（机械设计及理论专业论文）基于solidworks的齿轮设计与三维造型软件的开发.pdf

摘要 本文对国内外三维c a d 的发展状况及基于三维c a d 开发齿轮设计造型软件的现 状进行了介绍，对齿轮的参数设计和参数化造型进行了比较深入的探讨，并在前 人研究的基础上，实现了齿轮设计造型一体化。 本课题的研究重点分为两大部分：齿轮参数设计与齿轮三维造型。齿轮设计 部分作为齿轮造型过程的前导，主要作用是对齿轮的各个尺寸参数进行选取和校 核，使各个参数满足所给定的条件。该部分使用可视化编程语言v i s u a lc + 十6 0 编 制而成，同时用a c c e s s 2 0 0 2 数据库管理软件对齿轮设计中使用的大量图表进行了 处理，将设计参数录入数据库。把传统的手工计算过程用计算机进行处理后，使 本来比较烦琐的设计计算变的简单可行。 齿轮造型部分主要完成了渐开线圆柱齿轮实体造型软件的开发，使用v i s u a l c + + 6 o ，以三维c a d 软件s o l i d w o r k s 为平台进行开发。该部分主要由系统界面模块、 齿形计算模块、结构实体生成模块及齿形生成模块组成。利用c 0 m 技术使v c + + 和 s o l i d w o r k s 之间能够相互调用，并使用s o l i d w o r k s 所提供的函数结合齿轮齿形渐 开线方程和齿根过渡曲线方程对圆柱齿轮的齿槽进行了比较精确的绘制，在己生 成的圆柱体上切除并阵列齿槽形成齿轮的三维参数化精确实体造型。在造型过程 中利用了齿轮设计软件模块计算出的齿轮基本几何参数，在s o l i d w o r k s 环境下得 到所需要的渐开线圆柱齿轮。 齿轮参数化设计与造型软件的开发实现了齿轮参数化设计与三维实体造型的 结合，缩短了产品设计时间，有利于提高产品质量。 关键词：三维c a d ，s 0 1 i d w o r k s ，齿轮设计，二次开发，造型，齿根，渐开线 基于s o l i d w o r k s 的齿轮参数设计与三维造型软件的开发 a b st r a c t t h ea c h i e v e m e n ta n dp r o g r e s sm a d ei nd e v e l o p i n gg e a ro nt h ep l a t f o r m o f3 一d i m e n s i o nc a dw e r ei n t r o d u c e db r i e f l ya n dp a r a e t r i cd e s i g na n d3 d m o d e l i n gw e r ed i s c u s s e di n d e t a i l t h ei n t e g r a t i o no fg e a rd e s i g na n d o d e l i n gi sap r e c e d e n ti ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e rp l a y c dm o r ee m p h a s i so ng e a rd e s i g na n dg e a rm o d e l i n g t h e p o r t i o no fg e a rd e s i g nw a st h el e a d e ro fm o d e l i n ga n dw a sm a d eb yv i s u a l c + 十6 o i td e a l sw i t hm a n yd i a g r a j i l sa n dt a b l e sb yu s e sa c c e s s2 0 0 2 ， a s o f t w a r ef o rd a t a b a s em a n a g e m e n t m u c hd a t au s e di ng e a rd e s i g nw e r ei n p u t e d i nad a t a b a s e t h i sm a k e st h ec a l c u l a t i n gb e c o m es i m p l ea n dp o s s i b l e t h e p r o c e s so tc a l c u l a t l n gb e c o m e ss l m p l yb yu s l n gc o m p u t e r p r e c i s eg e a rm o d e lw a sp r o d u c e di nt h es e c o n dp a r t i tw a sd e v e l o p e d b yv i s u a lc + + 6 ob a s e do n3 dc a ds o f t w a r es o l i d w o r k s t h i sd a r to ft h e s o f t w a r e i n c l u d e ss y s t e j 刀i n t e r f a c em o d u l a r ， g e a rp r o f i l ec a l c u l a t i n g m o d u l a r ，s t r u c t u r es 0 1 i dg e n e r a t i n gm o d u l a ra n dg e a rp r o f i l eg e n e r a t i n g m o d u l a r v c + + c a nc o m m u n i c a t ew i t hs o l i d 盯o r k sb yt h et e c h n o l o g yo fc o m g e a r p r o f i l ew a sd r a w na c c u r a t e l ya c c o r d i n gt oi n v o l u t ee q u a t i o na n dd e d e n d u m i n t e r m e d i a t ee q u a t i o n b yu s i n gg e o e t r yp a r a m e t e r so f f e r e db yg e a rd e s i g n g e a rs o l i dc a nb em o d e l e di ns 0 1 i d w o r k s k e y w o r d s ：3 dc a d ，s o l i d w o r k s ，g e a rd e s i g n ，d e v e l o p m e n t ，m o d e l i n g ，d e d e n d u m ， i n v o l u t e 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名：鸯乡裳 日期：砷厂月曰 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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：专岁象日期：细6 年珀日 导师签名：和季鼍日期：三伸年厂月 日 1 1 课题的提出 第l 章绪论 齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动方式。由于齿轮传动具有传动 效率高，传动准确可靠而且平稳，寿命长，使用维护方便等优点，故在各种机械 设备中广为应用。当今世界各国减速器及齿轮技术发展总的趋势是向六高、二低、 三化方向发展。六高即指高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性 和高传动效率；二低，即低噪声、低成本；三化，即标准化、多样化、通用化。 减速器及齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水 平，因为其应用非常广泛，大到矿山机械中的传动装置，小到汽车变速箱等领域 无不渗透着齿轮以及减速器的应用。在我国改革开放进一步深入、国际跨国公司 大量涌入、加入世贸后对国外公司的门槛降低等背景下，我国国内齿轮制造企业 如何提高在汽车、大型工程机械、大型成套设备领域内齿轮的设计制造水平成为 摆在我们面前的一道课题。 随着科学技术的发展和日益增长的社会需求，机械产品的类型、规格及性能 迅速地发生变化，市场要求产品的设计周期越来越短。传统的齿轮设计往往是手 工设计，因齿轮设计计算烦琐、复杂，致使手工设计的效率、可靠性、准确性大 大降低，而且对于系列化产品设计需要进行反复的计算、查询和绘图，造成大量 重复劳动。另外，传统的类比设计中还存在一个极大的毛病，即在设计时，大部 分设计人员都是在己有产品的基础上将尺寸增大，这样的相似设计使得产品的尺 寸与重量越来越大，造成财力、人力的浪费。在科学技术日益发展的今天，虽然 c a d 技术己被企业重视，但通用c a d 支撑软件对大多数用户来说，只是绘图工具， 只能使所绘图便于保存，便于修改，不是真正的实现了通过计算机设计的目的， 不能解决设计问题，其实质仍是手工设计，它不仅设计效率低，同时对使用者的 要求也较高，因使用者要直接使用图形支撑软件的命令去构造图形，这就要求其 对各种命令的功能及其使用方法十分了解，从而限制了对这些命令不熟悉但精通 产品设计的人员有效地使用计算机进行辅助设计，使硬件和软件得不到充分利用。 解决此问题的办法是由少数既掌握计算机应用技术又懂产品设计的人员开发出某 一产品的c a d 应用软件，使其具有良好的人机界面，并融入大量专业设计人员的经 验，从而使一般设计人员能够使用计算机应用软件进行产品的设计，提高设计效 率与质量。本课题从齿轮设计出发，以渐开线圆柱齿轮的三维精确造型为重点， 开发了基于s o l i d w o r k s 的齿轮传动c a d 系统。 基于s o l i d w j r k s 的齿轮参数设计与三维造型软件的开发 1 2 相关领域的发展现状 1 2 1c a d 技术的发展概述 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术是电子信息技术的 一个重要组成部分；是促成科研成果开发和转化、实现设计自动化、加快国民经 济发展和国防现代化的一项关键技术：是提高产品和工程设计水平、降低消耗、 缩短科研和新产品开发周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段；是科研单位提 高自主研究与开发能力，提高企业创新能力和管理水平，参与国际竞争的重要条 件，也是进一步向计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，简称c a m ) 、 计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，简称c i m s ) 发展的重要基础。c a d 技术开发与应用水平已经成为衡量一个国家科技现代化和工 业现代化程度的重要标志之一。 ( 1 ) c a d 技术的发展历史 c a d 自6 0 年代中期产生以来，至今已有3 0 多年的历史。1 9 6 5 年发表在m i t 的 i v a n e s u t h e r l a n d 的博士论文“s k e t c h p a d ：一个个人通信图形”被公认为是计算 机图形学与c a d 的开创性工作。c a d 工作经历了以下的几个时期。 在6 0 年代，限于计算机硬件与软件发展的水平，发展的是二维的图形系统。 c a d 工作也局限在计算机辅助制图( c o m p u t e r a i d e dd r a f t i n g 简称c a d r ) 与计算机 辅助几何设计( c o p u t e r _ a i d e dg e o m e t r i cd e s i g n ，简称c a g d ) ；在7 0 年代，由于 大规模集成电路进入实用阶段，随着计算机硬件的发展，c a d 技术初次进入工业领 域。由于当时的硬件和软件的费用昂贵，c a d 主要用于大型企业，如美国的波音飞 机公司、通用汽车公司等。除了出品a u t o c a d 系统的a u t o d e s k 公司以外，约有1 7 家 公司从事c a d 技术开发工作。在8 0 年代，由于3 2 位工作站进入市场，新的图形处理 设备不断涌现，c a d 进入了大发展的时期。根据国外的资料，自1 9 8 2 年以来，c a d 硬件和软件的销售额每年均以超过1 0 的速度在增长。 在我国，6 0 年代开始利用计算机在产品开发中进行数值型分析计算工作，c a d 技术的研究从7 0 年代初期开始的，重要的研究内容是计算机辅助几何设计( c a g d ) 和计算机辅助绘图( c a d r ) ，重要应用是船体的放样。进入8 0 年代后，这一领域得 到了很快的发展，机械制造、船舶、航空、电力、电子、建筑等领域开展了c a d 应 用工作，实现了各行业的c a d 系统。例如机电部所属机械自动化研究所开发了 p c m e c a d s 微型机械c a d 集成软件系统，包括常用机械零部件设计系统，用于设计 传动件、连接件、轴承、弹簧等1 7 种通用零件。还有常用机械零件有限元分析、 边界元分析软件包，并能对杆、板、梁、壳与体等1 6 种元进行静力、振动特性、 稳定性、动力响应与温度场等的计算。进入9 0 年代后，随着计算机技术在我国的 蓬勃发展，许多高校和一些计算机软件公司根据我国的国家标准进行了大量的二 次开发工作，开发出了适于我国国情的c a d 软件。如北京航空航天大学开发的 “c a x a ”系统，北京宇思机电公司开发的工程化机械c a d 系统y s m c a d 等，为我国 c a d 技术的推广使用起到了很大的作用。 ( 2 ) c a d 技术的发展趋势 新一代c a d 技术的发展主要体现在以下几方面： 1 ) 规范化( 标准化) 数据模型的规范化( 标准化) 、数据交换格式的标准化和c a d 资源的规范化等。 数据模型应采用s t e p 标准体系。随着s t e p 标准体系的逐步完善，它提出的几何数 据、工程数据模型的思想将作为新一代c a d 系统的开发指南。靠以前的一些标准接 口己经无法完全满足c a d 数据交换的要求。虽然目前参数化特征模型的传输还是一 个世界难题，在s t e p 标准基础上，相信这一点能有所突破。这里所说的c a d 资源主 要是指各种标准符号库等。它是各国标准和国家标准规定的，是工程设计中的重 要依据。 2 ) 智能化 特征造型和参数化设计的采用即是智能化方面的进步。软件不仅仅是提供一 些绘图的工具由人们去使用。也不再仅仅将点线面数据存储在一起，而忽略其内 在联系。特征和参数的引入将使得软件成为人类( 用户) 一个更聪明的助手。c a d 软 件将成为真正的“傻瓜型”软件。应该更大限度地将工程数据概念集成到数据模 型中，例如目前，c a d 软件的特征模型主要是解决零件几何造型的问题，而对于后 续分析、c a p p 和加工的需要还考虑得不够。智能化的结果也使得计算机更有人情 l 味。 3 ) 集成化 集成化是当今c a d 技术发展的又一大趋势。c a d 技术不是孤立的。首先，它集 成了计算机软硬件、数据库、外围设备、图形学、网络及各个应用领域的技术。 同时，它又不断和c a m ( 计算机辅助制造) 、c a p p ( 计算机辅助工艺流程规划) 以及 m i s ( 管理信息系统) 、p d m ( 产品数据管理) 、m r p ( 制造资源管理) 等系统相集成。由 于i n t e r n e t 的发展，使得这些设想得以实现。如何构造在i n t e r n e t 体系上的 c a d c a m 集成化系统将会是人们追踪的热点。特别是在全球经济一体化的背景下， 并行工程、异地设计制造等概念的发展和应用，基于网络、基于w e b 的协同设计制 造系统大受青睐。现在已有一些标准，如解决异构系统平台的x l m 和x l 卅3 d ，以及 解决三维图形、图像在互联网上传输共享的v r m l 标准相继出台，己经为我们在互 联网的构架下，为建立协同设计和协同工作环境打下基础。 4 ) 可视化 可视化技术在c a d 中的应用是设计虚拟产品。虚拟产品是一种数字产品模型， 它具有所代表的对象所具有的各种性能和特征。这些虚拟产品在它投入生产以前 己存在，具有明显的可视性，可进行并行设计和分析，可与供应商、合作者交换 信息，客户可进行评估并作出反应。虚拟产品的开发需要的技术主要包括：产品建 模技术、产品信息及其存储管理技术、计算机网络和通信技术。c a d 虚拟环境使设 计者处在自己想象的设计空间，亲临现场似地对产品和工程进行设计和布置，这 样能够充分发挥设计者的聪明智慧，使设计进行的尽善尽美。可视化研究的关键 技术问题是：( a ) 可视化理论模型的建模方法：( b ) 可视化并行处理和分布式处理的 方法：( c ) 可视化智能辅助技术：( d ) 建立基于规则的n 维虚拟的可视化系统：( e ) 可 视化网络环境等。 5 ) 并行化 新一代c a d c a m 系统的核心是并行产品设计新技术环境( c o n c u r r e n ta r tt o p r o d u c te n v i r o n m e n t ，简称c a p e ) 。c a p e 的定义是在计算机网络环境内对产品开 基于s o d w j r k s 的齿轮参数设计与三维造型软件的开发 发的整个设计和管理过程进行描述建模，强调并行工程和面向制造，采用p d m ( 产 品数据管理) 技术，从软件结构、产品数据、面向目标的开发技术、产品。建模和 智能设计、质量控制等方面有所突破，为实现并行工程提供更完美的环境。在实 施中，p d m 致力于处理产品开发和制造环境中的所有数字信息，将工程设计、制造、 生产、后勤、计划等信息、连成一体。生产中各部门产生的数据都能用p d m 进行控 制。 6 ) 网络化 随着计算机网络的飞速发展，计算机辅助设计系统的网络化已经是不可阻挡 的历史潮流。网络化可以充分发挥系统的总体优势，共享昂贵的设备，节省投资。 借助现有的网络，用户可以用高性能的p c 机代替昂贵的工作站，不同设计人员可 以在网络上方便的进行交流，这种交流可以理解为是一种全球性的交流。只需企 业的网络与i n t e r n e t 相连，这样与世界上任何一个角落上的人员的交流与隔壁办 公室人员的交流几乎一样方便。在未来的设计活动中，很多所需要的软件并不需 要一定安装在计算机中，只需要在i n t e m e t 上找到它，然后在浏览器上运行就可以 了，可以按利用的时间长短付费。有任何问题都可以立即与开发商联系求助，设 计会变得轻松而快捷。 ( 3 ) 应用c a d 的意义 应用c a d 技术主要有以下几方面主要效果： 1 ) 增强企业的产品设计开发能力 由于受计算能力的限制，以前设计人员只能用一些由传统数学、逐次逼近方 法得来的经验公式进行工作。因而，所设计的产品存在着材料消耗过多，结构布 置不合理等弊病，采用c a d 系统后，设计者就可以利用强有力的工具来改进设计工 作。例如应用有限元法、最优化设计等方法改进设计，从而可以对过去许多只能 定性判断的内容做出精确的定量分析。 2 ) 提高产品设计质量，缩短产品研制周期 据调查，在一般的机械工业企业中，设计人员中占全人员总数的1 0 一1 5 是 绘图，采用c a d 后，通过计算机辅助绘图，可节省设计人员大量宝贵时间。此外， c a d 的最大特点是使设计人员在c a d 辅助下，可以充分发挥自己的联想和创造力， 集中精力提高设计质量。当产品设计完成后，又由c a d 系统自动输出各类图纸、文 件。因此，采用c a d 技术不仅提高了设计质量，而且大大缩短了产品的设计周期， 带来了无法估算的经济效益。 3 ) 有利于实现产品标准化、系列化、通用化 机械设计的一些国家标准向国际标准靠拢时，考虑的影响因素比较全面，设 计计算的工作量较大，如不采用c a d 则很难贯彻。若有了相应的软件，只要根据屏 幕提示输入有关信息，就能获得符合标准要求的设计结果，因而推广起来就比较 容易。由于计算机对设计信息实行统一管理，因而也有利于推进产品的系列化和 通用化。 4 ) 加强现代化管理 几乎所有的工业技术，目前在交流、通信和存贮的手段上都极大地依赖于图 纸等技术文件。因而所有技术文件的产生、修改、管理、存贮以及随机检索等己 成为企业技术管理中占极大工作量的突出问题。单凭人工管理的方法难以满足现 代企业对管理的需要。采用c a d 技术，并建立功能完善的信息管理机制，就可以实 现从市场信息、经营管理信息及设计师的原始构思数据到各种图纸、技术文件、 工艺资料、外购清单等全部由计算机系统统一处理和存贮，并可供企业各部门共 同分享。 5 ) 提高企业的经济效益 在设计阶段引入c a d 系统可大大提高设计人员的工作效率，节约手工设计所需 的大量工时和开销，并使过去积累的设计资源得到复用，从而降低设计成本。此 外，由于设计阶段所做的决定对产品的总成本有很大的影响，所以通过c a d 所作的 设计优化可以大幅度地降低产品成本。 f q 番装萋计l b 鼍疆c o 羲木囊计 图1 1 传统设计方法与应用c a d 技术设计方法比较 1 2 2 基于特征的参数化造型c a d 技术的发展及应用 特征是具有工程含义的几何实体，它表达的产品模型兼含语义和形状两方面 的信息，而特征语义包含设计和加工信息，它为设计者提供了符合人们思维的设 计环境，设计人员不必关注组成特征的几何细节，而是用熟悉的工程术语阐述设 计意图的方式来进行计。因此基于特征的设计越来越广泛地应用于参数化设计中。 目前，参数化设计己成为c a d 中最热门的应用技术之一，能否实现参数化设计 也成为评价c a d 系统优劣的重要技术指标，这是因为它更符合和贴近现代c a d 中概 念设计以及并行设计思想，工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件图， 通过对产品形状及大小的约束最后精确成图。同一系列产品的第二次设计可直接 通过修改第一次设计来实现，设计参数不但可以驱动设计结果，而且影响产品的 整个开发周期，设计参数可来自于其他系统。参数化设计是通过改动图形的某一 部分或某几部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数驱动的方式便于用户修改 和设计。通过对参数的修改实现对产品的设计和优化。总之，参数化设计极大地 改善了绘制图形的质量和效率。 基于特征的参数化建模技术的意义在于将特征设计方法与参数化技术有机的 结合起来，从而实现对多种设计方式( 自顶而下或自底而上等) 和设计形式( 原始设 基于s o l i d b r k s 的齿轮参数设计与三维造型软件的开发 计、相似设计和衍生设计等) 的支持。这种理念的提出，改变了传统c a d 系统完全 靠设计者指出零件几何图素的位置这一限制，将零件几何体的多个图素结合在一 起，形成一个以特征为操作单位的新语义实体，这将包含比几何图素多得多的零 件描述。对于一个特征来说其构成的几何图素之间的拓扑关系是不变的，特征形 状的变化只能通过给特征指定不同的参数值来实现。对零件的修改就可转化为对 构成零件特征参数的修改，使得用户不用直接参与修改零件几何图素位置关系的 工作，大大方便了零件的设计与后期修改。 本文所涉及的齿轮c a d 系统的三维建模主要采用特征参数化技术。系统首先对 齿轮类零件进行特征分析，确定特征建立的次序，将特征归纳为参数的表达形式： 然后利用s o l i d w o r k s 进行建模，在程序中进行参数设置，实现参数化驱动。 1 2 3 现有三维c a d 的齿轮参数化设计系统的发展现状 有关齿轮设计的理论已经有近2 0 0 年的历史了，因此其理论已相当成熟，资料 也比较完善，但其整个设计过程仍然还是比较繁琐的。目前，针对这一情况国内 外将c a d 应用于齿轮系统设计的已经有很多，针对三维建模s o l i de d g e 提供了其设 计原型，但无论是对齿轮和齿面的精确描述，还是三维实体到二维工程图的转换 ( 虽然现有二维软件支持三维二维的转换，但是转换过程中的尺寸标注，g b 图幅 的选择，齿轮技术参数表内数据的更新等技术问题都没有得到很好的解决) 等功能 都没有提供很好的解决方案，在s o l i d w o r k s 2 0 0 5 中也有直接生成标准齿轮的插件， 但仔细观察会发现，该插件绘制的齿轮三维模型也不是精确模型。本文就是针对 这一现状提出了相应的解决方案，开发了齿轮的设计与校核软件，并提供了渐开 线齿轮齿廓的建模方法。 1 3 本课题研究的主要内容及意义 本文以三维c a d 软件“s 0 1 i d w o r k s ”为开发平台，用v i s u a lc 十+ 可视化语言为 开发工具，为其增加齿轮设计和实体造型功能插件。 1 3 1 本课题主要的研究内容 本课题以w i n d o w sx p 中文版操作系统为支撑平台，利用中文版s 0 1 i d w o r k s 2 0 0 5 结合面向对象技术，开发渐开线齿轮三维c a d 系统，通过渐开线坐标方程以及齿根 过渡曲线方程的建立实现对渐开线圆柱齿轮的三维精确建模。整个软件包括两大 模块：齿轮参数设计模块和齿轮造型模块，并实现两大模块的一体化，即齿轮主要 参数被确定后，可以根据所确定的参数生成齿轮的三维实体模型。 本课题主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 几何参数的设定 本部分主要利用面向对象技术的编程语言v i s u a lc + + ，通过调用s o l i d w o r k s 的a p i 函数，实现对实体特征地描述，开发了直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮的设计 系统。主要是根据输入的基本工作参数，通过分析计算，确定出齿轮的几何参数、 特征参数建模的控制参数等。在能完整表述齿轮特征的条件下归纳出几何特征参 数。 ( 2 ) 承载能力校核 此部分主要是按g b 3 4 8 0 一9 7 标准，进行齿面接触强度及齿根弯曲强度的承载能 力校核计算。 ( 3 ) 三维建模 以s o l i d w o r k s 三维造型软件为支撑软件( 由于s o l i d w o r k s 免费开放自己的接 口) ，利用v i s u a lc + + 和s o l i d w o r k s 的接口技术，实现对齿轮的特征参数化三维实 体建模。 1 3 2 具体要求 ( 1 ) 实现齿轮设计过程的的自动化，能够自动进行齿面的接触疲劳强度和齿根的 弯曲疲劳强度的校核计算。把各种图表输入数据库，以便在设计中查用。 ( 2 ) 把齿轮的齿廓利用样条曲线拟合绘制出来，并实现渐开线圆柱齿轮的参数化 三维实体精确造型。 ( 3 ) 实现两部分内容的结合，达到设计造型一体化。 1 3 3 本课题的意义 我国通过大力推广和应用二维c a d 技术后，使广大的企业设计水平显著提高， 设计周期明显加快，产品性能普遍提高。随着基于三维的c a d 设计软件和平台技术 的日趋成熟和其众所周知的强大的设计功能开发，基于3 d 技术的c a d 设计方法的推 广应用同基于网络的p d m 、 e r p 技术一样，己成为我国机械制造企业赖以发展的必 不可少的先进制造和管理技术之一。 本课题以产品零件的三维参数化特征建模为题来做为本次论文的研究方向。 目前任何一个三维设计软件要想实现对某一个产品的参数化设计( 因为只有实现 了参数化设计，才能真正提高产品的设计速度，实现产品的虚拟装配和干涉检查， 最大限度地缩短产品的开发周期) ，都是通过二次开发的手段实现的。本文以齿轮 为设计对象，提出将渐开线圆柱齿轮的三维实体设计、齿轮的设计校核等功能集 成，并以二次开发的方法将这些功能以插件的形式加入到s o l i d w o r k s 三维设计软 件中去。 以这次开发的全过程为指导，为今后全面开发建立标准、非标准三维实体零 件库做好铺垫，并为下一步齿轮设计的有限元分析打好基础。 基于s o 】i d b r k s 的齿轮参数设计与三维造型软件的开发 第2 章s 0 1 i d w o r k s 简介及其二次开发的基本方法 2 1s 0 1 i d w o r k s 系统简介 s 0 1 i d w o r k s 软件是由s o l i d w o r k s 公司推出的世界上第一个专门在w i n d o w s 环 境下进行机械设计的三维c a d 软件，其底层核心技术是在w i n d o w s 环境下开发完成， 具有强大的实体建模功能和用户熟悉的w i n d o w s 操作界面。 2 1 - 1 易用和友好的界面 在整个产品设计的工作中，s o l i d w o r k s 完全自动捕捉设计意图和引导设计修 改。用人们熟悉的w i n d o w s 方式，工作十分简便。下拉菜单、鼠标点击、剪切复制 和拖动放置等是常用的操作。通过特征管理器的设计树引导，复杂零部件的细节 和局部设计的安排条理格外清晰明了。特征模板是一个可以随时打开的设计信息 库，从而标准零件和标准特征的引用变得异常轻松。尺寸、相互关系和几何轮廓 形状可以随时修改。设计数据是1 0 0 可编辑的。特征的换序用拖动放置的操作即 可完成。特征树中的回放指示条能逐步反推模型的生成过程。零部件与零部件之 间和零部件与图纸之间的相关性有选择地更新。 2 1 2 装配设计建模 在s o l i d w o r k s 的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件。不论设 计用“自顶而下”方法还是“自底而上”的方法进行装配设计，s o l i d w o r k s 都将 以其易用的操作大幅度地提高设计的效率。快速的装配设计有一个鼠标引导的自 动装配对准功能( s m a r tm a t e s ) ，可以捕捉要定义装配关系的位置。能观察完全动 态地装配设计中可运动的零部件的运动形式。在调用大装配时，“轻化”零部件 的功能极大地提高了运行速度。富有创意的装配管理器和产品配置管理器可对整 个装配过程进行管理。这使得系列产品和和同类零部件基于单一的设计，文档的 建立和编制从而更加合理和高效。设计直接面向产品配置，通过产品配置管理器， 设计者可以建立和修改指定产品配置，几何形状、装配关系、零部件颜色和其它 属性都能在产品配置中控制。装配模型支持设计表，可用设计表创建和驱动产品 配置，也可通过设计表的参数来控制产品配置的选择。支持多重的子装配：在装配 模型中，可进行前后关联的设计。在进行自动装配对准或关联的设计时，直接或 间接地导出装配约束关系。 2 1 3 零件设计建模 s o l i d w o r k s 有全面的零件实体建模功能，其丰富程度有时会出乎设计者的期 望。变量化的草图轮廓绘制，并能够自动进行动态过约束检查。用s 0 1 i d w o r k s 的 拉伸、旋转、倒角、抽壳和倒圆等功能可以更简便地得到要设计的实体模型。高 级的抽壳可以在同一实体上定义不同的抽壳壁厚。在用户可定义坐标系，能自动 计算零部件的物性和进行可控制的几何测量。用高级放样、扫描和曲面拱项等功 能可以生成形状复杂的构造曲面。通过直接对曲面的操作，能控制参数雌面的形 状。通过简单地点取并延伸分型线，能生成非平面的分型面。典型应用是模具的 设计。在三维模型上标注，标注的内容支持超级连接。把有公共边界线的曲面缝 接成单一曲面。所有特征都可以用拖动手柄改变尺寸，并有动态的形状变化预览。 从独特的、支持i n t e r n e t 的特征模板中用拖动放置的操作引用特征。变半径倒圆、 指定区域倒圆、填角和圆角过渡。特征管理器( f e a t u r e m a n a g e r ) 对模型捕捉设计 意图，双重支持几何选择，拖动放置特征换序。支持产品配置的控制和设计表的 系列定义。 2 1 4 工程图纸绘制 用s o l i d w o r k s 的标注和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品 表示的工程图纸。由三维实体自动在图纸中生成任何不同方向的视图、局部视图、 剖视图和相关视图在剖视图上自动生成剖面线。图纸的全相关性简化了设计的过 程。实体模型、图纸和装配能自动相关地更新。当图纸中的视图修改时，三维几 何模型也随之改变。可以人为控制相关的更新，能自动消除在视图的相关隐藏线， 也可以进行人工有选择地消隐。可在图纸模板上嵌入零部件图像等通常内容，作 为图纸的参考。在应用过程中，通过引用己定义的标注符号、文字说明和图纸模 板，自然形成企业的标准。图纸可以分页，用“剪切复制”的操作能将视图从一 页复制到另一页。有完整的尺寸和符号标注工具。在视图中可以控制三维模型中 己有标注的显示。标注符号有行为公差、焊接符、粗糙度、螺纹线、基准符等， 也可以用自定义的标注符号。在视图上标注参考尺寸，并可以控制单个尺寸的表 示方式。自动生成图纸中的材料明细表。图纸的绘制和标注支持a n s i 、b s 、d i n 、 i s o 、j i s 、g o s t 等国际标准。 通过w i n d o w s 的驱动程序，全线支持各种打印和绘图设备。直接读取d w g 文件； 也可直接将图纸存为d w g 文件，并支持d w g 的图纸分层。对大尺寸零部件，可以打 断视图而相关关系和尺寸不受影响。 2 1 5 用户化开发 s o l i d w o r k s 软件提供完整的、免费的开发工具( a p i ) ，用户可以用微软的 v i s u a lb a s i c 、v is u ac + + 或其它支持o l e 或c o m 的编程语言建立自己的应用方案。 2 1 6 数据转换 通过数据转换接口，s o l i d w o r k s 可以很容易地将目前市场几乎所有的机械c a d 软件集成到现在的设计环境中来。支持的数据标准有：i g e s 、d x f 、d w g 、s a t ( a c s i ) 、 s t e p 、s t l 、a s c i i 或二进制格式、v d a f s ( v d a ) 、v r m l 、p a r a s o l i d 等。 为比较评价不同的设计方案，减少设计错误，提高产量，s o d w o r k s 强劲的 实体建模能力和易用友好的w i n d o w s 界面形成了三维产品设计的标准。机械工程师 基于s o l i d w o r k s 的齿轮参数设计与三维造型软什的开发 不论有无c a d 的使用经验，都能用s o l i d w o r k s 提高工作效率，使企业以较低的成本、 更好的质量更快将产品投放市场。而最有意义的是，用于s o l i d w o r k s 的投资是容 易承受的，这使得参加工程设计的所有人员都能用他们桌面上的计算机进行三维 设计。 2 2s 0 1 i d w o r k s 二次开发技术及相关开发工具简介 s 0 1 i d w o r k s 是原创的标准三维设计软件，它以参数化和特征建模的技术为设 计人员提供了良好的设计环境。尤其是s o l i d w o r k s 提供了一个方便的二次开发接 口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r 唧i n gi n t e r f a c e 应用编程接口) 。这是一个基于 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 的编程接口。其中包含了数以百计 的功能函数，这些函数提供了程序员直接访问s o l i d w o r k s 的能力，可以被v i s u a l b a s i c 、v i s u a lc + + 等支持o l e 和c o m 的编程语言调用，从而可以很方便地对 s o l id w o r k s 进行二次开发。 一个企业欲全面开展c a d 并取得积极效果，应以引入的c a d 系统为基础，根据 本企业的实情，进行程度不同的用户化、本地化的二次开发，建立应用绘图系统 和数据库，形成具有本企业特色的产品设计c a d 系统。有效的二次开发是c a d c a m 发挥效能的关键环节。本文将介绍用v i s u a lc + + 对s o l i d w o r k s 进行二次开发的方 法。 2 2 1c 0 m 简介 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 是微软公司、数字设备公司( d e c ) 及其他一些公司所支持的一种软件结构的工业标准，是a c t i v e x 技术的重要基础。 一方面提供了一种有效的途径将软件分块，每块软件提供各自的服务，开发者能 够使用面向对象的方法去设计和开发程序，简化了复杂系统，另一方面又提供了 访问软件服务的一致性，不管要访问的服务存在于链接库，另一个进程或系统软 件中，均可将它们当成c o m 对象，使用同一种方法去访问。而在以往非得使用不同 的方法去访问不同类型的软件服务。 c o m 是一种以组件为发布单元的对象模型，这种模型使各软件组件可以用统一 的方式进行交互，它既提供了组件之间进行交互的规范，也提供了实现交互所需 的环境。c o m 不仅体现了组件化的程序设计思想，而且采用了面向对象的程序设计 方法。在c o m 标准中，对象是一个非常活跃的元素，称为c o m 对象，组件模块为c o m 对象提供了活动空间，c o m 对象以接口方式提供服务，这种接口称为c 0 m 接口。在 一个软件组件中，每个组件都是c o m 对象，它们分别实现各自的功能；c 0 m 接口是 组件间进行通信的基础，是软件组件的关键。一个组件程序可以包含多个c o m 对象， 每个c o m 对象可以有多个c o m 接口。当别的组件或普通程序( 组件的客户程序) 调用 某个组件的功能时，它首先创建一个c 0 m 对象或者获得一个c o m 对象，然后通过该 对象的c o m 接口调用它所提供的服务。c o m 规范定义的组件模型，除了上面提到的 面向对象的特性以外，还具有语言无关性，对进程的透明性和可重用机制等优点。 2 2 2s o l i d w o “s 提供的接口 s o l i d w o r k s 提供的二次开发接口( a p i 函数) 其实就是c o m 接口函数，其他组件 程序可以通过调用这些函数与s o l i d w o r k s 应用程序进行交互，从而实现特定的功 能。这些接口关系如图2 1 所示。 图2 1s 0 1 i d w o r k s 的接口关系图 基于s o l i d w b r k s 的齿轮参数设计与三维造型软件的开发 2 2 3v i s u a lc + + 简介 v i s u a lc + + 6 0 是m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 的重要组成部分，包含了基于 w i n d o w s 的应用框架。v i s u a lc _ + 6 o 是一种全面、完善的程序开发工具，为了适 应各种编程风格，该软件提供了各种各样的辅助工具，在发挥编程能力和提高灵 活性方面达到了空前的水平。与以往v i s u a lc + + 的各种版本相比较，v i s u a lc + + 6 o 在编程环境、程序语言技术等方面做了许多改进，从而使v i s u a lc + + 更加适合专 业程序员快速进行应用程序的开发。 任何支持0 l e 和c o m 的编程语言都可以作为s o l i d w o r k s 的开发工具。s 0 1 i d w o r k s 二次开发分两种，一种是基于自动化技术的，另种开发方式是基于c o m 的。 c o m 技术可以使用最多的s 0 1 i d w o r k sa p i ，并可控制s o l i d w o r k s 运行的方式，生成 d l l 格式的文件，也就是s 0 1 i d w o r k s 的插件。 本课题拟采用v i s u a lc + + 将齿轮的设计及三维造型系统编制成 d 1 1 ，作为 s o l i d w o r k s 的插件。 2 2 4s o li d w o r k s 二次开发的一般步骤 用v i s u a lc + + 二次开发s 0 1 i d w o r k s 插件主要有以下三种方法： ( 1 ) 使用早期的工程向导s w i z a r d s w x ： ( 2 ) 使用s o l i d w o r k sa t lo b j e c tw i z a r d ； ( 3 ) 使用用户自定义向导和利用现有的实例。 本文决定采用第( 2 ) 种方法，以下介绍采用该方法开发s o l i d w o r k s 的一般步骤： ( 1 ) 从s o l i d w o r k s 安装光盘中获得s o l i d w o r k s a p is d k 或从 h t t p ：w w w s 0 1 i d w o r k s c o m p a g e s s e r v i c e s a p i d o w n l o a d s h t m l ? p i d = 1 6 7 ：载 s o l i d w o r k sa p is d k 并解压缩，根据向导安装s o l i d w o r k sa p is d k ，如图2 2 所示。 图2 2安装s o l i d w o r k sa p is d k ( 2 ) 启动v i s u a lc + + ，单击【文件】一【新建】，选择【工程】选项卡，选择【a t l c 0 ma p p w i z a r d 】。输入工程的位置和名称，单击【确