基于Web 服務(wù)的機(jī)械傳動(dòng)齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

徐春宇

（江蘇省泗陽中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 宿遷 223700）

1 背景

齒輪是工業(yè)機(jī)械的重要基礎(chǔ)裝置，也是我國工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，齒輪的設(shè)計(jì)與發(fā)展水平可以在一定程度上體現(xiàn)國家的工業(yè)化水平。齒輪傳動(dòng)在國防軍工、工程機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電、礦山機(jī)械、汽車、農(nóng)機(jī)、航空等機(jī)械裝備制造領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。漸開線齒輪作為齒輪中的一種，是機(jī)械中常用的部件，是由漸開線和過渡線組成，因其具有工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

齒輪的設(shè)計(jì)與建模是齒輪制造的基礎(chǔ)，但由于在齒輪的圖紙繪制過程中不可避免需要進(jìn)行多次反復(fù)的修改與訂正，以促進(jìn)對零件形狀加工的優(yōu)化。但由于齒輪的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且齒輪各個(gè)參數(shù)之間相互約束，使得齒輪的三維建模過程十分的繁瑣。伴隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，基于Web的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成為機(jī)械領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢。

2 基于Web服務(wù)的機(jī)械傳動(dòng)齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)思路

齒輪是機(jī)械傳動(dòng)裝置中的重要組成部分，所以齒輪設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系機(jī)械傳動(dòng)裝置的工作效率和使用壽命，同時(shí)也關(guān)系著齒輪制造企業(yè)能否在激烈的市場競爭中以最低的成本和最短的時(shí)間獲得最大化的經(jīng)濟(jì)利潤。齒輪的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)相當(dāng)繁瑣的工作，而齒輪的再設(shè)計(jì)就是一件風(fēng)險(xiǎn)較高的事情，在設(shè)計(jì)過程中的一點(diǎn)誤差或錯(cuò)誤都可能會(huì)影響齒輪的性能，甚至可能會(huì)造成不可估量的損失。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，對于零部件的設(shè)計(jì)與加工，有40%是直接重用現(xiàn)有的零部件，還有40%的零部件是對現(xiàn)有程序進(jìn)行參數(shù)修改后而得到。因此，重用設(shè)計(jì)不失為提高再設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的一條有效途徑。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)為重用設(shè)計(jì)提供了平臺與技術(shù)支持，現(xiàn)階段基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的重用設(shè)計(jì)主要包括實(shí)例和參數(shù)重用設(shè)計(jì)2種類型，在實(shí)例的重用設(shè)計(jì)中可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對加工工藝、特征及參數(shù)的重用；而參數(shù)重用設(shè)計(jì)則只能對參數(shù)進(jìn)行修改。由于在機(jī)械領(lǐng)域中，往往客戶所需的產(chǎn)品與實(shí)例之間有著較大的差距，此時(shí)就需要對實(shí)例進(jìn)行參數(shù)的修改，因此，在本文的設(shè)計(jì)中是將2種類型的重用設(shè)計(jì)融合在一起進(jìn)行運(yùn)用。對于齒輪的重用設(shè)計(jì)可以表示一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題、獲取知識和解決問題的過程。

近年來，為了將更多精力投放到核心技術(shù)的研發(fā)中，部分企業(yè)的零部件生產(chǎn)與加工往往會(huì)選擇直接由齒輪供貨商來提供，為了確定供貨商所提供零部件是否滿足其要求，企業(yè)需要全面、詳細(xì)且便捷地了解零部件的相關(guān)資料與信息。而基于Web服務(wù)的零部件數(shù)據(jù)庫，則為企業(yè)和供貨商提供了一個(gè)良好的產(chǎn)品資源分享和信息交流的平臺，這樣有利于加快零部件的開發(fā)速度、縮短開發(fā)周期。此外，由于企業(yè)不同用戶對于齒輪產(chǎn)品的需求也存在顯著差異，為了能夠帶給客戶個(gè)性化的體驗(yàn)和專業(yè)的服務(wù)，可以讓客戶提前通過基于Web服務(wù)的數(shù)據(jù)庫根據(jù)自身需求，尋找是否有符合要求的齒輪種類，若有，則可以直接定制；若沒有，可以查找到比較相似或相近的齒輪種類，通過改變齒輪的參數(shù)來達(dá)到所需產(chǎn)品的要求。由此可見，基于Web服務(wù)的零部件數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，無論是對于企業(yè)，還是對于客戶而言，可以促進(jìn)他們之間的友好合作，而且也減少了因各種因素導(dǎo)致的誤差，極大程度地縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間。因此，基于這一優(yōu)勢，筆者提出了一種基于Web服務(wù)的機(jī)械傳動(dòng)齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)重用的方案（如圖1）。

圖1 漸開線齒輪

圖2 基于Web的機(jī)械傳動(dòng)齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)框架

其中，該框架主要包括以下3個(gè)部分：

（1）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)齒輪的參數(shù)、螺旋角、壓力角、模數(shù)和材料等相關(guān)信息；三維CAD模型庫中以齒輪族的形式存放多個(gè)相似的齒輪模型；二維CAD模型庫用于存儲(chǔ)三維CAD模型庫中齒輪模型對應(yīng)的三向視圖。

（2）邏輯層：該模塊主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能，一是對用戶的權(quán)限進(jìn)行處理，并顯示不同的Web頁面，以滿足不同權(quán)限用戶的需求；二是根據(jù)用戶提交的零件參數(shù)信息進(jìn)行三維建模，在建模完成后返回到Web以供用戶使用。

（3）功能層：在該模塊中將用戶分為游客和普通用戶，游客在Web頁面上只具備檢索和瀏覽功能；而普通用戶可以實(shí)現(xiàn)對零件信息的檢索、瀏覽以及三維建模、修改、下載等功能。

3 基于Web服務(wù)的機(jī)械傳動(dòng)齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)械傳動(dòng)齒輪二次開發(fā)方案的選擇

UG作為當(dāng)前世界上最為先進(jìn)、面向制造行業(yè)的一種CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng),能夠?yàn)楫a(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、仿真及程序生成等一系列過程提供有力支撐和服務(wù)。且UG編程以三維模型為基礎(chǔ)，具有強(qiáng)大、可靠的刀具軌跡生成方法，此外，當(dāng)主模型需要更改設(shè)計(jì)時(shí)，只要根據(jù)編程重新計(jì)算即可，大大降低了開發(fā)成本和周期，在機(jī)械加工過程中具有十分廣泛的應(yīng)用。因此，基于以上優(yōu)勢，在本文的設(shè)計(jì)中，選擇在UG軟件中，利用C#創(chuàng)建齒輪參數(shù)的對話框，建立參數(shù)表達(dá)式，構(gòu)建齒輪的特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫，繪制三維模型，這樣操作的簡單、直觀、便捷，最為重要地是可以避免在運(yùn)行程序過程中因多次調(diào)用程序而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

3.2 機(jī)械傳動(dòng)齒輪參數(shù)化的設(shè)計(jì)

（1）齒輪數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。齒輪作為機(jī)械裝置中的基礎(chǔ)零件，在設(shè)計(jì)時(shí)涉及齒距、齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高、齒根高、中心距、齒厚、螺旋角等諸多參數(shù)，然而，在實(shí)際加工中，為了提高齒輪的加工精度，對于不同用途，齒輪庫給出了不同的標(biāo)準(zhǔn)，所以事實(shí)上很多參數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，比如模數(shù)、螺旋角等。為了便于加工人員和用戶進(jìn)行操作，在設(shè)計(jì)時(shí)，本文通過建立一個(gè)齒輪數(shù)據(jù)庫，用于齒輪的相關(guān)參數(shù)信息，這樣在進(jìn)行三維建模時(shí)，就可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息，從而可以減少人工多次輸入造成的錯(cuò)誤。

（2）齒輪數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于齒輪的類型比較多，為了便于管理，在設(shè)計(jì)過程中建立一個(gè)齒輪數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。E-R模型作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一種常用結(jié)構(gòu)，可以將實(shí)體及其屬性很好的對應(yīng)起來，且操作簡單、容易理解，因此，齒輪數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是建立在E-R模型結(jié)構(gòu)上，其中包含的實(shí)體主要有齒輪、齒輪供應(yīng)商、齒輪參數(shù)、齒輪二維圖、齒輪三維圖、用戶等。當(dāng)用戶在網(wǎng)頁對話框上輸入齒輪參數(shù)時(shí)，就能快速地從數(shù)據(jù)庫中找到滿足用戶需求的相關(guān)信息，這也是本文設(shè)計(jì)的主要目的。

3.3 基于Web齒輪參數(shù)化界面的設(shè)計(jì)

在Web界面上，客戶在登錄后可以在線搜索和瀏覽齒輪零件的屬性信息，如果在已搜索到的結(jié)果中，未找到適合自己需求的，可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的齒輪參數(shù)，如果仍然無法滿足要求，用戶還可以自行修改參數(shù)，從而更好地滿足了用戶的個(gè)性化需求。在用戶輸入?yún)?shù)后，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出齒輪其它的相關(guān)參數(shù)信息，從而以確定齒輪的尺寸大小和加工精度。接著系統(tǒng)調(diào)動(dòng)UG程序，根據(jù)參數(shù)重新制作齒輪三維CAD模型，并顯示在用戶界面上，便于用戶觀察和確認(rèn)。同時(shí)，用戶在瀏覽三維模型的過程中，還可以調(diào)動(dòng)其相關(guān)的二維CAD模型，如果不滿意可以繼續(xù)修改參數(shù)，直到符合客戶要求就可以保存為新模型。在保存同時(shí)，這個(gè)新模型也被存儲(chǔ)到齒輪模型數(shù)據(jù)庫中，在下次使用時(shí)直接調(diào)動(dòng)即可。這樣，齒輪模型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會(huì)不斷被更新，模型數(shù)量也隨之增多，對于用戶而言，查詢和計(jì)算的時(shí)間也會(huì)縮短，有效提高了齒輪設(shè)計(jì)和加工的效率。

4 結(jié)語

本文提出了一種基礎(chǔ)Web服務(wù)的機(jī)械傳動(dòng)齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對參數(shù)的在線快速輸入與修改，可以避免因多次反復(fù)修改帶來的誤差和錯(cuò)誤，極大程度提高了參數(shù)輸入的可靠性與準(zhǔn)確度，有利于優(yōu)化機(jī)械零件的設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)人員利用互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對齒輪的協(xié)同開發(fā)與設(shè)計(jì)，這樣能為處于不同地理位置的設(shè)計(jì)人員提供便捷的合作與交流平臺，有效縮短了齒輪設(shè)計(jì)的開發(fā)周期，有利于降低齒輪設(shè)計(jì)成本，提高齒輪設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。