的程序中添加SW引用，調用相應的API函數建立開發(fā)程序與SolidWorks的連接。

3 設計實例

根據工程實例使用開發(fā)的程序設計漸開線齒輪副，要求的工程參數是小齒輪傳遞的額定功率為250kW，小齒輪的轉速為750r/min，名義傳動比為3.15，單向運作滿載工作壽命為50000h，如圖5所示為程序的設計參數輸入界面。

首先需要設定齒輪材料屬性，系統提供了一系列常用方案供用戶選擇，用戶也可以自己定義材料和熱處理方法，如圖6所示。

程序根據用戶輸入的齒輪參數自動計算出模式和中心矩，同時也提供計算變位系數的功能，最后根據所有參數計算出安全系數。如圖7所示。程序最后展示校核結果，連接SolidWorks自動進行三維模型繪制，效果如圖8所示。

4 結束語

本文的主要研究內容是漸開線齒輪參數化建模系統開發(fā)，是齒輪設計知識與計算機輔助設計技術相結合的綜合課題。該系統可實現漸開線齒輪參數化設計并自動根據設計結果繪制三維模型，使設計人員從擺脫了相似零件的重復性設計的困擾。本文的主要成果有：

（1）開發(fā)出的程序能夠完成漸開線齒輪的參數化設計和建模功能，簡化了繁瑣的設計過程。

（2）程序中對齒輪的材料屬性設計創(chuàng)新性的提供了用戶自定義的功能，提升了程序的實用性。

（3）開發(fā)的程序可以展示設計過程中的所有參數及其取值范圍，方便用戶調整設計方案。

（4）在開發(fā)過程當中，充分利用SolidWorks的宏錄制功能得到程序基本框架，大大簡化了程序研發(fā)的過程。

參考文獻：

[1]張小明，羅靜，李新華.基于SolidWorks的漸開線齒輪參數化設計[J].計算機技術應用，2007，11（34）：36-40.

[2]陰天龍，陳林，劉偉.基于SolidWorks的漸開線齒輪參數化建模與裝配[J].科技資訊，2012（23）：32-34.

[3]馬曉芳，王春燕，李運霞.基于VisualBasic和APDL的漸開線齒輪參數化建模[J].制造業(yè)信息化，2012，38（11）：76-78.

[4]楊向君，陳順洪.基于UGNX的漸開線齒輪參數化設計[J].設計與研究，2014，6：5-10.

[5]張華，陳定方.以VisualBasic為基礎的SolidWorks二次開發(fā)與應用[J].湖北工業(yè)大學學報，2010（4）：36-38.

[6]何岸楊.SolidWorks二次開發(fā)方法研究[J].計算機與信息技術，2007，28：69-74.

[7]李巖，楊傳勇.一種漸開線綜合量規(guī)的制造與檢測方法研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（34）：66-67.