基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的汽車變速箱齒輪設(shè)計(jì)

王科銀

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

前言

汽車變速箱中主要應(yīng)用的齒輪為直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪。一方面無(wú)論是直齒輪還是斜齒輪的建模過(guò)程都比較復(fù)雜，對(duì)于很多設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)很難掌握齒輪的三維建模方法。另一方面，變速箱中需要用到很多不同齒數(shù)、模數(shù)、寬度等參數(shù)的齒輪，這就要求設(shè)計(jì)者對(duì)不同的齒輪進(jìn)行建模，造成了大量重復(fù)性的勞動(dòng)，降低了設(shè)計(jì)效率。因此為了提高變速箱中齒輪的建模效率從而縮短變速箱的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，開(kāi)發(fā)變速箱常用齒輪生成程序就有了很重要的使用價(jià)值。CATIA V5是法國(guó)DASSAULT公司開(kāi)發(fā)的基于Windows操作系統(tǒng)的高端CAD/CAM/CAE軟件，它涵蓋了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，提供了完善無(wú)縫的集成環(huán)境。[1]作為一款成熟的三維軟件，CATIA V5為用戶提供了二次開(kāi)發(fā)接口和開(kāi)放式的內(nèi)部命令集合，用戶可以應(yīng)用不同的開(kāi)發(fā)方式對(duì)CATIA V5進(jìn)行不同程度的開(kāi)發(fā)來(lái)滿足應(yīng)用需求。本研究選用CATIA V5做為開(kāi)發(fā)軟件，采用VB6.0做為開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了汽車變速箱常用齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，讓用戶只需要在交互界面輸入?yún)?shù)便可以快速生成三維幾何體。

1 CATIA二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介

任何優(yōu)秀的軟甲，其功能也不可能滿足所有領(lǐng)域、所有用戶的應(yīng)用習(xí)慣和應(yīng)用需求。為此，CATIA V5為用戶提供了二次開(kāi)發(fā)接口和開(kāi)放式的內(nèi)部命令集合，給用戶的二次開(kāi)發(fā)帶來(lái)了方便。作為一款強(qiáng)大的工程軟件，CATIA V5為用戶提供了多種二次開(kāi)發(fā)接口，其中包括開(kāi)放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程接口（CAA）和自動(dòng)化對(duì)象編程（V5 Automation）。[2]

1.1 CAA簡(jiǎn)介

CAA是組件應(yīng)用架構(gòu)（Component Application Architec-ture）的簡(jiǎn)稱。CAA的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)提供的快速應(yīng)用研發(fā)環(huán)境 RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。CATIA本身是按照組件模型建立起來(lái)的，用戶可以通過(guò)開(kāi)發(fā)自己的 CAA組件，對(duì) DASSAULT SYSTEMES的CATIA V5進(jìn)行擴(kuò)展；也可以把用戶自己開(kāi)發(fā)的CAA組件結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)用戶自定義應(yīng)用。CAA可以進(jìn)行從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的二次開(kāi)發(fā)工作，而且和原系統(tǒng)的結(jié)合非常緊密。

1.2 V5 Automation簡(jiǎn)介

Automation技術(shù)是建立在 COM 基礎(chǔ)之上，由 OLE Automation(Object Linking and Embedding Automation)發(fā)展而來(lái)的。Automation的核心技術(shù)是允許一個(gè)應(yīng)用程序操作另一個(gè)應(yīng)用程序。Automation技術(shù)并不是直接獲取及處理數(shù)據(jù)，而是間接地通過(guò)暴露的對(duì)象和屬性，利用對(duì)象的方法和屬性獲取、設(shè)置及處理數(shù)據(jù)。Automation技術(shù)包括兩個(gè)方面：server和client。Automation server是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了IDispatch接口的COM組件，而Automation client是一個(gè)通過(guò)IDispatch接口與自動(dòng)化服務(wù)器進(jìn)行通信的COM客戶。

CAA和V5 Automation兩種二次開(kāi)發(fā)手段各有特點(diǎn)，利用CAA完全可以實(shí)現(xiàn)Dassault Systemes應(yīng)用的深層次開(kāi)發(fā)，但是，由于Dassault Systemes應(yīng)用本身的復(fù)雜性和CAA 所涉及的深層次內(nèi)容，利用 CAA 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)必然具有一定的復(fù)雜性和難度。相對(duì)于CAA來(lái)說(shuō)使用Automation開(kāi)發(fā)較為簡(jiǎn)單，具有開(kāi)發(fā)周期短、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。本研究是利用Automation技術(shù)對(duì)CATIA V5進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在VB程序中訪問(wèn)CATIA，實(shí)現(xiàn)三維模型的自動(dòng)創(chuàng)建。

2 設(shè)計(jì)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程

圖1 VB對(duì)CATIA開(kāi)發(fā)過(guò)程

使用VB6.0對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的時(shí)候，可以逐句編寫程序，這種方式不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且容易出現(xiàn)編寫錯(cuò)誤。為了簡(jiǎn)化程序的編寫過(guò)程提高工作效率，往往需要利用CATIA自身提供的宏錄制功能來(lái)快速的獲取VB程序代碼。之后把錄制完成的腳本文件導(dǎo)入VB中并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷募纯赏瓿沙绦虻木帉?。因?yàn)樾饼X圓柱齒輪和直齒圓柱齒輪開(kāi)發(fā)過(guò)程類似，只是斜齒輪比直齒輪多了一個(gè)螺旋角參數(shù)，故本文以直齒圓柱齒輪為例探討開(kāi)發(fā)過(guò)程。用VB對(duì)CATIA進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程如圖1所示。

2.1 基于CATIA的齒輪參數(shù)化建模及宏錄制

直齒圓柱齒輪主要參數(shù)如表1和表2所示：

表1 直齒輪基本參數(shù)

表2 直齒輪計(jì)算所得參數(shù)

表1中的參數(shù)為直齒輪的基本參數(shù)，也就是在齒輪設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)所得參數(shù)，表2中的參數(shù)為直齒輪計(jì)算參數(shù)，該部分參數(shù)是根據(jù)表2中的參數(shù)計(jì)算得來(lái)的。齒輪的整個(gè)建模過(guò)程基于參數(shù)化建模理念，在創(chuàng)建模型的特征之前，要在CATIA中輸入齒輪的參數(shù)。在輸入基本參數(shù)時(shí)要給每個(gè)參數(shù)賦初值，在輸入計(jì)算所得參數(shù)時(shí)，只需輸入公式便可根據(jù)基本參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出參數(shù)的具體數(shù)值。參數(shù)輸入完成之后便是運(yùn)用尺寸驅(qū)動(dòng)法對(duì)齒輪進(jìn)行特征建模。需要注意的是在CATIA新建零件之前要啟動(dòng)宏錄制功能，以獲得整個(gè)齒輪建模過(guò)程的宏文件。建模結(jié)束，直接在CATIA中運(yùn)行所錄制的宏，如果所錄制的宏能正確運(yùn)行，并生成正確的三維模型，則所錄制的宏能夠用于接下來(lái)的參數(shù)提取操作，如果所錄制的宏在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，必須打開(kāi)所錄制的宏對(duì)提示運(yùn)行出錯(cuò)的語(yǔ)句進(jìn)行修改，直到能夠正確運(yùn)行為止。在宏的運(yùn)行過(guò)程中有時(shí)可能是建模方法的原因，導(dǎo)致所錄制的宏不能正確運(yùn)行，這時(shí)就需要改進(jìn)建模方法，重新錄制宏。

2.2 齒輪參數(shù)提取

對(duì)于直齒圓柱齒輪，需要提取的參數(shù)是表3中齒輪的所有基本參數(shù)。在保證零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下，直齒圓柱齒輪都是由這些基本參數(shù)直接或間接驅(qū)動(dòng)的，所以需要提取出這些基本參數(shù)，為后續(xù)的程序編寫奠定基礎(chǔ)。例如，所錄制的宏中，對(duì)于齒輪模數(shù)的定義語(yǔ)句是：

Set parameters1 = part1.Parameters

Set Length1 = parameters1.CreateDimension("", "LENGT H", 0#)

Length1.Rename "m"

Length1.Value = 2.5

語(yǔ)句Length1.Value = 2.5是對(duì)模數(shù)賦初值2.5的語(yǔ)句，這就需要用可視化界面中定義模數(shù)的變量替換 2.5賦值給語(yǔ)句Length1.Value來(lái)達(dá)到尺寸驅(qū)動(dòng)的目的。其他變量的提取在此不一一贅述。

2.3 VB6.0可視化界面定制及程序編寫

在VB6.0中在編寫程序之前，首先要定制可視化界面。友好的人機(jī)交互界面，可以讓用戶更簡(jiǎn)單、更快捷的操作軟件。圖2為軟件登陸界面，該界面是一個(gè)MDI窗體，窗體中顯示的是程序的名稱和版本信息，并且在窗體上添加了彈出式菜單欄。為了保護(hù)軟件的版權(quán)，添加了登陸菜單，使用軟件之前要求用戶輸入登陸密碼方可使用。“創(chuàng)建齒輪”菜單下面設(shè)置了“直齒輪創(chuàng)建”和“斜齒輪創(chuàng)建”兩個(gè)子菜單，直齒輪和斜齒輪參數(shù)輸入界面分別如圖2和圖3所示。對(duì)于模數(shù) m、壓力角α、齒頂高系數(shù)hax、頂隙系數(shù)cx四個(gè)參數(shù)用ComboBox實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選擇，用戶可以選擇《齒輪設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的規(guī)定數(shù)值，其他參數(shù)則用TextBox供用戶手動(dòng)輸入數(shù)值。

圖2 程序登陸界面

圖3 直齒輪參數(shù)輸入界面

圖4 斜齒輪參數(shù)輸入界面

人機(jī)交互界面定制完成之后，就是程序語(yǔ)句的編寫，程序語(yǔ)句的正確編寫是實(shí)現(xiàn)軟件功能的關(guān)鍵。編寫的程序能夠通過(guò)用戶輸入的參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，從而在CATIA運(yùn)行環(huán)境中生成三維模型。

程序編寫完成之后要進(jìn)行調(diào)試，直到程序能夠正確運(yùn)行并且能夠生成正確的三維模型。最后把工程文件生成EXE可執(zhí)行文件，該文件就可以在其他裝有CATIA軟件的計(jì)算機(jī)上獨(dú)立運(yùn)行。

3 應(yīng)用實(shí)例

登陸“變速箱齒輪生成程序”進(jìn)入直齒輪創(chuàng)建界面，在界面中輸入圖5所示參數(shù)，點(diǎn)擊“創(chuàng)建齒輪”按鈕，程序便可自動(dòng)打開(kāi)CATIA軟件并且在CATIA運(yùn)行環(huán)境中生成如圖如圖6所示的齒輪三維模型。查看三維模型的各個(gè)參數(shù)，和在交互界面輸入的參數(shù)一致。對(duì)于斜齒輪創(chuàng)建同樣可以得到精確的三維模型。

圖5 直齒輪參數(shù)輸入

圖6 直齒輪三維模型

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)VB6.0編程，開(kāi)發(fā)了友好的可視化界面，調(diào)用CATIA API函數(shù)驅(qū)動(dòng)CATIA，完成了汽車變速箱中漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪的參數(shù)化建模。把兩種類型的齒輪參數(shù)輸入界面集于同一系統(tǒng)，使用戶在變速箱齒輪設(shè)計(jì)時(shí)只需要通過(guò)下拉菜單選擇所要設(shè)計(jì)的齒輪類型便可彈出齒輪的參數(shù)輸入界面，由此把繁雜的齒輪建模過(guò)程變成簡(jiǎn)單的參數(shù)輸入，同樣可以得到精確的三維模型。

參考文獻(xiàn)

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