一种基于UG的齿轮结构参数化设计系统的开发.pdf

一 种 基 于 U 轮 结 构 参 数 化 设 计 系 统 的 开 发苏 纯 ,陈 志 伟(常 州 工 学 院 机 电 学 院 ,江 苏 常 州 213002)摘 要 :介 绍 了 利 用 U G/ 发 渐 开 线 直 齿 圆 柱 齿 轮 参 数 化 设 计 系 统 的 方 法 。 在U G 下 进 行 二 次 开 发 ,实 现 渐 开 线 直 齿 圆 柱 齿 轮 尺 寸 反 向 驱 动 建 模 ,同 时 建 立 以 产 品 结 构 、特 征 参 数 为 中 心 的 数 据 库 系 统 ,从 而 对 渐 开 线 直 齿 圆 柱 齿 轮 参 数 化 设 计 系 统 的 数 据 进 行 管 理 。关 键 词 :U G;二 次 开 发 ;参 数 化 设 计 ;数 据 库 系 统 ;齿 轮中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1672 - 1616( 2005) 12 - 0046 - 03近 年 来 术 得 到 了 迅 速 的 发 展 ,而渐 开 线 齿 轮 是 一 种 重 要 的 机 械 零 件 ,广 泛 应 用 于 各 种 机 械 产 品的 传 动 装 置 中 。 如 何 将 术 应 用 到 齿 轮 设 计 上 ,有 效 提 高设 计 质 量 和 效 率 ,是 广 大 设 计 人 员 面 临 的 问 题 。齿 轮 设 计 可 分 为 齿 轮 传 动 设 计 和 齿 轮 结 构 设 计 两 部 分 。 齿轮 传 动 设 计 一 般 应 首 先 选 择 材 料 和 热 处 理 方 法 ,然 后 按 齿 面 接触 强 度 计 算 中 心 距 ,再 根 据 中 心 距 确 定 模 数 、 齿 数 、 齿 宽 等 参 数 。设 计 过 程 中 需 要 从 有 关 的 工 程 手 册 或 设 计 规 范 中 查 找 各 种 系 数或 数 据 ,并 套 用 经 验 公 式 ,为 了 在 程 中 高 效 、 快 速 处 理 ,可 以 将 数 表 、 线 图 程 序 化 ,编 程 实 现 齿 轮 参 数 的 自 动 计 算 和 数 据输 出 。 齿 轮 结 构 设 计 通 常 先 按 齿 轮 的 直 径 大 小 ,选 定 合 适 的 结构 形 式 ,还 要 确 定 齿 轮 与 轴 的 联 接 形 式 ,最 后 根 据 具 体 参 数 进 行结 构 设 计 。 为 便 于 实 现 ,目 前 齿 轮 的 结 构 设 计往 往 利 用 三 维 造 型 软 件 进 行 实 体 设 计 。 本 文 针 对 渐 开 线 直 齿 圆柱 齿 轮 ,开 发 一 种 基 于 通 用 三 维 设 计 平 台 U 品 数 据 库 管理 系 统 齿 轮 结 构 参 数 化 设 计 系 统 ,以 便 于 集 成 环 境 下的 产 品 设 计 和 数 据 管 理 ,因 而 具 有 一 定 的 现 实 意 义 。1 设 计 思 路 和 实 现 方 法111 设 计 思 路利 用 U G/ U 二 次 开 发 ,实 现 渐 开 线 直齿 圆 柱 齿 轮 尺 寸 反 向 驱 动 建 模 ,当 零 件 尺 寸 参 数 发 生 变 化 时 ,设计 人 员 通 过 调 用 自 定 义 菜 单 和 对 话 框 实 现 特 征 参 数 的 重 新 输入 ,保 存 为 数 据 文 件 ,驱 动 U 三 维 模 型 并 生 成 相 应 的 工 程图 。 同 时 建 立 以 产 品 结 构 、 特 征 参 数 为 中 心 的 数 据 库 系 统 ,该 系统 既 可 以 通 过 人 机 交 互 界 面 实 现 管 理 与 维 护 ,又 可 与 齿 轮 参 数化 设 计 形 成 的 数 据 文 件 实 现 数 据 交 换 。112 实 现 方 法系 统 整 个 开 发 流 程 如 图 1 所 示 。 首 先 利 用 U G 建 渐开 线 直 齿 圆 柱 齿 轮 模 板 ,针 对 齿 轮 轴 、 实 心 式 、 腹 板 式 齿 轮 分 别创 建 完 全 参 数 化 的 三 维 造 型 和 二 维 图 ,然 后 提 取 特 征 参 数 创 建部 件 族 子 表 格 。 后 面 的 工 作 沿 两 条 主 线 进 行 ,一 方 面 设置 U 环 境 变 量 ,用 建 用 户 化 齿 轮 模 块 菜 单 ,用 U 建 人 机 交 互 对 话 框 ,在 此 基 础 上 利 用 + +6. 0 编 写 程 序 并 编 译 生 成 动 态 链 接 库 件 ;另 一 方 面 利 用 基 于 特 征 参 数 的 产 品 数 据 库 ,并 利 用 + +610 创 建 数 据 库 管 理 程 序 ,实 现 对 据 库 的 外 部 管 理 ;最后 实 现 子 表 格 文 件 与 据 库 的 数 据 交 换 1 。 在U G 境 中 ,通 过 用 户 化 菜 单 和 对 话 框 ,调 用 某 种 结 构 形 式的 齿 轮 所 对 应 的 件 ,再 输 入 特 征 参 数 ,这 不 仅 可 以 创 建齿 轮 三 维 造 型 和 二 维 图 ,还 可 查 询 、 改 写 、 存 储 相 关 的 产 品 数 据库 数 据 。图 1 系 统 开 发 流 程收 稿 日 期 :2005 - 09 - 30作 者 简 介 :苏 纯 (1972 - ) ,女 ,江 苏 徐 州 人 ,常 州 工 学 院 讲 师 ,江 苏 大 学 在 读 硕 士 研 究 生 ,主 要 研 究 方 向 为 42005 年 12 月 中 国 制 造 业 信 息 化 第 34 卷 第 12 期 1994 系 统 的 关 键 技 术 和 实 现 过 程211 创 建 齿 轮 模 板本 系 统 主 要 创 建 齿 轮 轴 、 整 体 式 齿 轮 及 腹 板 式 齿 轮 3 个 模板 ,按 高 速 级 齿 轮 传 动 要 求 考 虑 到 轮 心 的 平 衡 性 及 对 中 性 ,采 用花 键 联 接 ,建 立 完 全 参 数 化 的 图 形 ,3 种 结 构 形 式 的 渐 开 线 直 齿圆 柱 齿 轮 模 板 如 图 2 (a) 、 (b) 、 (c)所 示 。图 2 3 种 结 构 形 式 的 渐 开 线 直 齿 圆 柱 齿 轮 模 板下 面 以 结 构 形 式 最 复 杂 的 腹 板 式 渐 开 线 直 齿 圆 柱 齿 轮 为 例介 绍 创 建 过 程 。 渐 开 线 参 数 方 程 运 用 表 达 式 、 规 则 曲 线 工 具 创 建 渐开 线 。 考 虑 到 3 种 结 构 形 式 齿 轮 渐 开 线 的 创 建 过 程 是 一 致 的 ,可 用 记 事 本 创 建 件 ,在 U 环 境 中 实 现 重 复 导入 ,简 化 表 达 式 的 输 入 过 程 。b. 经 过 对 曲 线 的 修 剪 、 拉 伸 生 成 半 齿 实 体 和 齿 根 圆 圆 柱 ,对半 齿 作 实 体 镜 像 ,再 将 生 成 的 齿 形 实 体 与 齿 根 圆 圆 柱 作 布 尔 并运 算 ,最 后 作 轮 齿 的 圆 周 阵 列 2 。c. 通 过 拉 伸 、 圆 周 阵 列 、 布 尔 运 算 等 一 系 列 操 作 形 成 齿 轮 腹板 造 型 。d. 通 过 拉 伸 、 布 尔 运 算 等 一 系 列 操 作 形 成 齿 轮 内 花 键 结 构(根 据 不 同 设 计 要 求 ,也 可 创 建 平 键 结 构 ) 。e. 在 话 框 中 ,添 加 齿 轮 厚 度 、 压 力 角 、 模 数 、 齿数 、 腹 板 直 径 、 腹 板 厚 度 、 去 重 孔 定 位 圆 直 径 、 去 重 孔 径 和 孔 数 、凸 台 外 径 、 凸 台 高 度 、 花 键 内 外 径 、 花 键 键 宽 、 花 键 数 等 共 15 个参 数 ,生 成 腹 板 式 齿 轮 部 件 族 电 子 表 格 。f . 根 据 已 有 的 齿 轮 模 型 创 建 二 维 工 程 图 。 单 击 拉 菜 单 ,进 入 工 程 图 功 能 模 块 。 设 置 图纸 参 数 ,添 加 齿 轮 的 投 影 视 图 和 剖 视 图 ,根 据 求 对 图 形 进行 编 辑 修 改 ,最 后 完 成 尺 寸 标 注 。在 腹 板 式 齿 轮 模 板 创 建 过 程 中 ,需 要 注 意 对 草 图 的 完 全 约束 ,形 成 部 件 族 电 子 表 格 时 参 数 的 提 取 应 完 整 ,并 与 件的 参 数 传 递 相 对 应 。 齿 轮 轴 和 实 心 式 齿 轮 模 板 的 创 建 过 程 相 似且 更 简 单 ,形 成 部 件 族 电 子 表 格 需 要 添 加 的 参 数 更 少 ,其 中 齿 轮轴 需 要 添 加 齿 轮 厚 度 、 压 力 角 、 模 数 、 齿 数 共 4 个 参 数 ,实 心 式 齿轮 需 要 添 加 齿 轮 厚 度 、 压 力 角 、 模 数 、 齿 数 、 花 键 内 外 径 、 花 键 键宽 、 花 键 数 等 共 8 个 参 数 。212 设 置 环 境 变 量进 行 U G/ 发 ,设 置 开 发 及 运 行 环 境 的 主 要 步骤 如 下 :a. 建 立 E : 件 夹 ,在 录 下 建 立 子 目 录 将 创 建 的 齿 轮 轴 、 实 心 式 和 腹 板 式 齿轮 模 板 复 制 到 件 夹 中 ,分 别 重 命 名 为 制 面 板 中 点 击 系 统 高 级 环 境 变 量 ,增 加 环 境 变量 U G 使 其 指 向 E : 件 夹 。213 创 建 用 户 化 菜 单U G/ 供 了 一 套 用 于 定 义 单 的 脚 本 语 言 ,运 用 记 事 本 工 具 按 照 本 语 言 语 法可 以 定 义 件 ,将 该 文 件 保 存 在 E : 件 夹 中 。运 行 U G 主 界 面 上 生 成 的 用 户 化 菜 单 如 图 3 所 示 。图 3 用 户 化 菜 单214 创 建 交 互 接 口 界 面U G/ 供 了 快 速 生 成 话 框 的功 能 ,产 生 的 对 话 框 可 以 在 件 中 被 调 用 。 态 ,选 择 ,进 入 U U 供 的 控 件 分 别 创 建 整 体 式 、 腹 板 式 齿 轮及 齿 轮 轴 对 话 框 ,要 求 用 户 输 入 的 参 数 由 其 零 件 族 电 子 表 格 参数 确 定 。 图 4 所 示 为 腹 板 式 齿 轮 人 机 交 互 对 话 框 。图 4 腹 板 式 齿 轮 对 话 框c. 将 各 结 构 形 式 齿 轮 对 话 框 文 件 ( 3 . 件 )保 存 至 E : 件 夹 中 ,U 对 每 一 个 3 . 件 自动 创 建 对 应 的 3 . h 文 件 和 3 . c 文 件 ,自 动 保 存 至 E : 件 夹 中 。 例 如 整 体 式 齿 轮 对 话 框 文 件 保 存 为74 现 代 设 计 技 术 苏 纯 陈 志 伟 一 种 基 于 U 轮 结 构 参 数 化 设 计 系 统 的 开 发 1994 ,则 U 时 自 动 保 存 h 和 件 3 。215 创 建 动 态 链 接 库 文 件动 态 链 接 库 ( 件 适 用 于 对 U G/ 内 部 模式 调 用 ,程 序 只 能 在 界 面 环 境 下 运 行 。 整 体 式 齿轮 对 应 的 动 态 链 接 库 文 件 ( 建 过 程 如 下 :a. 在 + + 中 创 建 程 ,命 名 为 b. 设 置 工 程 环 境 。c.在 添 加 c 文 件 改 名 ) , 添 加 文 件h。d. 编 辑 . 件 ,将 # 改 为 # h” ,并 根 据 程 序 功 能 要 求 修 改 各 回 调 函数 。 如 将 回 调 函 数 )修 改 后 增 加 代 码 如 下 :/ / 将 查 询 已 经 存 在 的 齿 轮 设 置 为 当 前 显 示 的 部 件 / / ;UF ) ;/ 3 do /F U I ) ;/ 3 3 / 3 F U I ) ; 3 /e. 编 译 链 接 生 成 件 ,复 制 到 E : 夹 下 。整 体 式 和 腹 板 式 齿 轮 的 件 创 建 过 程 同 上 ,只 是 需 要修 改 回 调 函 数 时 设 置 模 板 文 件 名 分 别 为 16 齿 轮 参 数 数 据 库 系 统 设 计在 利 用 立 齿 轮 参 数 数 据 库 时 ,齿 轮 轴 、 实 心 式 、 腹板 式 直 齿 圆 柱 齿 轮 分 别 对 应 一 个 表 ,表 中 每 个 字 段 对 应 齿 轮 的一 个 主 要 参 数 。 在 对 每 张 数 据 表 建 立 查 询 和 窗 体 后 ,就 可 在 界 面 下 方 便 地 进 行 数 据 管 理 。 为 方 便 用 户 对 数 据 库 的外 部 管 理 ,可 用 + 编 程 创 建 应 用 程 序 。 首 先 利 用 术 连 接 数 据 源 ,即 连 接 至 齿 轮 参 数 数 据 库 ,然 后 创 建 人 机 接 口 界面 ,最 后 修 改 控 件 按 钮 程 序 即 可 。 图 5 所 示 为 用 于 编 辑 实 心 式齿 轮 数 据 表 的 数 据 库 管 理 界 面 。图 5 数 据 库 管 理 界 面在 针 对 每 种 齿 轮 建 表 时 ,应 使 表 中 字 段 与 该 齿 轮 模 板 部 件族 电 子 表 格 字 段 一 一 对 应 。 这 样 当 某 种 齿 轮 模 板 部 件 族 电 子 表格 文 件 内 容 发 生 了 变 化 ,可 以 用 开 齿 轮 参 数 数 据 库 ,利用 下 拉 菜 单 文 件 获 取 外 部 数 据 导 入 ,选 择 某 种 齿 轮 模 板 部件 族 电 子 表 格 文 件 ,即 可 将 其 转 化 为 ,并 覆 盖 数 据 库 中原 有 的 同 名 表 格 。 由 于 字 段 名 没 有 变 化 ,原 来 设 置 好 的 查 询 和窗 体 等 功 能 可 以 继 续 使 用 ,因 而 在 数 据 库 中 可 对 该 表 进 行 直 接操 作 ,也 可 利 用 用 程 序 对 该 表 数 据 进 行 外 部 管 理 。 从 而实 现 了 U 的 部 件 族 电 子 表 格 文 件 与 产 品 数 据 库 之 间 的 数据 交 换 ,简 单 易 用 ,避 免 了 复 杂 的 编 程 。3 系 统 的 扩 展 方 法基 于 U 齿 轮 结 构 参 数 化 设 计 系 统 采 用 的 是 模 块 化 设计 方 法 ,可 以 采 用 相 似 的 方 法 实 现 斜 齿 圆 柱 齿 轮 、 锥 齿 轮 等 的 参数 化 设 计 ,将 原 系 统 扩 展 为 通 用 齿 轮 的 结 构 参 数 化 设 计 系 统 。由 于 通 过 修 改 用 户 化 菜 单 文 件 可 以 分 别 调 用 各 种 类 型 齿 轮 的 动态 链 接 库 文 件 ,所 以 系 统 的 扩 展 较 易 识 别 。 如 实 现 斜 齿 圆 柱 齿轮 结 构 参 数 化 设 计 的 具 体 做 法 如 下 :a. 创 建 各 种 结 构 形 式 斜 齿 轮 的 完 全 参 数 化 三 维 实 体 造 型 模板 。b. 通 过 编 辑 修 改 件 ,实 现 齿 轮 库 用 户 化 菜 单 的修 改 ,在 一 级 菜 单 增 设 斜 齿 轮 ,其 二 级 菜 单 设 为 各 种 具 体 的 结 构形 式 斜 齿 轮 。 每 一 种 结 构 形 式 斜 齿 轮 模 板 提 取 的 几 何 参 数 ,利 用U G/ 建 其 对 应 的 对 话 框 。 各 种 结 构 形 式 斜 齿 轮 对 应 的 动 态 链 接 库 文 件 ,创 建过 程 中 3 件 可 以 利 用 直 齿 轮 对 应 的 程 序 文 件 作简 单 修 改 得 到 ,即 只 需 修 改 查 询 参 数 所 在 的 电 子 表 格 名 称 及 调用 的 显 示 部 件 模 板 名 称 。e. 在 齿 轮 参 数 数 据 库 中 根 据 斜 齿 轮 结 构 分 类 分 别 创 建 数 据表 ,利 用 原 有 的 的 数 据 库 管 理 程 序 以 类 比 方 法 对 程 序 作 适 当 修改 ,创 建 各 种 结 构 形 式 斜 齿 轮 数 据 表 的 管 理 程 序 。4 结 束 语本 参 数 化 设 计 系 统 有 效 地 提 高 了 利 用 U 渐 开 线 直 齿圆 柱 齿 轮 的 效 率 。 由 于 将 三 维 图 形 数 据 转 化 为 数 值 数 据 保 存 ,并 对 齿 轮 数 据 进 行 集 中 统 一 的 管 理 ,因 而 所 占 用 的 计 算 机 资 源少 ,有 利 于 管 理 ,且 便 于 集 成 环 境 下 的 协 同 设 计 。参 考 文 献 : 1 董 正 卫 ,田 立 中 ,付 宜 利 . U G/ 程 基 础 M1 北 京 :清 华 大 学 出 版 社 ,200212 宋 晓 华 ,周 明 安 . 基 于 U G/ 齿 轮 模 块 开 发 J . 机械 研 究 与 应 用 ,2004 (12) :111 - 11213 孟 广 军 ,张 明 ,王 安 敏 . U 的 用 户 界 面 开 发 技 术 J 1 机械 ,2004 ,31 (5) :39 - 421(下 转 第 50 页 )842005 年 12 月 中 国 制 造 业 信 息 化 第 34 卷 第 12 期 1994 对 于 叶 背 : x 1 = x - i y y + i x w(7) 对 于 叶 盆 : x 2 = x + i y y - i x w(8)将 式 (2) (6) 代 入 式 (7) 、 (8) ,得 :x 1 = k 5 - 11 + (2. 5 k t 1. 5) 2w 0 - (2. 5 k t 1. 5) 2 d t t + 2. 5 k 51 + (2. 5 k 5) 2w 0 - (2. 5 k 5) 2 d t )x 2 = k 5 + 11 + (2. 5 k t 1. 5) 2w 0 - (2. 5 k t 1. 5) 2 d t t - 2. 5 k 51 + (2. 5 k 5) 2w 0 - (2. 5 k 5) 2 d t 0)图 3 轮 廓 线 示 意 图4 叶 背 、 叶 盆 轮 廓 线 上 离 散 点 的 生 成应 用 目 前 流 行 的 件 ,难 以 直 接 用 以 上 的 参 数方 程 式 (9) 、 (10)来 表 达 叶 背 、 叶 盆 轮 廓 线 。 然 而 ,我 们 却 可 以 应用 有 关 的 数 值 计 算 方 法 ,根 据 参 数 方 程 式 (9) 、 (10) 来 计 算 出 一系 列 叶 背 、 叶 盆 轮 廓 线 上 的 离 散 点 。 以 一 系 列 有 序 的 离 散 的“ 点 ” 来 替 代 一 条 连 续 的 “ 线 ” 。 经 这 样 处 理 后 ,可 以 利 用 现 有 的 件 生 成 所 需 的 复 杂 曲 线 。图 2 (a)中 弯 曲 的 中 心 线 可 以 看 成 是 由 一 系 列 离 散 点 构 成的 。 以 中 心 线 开 始 弯 曲 时 的 点 作 为 原 点 O ,则 每 一 个 离 散 点 到O 点 的 弧 长 是 拓 扑 变 换 中 的 不 变 量 ,即 经 过 拓 扑 变 换 不 会 改 变的 量 。 这 样 ,就 可 以 通 过 不 变 量 来 控 制 所 生 成 的 轮 廓 线 。叶 背 轮 廓 线 及 叶 盆 轮 廓 线 是 随 着 粗 加 工 、 精 加 工 改 变 的 一系 列 曲 线 。 这 样 ,在 进 行 数