典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)方法研究

李金佩，姚慧，白瑀，張國安

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典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)方法研究

李金佩1，姚慧1，白瑀1，張國安2

（1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710000；2. 輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計研究院，陜西 西安 710086）

在典型機(jī)械傳動零件設(shè)計生產(chǎn)過程中，種類繁多相應(yīng)的使零件的生產(chǎn)成本和時間增多。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和工廠的效率，針對典型機(jī)械傳動零件這一領(lǐng)域，在以往單一類型的傳動類零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將典型的機(jī)械傳動零件進(jìn)行系列化、標(biāo)準(zhǔn)化歸類，在現(xiàn)有的零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一種更加適應(yīng)現(xiàn)代零件智能化設(shè)計的方法。并且分析了目前具有代表性的不同種類機(jī)械零件的設(shè)計方法的特點(diǎn)和目前實(shí)際應(yīng)用中的限制因素，指出了目前該系統(tǒng)需要改進(jìn)和完善的具體技術(shù)方法，使該參數(shù)化設(shè)計計算系統(tǒng)更加的適應(yīng)目前產(chǎn)品設(shè)計的需求，從而更好地服務(wù)用戶。

參數(shù)化設(shè)計；二次開發(fā)；典型傳動機(jī)械零件；模塊化

典型傳動機(jī)械零件在傳統(tǒng)的制造過程中需要查閱設(shè)計手冊，進(jìn)行大量的計算得出參數(shù)，然后再進(jìn)行設(shè)計、校核、繪圖。從設(shè)計到最終投產(chǎn)成型，期間需要一個漫長的過程，這樣會提高生產(chǎn)成本，誤差率也會隨之上升。針對這些典型的傳動件，系列化、標(biāo)準(zhǔn)化就為參數(shù)化帶來了極大的可能性和迫切性，這意味著生產(chǎn)成本的極大縮減和工廠利潤空間的上升。

因此，在原有單一的機(jī)械傳動零件類型基礎(chǔ)上開發(fā)一套整合后的典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)具有重要的意義。對傳動系統(tǒng)中典型傳動件的參數(shù)化繪圖和計算的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是在目前已經(jīng)存在的一些CAD軟件的二次開發(fā)，通過計算機(jī)輔助設(shè)計來完成建模、計算、分析、仿真、繪圖等設(shè)計任務(wù)[1]。

1 典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計計算的系統(tǒng)開發(fā)方法及框架

典型傳動件的參數(shù)化設(shè)計主要由設(shè)計計算系統(tǒng)和參數(shù)化繪圖系統(tǒng)共同組成，并且實(shí)現(xiàn)了兩部分的有效連接，采用編程語言開發(fā)軟件菜單的接口程序，實(shí)現(xiàn)和目標(biāo)軟件的控制和信息調(diào)用，將傳統(tǒng)的人工設(shè)計計算所需要的圖表和數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一整合，并以模塊化的形式存儲起來，形成一系列的圖庫、數(shù)據(jù)庫信息，通過語言編程使在系統(tǒng)運(yùn)行過程中以人機(jī)交互的形式輸入設(shè)計所需參數(shù)，程序通過對數(shù)據(jù)庫的調(diào)用，將所需數(shù)據(jù)以幻燈片，圖表等形式呈現(xiàn)在用戶面前，指導(dǎo)用戶更好地完成典型傳動件的設(shè)計。這種采用可編輯對話框的功能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的運(yùn)行方法，體現(xiàn)了現(xiàn)代設(shè)計的智能化發(fā)展。

1.1 系統(tǒng)開發(fā)方法

典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計計算與繪圖系統(tǒng)根據(jù)以往人工的設(shè)計習(xí)慣和設(shè)計流程，通過程序調(diào)用對話框的形式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，以最新《機(jī)械設(shè)計手冊》和典型傳動件設(shè)計相關(guān)資料為依據(jù)[2]，形成一套一體化的設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)彌補(bǔ)了之前CAD軟件側(cè)重于繪圖從而沒有完成整個過程的不足，通過程序設(shè)計計算的結(jié)果數(shù)據(jù)庫運(yùn)用接口程序，不僅實(shí)現(xiàn)了AutoCAD軟件二維圖形繪制，也可采用VB API進(jìn)行參數(shù)化齒輪庫設(shè)計。

該設(shè)計計算系統(tǒng)是在Visual Basic 6.0集成編程環(huán)境下，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計計算原理，將設(shè)計計算公式和定理原則嵌入到程序當(dāng)中，通過對子程序的調(diào)用完成對典型傳動機(jī)械零件系統(tǒng)的設(shè)計計算。所得設(shè)計參數(shù)通過AutoCAD ActiveX Automation接口對軟件進(jìn)行編程，從而完成部裝圖的參數(shù)化繪制以及總裝圖的繪制[3]。該系統(tǒng)體現(xiàn)了集設(shè)計計算、數(shù)據(jù)管理、圖形繪制于一體的參數(shù)化、智能化設(shè)計系統(tǒng)。其中，ActiveX Automation作為面向?qū)ο蟮木幊探涌冢梢愿鶕?jù)用戶需求訪問數(shù)據(jù)庫的繪圖對象，指導(dǎo)用戶完成繪圖工作。

以往的系統(tǒng)開發(fā)方法中，對典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計計算都不同于最初的交互式計算機(jī)輔助設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了真正的參數(shù)化繪圖與計算?，F(xiàn)在所要開發(fā)的典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計計算系統(tǒng)，通過將單一的設(shè)計類型系統(tǒng)共同點(diǎn)進(jìn)行提取，并在此基礎(chǔ)上針對系統(tǒng)開發(fā)方法中難以統(tǒng)一的技術(shù)建立分支，使彼此相互依存又相互獨(dú)立，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求調(diào)取設(shè)計傳動件類型的設(shè)計方法、計算規(guī)則以及設(shè)計準(zhǔn)則。典型傳動機(jī)械零件設(shè)計系統(tǒng)由設(shè)計子系統(tǒng)、繪圖子系統(tǒng)、設(shè)計數(shù)據(jù)庫等幾個主要系統(tǒng)構(gòu)成[4]。對典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化系統(tǒng)開發(fā)整體而言，不論以何種形式的開發(fā)方法，都需要一個開發(fā)平臺、開發(fā)環(huán)境以及開發(fā)語言的支撐，以人機(jī)交互的形式呈現(xiàn)在用戶面前，從而完成產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)。

1.2 系統(tǒng)整體框架

典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)整體框架構(gòu)成以模塊化的形式實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)功能的體現(xiàn)靠模塊之間的聯(lián)系。意味著系統(tǒng)之后的功能升級只需在原有的基礎(chǔ)上增加想要實(shí)現(xiàn)其他功能的模塊，并對一些新的設(shè)計要求和設(shè)計準(zhǔn)則運(yùn)用編程語言重新定義和賦值即可。系統(tǒng)的靈活性得到了很大的提高。

典型傳動機(jī)械零件設(shè)計系統(tǒng)主要根據(jù)零件的失效形式[5]，按照相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計計算，由最初的設(shè)計參數(shù)輸入到最終的繪圖完成，除了傳統(tǒng)的設(shè)計計算系統(tǒng)中用戶管理模塊、設(shè)計計算模塊和參數(shù)化繪圖等幾個基本模塊之外，在此基礎(chǔ)上增加了專家系統(tǒng)模塊和幫助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的升級和人性化、智能化的特點(diǎn)。該系統(tǒng)本著系統(tǒng)化、實(shí)用化原則收集了大量專家領(lǐng)域在進(jìn)行齒輪設(shè)計時遇到的知識和經(jīng)驗(yàn)，用真人模擬的方式所編程的計算機(jī)程序輔導(dǎo)人們在決策過程中來解決遇到的實(shí)際問題，有著啟發(fā)性、透明性特點(diǎn)，與其中的幫助系統(tǒng)相輔相成，在系統(tǒng)整體組成上形成了明顯的優(yōu)勢。首次引進(jìn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中應(yīng)用的概念，用以模擬人類進(jìn)行知識的表示與存儲以及利用知識進(jìn)行推理的行為[6]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以信息分布的方式存儲于整個網(wǎng)絡(luò)中，其高度的自學(xué)習(xí)能力可以對不完整的信息進(jìn)行聯(lián)想從而使信息完整準(zhǔn)確，導(dǎo)出正確的的輸出，該系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)參數(shù)化繪圖的實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計實(shí)際上就是所謂的尺寸驅(qū)動，調(diào)用系統(tǒng)提供的編程接口操作該模板，在產(chǎn)品設(shè)計的繪圖過程中可以實(shí)現(xiàn)自動繪圖功能[8]。在同類型的產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中需要通過不同的關(guān)鍵參數(shù)來確定不同規(guī)格的產(chǎn)品，參數(shù)化即通過輸入不同的參數(shù)來改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸，快速準(zhǔn)確地自動生成工程圖。對于約束較多且復(fù)雜的圖形來說，分為主約束和次約束兩種。由用戶控制的能夠獨(dú)立變化的參數(shù)稱為主約束，或主參數(shù)，由圖形結(jié)構(gòu)或主約束控制的稱為次約束。對于主約束是不能簡化的，對此約束的簡化可以有圖形特征聯(lián)動和相關(guān)參數(shù)聯(lián)動兩種方式。

2.1 系統(tǒng)的參數(shù)化繪圖

典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化繪圖系統(tǒng)需要在對話框中輸入相關(guān)傳動件類型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計參數(shù)是通過程序調(diào)用將寫入到程序當(dāng)中的設(shè)計所需參數(shù)呈現(xiàn)給用戶。用VB語言建立對話框，經(jīng)過編程將輸入對話框的參數(shù)賦值得到相應(yīng)的變量，然后建立結(jié)構(gòu)圖和參數(shù)之間的關(guān)系，編寫子程序計算齒輪軸各拐點(diǎn)的3D坐標(biāo)[7]。在圖形繪制過程中，系統(tǒng)通過調(diào)用命令來完成圖層設(shè)置、圖形修改、尺寸和公差標(biāo)注，最后經(jīng)過編寫和調(diào)試輸入齒輪軸繪圖程序，完成參數(shù)化繪圖，具體的參數(shù)化繪圖流程如圖2所示。

圖2 典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化繪圖流程

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)不同的系統(tǒng)其關(guān)鍵技術(shù)也都各有差異，其最終目的都是為了保證設(shè)計合理的情況下提高系統(tǒng)的設(shè)計精度，避免重復(fù)的設(shè)計工作而浪費(fèi)時間。典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）初始參數(shù)設(shè)計可逆的實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)的初始參數(shù)設(shè)計界面包括了所要設(shè)計傳動件類型的初始設(shè)計參數(shù)，用戶根據(jù)需要輸入所要設(shè)計參數(shù)，由于初始設(shè)計參數(shù)有的不能夠滿足用戶的設(shè)計要求，只能重新進(jìn)行設(shè)計。該功能可以在初始參數(shù)設(shè)計界面反復(fù)更改設(shè)計參數(shù)，將舊的參數(shù)數(shù)據(jù)存入一個暫存器，最終的設(shè)計參數(shù)以用戶最終點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕為準(zhǔn)并進(jìn)行賦值。

系統(tǒng)在根據(jù)初始設(shè)計參數(shù)設(shè)計出典型傳動零件的具體尺寸后（如齒輪中心矩、模數(shù)、齒數(shù)等），用戶可以根據(jù)需要更改滿意的中心矩或其他尺寸，也可以選擇標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)計，這樣的過程可以反復(fù)進(jìn)行，直到用戶滿意為止。

（2）表格與線圖處理方法。典型傳動機(jī)械零件的設(shè)計中需要參考許多表數(shù)據(jù)以達(dá)到設(shè)計要求，將些表數(shù)據(jù)程序化，用多維數(shù)組檢索方法進(jìn)行表格處理；對于沒有固定的公式的線圖，需要通過擬合或插值的方法得到，而且這些圖難易不一，因此處理好這些線圖和圖標(biāo)將對設(shè)計的精度起到直接的影響。對于較為復(fù)雜的線圖來講，為了提高精確度該系統(tǒng)采用三次樣條插值函數(shù)和MatrixVB進(jìn)行處理，達(dá)到了較為理想的效果。

3 結(jié)束語

典型傳動機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)在原有單一傳動件類型的傳動件基礎(chǔ)上，將各系統(tǒng)內(nèi)部子模塊的共同點(diǎn)進(jìn)行歸納和總結(jié)，主要包括計算方法、設(shè)計準(zhǔn)則等，對于不同的技術(shù)模塊重新建立分支，提出了一種典型傳動件類型集合化的參數(shù)化設(shè)計方法。并引進(jìn)了專家系統(tǒng)模塊和幫助模塊，為用戶提供一種更加可靠和準(zhǔn)確的意見和建議，避免了一些不必要的設(shè)計誤區(qū)。不僅滿足了用戶對標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計，而且可針對不同的需求，設(shè)計和制造滿足客戶需要的非標(biāo)準(zhǔn)零件，開辟了一種新的設(shè)計思維，使該系統(tǒng)的受眾范圍更加廣泛。該系統(tǒng)有助于更好地指導(dǎo)設(shè)計流程，提高設(shè)計過程的精確化和用戶的滿意程度，并為進(jìn)一步的模擬仿真、尺寸精度測量奠定了基礎(chǔ)[9]，對今后典型傳動機(jī)械零件的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化發(fā)展具有重要的作用。

[1]強(qiáng)增. 基于人工智能的齒輪CAD系統(tǒng)（GCAD）的研究與開發(fā)[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2003.

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[3]黃忠敏. CHC型少齒差減速器參數(shù)化繪圖系統(tǒng)開發(fā)[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

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[8]宋龍，馬龍，等. 基于SolidWorks的曲柄壓力機(jī)傳動機(jī)構(gòu)部件參數(shù)化技術(shù)研究[J]. 鍛壓技術(shù)，2015，40（2）：107-112.

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Parametric Design System of Typical Mechanical Transmission Parts

LI Jinpei1，YAO Hui1，BAI Yu1，ZHANG Guoan2

( 1.School of Mechatronic Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710000, China; 2.Light Industrial Xi'an Mechanic Design Research Institute, Xi'an 710086, China)

The variety of mechanical transmission parts increases the cost and time of design and production. In order to improve the final product quality and the manufacturing efficiency, this paper explores a new method to serialize and standardize the typical mechanical transmission parts. Based on the traditional single type parametric design system of mechanical transmission parts, the new method is more adaptable to the intelligent design of modern parts. In addition, this paper also analyzes the characteristics of the currently typical design methods for different types of mechanical parts, and examines the limitations when these methods are in practical applications. The paper provides specific technical solutions to the current system, aiming to develop a more adaptable parametric design calculation system so as to provide better service to the users.

parametric design；secondary development；typical mechanical transmission parts；modular

TP391

A

1006－0316 (2018) 04－0011－04

2017－10－19

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（2016GY－024）

李金佩（1992－），男，河南林州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程；姚慧（1977－），女，陜西耀縣人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計；白瑀（1975－），男，河南項(xiàng)城人，副教授，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助制造。

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.003