（机械电子工程专业论文）双圆弧齿轮参数化建模技术研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 随着生产的发展，齿轮传动得到了广泛的使用，而双圆弧齿轮传动又具有渐 开线齿轮传动无法比拟的特点，使其在齿轮传动中得到了广泛的应用。双圆弧齿 轮的齿轮参数对齿轮传动的动态传动性能产生重要的影响，由于双圆弧齿轮的轮 齿是一个空间螺旋体，形状非常复杂，因而利用先进的设计计算方法和计算机技 术对双圆弧齿轮参数进行研究具有特别重要的意义。 本文依据圆弧齿轮啮合原理，建立了双圆弧齿轮加工中的坐标系和刀具齿面 方程。通过建立处于啮合状态的双圆弧逸轮的齿面方程，对双圆弧齿轮的齿面进 行了啮合分析，给出了齿轮啮合迹线的方程和齿面接触线的形状。 本文在分析圆弧齿轮齿形约束及尺寸参数的基础上，建立了双圆弧齿轮的结 构参数化实体模型，实现了实体模型与参数化系统设计变量之间的数据通讯，从 而可以用参数化设计系统的输出结果参数来驱动所建的模型，完成机械工程设计 与参数化设计系统的连接，为实现系列产品的快速开发设计提供可能。 本文利用现代设计方法，建立了一种寻求齿轮参数化设计的方法。考虑双圆 弧齿轮结构的复杂性，本文基于s o l i d w o r k s 实体设计系统中的参数化建模功能， 使用v c + + n e t 编译环境建立了双圆弧齿轮参数化建模系统。 关键词：双圆弧齿轮，参数化，s o l i d w o r k s ，二次开发 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o n ，g e a r sd r i v ei su s e dw i d e l y a n dd o u b l e d r c u l a ra r cg e a r sh a v es o m ea d v a n t a g e st h a ti n v o l u t eg e a r sc a l l tc o m p a r e t h ep r o f i l e p a r a m e t e r so fd o u b l ec i r c u l a ra r cg e a r sa f f e c td y n a m i cp e r f o r m a n c es t r o n g l y d o u b l e c i r c u l a ra r cg e a r sa r et h ec o m p l e xs p e c i a lh e l i c a lg e a r , a n dt h ed e s i g no ft h ep r o f i l e p a r a m e t e r si sv e r yf l e x i b l e t h e r e f o r e ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d y t h et o o t hp r o f i l ep a r a m e t e r so p t i m u mo nd o u b l ec i r c u l a ra l eg e a r sb ym e a n so f m o d e md e s i g nm e t h o da n dc o m p u t e rt e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h em e s ho fd o u b l ec i r c u l a ra r cg e a r s ，t h i sp a p e r a p p l i e sr e f e r e n c ef r a m ei nt h ep r o g r e s so fd o u b l ec i r c u l a ra r ca n dt h ee q u a t i o no fg e a r f a c e a c c o r d i n g t ot h ed o u b l ec i r c u l a ra r cg e a rf a c ee q u a t i o n ，a n a l y s e st h em a s ho ft h e f a c eo fd o u b l ec i r c u l a rg e a r a n dg e tt h ee q u a t i o no ft h eg e a re n g a g el i n ea n dt h e f i g u r eo fc o n t a c tl i n e o nt h eb a s eo fr e s e a r c ho fd o u b l ec i r c u l a ra r ct o o t hr e s t r i c ta n dd i m e n s i o n p a r a m e t e r , i m p l e m e n t t h e p a r a m e t e r s o l i d m o d e l i n go f t h es t r u c t u r ea n dt h e t r a n s m i s s i o no ft h es o l i dm o d e l i n ga n dt h ev a r i a b l e o ft h ep a r a m e t e rd e s i g n s y s t e m u s i n gp a r a m e t e ro ft h eo u t c o m eo fp a r a m e t e rd e s i g ns y s t e mt ob u i l dt h e m o d e l i n gb u i l t t h i st h e s i su s e da d v a n c e dd e s i g nm e t h o dt os e a r c hf o rt h ep a r a m e t e rd e s i g n m e t h o df o rg e a rd e s i g n c o n s i d e r e dt h ec o m p l e x i t yo fd o u b l ec i r c u l a ra r cg e a r s t r u c t u r e ，t h i st h e s i sb a s e do nt h es o l i d w o r k se n t i t yd e s i g ns y s t e mi np a r a m e t r i z a t i o n m o d e l i n gf u n c t i o n u s e sv c + + n e tc o m p i l ee n v i r o n m e n tt oe s t a b l i s h e dt h ed o u b l e c i r c u l a ra r cg e a rp a r a m e t r i z a t i o nm o d e l i n gs y s t e m k e y w o r d s ：a r cg e a r , p a r a m e t e r , s o l i d w o r k s ，s o f t w a r es e c o n dd e v e l o p m e n t 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 齿轮传动是现代各类机械中应用最广的一种基本传动形式。它是靠主动轮 的轮齿依次推动从动轮的轮齿来传递运动和动力的，可以传递任意配备的平行 轴、相交轴及相错轴之间的回转运动。因此齿轮传动技术成为机械工程技术的 重要组成部分，在一定程度上标志着机械工程技术的水平。由于齿轮传动在机 械行业乃至整个国民经济中的地位和作用，齿轮传动被公认为工业和工业化的 象征。 齿轮传动的发展和生产的发展密切相关。在古代的齿轮传动中，由于齿轮 传动的速度低、功率小，齿廓曲线采用最简单的直线。随着生产的发展，轮齿 齿廓的选择就显得十分重要。1 7 6 5 年，欧拉( 1 e o n h a r de u l a r ) 提出以渐开线作 为轮齿齿廓曲线，这就是所谓的渐开线齿轮。渐开线齿轮由于中心距的可分性 及制造、测量方便等许多优点，得到广泛应用，但也存在着如下缺点： a 由于啮合面之间滑动速度的不一致，造成齿面的磨损、发热、传动不平 稳性和效率低下，以及使用寿命的缩短等。 b 渐开线齿轮是凸齿对凸齿的啮合传动，其相对曲率半径小，致使接触强 度低，承载能力受到限制。 为了提高齿轮传动的承载能力和平稳性，以适应生产发展的要求，科学工 作者们做出了巨大的努力，他们将渐开线齿轮凸面与凸面相接触，改变成凹形 齿廓与凸形齿廓之间的啮合，从而增大了相对曲率半径，提高了接触强度。这 种新型点啮合制的齿轮传动，我们称之为圆弧齿轮传动。 1 2 圆弧齿轮的发展史 圆弧齿形的设想最早是由英国人h u m p h r i s 在1 9 0 7 年提出的；1 9 2 2 年，威 克一波斯托克一布朗莱( v i c h e r s b o s t o c k b r a m l e y ) 提出并研究了v b b 齿轮。 其特点为：齿轮幅在端面内仍然有重合度存在，小齿轮为凸齿，大齿轮为凹齿， 齿廓面j 司为凸凹搭配，具有较小的诱导曲率，因此接触强度大大增加。然而， 这种齿轮出于凹齿齿顶厚度小，弯曲强度低，易于折断，这样使得v b b 齿轮未 能得到广泛应用，但它却是对渐开线齿轮挑战的一种尝试。 1 9 2 6 年由美国格利森公司的瑞士人维尔特哈泊( e w i l d h a b e r ) 在上述 武汉理工大学硕士学位论文 概念的基础上，首次提出圆弧齿轮的方案，并取得专利。他所提出的圆弧齿轮 是指凹齿齿廓圆弧半径的圆心在齿条型刀具的节线上，当齿面啮合时，凹齿齿 廓圆心和节点重合，凸齿齿廓圆弧半径比凹齿齿廓圆弧半径减少一个数值。其 本质是法面为圆弧的圆弧齿轮，凸齿只有齿顶部分，凹齿只有齿根部分，但却 没有能应用到工业中去。 1 9 5 6 年，前苏联学者诺维柯夫( m ln o v i k o v ) 对维尔特哈泊的设想进行完 善，并在完成实用性研究后正式进入工业应用阶段。他所发明的齿轮是一种端 面为圆弧的圆弧齿轮，该齿轮与e w il d h a b e r 提出的正好相反：是以凸齿齿廓 的圆心落在齿条型刀具的节线上，凹齿齿廓圆弧半径比凸齿齿廓圆弧半径大一 个数值。同时，他对该种齿轮作了系统的理论分析和强度计算，使该齿轮在工 业上得到广泛的应用。1 9 6 0 年l o 月在联邦德国埃森ce s s e n ) 召开的国际齿轮 会议上，将其定义为n i l d h a b e r n o v i k o v 齿轮，简称为卜n 齿轮，在我国被称 为圆弧点啮合齿轮。圆弧齿轮传动与渐开线齿轮传动相比，具有以下特点嘲： a 圆弧齿轮为凸凹搭配，具有很小的诱导曲率，因此接触强度高，承载能 力大： b 圆弧齿轮的瞬时接触线在端面附近，传动过程中接触线由齿轮的一端向 另一端迅速移动，有利于油膜的形成，因而具有优良的润滑性能，提高了齿轮 的使用寿命： c 由于凸凹齿廓圆弧存在半径差，齿廓面间理论上为点接触，降低了齿轮 副对误差的敏感度。 圆弧齿轮一经提出，在世界各国都得到广泛重视。 1 3 国内外圆弧齿轮的研究状况 在国外，前苏联的单圆弧齿轮主要用于中、低速传动，并在1 9 6 9 年，制定 了公切线式双圆弧齿轮的齿形标准。而英国在1 9 6 2 年已制造出传动比为1 1 0 ， 功率达8 0 0 0 马力的圆弧齿轮，并进行了强度实验，证明了双圆弧齿形大大提高 了圆弧齿轮的弯曲强度，其轮齿负荷可达渐开线齿轮的5 倍，效率最高达到 9 9 4 。在1 9 7 0 年，英国r o l l s r o y c e 公司的s t u d e r 工程师提出分阶式双圆 弧齿轮的齿形方案，并申请为美国专利。同时，在这一时期，美国、西德、日 本等国也都先后进行了圆弧齿轮的研究和实验工作，捷克在工业上已制造出大 型、大模数的圆弧齿轮传动装置：而在日本，生产出的双圆弧齿廓的油泵齿轮成 为日本的专利。 以上是国外对圆弧齿轮的研究与应用情况。国内对圆弧齿轮的应用与实验 也相当重视。自1 9 5 9 年春朱景梓教授将圆弧齿轮的资料由前苏联带回国内，各 武汉理工大学硕士学位论文 大院校、高校与工厂迅速开展了有关圆弧齿轮的研究工作，并与当年分别在天 津和洛阳召开全国圆弧齿轮技术会议。1 9 6 1 年1 1 月，中国机械工程学会在北 京举行的十周年年会上，将“圆弧齿轮在我国的应用与发展”列为中心议题之 一，在对圆弧齿轮传动充分肯定的基础上，根据生产中迫切需要解决的问题， 从啮合原理、强度计算、减速器设计、计量与检验等四个方面进行了深入热烈 的讨论。这次会议对圆弧齿轮的理论研究与生产应用起到了巨大的推动作用。 1 9 6 2 年1 2 月，在上海召开了圆弧齿轮技术会议，对圆弧齿轮所取得的成就进 行了总结。1 9 6 5 年，在杭州召开了高速圆弧齿轮传动经验交流会，重点讨论如 何提高圆弧齿轮的传动质量问题。同年1 1 月，在鞍山召开了中、低速圆弧齿轮 会议，对大模数圆弧齿轮的主要失效形式，中、小模数圆弧齿轮的弯曲强度、 塑性变形，以及提高精度等重大问题进行了深入研究。经过十多年的努力，在 圆弧齿轮制造工艺的改进、制造精度的提高等方面都取得了很大的成绩。尤其 是在中低速重载齿轮传动方面，将圆弧齿轮用于轧钢机上，技术和经济效果最 为显著，与原来使用的渐开线齿轮减速器相比，大大提高了使用功率，延长了 齿轮使用寿命。在高速齿轮传动方面，圆弧齿轮也广泛应用于中小型汽轮机、 离心式鼓风机、空气压缩机等产品中。 为迸一步提高圆弧齿轮的弯曲强度，从1 9 6 7 年开始，我国对圆弧齿轮的研 究主要集中在双圆弧齿轮上。在学习英国r o l l s r o y c e 公司提出的分阶式双圆 弧齿轮齿形的基础上，1 9 7 2 年由郑州机械研究所、哈尔滨工业大学、太原工业 大学、上海工业大学和上海汽车厂、杭州汽车厂等单位分别进行了分阶式双圆 弧齿轮承载能力的有限元计算、光弹实验、台架实验以及工业生产应用。并于 1 9 8 0 年1 2 月在上海召开双圆弧齿轮技术鉴定会上，逐步开始在风机、轧钢机、 船舶等高速重载场合展开应用。由于双圆弧齿轮是由两段工作圆弧组成，节圆 以上为凸圆弧，节圆以下为凹圆弧，成倍增加了瞬时啮合点数，再加上齿根厚 度的增加，大大提高了轮齿的弯益强度。 在圆弧齿轮标准方面，我国于1 9 6 7 年由机械科学研究院组织国内工厂、高 校先后制定出j b 9 2 9 6 7 圆弧齿轮滚刀法面齿形标准和d 1 4 1 2 0 圆弧圆柱齿 轮减速器系列，以及高速圆弧齿轮增速系列。1 9 7 5 年，由郑州机械研究院负责 制定出j b l 5 s 5 7 5 和j b l 5 8 6 7 5 圆弧齿轮减速器标准，着使我国圆弧齿轮走上 了标准化系列生产的轨道。在此基础上，我国于1 9 8 1 年制定出j b 2 9 4 0 8 1 双 圆弧齿轮基准齿形。1 ，标准，于1 9 9 1 年修订为国家标准g b l 2 7 5 9 9 1 双圆弧 圆柱齿轮基本齿廓，1 9 8 5 年制定了j 8 4 0 2 1 8 5 圆弧圆柱齿轮精度标准，9 5 年修订为国家标准g b t 1 5 7 5 3 1 9 9 5 。这些标准的制定，为双圆弧齿轮的发展和 应用开拓了广阔的空间。 武汉理工大学硕士学位论文 在齿形参数设计方面，继_ | v n 齿形之后，六十年代，各国学者分别提出了参 数不同的单圆弧齿轮齿形。前苏联制定了单圆弧齿轮的齿形标准m h 4 2 2 9 6 3 a 1 9 6 2 年英国a e i 公司进行了命名为c i r c a r c 的单圆弧齿轮实验，并成功地应用 在w e s t l a n d 公司的l y n x 直升飞机主减速机上。日本的保延诚称1 9 5 6 年与 n o v i k o v 同时独立提出的单圆弧齿轮，取名为a c p 齿轮。1 9 6 5 年美国的g e s o p e r 提出了凸凹圆弧中心位于节线两侧的单圆弧齿形，并于1 9 6 8 年取得美国专利。 1 9 6 7 年我国制定了单圆弧齿轮齿形标准j b 9 2 9 6 7 ，至今仍在工程实际中普遍应 用。但是单圆弧齿轮的弯曲强度较低，在加工同一模数单圆弧齿轮时，需要用 两把滚刀，这给加工过程带来不便。为了克服上述缺点，苏联首先提出了公切 型双圆弧齿轮，即上齿面为凸齿形、下齿面为凹齿形、凸凹齿廓之间是用公切 线相连，并制定了国家标准r o c t l 5 0 2 3 6 9 。1 9 7 0 年日本的保延诚申请了不同齿 形参数的公切型双圆弧齿轮的专利，商品用s y m m a r c 齿轮命名，目前也是日本 主要应用的一类圆弧齿轮，己形成系列产品疆e 国也在六十年代后期提出了s n 一1 s n 一2 两种公切型双圆弧齿轮齿形，并进行了这方面的试验和试制工作，结果表 明：这种齿形的切线段，实际上是由滚刀的直线刃范成的压力角很小的渐开线， 承载齿面在经过轻微跑合磨损后就导致过渡段接触，不可避免地导致该区域早 期疲劳点蚀，是产生后期疲劳断齿地裂纹源，这是公切型双圆弧齿轮的严重缺 陷。英国r o l l s r o y c e 公司的r ms t u d e r 提出了分阶式双圆弧齿轮，1 9 7 0 年 获美国专利。其特点是：凸凹齿廓之间不是用公切线而是用一段圆弧相连。 s t u d e r 根据光弹实验的结果，提出齿厚比的最优值为1 ：3 ，该值也成为影响上、 下齿面弯曲强度的关键因素，在后来的研究中倍受注目。苏联人称分阶式圆弧 齿轮是他们先提出来的，有_ q1 7 0 7 - 0 1 5 ，皿a1 7 1 0 1 5 两种齿形得到 实际应用，其中前一种适用于硬齿面“1 。我国也先后提出了f s p h 一7 5 ， f s p g 一7 9 ，$ 7 4 ，h i i 等不同齿形参数的分阶式双圆弧齿形，于1 9 8 0 年统一为 j b 2 9 4 0 8 1 齿形。 在弯曲强度计算方面，力学模型的建立一般都把齿轮简化为悬臂梁，包括 矩像法、薄板理论、厚板理论、锲形理论，对圆弧齿轮来说都是近代的。而于 最近几年，则发展了包括有限元法等数值求解法。哈尔滨工业大学在对 j b 2 9 4 0 8 l 齿形进行齿轮接触和弯曲强度的实验测量基础上，提出一套计算接 触、弯曲强度的计算方法。以上方法都是通过理论和实验对影响实际齿轮强度 的各种因素采取不同修正系数而得到的经验公式，对承载轮齿表面整体产生的 弹性变形、实际啮合轮齿的载荷分配和各接触区载荷分布则无法精确确定，因 而是条件性或近似的方法。 在接触强度计算方面”1 ，现有的分析圆弧齿轮接触应力的方法，都是把轮 4 武汉理工大学硕士学位论文 齿简化为两个无限长的平行圆柱体来进行分析，求得当量曲率半径，按h e r t z 公式进行求解。而实际轮齿沿齿向接触区很长，齿高却很短，轮齿刚性较大， 因此作为无限长圆柱体的平面弹性问题处理并不准确。而经典的弹性接触理论 也只能适用于一些形状简单的半无限大体或形状不复杂的对称体。根据现有资 料，国外现在对圆弧齿轮接触强度的研究还不多，主要是采用各种图表作为原 始资料，如：h e r t 点接触解题法、两个圆柱体滚压时的线接触法、中心加载和 非中心加载刚性冲模解题法。在日本，1 9 6 7 年寺内喜男将圆弧饯轮接触区假定 为椭圆形，整个接触区压力分布为椭球形分布，用h e r t z 理论按两圆柱体接触 求得齿面接触应力分布。1 9 6 8 年a i s h i b a s h i 将圆弧齿轮接触区假定为矩形， 载荷沿齿高方向均匀分布，并将接触区分成位置和大小不同的n 块进行离教计 算，以求得单圆弧齿轮的齿根应力。1 9 7 5 年印度学者k l i n g a i a h 也假定圆弧齿 轮接触区为椭圆形，其上载荷按半椭球形分布，经计算得到接触区长度和宽度 与模数呈线形关系、而载荷与模数为非线形关系的结论，并求出接触区面积与 齿面面积的贴合系数( c o n f o r m i t yf a c t o r ) ，进而按h e r t z 理论求得圆弧齿轮接 触区接触应力分布。以h e r t z 理论为基础，到八十年代各国都直接或间接的得 到圆弧齿轮接触强度计算方法。这些方法对于形状复杂的圆弧齿轮是不理想的， 未能精确解决接触问题。可以说在接触应力的分析方面研究还不够深入，见不 到有价值的结论，其原因就是：弹性接触问题属于不定边界问题，其中有由接触 面积变化而产生的非线形：又有由接触压力分布变化而产生的非线形，这种问题 的求解是反复迭代的过程，无法用解析式进行表达。近年来发展起来的数值法， 将边界非线形的接触问题离散为线形问题进行求解，为我们求解圆弧齿轮的接 触应力提供了新思路。 在齿间载荷分配求解方面43 ，现有计算圆弧齿轮强度的方法都无法准确给 定齿间载荷分配，尤其是双圆弧齿轮是多对齿啮合多个接触区的接触问题。单 纯描述其刚形啮合特性就十分复杂，承载后考虑弹性变态下各啮合位置的载荷 分配分析，至今尚无人研究，因为这需要把啮合状态的齿轮作为整体进行计算， 同时实验测试又十分困难，只能得出一些粗糙的结果，不能令人满意。而作为 强度计算的基础，首先必须确定在啮合过程中的齿向载荷分布和齿间载荷分配。 此外，实际齿轮的齿向载荷分布和齿间载荷分配是精确分析轮齿振动、修行、 跑合及弹性流体动力润滑的基础，因此寻找快速而有效的求解圆弧齿轮的载荷 分配和载荷分布的方法，具有很大的实用价值，已越来越引起各国学者的重视。 作为纯刚性加载啮合分析方法，解决渐丌线弧齿锥齿轮载荷分配问题是采 用理论重合度给定的，对不同啮合位置的载荷分配值无法准确求出，只能根据 假定的载荷按h e r t z 理论求其载荷分布。丽出于渐丌线齿轮是线接触，沿接触 5 武汉理工大学硕士学位论文 线方向轮齿刚度是变化的，所以渐开线齿轮沿接触线方向的压力分布是不均匀 的线状分布，但这些计算结果受计算模型和计算方法的限制，因此比较简略。 圆弧齿轮传动的承载特点在于啮合过程中，沿齿长方向载荷的快速移动变化。 当重合度在1 2 时“1 ，同处于啮合状态的有l 3 对相互作用轮齿，而相互作 用的一对轮齿上，可以承受全部负荷的2 5 一1 0 0 ，所以其强度特性与齿轮其 它传动的强度特性有显著的差别。 在跑合规律的研究方面”3 ，圆弧齿轮的跑合是一个很复杂的过程，不仅与齿 形参数、载荷特性及跑合历程有关，而且与材料性质、材料热处理、齿轮及系 统精度、系统刚性、运动特性、润滑油、润滑状态、啮合特性及齿轮温度等有 密切关系。在载荷作用下，凸凹齿面微凸体发生塑性变形和加工硬化，并在接 触应力最高的部位首先进行磨损，使凸齿面曲率半径增大，凹齿面的曲率半径 减小，接触齿面逐渐贴近，接触齿面的半径差减小，接触区面积逐渐增大，直 至相对稳定，接触区内压力分布均匀、两齿面间形成弹性流体动力润滑油膜， 振动和噪音显著降低。跑合过程是啮合齿面自适应磨损过程，这一过程的工作 参数也称跑合指标，必须进行合理的选择，否则会使啮合齿面出现早期点蚀、 胶合或过度磨损。 1 4 圆弧齿轮的成形原理 圆弧齿轮是点啮合制传动齿轮，不同于渐开线齿轮的线啮合制。它的齿面 是点接触共扼齿面，形成这种点啮合齿面的方法，最常用的是接触线法和包络 法。在我国，圆弧齿轮的研究开始一直使用接触线法，后来又出现了包络法， 但主要是接触线法，直到八十年代后，包络法的研究才开展开来。 a 接触共扼齿面接触线形成原理。 接触线法是以理论啮合点在和齿轮固连的坐标系中的轨迹一一接触螺旋线 为基础，形成点接触共扼齿面的方法。因为在点接触共扼齿轮传动中，同一端 截面内一对齿廓可以“任意”的选取，前提是保证对应的齿廓在啮合传动中不 发生干涉。因此，我们选取一条过理论啮合点的曲线，令该曲线沿接触线作螺 旋运动而形成螺旋曲面，即齿面。一般我们是选取圆弧曲线作为齿廓曲线的。 若齿轮齿面是以齿轮的端面圆弧曲线作螺旋运动形成的，则为端面圆弧齿轮： 若齿轮齿面是以齿轮的法面截形一一圆弧曲线作螺旋运动形成的，则为法面圆 弧齿轮。理论上，我们还可形成其它形式的圆弧齿轮，如：准端面圆弧齿轮。但 接触线法存在许多致命的缺点，引起许多理论、实际计算及具体应用方面的混 乱，因此，有了包络法的出现。 b 圆弧齿轮共扼齿面包络法形成原理”。 武汉理工大学硕士学位论文 如图1 - 1 所示，构件1 的齿面1 是由产形面p 包络形成，而构件2 的齿面 2 是由产形面q 包络形成。p 和q 是沿某曲线j j 彼此相切并刚性的连接在一 起的两个不同的曲面，那1 和2 就是一对点接触共扼齿面。若用c l l 表示p 和q 。在包络形成过程中某一瞬时接触线，而用c 1 2 表示q 和2 在同一时刻的 接触线，当c l l 和c 1 2 是两条相交的曲线时，它们的交点是1 和2 在某一时 刻的共扼点。这时，1 和2 称为点接触共轭齿面，1 和2 共扼点的集合 正是p 和q 的相切曲线j j 。产形面p ，q 是一对彼此沿直线j j 相切的柱面，j j 直线平行于基本齿条( 以产形面为齿面的齿条称为被加工齿轮的基本齿条) 的节 平面，与被加工齿轮 图卜1 点接触共轭齿面包络过程 的轴线之间的夹角为b 。显然，由倾斜角为b 的基本斜齿条包络形成的齿轮 齿而，其节圆螺旋角必然为8 ，且柱面产形面p 和q 彼此内切。曲率半径较小 的柱面的内侧表面，在相对运动中包络形成构成之一的凸齿齿面z a ， 曲率半 径较大的另一柱面产形面的外侧表面在相对运动中则包络形成另一构件的凹齿 齿面f 。e a 和f 构成了一对凸齿对凹齿的点接触共扼齿面。法面圆弧齿轮 的产形面p 、q 是圆柱面，其法向截面分别是半径为p 。和p ，的圆弧曲线( 也 就是圆弧齿轮基准齿形中凸齿齿廓圆弧半径和凹齿齿廓圆弧半径) 。 1 5 本课题的来源及主要研究内容 1 5 1 课题来源 本文“双圆弧齿轮参数化建模技术研究”是在浙江省瑞安市2 0 0 4 年重大项 7 武汉理工大学硕士学位论文 目：“传动机械网络制造系统”的基础上提出来的。 1 5 2 课题的主要研究内容 齿轮和蜗轮蜗杆属于复杂零件，不容易在c a d 软件中直接建模。不同类别 的齿轮的参数化建模难度也不相同，由于s o l i d w o r k s 没有提供全面的中国国标 支持，所以国内很多用户一直苦于没有可以直接利用的三维国标标准件模型， 有些制造企业还频繁地用到齿轮、链轮、带轮、甚至法兰，有些企业追求产品 的成熟度，需要建立自己的通用件库，有些企业产品设备上的很多零件是外购 来的，没必要都让设计人员画出来，所以更需要类似外购件样本库的功能，这 样在设计产品时遇到使用齿轮、蜗轮蜗杆等可以直接从样本库中找到插入即可， 可是s o l i d w o r k s 自身对这些功能都没有提供解决办法。 目前浙江某传动机械有限公司减速器齿轮传动副设计采用的是基于传统机 械设计基础的二维平面设计，其基本设计流程是在已有的齿轮副的基础上进行， 设计中存在以下问题： 1 ) 难以对所设计的产品进行装配检验、力学分析、运动分析、有限元分析 等工作； 2 ) 虽然在零件图的绘制上采用现有的二维参数驱动，但是对于零件的构造、 装配、组合等一系列产品级的设计工作，仍然非常复杂而繁琐； 3 ) 减速器齿轮副产品的管理采用传统的管理方法，图纸管理很大程度上还 是手工形式，随着系列产品的增加和不断开发新产品，管理越来越麻烦，特别 是管理工程图纸时传统管理费时费力且技术人员查找很不方便，而且修改时又 必须重新绘制新的图纸存档，造成纸张的不必要浪费。 综上所述，开发套既可以进行齿轮传动副的参数化设计，提供三维实体 模型和根据三维实体模型生成各零部件的工程图纸和装配图纸。本课题的开展 在减速器齿轮传动副的参数化设计、性能分析、图文档和系统化管理，缩短减 速器齿轮副的开发周期，减少设计人员的工作强度，提高设计效率，减少设计 差错具有重要意义。 武汉理t 大学硕十学位论文 第二章二次开发平台及开发语言的选择 2 1 二次开发的一般概念 所谓c a d c a m 软件的二次开发，是指在现有支撑软件的基础上，为提高 设计质量和完善软件的功能，使之更符合用户的需求而做的开发工作。其根本 目的是提高设计、制造质量，缩短产品的生产周期，充分发挥c a d c a m 软 件的价值。 c a d 软件的二次开发是指在现有的软件基础上，为了提高和完善软件功 能，使之更加符合用户需求，而对软件做的开发工作。其目的是提高设计质量 和效率，充分发挥通用c a d 软件的价值。 二次开发将应用对象的设计规范、构造描述、设计方法等以约束关系的形 式集成到通用c a d 平台中去，以使应用对象的设计智能化、集成化。 c a d 系统二次开发的层次关系如图2 1 所示： 一一、 + ( 集 = 图2 - 1c a d 系统- - - 0 ：开发的层次关系 2 2 二次开发的一般方法 在二次开发过程中，根据二次开发技术的不同，可以分为两种模式：内嵌 机制和外部机制，内嵌机制是把语法解释器集成在支撑软件中，直接在程序中 调用脚本程序段，执行后即可在支撑软件中获得结果，如a r c v i e w 中的脚本、 a u t o c a d 中的a u t o l i s p 就属于这种形式。外部开发机制则是由外部集成开发 环境，如用v c + + 、v b 、d e l p h i 等，调用支撑软件程序暴露的接口，在调用程 序中实现支撑软件程序中功能模块提供的功能。内嵌机制的优点是针对性较强， 与支撑软件程序的融合性好、易学易用，它主要是对支撑软件程序的功能的扩 展( 如c a d 图形节点自动探测、自动更正) 再建模板库和界面定制等。然而 由于它固定在支撑软件程序上，因此功能受到限制，灵活性不足，只能与支撑 软件程序一起运行。外部机制方式则功能强大，几乎可以实现支撑软件程序所 提供的所有功能，并有较强的独立性，还可以生成新的应用程序，拥有自己的 界面和功能，它的执行不影响支撑软件程序的运行。另外，外部开发机制还可 武汉理工大学硕士学位论文 以将开发成果作为插件的形式在支撑软件程序中调用，增加支撑软件的功能。 这一开发模式就相当于一次软件创新。它要求开发人员有较高素质，应对支撑 软件程序有相当的了解，而且对支撑软件的要求也较高叫。 2 3 二次开发的特点 2 3 1 是一种设计工具 一般的二次开发系统都是为减少设计人员的重复劳动，提高工作效率和工 作质量而进行开发的，更高层次对软件的应用叫。 2 3 2 专业性 由于二次开发一般是针对特定用户设计的，因此二次开发的专业性很强， 必须由一些既懂专业技术，又具备软件设计能力的人员来完成。 2 3 3 继承提高性 由于二次开发不同于一般的软件开发，主要在于它不是从底层开始的软件 设计，而是已有的软件基础上的完善和提高，变得适合用户的需要。所以二次 开发有很强的继承性。二次开发后的软件的性能很大程度上取决于支撑软件的 性能和开放程度。 2 3 4 相对简单性 由于二次开发是对已有的软件的提高，许多复杂的内核已由支撑软件来完 成。因此开发工作相对的简单，工作量较小。 2 3 5 实用性 二次开发是为了满足特定用户的特殊需要，因此成功的二次开发可以大幅 度提高工作效率； 2 4 二次开发的一般原则 二次开发要遵循工程化、模块化、标准化和继承性等一系列原则。 1 工程化原则 二次开发应按照软件工程学的方法和步骤进行，突出工程化的思想。首先 对所要解决的问题进行详细定义分析( 由软件开发人员与用户讨论决定) ，并加 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 以确切地描述，确定软件技术目标和功能目标，编写软件需求说明书、确定测 试计划和数据要求说明书等，然后根据需求说明书的要求，设计建立相应软件 系统的体系结构，编写软件概要设计和详细设计说明书、数据库或数据结构设 计说明书、组装测试计划，从而保证软件的可靠性、有效性和可维护性。 2 模块化原则 模块化原则要贯穿二次开发的全过程，它是将整个系统分解成若干个子系 统或模块，定义子系统或模块间的接口关系。模块化可以使开发人员同时进行 不同模块的开发，缩短软件开发周期；在软件需要维护和修改时，也仅对相关 模块进行修改即可，避免了对整个程序的修改；在扩展时，只要把独立的功能 模块集成即可运行。最后通过菜单调用把它们集成起来，与原系统组成一个有 机的整体。 3 继承性原则 二次开发不同于一般从底层做起的软件设计，是在已有软件基础上根据实 际需要而进行的再开发，对支撑软件有很强的依赖性和继承性。继承性既是二 次开发的最大特点，它要求开发后的系统在界面风格和概念上与原软件保持一 致，新加入的部分在功能、操作等方面与原系统实现无缝集成，从而保持系统 的一致性和完整性。 4 标准化原则 标准化是开发c a d 软件的基础。首先，在开发过程要遵循c a d 技术的 基础标准，c a d 技术的发展之路同时也是一条标准化发展之路，面向用户的图 形标准g k s 和p h i g s 、面向不同c a d 系统的数据交换标准i g e s 和s t e p 以及窗口标准等都是进行二次开发所必须依据的标准。其次，c a d 系统的二次 开发不同于一般软件的设计，它的运行过程是对具体机械设计过程的模拟，必 须符合机械工程设计的特点，机械设计过程也有着严格的国家标准的规定。 2 5 二次开发的基本过程 按照工程化原则，二次开发的一般过程如图2 - 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 二次开发的一般过程 二次开发过程基本上可概括为系统分析、系统设计、程序编写、系统测试 四个阶段。 1 系统分析 主要任务是分析、理解整个系统设计的基本要求，在系统分解的基础上确 定整个系统的基本框架，并在此基础上，形成表达系统基本要求及框架的系统 说明书。 2 系统设计 包括系统总体设计( 完成模块说明书) 和建立图形数据库与数据库管理系 统。 3 程序编写 将模块说明书转换成用某种c a d 软件编写的程序。 4 系统测试 可分为三步进行，模块测试、综合测试和验收测试。 2 6 二次开发中的关键技术 2 6 1 参数化图库的生成技术 图形建库工作是从事c a d 开发的基础。通用c a d 系统一般都未提供标 准件库和通用件库，然而在产品开发过程中，标准件和通用件是常用而复杂的 零件，如螺栓、螺母、轴承等，若每次用到都为其建模，将大大影响产品的设 武汉理工大学硕士学位论文 计效率。为适应产品快速开发的需要，建立参数化或变量化的三维实体模型库 是进行产品设计所必须的环节。 建立参数化图库的关键是标准件和通用件特征参数值的存储和处理，有两 种方法：一种是使用数据文件的形式存放参数值；另一种是使用数据库管理系 统建立新系统的数据库。使用第二种方法既安全可读，又具有很好的丌放性， 是用户建立参数值数据库的理想选择。 2 6 2 用户化界面技术 用户化界面是指在通用化c a d 系统中嵌入部分二次开发工作的接口和界 面，这种二次开发界面将便于系统的操作和维护，对于系统的实用性和应用效 果具有重要的作用。用户界面的好坏是评价一个软件性能的重要标志之一。对 于从国外引进的c a d 系统有时候还包括界面的汉化问题。从菜单、提示以及 错误信息到标准的全方位汉化可使企业充分利用c a d 系统，并将其转化为生 产力，提高企业的设计开发能力。 2 6 3 二维工程图的自动生成技术 现有知名c a d 系统在三维模型转换为施工图的功能方面，都具有很强的 二维参数化功能，可以自动高效的生成所需要视图。但是对于一些复杂结构， 存在着不能完整表达产品信息的问题；国内大多数生产厂家仍是按施工图样进 行制造，这就需要对系统二维工程图的自动生成进行二次开发。国外通用的 c a d 系统在常用符号、标注等方面都是依照国际标准，与国家标准有所不同， 如尺寸标注、形位公差符号、表面粗糙度符号等，这就需要对其符号进行二次 开发，处理程序可以通过软件自带的二次开发语言，也可以利用其他高级语言 编制。 2 6 4 产品设计智能化开发技术 c a d 智能化是把人工智能的思想、方法和技术引入传统的c a d 系统中， 分析归纳设计工艺知识，模拟人脑推理分析，提出设计i 艺方案，从而提高设 计工艺水平，缩短周期，降低成本。现在的c a d 系统是人机交互工作，把需 要由知识和经验决策的设计问题留给用户，使产品设计水平受到工程师学科知 识和设计经验的制约，开发基于通用化c a d 系统的智能c a d ( i n t e l l i g e n t c a d ) 可以克服这一缺点，提高设计质量和效率。它的技术核心就是以专家知 识和经验建立专家系统( e x p e f ls y s t e m ，e s ) 模型，采用规则控制下的产生式 系统和启发式推理来实现系统的智能化。 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 5 特征映射器的开发技术 目前优秀的机械设计自动化软件都是基于参数或变量化的特征建模技术， 将c a d c a m 集于一身，特征在不同的应用领域有着不同的特征模型，设计特 征不可能与制造特征完全一致，这就会导致特征信息的歧义与混乱，因此需要 一种特征映射( f e a t u r ec o n v e r s i o n ) 机制来完成特征信息由设计域向制造域的 转化，即特征映射器。特征映射器可自动将c a d 系统的设计特征转变为c a p p 系统的制造特征，从而实现c a d c a p p 的有效集成，其中特征提取( f e a t u r e e x t r a c t i o n ) 和特征识另1 ( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) 是特征映射器的技术关键。 2 7c a d 软件提供的常见二次开发手段 应用软件提供二次开发方法的好坏，主要是看这种二次开发方法是否合理 公开应用软件内部的结构，以及这种开发方法的易用性和效率。常见的手段有： 2 7 1 函数库形式( 普通d l l 和a p l ) 提供函数库和基于函数库的a p i 接1 3 是最直接的再开发手段， m i c r o s o f t w i n d o w sa p i 就是典型的例子。函数库的使用有两种方式，一种为应 用程序在其内部使用函数库，可在无c a d 系统的情况下运行，但欠缺灵活性， 无法访问c a d 系统和充分发挥c a d 系统的性能。另一种为在c a d 系统内 部加载函数库，这种方式能扩充c a d 系统的功能和进行界面定制，但有一定 限制，只能在c a d 系统内运行。传统的具有平面结构的a p i 函数，为二次 丌发和应用程序中数据的有效管理带来了复杂性。现在，包括m i c r o s o f t 在内 的许多软件供应商普遍利用面向对象技术对传统的a p i 进行封装，以降低开发 的复杂性。 2 7 2a c t l v e xa u t o m a t i o n a c t i v e x a u t o m a t i o n 是建立在c o m 基础之上、由o l e a u t o m a t i o n ( o b j e c t l i n k i n ga n de m b e d d i n ga u t o m a t i o n ) 发展来的，其的核心技术是允许一个应用 程序操作另一个应用程序。a c t i v e x a u t o m a t i o n 并不是直接获取及处理数据， 而是间接地通过暴露对象的方法和属性，利用对象的方法和属性获取、设置及 处理数据。a c t i v e xa u t o m a t i o n 包括两个方面：a u t o m a t i o n 客户和a u t o m a t i o n 服务器。a u t o m a t i o n 服务器也可称为a u t o m a t i o n 组件，是一个实现了 i d i s p a t c h 接口的c o m 组件。一个a u t o m a t i o n 客户则是一个通过i d i s p a t c h 接口同a u t o m a t i o n 服务器进行通信的c o m 客户。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 8 二次开发模型 现在通用的c a d 软件，都有其自身的特点，对外都提供了不同的二次开 发手段和方法。通过分析现建立一个适用于多数c a d 系统的二次开发模型， 如图2 3 所示。 用户交互界面 c a d r ul 一 二 + 次 c a d 系统 开 发 + 工 开枯梧口 f 一 具 + 0j 面向对象面向过程 ijij 圳技术a c t i v e 技术d l l 技术其他技术 ji j w i n d o w s 操作系统 图2 - 3c a d 二次开发模型 该开发模型主要包括两大部分：一部分是用户与c a d 系统交互界面的开 发，即定制用户界面，主要用到c a d 系统提供的用户接口模块；另一部分是 c a d 系统与操作系统之间的开发，即定制应用程序的功能，包括对c a d 系统 的功能调用以及对操作系统的调用，通过采用面向对象技术或者是面向过程技 术，将c a d 对操作系统的调用对开发者屏蔽，直接提供功能调用，开发者无 须详细了解c a d 系统的最底层实现。本文后续内容将针对c a d 二次开发模 型中的面向对象的、基于c o m 技术的、基于a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术和利 用d l l 技术的几种开发方法进行研究。 2 9 支撑软件的选择 二次开发的支撑软件应该满足以下的几个方面的要求： 1 ) 支撑软件应该是一种通用的软件。通用软件应不是面向某个行业开发的， 提供的功能覆盖面广，能完成多个行业的基本所需功能，系统性能优良，功能 武汉理工大学硕士学佛论文 齐全，稳定可靠，具有很强的生命力。 2 ) 支撑软件必须是开放的体系，具有良好的用户接口。开放体系是指能向 用户提供嵌入系统的语言或使用