毕业设计（论文）-基于UG的齿轮的参数化设计.docx

河南科技学院2012届本科毕业论文（设计）论文题目：基于ug的齿轮的参数化设计学生姓名： 所在院系： 机电学院所学专业： 机械设计制造及其自动化导师姓名：完成时间：2012 年 5 月 3 日 摘 要随着计算机技术的飞速发展，cad已广泛应用于零件的设计和制造中，但一般的cad软件都有广而博得通用性，难以满足各类具体产品设计的需要，所以以通用cad技术为基础，根据本单位的实际情况，进行不同程度的二次开发成为现代产品开发设计的重要内容。齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置，具有传动平稳，承载能力强等优点，有着非常广泛的应用前景。近年来计算机技术的迅速发展，推动了现代设计理论发展。现代齿轮的设计、制造、加工越来越依赖于大型的集成三维软件。本课题以功能强大的三维软件ug为开发平台，通过二次开发，选用ug/open grip、ug/open menuscript等二次开发工具实现了齿轮的三维参数化造型。 关键词：齿轮，二次开发，参数化，ug abstract with the rapid development of computer, cad has widely used in part design and manufacturing, but because of the commonality of cad software, it is difficult to meet the specific needs of variable product design, so on the basis of cad software, according to the actual situation to carry out secondary development has become an important work of modern design. as an important engineering mechanical transmission apparatus, gears have a very wide application potential because of its advantage, such as high stability and bearing loads. gear has become to be the most wide used transmission mechanical. this years, the modern design theory has great development as the developing of computer technique. in modern times, gears in designing, manufacturing and processing are more and more dependent on large-scale integrated 3d software. the topics to powerful3d ug software as the developing platform, through the second development, using the ug / open grip, ug / open menuscript two development tools to achieve a gear parametric modeling.key words: gear, second development, parameterization, ug 目 录1 绪论- 4 -1.1 研究背景- 4 -1.2 研究的目的及意义- 4 -1.3 国内外研究现状- 4 -2 ug的二次开发- 4 -2.1 ug软件概述- 4 -2.2 ug功能模块- 6 -2.3 ug二次开发工具- 6 -2.3.1 ug/open grip- 6 -2.3.2 ug/open api- 7 -2.3.3 ug/open menu script- 7 -2.3.4 ug/open ui styler- 8 -2.3.5 user tools工具- 8 -3 二次方案的选择- 9 -3.1 方案选择- 9 -3.2 利用二次开发工具制作系统菜单- 9 -3.2.1设置系统环境变量- 9 -3.3.2制作菜单- 10 -4 齿轮的参数化设计- 11 -4.1 渐开线的形成原理- 11 -4.2渐开线的数学模型- 12 -4.3 渐开线轮廓的绘制- 13 -4.4 直齿圆柱齿轮的参数化设计- 14 -4.4.1 数学模型- 14 -4.4.2 直齿圆柱齿轮的建模- 15 -4.5 斜齿轮的参数化设计- 16 -4.5.1 数学模型- 17 -4.5.2 斜齿轮的建模- 18 -5 对话框设计- 20 -6 结论与展望24参考文献251 绪论1.1 研究背景 20世纪70年代以来，一个以计算机辅助设计为代表的新技术改革浪潮席卷了全世界，它不仅促进了计算机本身性能的提高和更新换代，而且几乎影响到全部技术领域，冲击着传统的工作模式。cad技术经历了曲面造型技术、实体造型技术和参数化技术三代飞跃式发展已经给人类带来了巨大的影响和利益。齿轮机构用于传递空间任意两轴之间的运动和动力，具有质量小、体积小、传动比大和效率高等优点，已广泛应用于汽车、船舶、机床、矿山冶金等领域，它几乎适用于一切功率和转速范围，是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。目前齿轮传动技术已成为世界各国机械传动发展的重点之一。渐开线齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置具有传动比大、效率高、结构紧凑、工作可靠性高、寿命长等优点，并被广泛应用。随着大批优秀的三维cad软件的出现，一般机械零件的设计对于工程师来说已经不再是困难的工作了。但是对于渐开线齿轮，由于其齿廓的复杂性，一般设计者在中很难精确造型，继而影响到后续的齿轮有限元分析、运动仿真和数控加工工作。cad参数化设计的理念正是解决这一问题的有效途径。进算计辅助设计的广泛应用以及计算机硬件和软件技术水平的迅速提高，为参数化设计提供了一个良好的基础。参数化实体造型技术大大提高了模型的生成和修改速度，在产品的系列设计、相似设计及专用cad系统开发方面都具有较大的应用价值。1.2 研究的目的及意义ug进入中国已有十几个年头了，有着广泛的用户群和应用基础，具有功能强、易学、易用的特点，在国际cad市场中占有非常重要的地位。ug提供了界面良好的二次开发工具，并能通过高级语言接口，使ug的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来，而且具有良好的用户界面。因此，设计人员能够自行开发满足自己特殊需要的产品。本文对齿轮的参数化设计是cad技术与齿轮设计相结合的产物，也是两者发展的趋势所在，既实现了设计过程的自动化，完成了渐开线齿廓的精确造型，又可将设计计算、三维造型与和绘制工程图无缝结合，同时为齿轮的有限元分析、运动仿真等工作奠定了基础。所以本课题的研究在现代工业中具有重要的意义。1.3 国内外研究现状cad概念是50年代由麻省理工学院首次提出的，60年代研制成功试验cad系统、70年代开始实用化，从二维的电路到三维飞机、轮船、汽车等设计。目前国际上流行的三维cad软件主要有pro/e、catia、ug等，这些软件全为国外公司开发的，国外由于计算机技术发展的比较早，所以软件技术相应的比较成熟。我国在软件和设备方面的发展比较缓慢，知道进入21世纪以来，我国的计算机行业有了突飞猛进的发展，正式因为这样，我国的cad技术才有了进一步发展的空间。2 ug的二次开发2.1 ug软件概述ug （ unigraphics ） 是美国eds 公司开发的cad/cam/cae 系统，是当前国际流行的工业设计平台。它在全球已经拥有众多用户，广泛应用于机械、汽车、飞机、电器、化工等各个行业的产品设计、制造与分析。作为一款实用的工业设计软件包，ug 为用户提供了强大的复合建模手段，包括实体建模、自由曲面建模、特征建模、装配建模等基本建模功能。同时，它的表达式功能也十分强大，为用户提供了包括算术表达式（arithmetic expressions）、条件表达式（conditional expressions ）、几何表达式（geometric expressions）等3 种表达式。表达式对于参数化建模是很有用的，因为它可以用来控制部件各个特征间的联系，也能够用来生成规律曲线（ law curves）。本文正是基于ug的实体建模模块对直齿齿轮进行三维模型建立的，同时齿廓线的生成通过使用算术表达式来实现。参数化设计模型是以约束来表达产品模型的形状特征,以一组参数来控制设计结果,从而能通过变换一组参数值,方便地创建一系列形状相似的零件。参数化设计的基本手段有程序驱动与尺寸驱动。程序驱动法是通过分析图形几何模型的特点,确定模型的主参数以及各尺寸间的数学关系,将这种关系输入程序中,进而在零件设计时只需输入几个参数即可生成所要求的模型。尺寸驱动是对程序驱动的扩展,它的基本思想是由应用程序生成所涉及的基图,该图的尺寸有一系列的尺寸标识,这些尺寸由用户在编程时输入或交互式输入,从而生成用户的模型。参数化设计的优点有: 参数化设计技术以其强有力的尺寸驱动修改图形功能为初始产品设计、产品建模和修改系列产品设计提供了有效的手段; 参数化设计可以满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及相关工艺装备的需要。数化设计是一种把设计意图融入计算机辅助设计模型的强大工具，利用多组参数驱动零部件的特征尺寸和位置尺寸以完成零部件的三维建模，从而为设计人员减少了大量重复、繁琐、复杂的设计过程，大大提高了设计效率和设计精度。ug是知识驱动自动化技术领域中的领先者。它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著地改进了如汽车、航天航空、机械、消费产品、医疗仪器和工具等工业的生产率。它为各种规模的企业递交可测量的价值；更快地递交产品到市场；使复杂产品的设计简化；减少产品成本和增加企业的竞争实力 。nx是一个交互的计算机辅助设计、计算机辅助制造和辅助工程（cad/cae/cam）系统。cad功能自动化是在今天制造公司中见到的一般工程、设计和制图能力；cam功能利用nx描述完成零件的设计模型，为现代机床提供nc编程；cae功能横越一广范的工程学科，提供许多的产品、装配和零件的性能防真能力。nx是一个全三维、双精度系统，它允许用户精确地描述几乎任一几何形状。通过组合这些形状，用户可以设计、分析产品和建立他们的工程图。一但设计完成，制造应用允许用户选择描述零件的几何体，加入制造信息，如刀具直径并自动生成一刀具位置，源文件（clsf），它可用来驱动大多数nc机床。目前ugs公司已经推出nx5产品，本次设计中使用的是nx4版本的软件。nx4的特点是：1、为了数字化产品开发集成的自动化；2、在所有开发学科中的新能力，包括工业设计、防真、工装、加工和管理；3、在一个全面的产品生命周期管理（plm）解决力案内的领先前沿的cad、cae和cam技术。2.2 ug功能模块利用nx，可以建立、存储、恢复和操纵设计与制造信息，典型地通过建立描述一零件的几何体开始工作。nx功能被划分成共同功能的一系列“应用（application）”共18个模块，各模块分别为：1、入口（gateway）：对所有其他交互应用的首要必备的应用；2、建模（modeling）：包括实体、特征、自由形状、钣金特征建模和用户定义特征；3、装配（assembilies）：支持装配建模；4、几何公差模块（geometric tolerancing module）：让用户捕捉公差；5、产品和制造信息（pmi introduction）：可用于在三维环境中对产品形成文档说明；6、分析（analysis）：包括注塑模流动分析、运动应用和icad；7、制图（drafting）：可将三维模型生成二维视图；8、高质量图像（high quality image）：生成逼真照片的图像；9、知识熔接（knowledge fusion）：允许用户应用工程知识驱动规则和设计意图到nx中的几何模型和装配；10、制造（manufacturing）：可进行虚拟加工和自动加工编程；11、开放的用户界面设计（open user interface styler）：允许用户和第三方开发商生成nx对话框；12、编程语言（programming languages）：包括grip和api；13、质量控制（quallity control）；14、走线（routing）：定义围绕和通过其他nx装配的装配；15、钣金（sheet metal）：包括钣金设计、冲压和多零件加工的栅格；16、电子表格（spreadsheet）：提供一在xess或者电子表格应用和nx间的智能界面；17、web express；18、wire harness:可在用于描述产品机械装配的同一三维空间建立电气布线的表示。2.3 ug二次开发工具ug软件提供了cad/cae/cam业界最先进的编程工具集，以满足用户二次开发的需要，这组工具集称之为ug/open，是一系列ug开发工具的总称，它们随ug一起发布，以开放性架构面向不同的软件平台提供灵活的开发支持。ug/open包括以下几个部分：ug/open menu scrip开发工具，对ug软件操作界面进行用户化开发，无须编程即可对ug标准菜单进行添加、重组、剪裁或在ug软件中集成用户自己的软件功能；ug/open ui styler开发工具是一个可视化编辑器，用于创建类似ug的交互界面，利用该工具，用户可为ug/open应用程序开发独立于硬件平台的交互界面；ug/open api开发工具提供了ug软件直接编程接口，支持c、c+、fortran和java等主要高级语言；ug/open grip开发工具是一个类似api的ug内部开发语言，利用该工具用户可生成 nc自动化或自动建模等用户的特殊应用。利用ug/open提供的应用程序和开发工具，用户可以在其提供的平台上开发出适合自己需要的cad产品。2.3.1 ug/open gripug/open grip(graphics interactive programming)是一种专用的图形交互编程语言。这种语言与ug系统集成，实现ug下的绝大多数的操作。grip语言与一般的通用语言一样，有其自身的语法结构，程序结构，内部函数，以及与其他通用语言程序相互调用的接口。一个grip语句是由一个或几个grip命令组成，grip命令是grip语言的基本组成部分。grip命令有三种表示格式：a)陈述格式。主要用于生成和编辑实体。b)gpa符号格式。gpa是全局参数存取(global parameter access)的缩写，用于访问ug 系统中各种对象的状态和参数。c)eda符号格式。eda是实体数据存取(entity data access)的缩写，用于访问ug数据库，能够访问各种对象的功能性数据。例如在属性、绘图和尺寸标注以及几何体等领域与ug进行交互操作时，其参数可用eda格式的命令取得。用grip语言编写grip源程序，可以在windows的记事本中进行，记为*.grs；或者在grip高级开发环境(grad-grip advanced development environment)中编写。执行grip程序必需进入ug环境中，运行fileexecute ug/opengrip。grip编程语言是面向工程师的语言，具有简单、易学、易用的特点，但是所编写的程序长、复杂。要考虑程序的各个细节问题。因此，grip语言常用于开发一些规模比较小的程序，例如，同类零件建模、计算和分析、数据访问等程序。与grip语言相比较，用api函数编程则可实现功能复杂的操作。 2.3.2 ug/open api作为ug nx4.0与外部应用程序之间的接口，ug/open api是一系列函数的集合。通过ug/open api的编程，用户几乎能够实现所有的ug nx4.0功能。开发人员可以通过用c+语言编程来调用这些函数，从而实现用户的需要。（1） 对ug part文件及相应模型进行操作，包括建立ug nx4.0模型、查询模型对象、建立并遍历装配体，以及创建工程图等。（2） 在ug nx4.0中创建交互式程序界面。（3） 创建并管理用户定义对象等。应用函数时应注意所有的ug/open api应用必须及时进行初始化和终止，以确保获取或者释放ug/open api的执行许可权限。初始化函数是uf_ initialize ()，当开始调用ug/open api的函数时应先调用uf_ initialize()来获取执行许可权限。一般来说，我们在变量声明完成后，第1个调用ug/open api的函数就是uf_ initialize()。终止函数是uf_ terminate()，当不再调用ug/open api的函数时必须调用uf_ terminate()来释放执行许可。ug/open api程序能在两种不同环境（依赖于程序的连接方式）下运行，即internal环境（也称为“internal开发模式”）和external模式。其中internal环境下的程序只能在ug nx4.0的界面环境(session)下运行，在运行这些程序时他们被加载到ug nx4.0的运行空间中（ug nx4.0分配的内存）；external模式开发的程序能在操作系统(windows nt/2000/xp及unix)下运行，不在ug nx4.0环境中或作为ug nx4.0的子进程运行。尽管没有图形显示，但ug/open api提供了函数用于打印机或绘图仪输出，也可以输出为cgm文件等其他数据文件。2.3.3 ug/open menu scriptug/open menu script不仅可以使用户利用asc文件来编辑ug的菜单，也可以以一种无缝集成的方式为用户开发的应用程序创建菜单。menu script同时也提供了一个菜单栏报告工具，以帮助用户查看定制的菜单，诊断错误。对于菜单的自定义大致可以分为如下三个层次。（1）自定义菜单该级别的自定义允许单个用户或者管理员重新安排ug的功能，去除在其产品开发过程中不需要的功能。这种级别的自定义不需要编程实现。（2）自定义ug功能该级别的自定义允许单个用户或者管理员取代或增加标准的ug功能，并添加其自己定义的功能。（3）添加自定义应用该级别的自定义其目的在于使用户或第三方开发商开发的应用程序完全集成在ug中。该级别的自定义需要编程实现。ug的菜单文件是扩展名为.men的文本文件，可以使用windows 的记事本进行编辑。ug/open menu script提供了一套用于定义ug菜单的脚本语言。实际上，ug系统的菜单文件也是用该脚本语言编写的。ug为主菜单栏、快捷菜单栏提供了丰富的系统菜单文件，这些菜单文件默认情况下都保存在ug_base_dir/ug/menus文件夹下。使用ug/open menu script自定义ug菜单可以有两种方法，分别是使用add-on菜单文件和复制和编辑系统菜单文件。使用add-on菜单方法是添加编辑量很小的菜单文件到菜单文件的目录中，使用add-on菜单可以移出用户不需要的菜单项；添加新的菜单和菜单项；重新组织ug的菜单；修改菜单和菜单项的标题；为已经存在的应用按钮添加动态库和菜单文件。复制和编辑系统菜单文件是指复制、编辑系统菜单文件并将其放置在特定的目录下，覆盖原始菜单文件。系统推荐使用add-on菜单文件方法，该方法不仅编辑起来比较方便、易于维护，而且其功能也相当强大，基本可以满足应用开发的所有需求。使用add-on菜单文件的另一个优点在于它可以被ug很方便地自动加载。对于与具体应用模式无关的菜单文件放置在startup文件夹下，与具体应用模式相关的菜单文件放置在相应的application文件夹下，通过使用menu_files声明，即可将菜单名与应用模式按钮相关联，点击该应用模式按钮后即可自动加载与其相关联的菜单文件。复制和编辑系统菜单文件方法不推荐使用，这主要是由于其编辑起来相当复杂，特别是对于像ug_main.men这样大型的菜单文件，其维护也非常麻烦。 2.3.4 ug/open ui stylerui styler是开发ug对话框的可视化工具，生成的对话框能与ug集成，让用户更方便、更高效地与ug进行交互操作。ug/open ui styler模块提供了强大的制作ug风格窗口的功能，其主要功能如下：(1) 提供了让开发人员建造ug风格对话框的可视化环境，并能生成ug/open ui styler文件和c代码，从而使用户在使用ug/open ui styler产生的对话框时，不必考虑图形用户界面(graphical user interface缩写为gui )的实现。(2) 利用可视化环境快速生成ug风格对话框，从而减少开发时间。(3) 通过选取和放置控件，从而能实现所见即所得。(4) 可以在对话框中实现用户自定义位图。(5) 提供了属性编辑器，从而允许开发人员设置和修改控件属性。(6) ui styelr产生的对话框可以在menu script中被调用，因此可以实现在ug菜单项上调用ui styler产生的对话框，从而将用户应用程序和ug软件完全融合。应用ui styler这一工具可以使开发人员方便、快速地设计出与ug界面风格一致的对话框，避免其他复杂的编程。而且可以和用其他开发工具开发出的结果进行集成。ug/open ui styler工具和ug/open menu script工具一样，都只具有某一方面的功能：ug/open ui styler用于对话框的开发，ug/open menu script用于菜单的开发。2.3.5 user tools工具ug软件为用户提供了一个调用二次开发结果的交互式接口：user tools。它的功能是生成弹出式对话框或工具条，其界面风格与ug界面风格一致。通过执行对话框或工具条，操作相应的控件就可运行菜单文件、宏文件、ug/open grip程序、ug/open api程序和其他二次开发文件。例如，执行齿轮生成的程序集，可以用user tools工具产生两个对话框分别为直齿轮和斜齿轮，然后在相应的对话框上进行操作就生成相应种类的齿轮。通过编写对话框定义文件(*.utd)来实现user tool工具的功能。编写文件完成以后，在ug 中执行toolscustomizeuser toolsload选择所编写的*.utd文件即可弹出需要的对话框或工具条。*.utd这个文件是文本文件，可用 windows中的记事本进行编写和编辑。一种比较简单的实现方法：拷贝ug中的模板文件usertoo1.utd到ug启动目录下，然后编辑模板文件，实现所需要的功能。在以前较早版本中例如v13，运用user tools工具必须编写两个文件：菜单定义文件(*.utm)和对话框定义文件(*.utd)，然后通过执行菜单项弹出相应的对话框或工具条。现在，较高的ug版本已经省略产生菜单这一步，操作同上所述。在ug 界面中应用file execute ug/open菜单执行ug/open api程序或ug/open grip程序，操作一次只能执行一个程序，而且必须找到程序所在的路径。若利用user tools这个工具，用户可以将多个grip或api函数所编写的程序集成到一个user tools对话框或者工具条中，一个程序对应一个控件，通过操作控件来调用程序，使用起来就非常方便。3 二次方案的选择3.1 方案选择本课题的目的是以ug为平台，使用ug二次开发工具，实现齿轮的参数化设计。在ug界面中就是实现在对话框中输入齿轮的各个参数，确定后ug系统自动生成对应的实体模型。要达到设计要求，首先必须自定义一个菜单，制作相对应的对话框，使设计者能调用对应的对话框并输入所需齿轮的参数。之后更重要的是编写一定的程序，程序的作用是读取对话框中的参数并自动生成所需的实体模型。要实现本课题目的，方法有很多种，这里选择基于三维模型的参数化程序设计。该方法采用三维模型与程序控制相结合的方式，在创建好三维模型的基础上，根据部件的设计要求建立一组可以完全控制三维模型形状和大小的设计参数。参数化程序针对该部件的设计参数进行编程，实现设计参数的查询、修改，根据新的参数值更新模型从而实现设计变更。其中程序的编写是使用api语言的表达式功能。在本课题中，采用这种方案具体方法是先新建一个部件，在建模模块下写好表达式，然后使用表达式绘出齿轮的三维实体，并确保实体模型应随着表达式的值变化而变化。建好模型后，编写菜单和对话框，然后在c+上用api语言进行编程，程序应把对话框和模型联系起来，将对话框中输入的值传递到模型的表达式中，并更新程序。这样，当在对话框中输入齿轮的设计参数后，运行程序，原来的齿轮部件就会按新的表达式数据重生成模型，这样就得到了设计所需要的齿轮实体模型。将新生成的部件另存，保留原部件，这样就可以随时生成需要的齿轮了。3.2 利用二次开发工具制作系统菜单3.2.1设置系统环境变量虽然各种菜单的制作方法,在结构、内容和开发过程上有一定的差异,但是在整个构建过程中有其共性和相同的部分,就是菜单制作之前应先设置系统环境变量。设置了系统环境变量，ug才能找到开发内容所在目录。系统环境变量设置方法有以下两种：方法一：打开$ug_base_dir/ugii目录下的ugii_env.dat文件(该文件包含unigraphics系统的全部环境变量及系统路径定义)，找到下面两条语句：#ug_vendor_dir=$ugalliance_dir/vendor和#ug_ site_dir= $ugalliance_dir/site。将它们前面的注释符号“#”删除，以使它们起作用。这两条语句其实指明了供用户放置二次开发文件的目录。在unigraphics初始安装时，它们不起作用，当删除了“#”号后，ug/open才能从这些目录下得到二次开发的功能扩展。这两个目录的功能和结构是完全相同的，下面都有startup和application两个目录。其中startup存放unigraphics启动时需载入的动态共享库(以ufsta()为入口的.dl1)及菜单脚本文件(.men)；application目录存放具体的功能扩展程序文件(如应用模块的功能扩展共享库( .dl1)及对话框资源文件( .dlg)。unigraphics下设置的这两个目录是为不同等级的开发者提供的，vendor目录下放置unigraphics指定的开发商的二次产品，site目录下存放其余开发者的产品。因此vendor目录下同类内容的文件要比site目录下的优先载入。此外，在ugii_env.dat文件中还有一条语句，是用来设置用户自己二次开发内容的目录：#ug_user_dir =$home，同样将其前面的“#”号删除，并在其后使用用户自己的目录替换$home。例如，ug_user_dir=e:ugapi，在此目录下也必须建立目录startup和application，存放的内容和site及vendor下的startup、application一样,不过它的优先级更低。方法二：打开ug安装目录ug_base_dir ugmenus下的custom_dirs.dat（用记事本打开），在文件最后添加开发的文件夹的绝对路径。在添加的文件里建立两个子目录：startup和application ，分别用来放置开发的各种文本文件（.men文件）、动态库文件和对话框文件。上述两种方法中第二种方法较简单方便，本课题采用第二种方法。打开ug安装目录ug_base_dir ugmenus下的custom_dirs.dat，在文件最后添加开发的文件夹的绝对路径e:gearsopen。在e:gearsopen文件夹下建立startup和application两个子目录。3.3.2制作菜单本课题涉及到三个齿轮的参数化设计，因此应在一个主菜单下建立三个子菜单。在e:gearsopenstartup下建立文件gearsopen.men，代码如下：version 120 /菜单脚本文件的版本信息edit ug_gateway_main_menubar /编辑ug系统菜单文件before ug_help /定义菜单位于“帮助”菜单前cascade_button gears /主菜单按钮名label 齿轮参数化设计 /主菜单标题end_of_before /结束before定义menu gears /定义主菜单button pro_design /第一个子菜单名label 直齿圆柱齿轮 /第一个子菜单标题actions pro_design /第一个子菜单的idbutton helical_gear /第二个子菜单名label 斜齿轮 /第二个子菜单标题actions helical_gear /第二个子菜单的idend_of_menu /结束菜单的定义运行结果如图3-1所示：图3- 1菜单运行效果图 在菜单的基础上，可以制作工具栏，这样可以在工具栏点相对应的工具来直接调用对话框。工具栏是一种快速激活相关命令的工具按钮的集合。在ug中，使用菜单工具可以制作工具栏。工具栏文件是以.tbr为后缀名的文本文件，每个工具栏按钮名称应与菜单文件中相应按钮的名称相同，工具栏按钮图标所对应的位图文件，应放置在相应的application文件夹下。工具栏文件写好后，应放在对应的stratup文件夹中。编写的工具栏文件如下：title 齿轮 /工具栏标题version 160 /工具栏文件的版本信息dock no /工具栏导入时是浮动的button pro_design /直齿轮对应按钮的名称label 直齿圆柱齿轮 /工具栏按钮的标题bitmap zhichi.bmp /直齿轮对应按钮图标button helical_gear /斜齿轮对应按钮的名称label 斜齿轮 /工具栏按钮的标题bitmap xiechi.bmp /斜齿轮对应按钮图标运行效果如图3-2所示：图3- 2工具栏效果图4 齿轮的参数化设计4.1 渐开线的形成原理从理论上讲,只要给出一条齿廓曲线,就可以根据齿廓啮合的基本定律(用图解法或解析法)求出与其共轭的另一条齿廓曲线。因而，作共轭齿廓的曲线是很多的。生产实际中。结合设计、制造、安装和使用方面的诸多要求(如强度、效率、磨损、寿命、互换性)，通常选用的定传动比齿廓曲线有渐开线、摆线和圆弧。由于渐开线齿廓具有制造容易、便于安装、互换性好等多方面优点,所以目前大部分齿轮采用渐开线齿廓。如下图所示，任一直线bk沿基圆的圆周作纯滚动时，直线上任意一点k的轨迹ak称为该圆的渐开线。其中， rb为为基圆半径，k是渐开线上k点的展角 ，rk是渐开线上k点的向径，k为渐开线k点的压力角。图4- 1渐开线形成图渐开线的性质为：(1)发生线沿基圆滚过的长度等于基圆上被滚过的弧长,即直线bk与弧 ab的长度相等；(2)当发生线沿基圆作纯滚动时,切点b为其速度瞬心, 因此kb必垂直于渐开线上k点的切线,即发生线为渐开线在k点的法线,渐开线上任一点的法线恒与基圆相切；(3)发生线与基圆的切点b也是渐开线在k点处的曲率中心,线段bk是相应的曲率半径。渐开线离基圆愈远(rk愈大),曲率半径愈大,渐开线越平直。k点在基圆上起点处的曲率半径为零。(4)渐开线的形状取决于基圆的大小,即由不同大小的基圆所形成的渐开线,在相等展角处的曲率半径的大小随基圆半径rb的增大而增大，当基圆半径为无穷大时，其渐开线ak将成为垂直于发生线nk的直线，故齿条的渐开线齿廓曲线为直线。(5)基圆以内无渐开线。基于渐开线的上述性质，用渐开线作为齿廓的齿轮有以下优点：(1) 渐开线齿廓能满足定传动比传动保证了机器运转的平稳性；(2) 渐开线齿廓之间的正压力方向不变有利于齿廓传动的平稳性；(3) 渐开线齿廓具有传动可分性对齿轮制造和安装十分有利。4.2渐开线的数学模型以上讨论了渐开线的一些性质，但在渐开线齿轮三维参数化造型的过程中，还需要进一步知道轮齿渐开线齿形的各点坐标值。 由图4-1，根据渐开线的性质，可得 连立上述两式即得渐开线的极坐标参数方程式： 在ug里画渐开线时，使用的是直角坐标系，因此，我们应把渐开线方程转化成直角坐标系的形式。转化后公式为：其中4.3 渐开线轮廓的绘制使用ug画渐开线过采用表达式生成法。ug的表达式是算术或条件语句，它可以用来控制同一个零件上的不同特征间的关系。利用ug的表达式并利用渐开线方程的计算公式，建立表达式生成渐开线曲线。具体过程如下：(1)、新建一个部件，进入建模模块，在表达式窗口中添加下列表达式：m=5； / 模数z=19； / 齿数a=20； / 压力角h=1； / 齿顶高系数c=0.25； / 顶隙系数b=9； / 齿轮厚度d=m*z； / 分度圆直径db=m*z*cos(a)； / 基圆直径da=(z+2)*m； / 齿顶圆直径df=(z-2.5)*m； / 齿根圆直径t=1； / 系统参数al=45*t； / 角变量xt=0.5*db*cos(al)+(al*pi()/360)*db*sin(al)； / 渐开线在x方向的参数方程yt=0.5*db*sin(al)-(al*pi()/360)*db*cos(al)； / 渐开线在y方向的参数方程zt=0； / 渐开线在y方向的参数方程 (2)选择“插入曲线规律曲线”菜单或单击曲线工具栏中的“规律曲线”按钮，出现“规律函数”对话框，选择其中的“根据方程”选择按钮并确定，如下图所示。图4- 2选择规律曲线方式 (3)以t为系统参数定义x轴、y轴、z轴的参数并依据方程xt、yt、zt的值，选择原点为基圆的圆心，绘制出如下渐开线。如下图所示。图4- 3渐开线4.4 直齿圆柱齿轮的参数化设计4.4.1 数学模型直齿圆柱齿轮的端面齿廓(垂直于轴线的剖面中的齿形)是渐开线齿廓。直齿轮的轮齿方向(齿向)与其轴线是平行的，如果在垂直于轴线作无数的剖面，则这些剖面与直齿相交，得到无数薄片的轮齿，其齿形都是渐开线，而且形成过程完全一样，因此具有相同的形状。这些无数薄片轮齿的渐开线齿形沿着轴线排列所组成的齿面称作渐开线齿面。直齿轮的渐开线齿面常称为渐开面。渐开线直齿圆柱齿轮是渐开线齿轮中结构最简单的齿轮，实现直齿圆柱齿轮的参数化精确建模是实现其他齿轮建模的基础。渐开线直齿圆柱齿轮的重要的基本参数有：模数m、齿数z、分度圆压力角、齿顶高系数h*、顶隙系数c*。另外齿轮齿宽b也是齿轮的一个重要参数。现简要介绍齿轮各基本参数及对其他尺寸的影响。（1）模数 齿轮分度圆圆周长为,则 式中含有无理数，为了计算方便，人们人为地将比值p/取为一有理数列，并称该比值为模数，用m 表示，单位为mm。为了设计、制造、检验及使用方便，齿轮的模数已经标准化。齿数相同的齿轮，模数愈大，尺寸就越大。（2）分度圆压力角 有渐开线的形成原理，对于同一渐开线齿廓，不同圆周上的压力角是不同的，基圆上的压力角为零，离基圆越远的圆，半径越大，该圆上的压力角也越大。模数和齿数相同的齿轮，分度圆大小相同，但其压力角可以不同，基圆大小也随之不同，则渐开线齿廓也就不同。因此压力角是决定渐开线齿廓形状的一个基本参数。为了设计、制造、检验及使用的方便，gb1356-88规定分度圆压力角的标准值为20，在某些场合也用14.5、15、22.5、25等齿轮。（3）齿数z 齿轮的大小和渐开线齿廓的形状均与齿数有关。（4）齿顶高系数h*、顶隙系数c* 齿顶高系数和顶隙系数决定齿顶高和齿根高的尺寸。gb1356-88规定其标准值为h*=1 c*=0.25,有时也采用非标准的短齿h*=0.8,c*=0.3。 直齿齿轮的其他参数还有分度圆直径d、齿顶圆直径da、齿根圆直径df、基圆直径db和变位系数x，各参数间的关系如下图4-4所示：图4- 4直齿圆柱齿轮表达式直齿圆柱齿轮的几何特征相对简单，其中的参数化建模重点与难点应该在端面渐开线轮齿齿廓的参数化创建，渐开线齿廓的的形状取决于基圆的大小，而基圆的大小取决于齿轮的齿数z、模数m、和压力角。这三个参数一经确定，渐开线齿廓的形状也随之确定。4.4.2 直齿圆柱齿轮的建模直齿圆柱齿轮的的建模，其重点和难点是渐开线齿廓的绘制，在解决了渐开线的绘制之后，建立齿轮模型就较简单了。常用的建立齿轮模型的方法有以下两种方法：方法一：画出渐开线和各个圆，镜像渐开线，将多余的线剪去，留下一个轮齿的轮廓曲线，轮齿的两边都留半个齿根曲线。所剩下的曲线的圆心角等于一个齿距所对应的圆心角。将该曲线按齿数环行阵列，即为一个齿轮的外轮廓线，拉伸该轮廓线，即得到一个齿轮。方法二：画出渐开线、各个圆、齿轮毛坯，镜像渐开线，将多余的线剪去，留下一个齿槽轮廓曲线。将齿槽轮廓线拉伸成实体，用齿坯与生成的齿槽实体做差，在齿坯中就切出了一个齿槽。环行阵列z个齿槽特征，就得到一个齿轮。上述两种方法都能画出齿轮实体，但用这两种方法很难使齿轮参数化。方法一中用来做镜像和修剪曲线的直线在变换后无法实现参数话，此种方法只可用于画单个齿轮或者用程序来画齿轮实体。齿轮中的齿根圆和基圆的大小随齿轮基本参数的变化而变化，有时齿根圆大于基圆，有时基圆大于齿根圆。基圆较大时，渐开线和齿根圆之间应该有圆弧过渡；齿根圆较大时，应把多余的那段渐开线剪去。因此，方法二只能实现与画齿轮实体时的情况相同时的齿轮的参数化。为了避免出现这个问题，在本课题中使用先画出轮齿实体，并将轮齿底端的余量留的大些，然后将轮齿实体与齿根圆柱体做并操作。具体操作如下：（1） 建立渐开线齿廓曲线并修剪成齿形新建部件，在建模模块下输入相关的表达式，按前面介绍的方法画出渐开线结果如图4-4所示。选择基本曲线绘制出齿顶圆、齿根圆和基圆，画出一条直线，该直线为坐标原点和渐开线终点的连线，再采用变换命令让次直线绕原点旋转一角度，次角度应为360/(4*z)。画好后，用基本曲线中的倒圆角命令将渐开线和齿根圆用一段小圆弧连接，将绘制好的做镜像，结果如图4-5所示。最后，对画好的图进行修剪，得到齿形，如图4-6所示。24图4- 5绘制渐开线 图4- 6修剪前齿形 图4- 7齿形（2）齿轮的建立在图5-3的基础上用基本曲线从新绘制齿根圆，画好后将其拉伸一定高度，如图5-4所示。然后在对齿形进行拉伸，高度和齿根圆拉伸的高度一样，形成齿如图5-5所示。此时将齿和齿根圆进行求和并对齿做环形阵列，即得到齿轮如图5-6所示。图4- 8齿根圆绘制拉伸 图4- 9齿形拉伸 图4- 10齿轮（3） 打孔挖键槽在齿轮中间打一通孔，在根据孔的尺寸拉伸出一键槽即可。孔的直径就自己判断决定，不能太大，最后画好的结果应满足下列条件：键槽顶部到齿根圆的距离应大于或等于2*m。4.5 斜齿轮的参数化设计在生产中广泛用到斜齿轮，虽然使用斜齿轮传递动力时会产生轴向力，但与直齿轮相比，有明显的优点：（1）啮合性能好：斜齿圆柱齿轮轮齿之间是一种逐渐啮合过程，轮齿上的受力也是逐渐由小到大，再由大到小；因此斜齿轮啮合较为平稳，冲击和噪声小，适用于高速、大功率传动。（2）重合度大：在同等条件下，斜齿轮的啮合过程比直齿轮长，即重合度较大，这就降低了每对齿轮的载荷，从而提高了齿轮的承载能力，延长了齿轮的使用寿命，并使传动平稳。（3）结构紧凑：用齿条形刀具切制斜齿圆柱齿轮时，其无根切标准齿轮的最小齿数比直齿圆柱齿