基于参数化的三维齿轮精确模型的实现.pdf

7 2 煤 矿 机 械 2 0 0 5年第 7期 文 章编 号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 5 0 7 ． 0 0 7 2 0 3 基于参数化的三维齿轮精确模型的实现 邦 晓 虎 淮 阴工学 院 ，江 苏 淮 安 2 2 3 0 0 1 摘 要 阐述 了在 Sol i d w o r k s平 台中实现三维模 型参数 化设计 的方 法， 讨论 了 A c t i v e X A u t o m a ． t i o n对 象及 其方 法和属 性的操作 的机理 ， 结合斜齿轮 齿廓 曲线的形成机 理 ， 对采 用通 用软 件 开发工 具 实现 圆柱齿轮 三维精 确模型 的建立过程进 行详 细介绍 ， 具有较强的工程 实用性 。 关键 词 S o l i d w o r k s ；齿轮模 型 ；参数化设计 中图号 T P 3 9 文献标识码 A 1 前 言 Sol i d Wo r k s 是基 于微 机 Wi n d o w s平 台 的参 数化 三维机 械设计 软件 。具 有尺 寸和几 何 驱动 功能 ， 可 以随时修改零件 的尺寸 、 相 互关系和几何轮廓形状 ； 它将复 杂零 部件 的设计 细节用 Sol i d Wo r k s的特 征管 理器 树 进行安 排 ， 条理 清 晰 明了 ， 操 作 简单 方便 ； Sol i d Wo r k s由零部件 的三维模型直接 生成工程图纸 ， 结构 和尺寸全相关并 实现更新完全 同步并 能 自动进 行动态 约束 检查 ； Sol i d Wo r k s 不但 具有强劲复杂 的 曲 面造型 能 力 ， 还 具 有 C A D ／ C A E功 能。Sol i d Wo r k s通 过 A c t i v e X A u t o m a t i o n技术 为用户提供 了强 大的二次 开发接 口 ， 凡 支持 A c t i v e X A u t o mat i o n编程 的开 发 工 具 ， 如 V i s u a l C 、 V i s u a l B a s i c 、 D e l p h i 等 均 可用 于 Sol i d Wo r k s 的二次开发 。 创建 出用户定制的企业级 功 能模块 。 本文通 过 对 Sol i d Wo r k s中 的 A c t i v e X A u t o ma t i o n 技术 的分析 ， 结合 圆柱 齿轮 的精 确模 型 的实 例给 出 具 体的实 现方 法。所开发 的系统 已在江苏省金象减 速机 有 限公司使 用 。 2主 要技术 2 ． 1 A c t i v e X A u t o ma t i o n及 其 机 制 A c t i v e X A u t o mat i o n是 一套 微 软标 准 ， 以前通 常 称为 O L E A u t o mat i o n ， 该标准允许通过外显 e x p o s e d 的对象 由一个 Wi n d o w s 应 用程 序 控 制 另 一 个 Wi n ． d o w s 应 用程序 。A c t i v e X A u t o ma t i o n则 主要 处理 它们 之间 的 通 讯 问题 。 Sol i d Wo r k s支 持 A c t i v e X A u t o ma ． t i o n标 准 ， 完 全 实 现 了 A c t i v e X A u t o mat i o n自动 化 。 Sol i d Wo r k s 提供 了大量的 A c t i v e X A u t o ma t i o n对象 ， 以 及这些对象所拥 有的 方法 和属性 ， 用户 通过 在客 户 应 用程序 中对这些 A c t i v e X A u t o mat i o n对象及其 方法 和属 性的操作 ， 可 以在 自己开 发 的应 用 软件 中实 现 Sol i d Wo r k s的所有功 能。 2 ． 2应 用 程 序 接 口 Sol i d Wo r k s 提供 了大 量 的 A c t i v e X A u t o ma ti o n对 象用 于二次 开发 ， 这 些 A c t i v e X A u t o ma t i o n对象 涵 盖 了全部 的 Sol i d Wo r k s 的 数据模 型 ， 通 过对 Sol i d Wo r k s 的 A c t i v e X A u t o ma t i o n对 象 属性 的设 置 和 对 A c ti v e X A u t o mat i o n对象方法 的调用 ， 就可 以在 用户 自己开发 的系统 中实 现 与 Sol i d Wo r k s相 同 的功 能 。在 S o l i d ． Wo r k s中， A c t i v e X A u t o mat i o n对 象 也 称 为 Sol i d Wo r k s A P I O b j e c t s Sol i d Wo r k s 应用程序 接 口对象 。 S o l i d Wo r k s 中常 用 的 主要 A c t i v e X A u t o ma t i o n对 象有 S l d Wo r k s 、 Mode l D o c 、 P a r t D o c 、 A s s e m b l y D o c 、 D r a w ． i n g D o c 、 F e a t u r e 、 A n n o t a t i o n 、 D i m e n s i o n和 S k e t c h等 。 S l d Wo r k s 对 象 位 于应 用程 序 的底 层 ， 可 以实 现 应用程序最基本 的操作 ， 如创 建 、 打 开 、 关 闭 和退 出 Sol i d Wo r k s文 档 ， 设 置 当 前 的 活 动 文 档 ， 并 可 以对 Sol i d Wo r k s的系统环境 进行设置 。 Mode l D o c 对 象是 S l d Wo r k s的子对 象 。用 Mo d e 1 ． D o c对象 可 以实 现 视 图设 置 、 轮 廓线 修 改 、 参 数 控 制 、 对象选 择 、 打开 和保存 文档 、 创 建编辑特征参 量 、 创建 框架 等 与实 体模 型 相关 的各 类 操作 ， Mode l D o c 对象 包 括 P a r t D o e 、 A s sem b l y D o c和 D ra w i n g D o c 、 F e a ． t u r e 、 A n n o t a i o n 、 D i m e n s i o n 、 S k e t c h等常用的对象 。 P a r t D o c对象允许执行 零件 模 型的操 作 ， 如创 建 实体 和特征、 执行压缩操 作等 ， 还可 以利用 实体名称 进行零 件 拼装 。P a D o c对 象是 构 建 新 零 件 的 主要 应用对象 。 A s s e m b l y D o c对象用 于装配操 作 ， 如 增加 新组 件 与配合要求 、 隐藏或炸 开组件等 。 D raw i n g D o c对象 用于完成 制图操 作 ， 如创 建 、 排 列 与访 问视 图 ， 创建标 注、 说 明、 明细表说 明等任务 。 F e a t u r e 对象 允 许 访 问特 征 的类 型 、 名 称 、 参 数 以及处在特 征数 中的下一个特 征。 以下 为创 建、 引用 So1 i d Wo r k s对象 并 激 活草 图 绘制 的代码 D i m S WA p p A s O b j e c t’ 定义对象变 量 S e t S WA p p C r e a t e O b j e c t ” S l d Wo r k s ． A p p l i c a t i o n ” ’ 引用 Sol i d Wo r k s 对象 S WA p p ． V i s i b l e t r u e’ 设置 Sol i d Wo r k s 对象 为可见 D i m P a r t A s O b j e c t’ 定义对象变量创建 s l d wl0 出l 文档 S e t Pa r t S W Ap p． Ne wPa r t 维普资讯 2 0 0 5年第 7期 基于参数化 的三维齿 轮精 确模 型的实现郑 晓虎 ．7 3 ． S e t P a r t S WA p p ． A c t i v e D o e’ 激 活现有文档 P a r t ． S e l e c t B y l D” P 1 a ri e l ” ， ”P L A N E” ， 0 ， 0 ， 0 ’ 激 活 p l a n e l 平 面 P a r t ． I n s e r t S k e t c h’ 激 活草图绘制 2 ． 3建模 方法 在应用程序 的开发过程 中主要任 务就 是实体建 模 。一 般来说 ， 实体建模有 3种 实现方法 1 通 过 A P I函数 在 客 户 端 应 用 程 序 中创 建 S l d Wo r k s 对 象 ， 然 后 通过 创 建 好 的 S l d Wo r k s对 象依 次创 建 P a r t D o c 、 A s s e m b l y D o c等 子对 象 ， 来 完成 实 体 的构建 和编辑 ， 最 后保存结果 。 方法 1 可利用 S o l i d w o r k s内部 的宏 功能来实 现 ， 录制 实体 创建 的宏 过 程 ， 然 后 对 宏代 码 进 行 编辑 。 适合结构特征单一、 建模步骤较多的零件的创建 ， 当 创 建实 体 的宏 比较 巨大时 ， 容 易 出错 。方法 1比较 通用 ， 能实 现所有 的建模操 作 ， 但是对 编程人员的要 求 比较高 。 2 先创 建 好 实体 模 型 ， 通 过调 用 A P I函数 来 修改相关尺寸、 拓扑关系重建模型。该方法最为简 单 ， 但对零件 的尺寸范 围、 关 系要求较 明确 。否则 易 出错 。 在选择这 2种方 法 时 ， 可 以根据 所要 创建 实 体 的复杂 程度来选择 。 3开发过 程 3． 1齿轮 结构确定 首先 按常 用结 构类 型建立 齿轮模 型库 ， 每 个模 型应包含该类齿 轮 结构 的全 部信 息 ， 模 型一般 不包 含齿廓信息。将常用 实体式、 腹板式、 齿轮轴、 轮辐 式 在 主程 序 界 面列 出， 用 户 输入 具 体 尺 寸 参数 后 齿数 、 模数 、 齿宽 、 螺旋角及结构 尺寸 ， 主程序打开 模 型库的相关 模 版 ， 按方 法 2调用 A P I函数 对 结构 尺寸 、 拓 扑关系进行 编辑、 修改 ， 重新生成 。 3 ． 2 齿廓 曲线 选 定上一步 生成的齿顶 圆圆柱 体端 面作为草图 平 面 ， 绘制 齿廓 。齿廓 曲线 包括 2部分 渐开 线 、 齿 根过 度 圆弧 。下 面给 出斜齿轮齿廓 部分绘 制原理与 方法 a 齿廓曲线 b 齿根过渡圆弧 图 1 齿 廓 曲线 Fi g． 1 To o t h p r o f d e c u r v e 如图 1 a 所示， O n 。 、 O n ， 为相邻两齿的中心线， O n 为 O n 、 O n ， 平分线 ， 渐开线起 点 C位 于 轴 上 ， 日为分度圆与渐开线 的交点 ， 则 O A、 A B 垂直且 O A、 O B夹角 为 2 0 。 。 1 渐开线齿廓 由文献[ 4 ] ， 渐开线齿廓上任一点 T 。 ， Y 。 ， 0 满足极坐标方程 c o s 口t Rb ／ Rt 0 t t g a t 一 口 。 式 中 尺 基 圆半径 ； 尺 。 点到原点距 离 ； ． 极角 。 显然 ， 尺 。 任取 尺 与 D ， 2间一值 ， 总可求出极 角 0 。 ， 则 T 。 ， Y 。 ， 0 坐标 为 t Rt c o s O t Yt Rt s i n 0 t 由于 B点压力角 2 0 ， B点极角 0 b t g t t b 一 ， 则 O n ． 与 轴夹角 0 b [ 7 t DI 4 z l DI 2 ] 1 8 0 ／ b 9 0 1 z 式 中 齿数 。 而 O n 。 、 O n ， 夹 角为 3 6 0 1 z ， 则 O n 与 轴夹 角为 0 b 9 0 ／ z 一1 8 0 ／ z 0 b 1 8 0 ／ z 这样 在 S o l i d w o r k s草 图 中可作 出 点关 于 O t 镜像 点 ， 则渐开线齿廓可 以通过样 条 曲线绘 制 函 数 S k e t c h S p l i n e 及 镜像 Mi r r o r 画 出。 2 齿 根圆弧 基 圆 D 与齿根 圆 D， 相等 时有 ／ 7 ／, 一2 m 1 0 ． 2 5 ／7 ／ , c o s 2 0 ， 4 1 ． 5 式 中m端 面模 数。 当 ≥4 2 ， 基圆小于齿根圆， 尺 。 ∈[ D f ， 2 ， D ． ， 2 ] ， 渐开线齿廓起点 位 于齿根 圆上 ， 可直 接倒 出齿根 圆 角 R0 ． 3 8 m 。 当 4 2 ， 基圆大于齿根圆， R 。 ∈[ D b ， 2 ， D ． ， 2 ] ， 渐开线齿廓起 点位于基 圆上 。如 图 1 b 所示 ， 在 齿 根 圆圆弧上取点 E， 使 O E平分 O n 与 轴 的夹角 ， 则 E点极坐标 为 D， ， 2 ， ， 29 0 ／ z 。这 时 可作 过 点 C、 E的圆弧 R0 ． 3 8 m ， 来连 接样 条 曲线与 齿 根 圆。这 样 ， 渐 开线齿 廓 曲线 、 齿根 圆弧 与齿 根 圆、 齿顶 圆圆弧组成一封 闭轮廓 。考虑 到将 来工程分 析 对模 型精 度的要求 ， 可在 主程 序界 面对 生 成 的齿廓 曲线的样条 曲线点 数进行控制 。 3． 3齿轮 造 型 在齿廓 曲线平 面上新 建草 图 ， 绘制分度 圆、 并按 螺旋角 绘制 螺 旋 线。 然后 以所 绘 制 的 螺 旋线 为路 径 ， 以齿廓 为轮廓进行 扫描切除 ， 再 圆周 阵列得到斜 维普资讯 7 4 煤 矿 机 械 2 0 0 5年第 7期 文章 编号 1 0 0 3 ． 079 4 2 0 0 5 0 7 ． 0 0 7 4 ． 0 3 基于 U G的直齿圆锥齿轮三维建模研究 姜 海军 常 州机 电职业 技术 学 院 ，江 苏 常州 2 1 3 0 0 0 摘要 对 圆锥齿轮齿 形进行 了理论分析 ， 对建模 中齿形 的处理 方法进行 了论述 ， 并对 直齿圆 锥 齿轮 齿廓 曲线的绘制 方法和 直齿 圆锥 齿轮 在 U G中的三 维建模 方法进行 了详 细介 绍 ， 最 终给 出 了直 齿 圆锥 齿轮 的 三 维 模 型 。 关键词 齿形曲线 ；U G；三维模 型 中 图 号 T H1 3 2 1 前 言 圆锥 齿轮 用 于两相 交轴 之间 的传 动 ， 属 于常用 的机械传 动机 构 。但 圆锥齿 轮的建模相对 于直齿 圆 柱齿 轮有一定 的难 度 ， 因 为圆锥 齿轮 的齿 廓 曲线不 是平面 曲线 ， 并且 轮齿沿宽度方 向是变化的 ， 故不能 通过 拉伸 的方 法得到轮齿 。利用 U G强 大 的建模功 能可 以方便地 进行直齿 圆锥 齿轮三维建模 。 2圆锥 齿轮齿形 的理论分析及 生成 2 ． 1 圆锥齿轮 齿形理论分析 圆锥齿 轮 的齿廓 曲线 在理 论上 是球面 曲线 ， 但 ⋯‘ ● ⋯ ‘ ●⋯ ‘ ●⋯‘ ●⋯‘ ● ⋯ ‘ ● ⋯ ‘ ● ”● 齿轮 的精 确模 型如 图 3所 示 。若 为 直齿轮建 模 ， 则 不需要绘 制螺旋 线 ， 可直 接将 上 一步绘 制 的齿廓 进 行 拉伸切 除 即可 。也 可 以在 齿 根 圆 圆柱上 进 行 扫 描 、 圆周阵列操作 ， 但这样 所获得 的齿廓实 体与齿轮 端面不重合 。齿廓 生成采 用方法 1来实现 。 图 2 斜 齿 轮模 型 Fi g． 3 H e l i c a l g e a r m o d e l 4结 语 利用该方 法开发 的系统 能够迅 速给出具体的三 维模 型 ， 同时为 C A M／ C A E提供 几何模型 。考 虑到建 文 献标 识 码 A 是球面不能展开成 平 面 ， 这 给圆锥 齿 轮 的设 计 和 制 造带来了很多困难 ， 所 以人们便采用一种近似的方 法来研究 圆锥齿轮 的齿 廓 曲线 用 背 锥上 的齿 形来 代替大 端 球 面上 的 理论 齿 形 。背 锥 可 以展 开成 平 面 ， 把 背锥上 的齿形展开到与 之相切的平面上 ， 补全 轮齿 ， 即可得 到一 圆柱齿 轮齿 形 。该 齿 轮称 为相 应 圆锥齿轮的 当量齿轮 。用当量齿轮 的齿形 来代替直 齿 圆锥齿 轮大端球 面上 的理 论齿 形 ， 其 误差 是很 微 小的。基于此 ， 可 以先 求 出当量齿 轮的齿形 曲线 ， 然 后 缠绕 到背锥上 ， 即可得 到 圆锥齿 轮大端齿廓 曲线。 模实际需要 ； 另 外 ， 标 准工 程 图 与 S o l i d w o r k s自动 产 生的工程视 图区别较 大 ， 可采 用 不 同图层 技术 来 实 现 ， 较为复杂， 并且公差及尺寸标注需重新编辑才能 符合制造要求 ， 在本 文 的开发 技术 中也 可实现 工 程 图的参数化驱 动。 参 考文 献 [ 1 ] 中国标准出版社第三编辑室 ． 齿轮与齿轮传 动标准手册 [ M] ． 北 京 中 国标 准 出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 李善茂， 等 ． V i s u a l B a s i c 6 ． 0 高级编程技巧[ M] ． 北京 电子工业 出 版社 。 1 9 9 9 ． [ 3 ] 郑文纬． 机械原理[ M ] ． 北京 高等教育出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 4 ] 李卫民， 刘淑芳 ． 基于 S o l i d w o A s 平 台的二次开发技术[ J ] ． 机械制 造 ． 2 0 0 3 。 4 2 42 6 ． 作 者简 介 郑 晓虎 1 9 7 2一 ， 江 苏 涟 水人 ， 博 士 生 ， 淮 阴 工 学 院 讲 师 ， 从 事机 械设计 制造 及 自动化 研究 ， 发表 论文 效 l 0篇 ， 完 成 多项 省市级课 题 ． Em a i l ． b y z x h 1 2 6 ． 1 30 11 1 ． 收稿 日期 2 0 0 5 ． 0 3 ． 2 2 Pr e c i s e l y M 0 d e l i n g o f Thr e e Di me n s i o n Ge ar Ba s e d 0 n f ZHENG Xi a oh u Hu a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y - Hu a i a n 2 2 3 0 0 1 -C h i n a Ab s t r a c t An a l y s e s t h e me t h o d o f p a r a t e t e r i z e dd e s i g n o n s o l i d w o r k s p l a tf o r m，a c c o r d i n g me c h a n i s m of t h e g e a r p r o fi l e ，g i v e t h e d e t a i l d e v e l o p me n t of p r e c i s e l y g e ar 3一D mod e l w i th the g e n e r a l s o f t ware d e v e l o p i n g t o o 1 ．T h e r e s u l t s p rov e d p r a c t i c al i n e n g i n e e ri n g ． Ke y wo r d s sol i d w o r k s ；g e a r mod e l ；p a mt e t e r i cd e s i gn 维普资讯