（机械制造及其自动化专业论文）圆柱齿轮变速箱三维参数化造型系统开发.pdf

江苏 大 学 硕 士 学位论 文 摘要 在实际生产中，部分企业e r p 的基本框架已经形成，但缺少底层技术和数据 支撑。对产品数据的管理仍依赖于p d m 系统中以图文档为中心的管理，另一方面， 产品在更新、改型时对原有图文档的改动无法自动进行，必须重新创建，延长了 产品开发的周期。针对上述问题，本课题利用u g 二次开发技术、数据库技术对 圆柱齿轮变速箱三维参数化造型系统进行了构建。 本课题以u g 软件为平台，总体采用结构化设计的方法，综合运用u g o p e n a p i ，u g o p e nm e n u s c r i p t 和u g o p e nu i s t y l e r 等u g 二次开发工具，开发了齿 轮等变速箱常用标准件的参数化造型模块，在成组技术的基础上实现了阶梯轴等 变速箱常用非标件的参数化造型，并建立了变速箱零部件结构参数数据库管理系 统。 文中在介绍了参数化的思想及其实现方法的基础上，对u g 二次开发工具与 零件建库方法进行了介绍与比较：并详细介绍了本设计系统的基础模块设计、数 据库实现、主要界面设计与功能实现，对开发中的技术难点作了深入分析，包括 成组技术在阶梯轴参数化建模中的应用以及数据库与参数化建库模块的关联：最 后针对本课题的研究状况，指出了系统作进一步的研究和充实的若干方向。 关键词：变速箱；参数化造型；u g 二次开发；数据库管理系统 江 苏 大 学 硕 士 学位论 文 a bs t r a c t i na c t u a lp r o d u c t i o n ，s o m eb u s i n e s se n t e r p r i s eh a db u i l tu pt h eb a s i cf l a m e so f e 腿h o w e v e r , t h ee r pw e r es h o r to fs k e l e t o nt e c h n i q u e sa n dd a t as u s t a i n i n g t h e m a i nf u n c t i o no fp d ms y s t e mw a sd e a lw i t hd r a w i n g sa n dd o c u m e n t s o nt h eo t h e r h a n d ，i ft h ep r o d u c t sn e e dt ob er e m o d e l e d ，t h ep r o c e s so fm o d i f y i n gd r a w i n gw a s h t a u t o m a t e d f o rs o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ，w ed e v e l o p e da3 一dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m o ft h er e d u c e r t h ep a p e ri n t r o d u c e dh o wt ob u i l das e to fp a r a m e t e r i z e d3 dl i b r a r yo ff a m i l i a r s t a n d a r dp a r t sf o rt h er e d u c e ro nu gc a dp l a t f o r m ，a n dt h em e t h o d so f3 d p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n go fn o n s t a n d a r dp a r t s f o rt h er e d u c e rb yu t i l i z i n gu g r e d e v e l o p m e n tt o o l s ：u g o p e nm e n u s c r i p t ，u g o p e nu i s t y l e ra n du g o p e na p i i t w o u l di n c r e a s ee f f i c i e n c yo fd e s i g n i n gt h es e r i e so fr e d u c e r s ad a t ab a s es y s t e m c e n t e r so nc o n s t r u c t i o no fp r o d u c t sa n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si sb u i l tt om a n a g e d a t ao ft h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m i nt h i s p a p e r ，p a r a m e t e r i z e dc o n c e p t i o n a n dm e t h o d s ，u g s e c o n d a r y d e v e l o p m e n tt o o l sa n dm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d t h em e t h o d so fh o w t od e v e l o pt h e b a s i cm o d u l e ，t h ed a t a b a s ei n t e r f a c ea n dd e s i g n ，t h ep r i m a r yw i n d o wa n dr e l a t i v e p u r p o s ei n s i d et h i ss y s t e ma r ee x p o u n d e d ，a n ds od ot h es p e c i f i cd i f f i c u l t i e sa n d t h e s o l u t i o n sc o n c e m e d i nt h ee n do ft h i sp a p e r , t h es u m m a r ya n dt h ep o s s i b l ee x p a n d i n g p u r p o s e so ft h i ss y s t e mi si n d i c a t e d k e yw o r d s ：r e d u c e r ；p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ；u gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ； d a t ab a s em a n a g e m e n ts y s t e m i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 巧年i z 月阳e l 保密r - v l ，在3 年解密后适用本授权书。 不保密口。 蒜 也 指导撕签名前犯 q 。町年明训e t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 劣j 机 日期： 少5 年肛月加日 江 苏大 学 硕 士 学 位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 当前国内c a d 技术在企业的应用已较为普遍，但距制造业信息化所要求的目 标还有相当大的差异。因此，大力普及、推广与发展c a d 技术的应用研究，研发 面向集成、功能强大的商品化软件将是企业普遍关注的热点问题。 根据对现有企业设计系统的分析，发现普遍存在以下几个方面问题： ( 1 ) 企业的设计系统主要使用二维设计软件，图形与尺寸间缺乏必然关联。 从现有的图纸获取零件信息的主要渠道是人工读取，设计部门的数据不能有效的 被工艺部门等后续环节采用。在c a p p 等系统中产品数据依靠人工输入，工作量大， 且更多的依赖于技术人员的经验。 ( 2 ) 部分企业e r p 的基本框架已经形成，但缺少底层技术和数据支撑。其主 要工作集中在各部门间关系的协调、冲突的消解等方面，对产品数据的管理仍依 赖于p d m 系统中以图文档为中心的管理。 ( 3 ) 同一产品不同型号或同一零件不同设计版本间没有直接的联系，只在其 版本号、文件名上加以标识。产品在更新、改型时对原有图文档的改动无法自动 进行，必须重新创建，这样就延长了产品开发的周期。 解决上述问题的关键是将合适的三维c a d 设计软件引入到现有设计系统中。 构建一个基于集成的三维c a d 参数化造型平台，兼容现有的设计系统，实现产品 数据由图纸中心向结构特征参数中心的转移，为产品设计制造一体化过程提供最 底层的技术支撑。 本人依托常州工学院与常林股份有限公司长期的合作关系，以及在常州工学 院机电工程学院工作的有利条件，选择面向常林系列化装载机的圆柱齿轮变速箱 三维参数化造型系统开发这一课题，旨在推动制造业信息化技术的发展与应用。 1 2 三维c a d 参数化设计研究的现状 国际上，9 0 年代以后c a d 技术进入开放式、标准化、集成化和智能化的发展 时期，这阶段的c a d 技术都具有良好的开放性，图形接口、功能日趋标准化。微 机加视窗操作系统与工作站加u n i x 操作系统在因特网的环境下构成c a d 系统的主 l 江苏大 学 硕 士 学 位论文 流工作平台，同时网络技术的发展使得c a d c a e c ：a m 集成化体系摆脱空间的约束， 能够更好地适应现代企业的生产布局及生产管理的要求。在c a d 系统中，正文、 图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等高新技术得到综合应用， 大大提高了c a d 自动化设计的程度，智能c a d 应运而生。智能c a d 把工程数据库 及管理系统、知识库及专家系统、拟人化用户介面管理系统集於一体。 随着c a d 技术的发展，二维平面图已远远不能满足设计和制造的需求而三 维模型具有很强的可视性，能准确反映设计者的设计思想：对于复杂的结构，二 维图形不能够准确的表达出各零部件的空间位置关系，而三维实体图形具有空间 真实感，能明确表达出各零部件的空间位置关系，避免各零件之间发生碰撞和干 涉。 据统计，创建模型所耗费的时间约占整个分析过程的8 7 。特别是在优化设 计过程中，要根据优化结果不断进行三维模型的修改和优化，这给设计分析人员 手工建模带来了很大的重复的麻烦，大大降低了设计分析效率。当实体造型技术 逐渐普及之时，c a d 技术的研究又有了重大进展。在此之前的造型技术属于无约 束自由造型，进入8 0 年代中期，c v 公司内部提出了一种比无约束自由造型更新 颖、更好的算法一参数化实体造型方法。它主要具有以下特点：基于特征、全尺 寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。进入9 0 年代，参数化技术变得比较 成熟起来，充分体现出其在许多通用件、相似件设计上存在的简便易行的优点。 继而p t c 与c a t i a 、s d r c 、c v 、u g 等群雄在汽车及飞机制造业市场逐鹿嘲。 计算机辅助机械设计的发展过程已经验证了三维设计取代二维平面设计是工 程设计的必然趋势。其在参数化驱动、可视化设计、装配设计、设计分析、加工 仿真等方面有着平面设计所无法替代的优势。加上在企业中，系列化、标准化、 个性化的产品设计是常见的事，这些都需要依靠参数化三维实体等技术才能实现 口1 。问题主要在于：如何使三维造型设计变得简单、快捷。商业化通用软件无法解 决这个问题，只有结合产品具体设计进行通用软件的用户定制，二次开发，建立 企业专用零件信息库。利用这些建成的零件库，形成企业个性化的应用软件，可 以方便、快捷地进行零件设计，大大提高设计人员的效率，避免大量重复的工作， 这正是许多企业所希望的。当然受到目前整体二次开发水平的限制，以及其它诸 多条件的影响，要建立完全开放的、高度柔性的零件系列化设计信息系统还比较 2 江苏大 学 硕 士 学 位论文 难，但毕竟这是发展的趋势h 1 。 在我国，随着c a d 应用软件和技术的不断发展，很多工程机械制造企业已不 再满足于借助c a d 系统来“甩掉图版”，希望向三维的实体设计方向发展。由于 三维c a d 系统具有可视化好、形象直观、设计效率高和支持并行工程等优点。因 此，三维实体造型在产品设计开发中开始得到的应用，在三维设计环境中可以进 行产品的模拟装配以获得整机或部件的三维实体，建立充分而完整的设计数据库， 在此基础上进行产品质量特性分析、零部件间的干涉检查、自动创建二维工程图、 机构运动仿真、产品结构的有限元分析、计算机辅助制造、商业广告造型与动画 生成等。 当前，在我国c a d 市场上占据主流的、统治地位的是国外c a d 软件。通过近 几年的发展，国内己涌现出以c a x a 、s o li d3 0 0 0 为代表的c a d 产品，但在从软件 架构和软件成熟度方面，与国外c a d 软件尚有很大差距，尤其表现在复杂产品的 系统级数字化设计、制造过程之中。当前，国外c a d 软件主要分为四大谱系蕴、 法国达索( d a s s a u l t ) 公司和美国i b m 公司系列产品：c a t i av 4 、c a t i av 5 、 s o l i d w o r k s 等。二、美国p t c 公司，p r 0 e n g i n e e r i n g 。三、美国u g s 公司，d g n x 和i - d e a s 、s o l i d e g e 是该公司m c a d 代表。四、美国a u t o d e s k 公司， m d t 、 i n v e n t o r 钉。 作为高端软件之一，u gn x 提供了二次开发工具，用户可以根据自身企业的产 品结构状况通过二次开发进行个性化、系列化设计，使u g 的使用变得方便，快捷， 针对性强。目前，国内在这方面的开发与应用也是此类软件的一大特色，称为中 国化、本地化工程。 1 3 课题主要研究内容 本课题主要针对常林股份有限公司现有装载机变速箱设计开发系统进行分 析、研究，对变速箱中齿轮类、轴类、箱体类典型零件的设计过程进行改进，建 立一个圆柱齿轮变速箱三维参数化造型系统，便于后续c a p p 、c a m 和p d m 等相关 环节信息的管理，提高产品数据管理能力，为实施企业内部的e r p 提供支撑平台。 具体研究的技术内容如下： ( 1 ) 研究基于u g 的圆柱齿轮变速箱三维参数化造型系统的理论体系和建模 江 苏 大 学硕 士 学位论 文 方法，并研究该系统所涉及的关键支撑技术。 ( 2 ) 对u g 进行二次开发，实现齿轮等变速箱常用标准件尺寸反向驱动建模， 当零件尺寸参数发生变化时，通过设计人员对特征的选取、特征参数的输入，驱 动u g 重构三维模型。 ( 3 ) 研究变速箱常用非标件的参数化造型方法，在一定程度上实现变速箱整 体参数化设计。 ( 4 ) 建立变速箱零部件结构参数数据库，实现以产品结构、特征参数为中心 的产品数据管理模式，将现有p d m 系统由图文档管理中心向参数中心转移。 1 4 论文的组织 全文共分为6 章，论文的组织结构如图1 1 所示。 第l 辛绪论 i 笫2 葶变述筘一维参数化造型系统的关键技术乖l 体系结构 l i i 第3 章变速蔚常川标准件二 第4 章变速筘常 ；i 非标件 第5 乖茏t 龋卜维参数化造 i 维参数化造型模块互维参数化造型模块 型系统的艘蜗管理 li l 笫6 章变逃筘造塑实理 上 第7 章工作总结| j 履幔 图l l 论文组织结构图 第1 章是全文的总论，论述三维c a d 参数化设计的研究现状和发展趋势，并 提出本论文的主要研究内容。 第2 章研究了圆柱齿轮变速箱三维参数化造型系统的特点和体系结构，并阐 述了涉及的关键技术和实现方法。第3 、4 、5 章就是根据圆柱齿轮变速箱三维参 数化造型系统的体系结构的内容展开的。 第3 章主要阐述了利用u g 二次开发工具创建零件库，构建变速箱常用标准件 三维参数化造型模块的设计方案，并引用实例加以验证 第4 章根据三维造型特点对变速箱常用非标件进行分类，分别给出两种类型 4 江 苏大 学 硕士 学 位论文 非标件参数化造型的方案，并引用实例加以验证。 第5 章阐述了变速箱零部件结构参数数据库系统的功能、特点、基本结构及 其与变速箱三维参数化造型系统的连接，并介绍了v c + + 数据库管理程序。 第6 章介绍了应用圆柱齿轮变速箱三维参数化造型系统完成z 5 0 e 装载机变速 箱设计建模的方法和过程。 第7 章对全文进行总结，并提出了以后研究的方向。 江 苏 大 学硕 士 学位论 文 第2 章变速箱三维参数化造型系统的 理论基础和体系结构 2 1参数化设计的理论基础 参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者首先进 行草图设计，勾画出设计轮廓，然后输入精确尺寸值来完成最终的设计。与无约 束造型系统相比，参数化设计更符合实际工程设计习惯，因为在实际设计的初期 阶段，设计人员关心的往往是零部件的大致形状和性能，对精确的尺寸并不十分 关心，特别是在系列化设计中，参数化造型技术的优点就更加突出。 设计过程可视为约束满足的过程，设计活动本质上是通过提取产品有效的约 束来建立其约束模型并进行约束求解。设计活动中的约束主要来自功能、结构和 制造三个方面。功能约束是对产品所能完成的功能的描述；结构约束是对产品结 构强度、刚度等的表示；制造约束是对制造资源环境和加工方法的表达。在产品 设计过程中将这些约束综合成设计目标，并将它们映射成为特定的几何拓扑结 构，从而转化为几何约束。所谓几何约束就是要求几何元素之间必须满足某种特 定的关系。将几何约束作为构成几何拓扑结构的几何基准要素和表面轮廓要素， 可以导出各种形状结构的位置和形状参数，从而形成参数化的产品几何模型。 产品的几何约束主要包括拓扑约束和尺寸约束两方面。拓扑约束是对产品结 构的定性描述，它表示几何元素之间的固定联系，如对称、平行、垂直、相切等， 这些关系拟抽象为点、边、面间等九类有向关系，每一类关系有相应的谓词，包 括“相同”、“平行 、“垂直一、“相交 、“偏移”等。尺寸约束则为特征几何元素 间相对位置的定量表示，如各种距离、两线夹角、圆的半径等尺寸约束是参数 化驱动的对象，其不仅可以变动，而且需要标注和显示。尺寸约束可表征为一组 基本参数，且具有与产品结构层次相对应的层次性。产品特征模型中高层约束是 形状特征之间的形位关系；几何元素之间的约束，则是低层约束的封装；高层约 束需通过低层约束来实现1 。驱动中约束方程的求解或尺寸链的推导是难点，如何 保证在各种情况下都得到稳定的解，尚未得到完全的解决。 6 江 苏 大 学 硕 士 学位论 文 2 2 参数化模型 在参数化设计系统中，首先必须建立参数化模型。参数化模型有多种，如几何 参数模型、力学参数模型等等。本系统只建立了几何参数模型，该模型用来表示 实际的或抽象的物体和现象，它给出被处理对象的结构和性能，并产生其图形。 建立模型是对被处理对象的结构进行计算、分析、模拟、研究的一个基础。几何 模型描述的是具有几何特性的实体，它包括两个主要概念：几何关系和拓扑关系。 几何关系是指具有几何意义的点、线、面，具有确定的位置( 如坐标值) 和度量值( 如 长度、面积) 。所有的几何关系构成了几何信息，拓扑关系反映了形体的特性和关 系。所有的拓扑关系构成其拓扑信息，它反映了物体几何元素之间的邻接关系h 1 。 在计算机辅助造型系统的设计中，不同型号的产品往往只是尺寸不同而结构相同， 映射到几何模型中，就是几何信息不同而拓扑信息相同。因此，参数化模型要体 现零件的拓扑结构，从而保证设计过程中几何拓扑关系的一致。 2 3 本课题的关键技术 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) n x 系统是u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司推出的面向制 造行业的集c a d c a e c a m 为一体的三维参数化设计平台，是当今世界广泛应用的 计算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛应用于航空、航天、汽车、机械、 l j 造船、消费产品、医疗仪器和工具等领域。 u gn x 系统以p a r a s o l i d 几何造型核心为基础，提供了基于特征的参数化设计、 基于草图的参数化设计和基于装配的参数化设计方法，使得用户能够数字化地创 建和获取三维产品定义。 作为全三维支持参数化设计的造型系统，u g 不仅具有强大的实体造型、曲面 造型、虚拟装配和工程图设计等功能，还提供了u g o p e ng r i p 和u g o p e na p i 程 序设计模块、u g o p e nm e n u s c r i p t 和u g o p e nu i s t y l e r 两个辅助开发模块，并提 供了良好的高级语言接口，使得u g 的造型功能有机的结合起来，便于用户开发符 合自己要求的c a d 系统。本课题构建的参数化设计系统综合运用了上述u g 二次开 发功能。 u g o p e na p i 是u g 提供的一种功能强大的二次开发模块，具有与高级语言 c c + + 的开发接口，除了可以实现u g 的造型、装配、分析和设计等各项功能外， 7 江 苏 大 学硕 士 学位论 文 还可以利用c 程序所支持的全部功能，具有很大的灵活性。u g o p e na p i 的各项功 能都以c 程序头文件( h 文件) 的形式保存，由于c c + + 程序设计具有极好的兼容 性，因而u g o p e na p i 程序得到了最为广泛的应用嘲 u g o p e nm e n u s c r i p t 是u g 提供的用来定制菜单的专用模块，可以生成自己的 菜单，将u g 的原有菜单替换，也可以实现对u g 某个菜单的编辑并生成自己的菜 单阳1 。编辑菜单的方法灵活，语法简单，可以满足大多数用户的要求。 u g o p e nu i s t y l e r 是u g 提供的用来创建对话框的专用模块，利用它可以生成 包括按钮、文本框、列表框和单选按钮在内的对话框要素的创建，可以实现它们 的任意组合，从而创建具有u g 风格的各种对话框。在存储对话框时，系统同时保 存相应的c c + + 程序，在v c + + 编程环境中程序可添加修改语句，最后编译生成动 态链接库文件，u g 调用动态链接库文件时将自动弹出用户定制的对话框1 。 本课题构建的参数化设计系统的数据管理的开发主要涉及a c c e s s 和v c + + 软 件。运用a c c e s s 软件，建立变速箱零件结构参数数据库，读入并管理参数化造型 数据，同时利用v c + + 软件编程，建立数据库外部管理界面，实现与数据库的关联， 方便用户在不打开数据库的情况下，直接编辑数据表。 2 4 变速箱三维参数化造型系统的体系结构 本课题开发的变速箱三维参数化造型系统由三大模块构成：标准件参数化造 型模块，利用u g 构建零件模型库，利用u g o p e nm e n u s c r i p t 和u g o p e nu i s t y l e r 实现用户化菜单和接口界面，利用u g o p e na p i 创建动态链接库( d l l ) 文件实现 参数化调用；非标件参数化造型模块，此模块又可细分为轴类零件的全参数化造 型模块和箱体的参数化造型实现两部分；数据库模块，利用a c c e s s 创建的数据库 可以直接获取由标准件和非标件参数化造型模块生成的数据，利用v c + + 编写的管 理程序可以对数据库实现外部操作。系统的体系结构见图2 - - i 。 2 5 变速箱三维参数化造型系统运行过程 本课题开发的变速箱三维参数化造型系统的运行过程见图2 - - 2 。 8 江 苏 大 学硕 士 学位论文 广一一一一一1广一一一一一 标准件参数化遗鬯模块 零 件 模 喇 陴 j i j ，。 化 蔡 煎 翱 接 口 界 面 动 忐 链 按 n ： l ，l 文 件 l 一j 图2 - - 1 变速箱三维参数化造型系统的体系结构 图2 2 变速箱三维参数化造型系统的运行过程 9 - j 江苏大学硕士学位论文 26 变速箱三维参数化造型系统的应用实例 本课题开发的变速箱三维参数化造型系统成功应用于常林股份有限公司z 5 0 型装载机的变速箱造型设计，其i 、i i i 档，i 】、i v 档及输入、输出轴及轴系部件 均利用奉设汁系统的参数化造型模式创建，箱体结构造型也是基于奉系统参数化 设计的思想实现的，有效提高了造型和虚拟装配的效率，并实现了企业现有的p 叫 系统由图文档管理中心向参数中心的转移。图2 - 3 、2 - 4 所示分别为应用本系统 创建的变速箱z 5 0 e43 轴及轴系部件的三维装配图和爆炸图。 目2 3z 5 0 e43 的= 维m 目 27 本章小结 图24z 5 0 e43 的爆炸图 选择合适的理论体系和建模方法对保证参数化造型系统的设计精度和稳定性 及系统扩展是及其重要的。本章探讨了参数化设计的理论基础、参数化模型的概 念和变速箱三维参数化造型系统设计的关键技术，并在此基础上介绍了本系统的 体系结构和系统运行过程。 江 苏 大 学硕 士 学位论 文 第3 章变速箱常用标准件参数化造型模块 3 1本模块的设计思路 变速箱常用标准件包括齿轮、轴承等，它们的使用频率较高，如果利用u g 二 次开发的方法创建标准件库，将有效提高变速箱的三维造型效率。本章正是根据 上述思路，以渐开线直齿圆柱齿轮参数化造型模块为例，介绍标准件参数化造型 模块的创建方法及其功能实现。 基本设计思路是在u gn x 环境中创建各种结构形式渐开线直齿圆柱齿轮的三 维参数化模型，利用u g o p e nu i s t y l e r 创建每种齿轮相应的用户对话框，接着利 用v c + + 进行程序设计、编译、链接等工作生成动态链接库( d l l ) 文件，最后利用 u g o p e nm e n u s c r i p t 将动态链接库与u gn x 环境下的用户化菜单联系起来，执行 相应的菜单命令，实现向用户对话框输入某种齿轮的特征参数自动生成齿轮的参 数化造型功能。 3 2 设计方案比较与选择 实现渐开线直齿圆柱齿轮参数化造型功能的可行方案主要有三种。 方案一：外部调用u g o p e ng r i p 程序创建齿轮参数化造型 u g 软件支持用g r i p 语言进行的二次开发，可以编写齿轮造型程序，在u gn x 环境中调用外部程序，实现齿轮参数化的模型创建n 。首先根据机械设计理论确 定渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数：模数m 、齿数z 、压力角0 【、齿顶高系数f 、顶 隙系数c 、变位系数x 、齿厚b 。用u g g r i p 语言编写程序，设计思想是轮齿与齿 轮结构部分分别拉伸生成后做布尔并运算，再通过布尔差运算从齿轮实体上挖去 中心孔，最后定义齿轮底平面中心点实现齿轮定位。程序通过大量数学计算实现 了齿形渐开线上各点坐标的计算，用样条曲线绘出一个渐开线齿形，通过圆周复 制生成全部渐开线齿形。可以采用下述过程创建g r i p 应用程序，在u g o p e ng r i p 环境界面中，选择e d i t ，用记事本创建g r i p 源程序，源程序编写完成后选择c o m p i l e 编译源程序，生成目标文件，最后选择l i n k ，生成应用程序。、 g r i p 应用程序调用比较简单，从u g 主界面上选择f i l e - - ) e x e c u t eu g o p e n 寸 江 苏 大 学 硕士 学 位论文 g r i p ，在对话框中选择应用程序，然后输入所需参数值，即可生成齿轮造型。 方案二：利用u g o p e na p i 二次开发进行齿轮的参数化造型 在u g 环境中，创建参数化的齿轮模型，利用用户界面编辑器创建齿轮的对 话框，接着利用v c + + 进行程序设计、编译、链接等工作生成动态链接库文件，最 后利用u g o p e nm e n u s c r i p t 将动态链接库与u g 的用户化菜单联系起来。 执行相应的菜单命令，系统将调用相应齿轮的对话框，只需在对话框中输入 相应的特征参数，即可生成所需的齿轮造型。 由于渐开线直齿圆柱齿轮按结构分为齿轮轴、实心式和腹板式齿轮，因而可 以创建齿轮库菜单，再分别创建各类型齿轮模板和对话框，各类型齿轮对应的a p i 程序可采用类比的方法作局部的编辑修改。采用上述方法，可简化设计过程。 方案三：利用u g 中的部件族电子表格进行齿轮的参数化造型 在u g 环境中，创建参数化的齿轮模型，然后编辑齿轮特征参数的表达式，并 利用特征参数创建部件族电子表格。在齿轮部件族电子表格中增加所需齿轮参数 值即可生成相对应的齿轮造型。 综合比较方案一、方案二和方案三，我决定选用方案二。因为用g r i p 语言程 序实现的u g 二次开发编程时要考虑各种细节问题，易出错，而且针对不同结构形 式的齿轮需要分别编程，实现较困难：利用部件族电子表格进行齿轮的参数化造 型虽然实现过程比较简单，但它没有进行用户化菜单和对话框的创建，也就没有 实现真正的人机对话，应用不够灵活；而利用u g o p e n a p i 二次开发进行齿轮的 参数化造型比之方案一和方案二有以下优点：首先，齿轮模板的创建可以用u g 软件完成，这就省去了大量的编程工作，其次，虽然也用到v c + + 编程，但可以直 接使用u g o p e na p i 提供的封装函数，在函数中增加或删除程序段进行程序设计， 编程不易出错，而且可以利用u g o p e nm e n u s c r i p t 将动态链接库文件与齿轮库菜 单联系起来，较好的实现了人机对话功能，调用简单方便。 3 3 主要设计步骤 本课题创建的基于u gn x 的渐开线直齿圆柱齿轮参数化造型模块的主要设计 步骤如图3 1 所示。 1 2 江 苏大学硕 士 学位论文 匝亟盏画 图3 一i 齿轮参数化造型模块的设计步骤 3 4 齿轮模板创建过程要点分析 渐开线直齿圆柱齿轮参数化造型模块支持齿轮轴、实心式和腹板式齿轮的参 数化造型，首先需要利用u gn x 的造型功能创建上述三种结构形式的齿轮模板。齿 轮摸板创建过程中，齿廓渐开线的绘制和模板特征参数的提取正确与否非常关键。 3 4 1齿廓渐开线的绘制 如何绘制轮齿渐开线是影响造型精度及决定模板造型是否完全参数化的主要 因素之一。本文利用机械原理介绍的渐开线表达式通过下述步骤准确的绘制了齿 廓渐开线。 ( 1 ) 用记事本创建一个后缀为e x p 的文件，其中输入如下表达式： m = 3 齿轮模数( 根据齿轮具体情况而定) z = 1 4 齿轮齿数( 根据齿轮具体情况而定) a = 2 0 压力角( 根据齿轮具体情况而定) x = o 变位系数( 根据齿轮具体情况而定) d - - m * z 分度圆直径 d b - - - - - m * z * c o s ( a ) 基圆直径 hr o o t = 1 2 5 + ( 1 + x ) + m ，齿根高 l t o p = ( 1 + x ) 1 1 1 齿顶高 dr o o t e d 2 + hr o o t 齿根圆直径 d i j o d 十2 + ht o p 齿顶圆直径 仁o 舢g 系统默认变量，o u p d a t e0 ： 重新获得数据 m _ p s e t - r e q u e r y ( ) ： u p d a te d a t a ( f a l s e ) ： 删除：v o i dc s a m p l e l v i e w ：o n d e l e t e 0 t o d o ：a d dy o u rc o n t r o ln o t i f i c a t i o nh a n d l e rc o d eh e r e 发出删除命令 m _ p s e t 一 d e l e t e0 ： 重新获得记录集 m _ p s e t 一 r e q u e r y0 ： u p d a t e d a t a ( f a l s e ) ： 修改：v o i dc s a m p l e l v i e w ：o n e d i t ( ) t o d o ：a d dy o u rc o n t r o ln o t i f i c a t i o nh a n d l e rc o d eh e r e 呈修改状态 m _ p s e t 一 e d it0 ： u p d a t e d a t a ( ) ： 更新数据库 m _ p s e t 一 u p d a t e0 ： 重新获得记录集 m _ p s e t 一 r e q u e r y0 ： u p d a t e d a t a ( f a l s e ) ： 退出：v o i dc s a m p l e l v i e w ：o n e x i t ( ) t o d o ：a d dy o u rc o n t r o ln o t i f i c a t i o nh a n d l e rc o d eh e r e 江苏大 学 硕 士 学 位论 文 o n e x i t ( ) ： 数据库管理程序的运行流程如图5 6 所示。 生成界面： 用户编辑数据： 用户退出程序： 视罔窗口被创建 1 l 选择数据j 聿 1 r i 调用u p d a t e 础l v i 删函数 l 其它视罔o n u p d a t e 被调用 1 r c m y v i e w 对象被删除 上 c m y v i e w d 。c u m e n t 对象被删除 l 上 ( 退出程序) 图5 - - 6 数据库管理程序的运行流程图 3 9 江 苏 大 学硕 士 学 位论 文 5 6 本章小结 本章阐述了创建圆柱齿轮变速箱三维参数化造型系统数据库的目的和基本方 法，并引入p d m 技术原理作为理论依据，以齿轮轴数据表的数据关联实现过程为 例，介绍了数据库与变速箱参数化造型系统之间实现数据交换的方法，最后给出 了数据库管理程序的编程思路。 江苏大学硕士学位论文 第6 章系统应用展示 圆柱齿轮变速箱三维参数化造型系统在常林股份有限公司进行z s o e 装载机变 速箱设计过程中得到了实际应用。z s o e 装载机变速箱展开图如图6 1 所示，该变 速箱需要利用本造型系统完成的具体设计工作主要包括对各零件进行三维造型和 变速箱的虚拟装配。 圈6 17 , 5 0 e 装载机变速箱展开圈 61 变速箱零件的三维造型 设计变速箱零件的三维造型是实现变速箱造型的前提，可以根据零件类型采用 下述不同的方法建模，并且存放在同一个目录中，便于装配调用。 611 圆柱齿轮的造型实现 z s o e 装载机变速箱中出现了三种圆柱齿轮一齿轮轴、实心式齿轮和腹板式齿 轮，它们的造型可以利用本系统的齿轮参数化造型模块来建模。 如创建零件代号z s o e 4 3 a 2 l 的实心式齿轮造型时，可进入u gn ( 主界面，单 击圈3 2 所示的实心式齿轮菜单，调入图3 4 所示的对话框，然后输入参数的具 体数值包括厚度6 5 、压力角2 0 。、模数6 、齿数2 6 、花键内径1 5 6 、花键外径6 1 6 8 、 键宽1 0 、键数8 。点击查询按钮，如果实心式齿轮库中已有对应上述参数的齿轮， 则直接调出显示，若库中尚没有泼齿轮，则可继续按提示输八齿轮序号和名称，点 击增加按钮，对应的实心式齿轮部件纽电子表格文件将增加该齿轮数据，点击打开 按钮，即可显示该齿轮造型。通过上述过程创建的齿轮造型如图6 2 所示。 一一一一+ 目6 2 齿轮z 5 0 e43 2 l 6 12 其它标准件的造型实现 z 5 0 e 装载机变速箱中还包括弹簧、滚动轴承、螺钉、螺栓、螺母、挡圈、垫 圈等标准件。可以实现这些标准件快速造型的方法主要有以下三种： ( 1 ) 利用u g o p e n a p i 进行二次开发； ( 2 ) 利用u g ，o p e ng r i p 编程： ( 3 ) 利用部件族电子表格工具。 考虑到卜述标准件的结构比较简单，其参数也较少，如果采用第一种方注， 则，f 发过程过于繁琐，因而采用第二和第三种方法进行f 发。针对其中结构略复 杂一些的弹簧等零件，本课题自主丌发或参考r 已有的g r i p 程序；对于结构更加 简单的螺钉等零件，则由设计人员自行创建个标准模板造型，利用标准模板的 部件组电子表格输入新参数实现快速造型。 图6 3 所示为弹簧的g r i p 源程序，可以利用记事率工具对其编辑，该源程序 经编译连接生成应用程序，打开u gn x 主界面，选择f i l e - e x e c u t eu g o p e n 呻g r i p ， 在对话框中选择s p r i n gg r x 应用程序。实现调用后出现弹簧参数对话框，输入相应 参数厉再指定旋向及定位点坐标，即生成弹簧造型，对话框及昂后生成的弹簧造 江苏太学硕士学位论天 型如图6 4 所示 _ l 自f 口一 i tt ，口t 1u0 0 】o l 口n 【1 口0 0 ：一 ，| 0ol oc 0 【| a j “，hp i _ he l ；t tl r 0h o e d 5 ，f f 口一l “f p ，jee _ = 9 ，f f 一，“，e j 0 0cpos i i 口r “eof oe t tv ，1 ，。】 v _ fe d f ，e ：口叫j0 - p f l0 ；，f t 一2 jl _ f t 。d ho ose + s i r e 口t i n rce r 。e _ t 。ef t ”| 。e 7 co f ，c lj _ ”i ，e 一2j h p e ，d f ，re 一 j wp ，7 6 ，re 一6n p i3 ：e l u p ，l 3c 一1 u p ，i 0 ，b t id b tc 1ec l0 u _ 一l n 1 ) 40 iht ，。l ，。，it v l l t 1 【l _ p 十0 【ht ，口2 ) p 口 r _ i c 0 h | t cb ：19c 【0 1 0 ) 10 u 。l - | 1 1 6 。t n ) 一0t i _ ，1 v 1 + r i lb _ j ，“ht ，p t2 h jpe - n b2c j “ ，t ，jb 【3 0 t ：0 j136 口。) 10 u 一0u - 一l - 1 b ) ，0 【h ，tv ，i ，v ，2 。，i c n 【，u j po nt 。，) po 。b ；c ， p gpl if e ，o t l _ _ l j - le r ，d on - 】e + ldu t ；- s 口lr u e ，i 口i _ t ld ； h l ：口 6 0 呲l 。i 点 罔6 4 调用弹簧g r i p 程序曲”话椎 创建的型 江 苏 大 学 硕 士 学位论 文 6 1 3 非标件的造型实现 z 5 0 e 装载机变速箱中，包括阶梯轴、箱体、箱盖、摩檫片、轴套、垫圈等多 种非标件。其中阶梯轴的造型可以采用本造型系统，利用特征轴段组合后再增加 所需的内部特征得到：箱体、箱盖造型时则充分利用了配合件的尺寸关联，这两 种方法在本文第四章中作了详细介绍，此处不再赘述。其它非标件由设计人员直 接利用u gn x 建模。最终创建的所有标准件和非标件造型均存储在同一目录下。 6 2 变速箱的虚拟装配 6 2 1 虚拟装配的概念盯3 在一般的c a d 系统中，有两种装配模式，即多组件装配和虚拟装配。多组件装 配是指把要装配部件的所有数据都复制到装配中。这样装配中就要引用所有部件， 需占用较大的内存空间，影响装配工作速度，因此属于非智能装配。虚拟装配是 利用部件链接关系建立装配。它通过一定的配对条件在部件间建立约束关系来确 定部件在产品中的位置，在装配中，部件的几何体是被装配引用，而不是复制到 装配中。它具有如下优点： ( 1 ) 由于装配中的部件是链接关系而不是复制数据，因此装配时，需要的内 存空间少； ( 2 ) 装配中不需编辑的下层部件可简化显示，提高显示速度； ( 3 ) 当构成装配的部件修改时，装配会自动更新。 u g 采用的就是这种虚拟装配模式。 6 2 2 z 5 0 e 装载机变速箱的装配方法 在z 5 0 e 装载机变速箱装配中，我们采用了自底向上的分级装配方法。 自底向上装配，是指创建部件几何模型，组建成子装配，最后生成装配部件 的装配方法m 1 。对于z 5 0 e 装载机变速箱装配来说，就是首先装配好轴系装配体， 作为总装配的子装配件。该变速箱包括输入，输出，i 、档，、档共6 个 轴系，可首先完成上述6 个轴系部件的装配，再将箱体与这些子装配体装配起来， 最后将箱盖装配上。在z 5 0 e 装载机变速箱的装配过程中，需要遵守以下的装配顺 序： 江苏大学硕士学住论文 (