基于UGNX的直齿圆锥齿轮参数化系统开发.pdf

基 于 U G N X 的 直 齿 圆 锥 齿 轮 参 数 化 系 统 开 发*周 卿 赵 韩 张 冰 战 吴 振 华( 合 肥 工 业 大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 , 合 肥 2 3 0 0 0 9 )T h e s y s t e m d e v e l o p m e n t o f s t r a i g h t b e v e l g e a r p a r a m e t r i c b a s e d o n U G N XZ H O U Q i n g , Z H A O H a n , Z H A N G B i n g - z h a n W U Z h e n - h u a( D e p t . o f M e c h a n i c a l a n d A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g , H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , H e f e i 2 3 0 0 0 9 , C h i n a )文 章 编 号 : 1 0 0 1 - 3 9 9 7( 2 0 0 8 ) 0 7 - 0 1 9 1 - 0 3【 摘 要 】 介 绍 了 利 用 U G / O P E N A P I 开 发 直 齿 圆 锥 齿 轮 参 数 化 系 统 的 方 法 。 通 过 V i s u a l C + + 可以 获 取 参 数 并 编 制 齿 面 接 触 强 度 、 齿 根 弯 曲 强 度 设 计 计 算 的 应 用 程 序 , 同 时 建 立 以 圆 锥 齿 轮 材 料 、 特征 参 数 为 中 心 的 数 据 库 系 统 。 借 助 U G / N X 提 供 的 二 次 开 发 工 具 U G / O P E N A P I 开 发 接 口 程 序 , 并建 立 实 体 模 型 , 最 终 在 U G N X 环 境 下 实 现 圆 锥 齿 轮 三 维 建 模 的 参 数 化 。关 键 词 : 圆 锥 齿 轮 参 数 化 ; 数 据 库 系 统 ; U G / O P E N A P I ; 接 口 程 序【 A b s t r a c t 】 I t i n t r o d u c e d a m e t h o d t h a t e x p l o i t e d s t a n d a r d b e v e l g e a r p a r a m e t r i c s y s t e m w i t h U G /O P E N A P I . U s i n g V i s u a l C + + , t h e a p p l i c a t i o n p r o c e d u r e w a s e x p l o i t e d t o g e t d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r s , t oC h e c k t h e t o o t h c o n t a c t s t r e n g t h a n d t o o t h r o o t b e n d i n g s t r e n g t h , t o e s t a b l i s h a d a t a b a s e s y s t e m a b o u t b e v e lg e a r m a t e r i a l a n d c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s . D e p e n d i n g o n t h e m e t h o d o f U G / O P E N A P I w h i c h i s q u a d r a t -i c s e x p l o i t a t i o n t o o l o f f e r e d b y U G N X , t h e A P I p r o g r a m w a s a c h i e v e d , a n d t h e m o d e l s w e r e e s t a b l i s h e d t or e a l i z e t h e b e v e l g e a r 3 D p a r a m e t r i c m o d e l .K e y w o r d s : B e v e l g e a r p a r a m e t r i c ; D a t a b a s e s y s t e m ; U G / O P E N A P I ; A P I p r o g r a m! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !* 来 稿 日 期 : 2 0 0 7 - 1 0 - 2 5 * 基 金 项 目 : 国 家 科 技 攻 关 项 目 ( 2 0 0 5 B A 2 0 1 A 8 3 - 0 1 ) , 合 肥 制 造 业 信 息 化 专 项 支 持 ( 2 0 0 4 - 2 0 0 5 )中 图 分 类 号 : T H 1 6 , T P 3 9 1 文 献 标 识 码 : A1 引 言目 前 用 于 三 维 建 模 的 软 件 很 多 , 如 S o l i d E d g e , U G , P r o / E , S o l i d -w o r k 等 。 其 中 U n i g r a p h i c s( 简 称 U G ) 是 美 国 U G S 公 司 推 出 的 一款 先 进 的 集 C A D / C A E / C A M 于 一 体 的 三 维 工 程 软 件 , 其 具 有 强大 的 设 计 、 分 析 、 制 造 和 产 品 数 据 管 理 功 能 。圆 锥 齿 轮 作 为 通 用 的 传 动 元 件 广 泛 的 应 用 于 机 械 行 业 。 本系 统 以 U n i g r a p h i c s 软 件 为 平 台 , 研 究 了 使 用 U G / O P E N A P I 来创 建 参 数 直 接 驱 动 的 直 齿 圆 锥 齿 轮 三 维 实 体 的 建 模 程 序 。 开 发的 设 计 系 统 功 能 齐 全 , 可 以 方 便 的 查 阅 大 量 的 图 表 , 尤 其 是 系 统的 计 算 功 能 和 参 数 化 绘 图 模 块 , 使 用 户 在 设 计 圆 锥 齿 轮 传 动 时既 直 观 又 快 捷 , 大 大 提 高 了 用 户 设 计 效 率 。2 系 统 开 发 的 关 键 技 术2 . 1 U G / O P E N A P IU G / O P E N A P I 模 块 是 U G / N X 提 供 的 一 个 二 次 开 发 语 言 模块 , 具 有 与 外 部 高 级 语 言 的 开 发 接 口 。 它 提 供 的 功 能 全 部 以 标准 C 语 言 头 文 件 ( * . h 文 件 ) 的 形 式 保 存 在 U G / N X 安 装 目 录 下的 U G O P E N 目 录 中 , 不 同 的 头 文 件 包 含 了 不 同 的 功 能 。编 制 U G / O P E N A P I 程 序 涉 及 U G / N X 提 供 的 头 文 件 ( * .h 文件 ) 、 库 文 件 ( * .l i b 文 件 ) 和 V C + + 编 程 环 境 , 因 此 需 要 设 置 U G 应 用开 发 环 境 。 U G / O P E N A P I 程 序 能 在 I n t e r n a l 和 E x t e r n a l 两 种 不 同的 环 境 ( 依 赖 于 程 序 的 连 接 方 式 ) 下 运 行 。 I n t e r n a l 开 发 模 式 下 的程 序 只 能 在 U n i g r a p h i c s 的 界 面 环 境 下 运 行 。 在 运 行 这 些 程 序时 , 它 们 以 * . d l l 的 方 式 被 加 载 到 U n i g r a p h i c s 的 运 行 空 间 中 。 而E x t e r n a 开 发 模 式 可 以 以 * . e x e 的 方 式 在 操 作 系 统 下 直 接 运 行 ,不 在 U n i g r a p h i c s 环 境 中 作 为 U n i g r a p h i c s 的 子 进 程 运 行 。 本 文 使用 的 是 I n t e r n a l 模 式 , 并 利 用 U G / O P E N M e n u S c r i p t 定 制 的 菜 单来 调 用 。U G / O P E N A P I 使 用 u f u s r 作 为 程 序 运 行 的 开 始 入 口 点 。 执行 程 序 时 U G / N X 将 程 序 装 入 内 存 并 搜 索 u f u s r 函 数 , 执 行 完 程序 后 再 回 到 U G / N X 。2 . 2 U G / O P E N M e n u S c r i p tU G / O P E N M e n u S c r i p t 是 U G / N X 的 辅 助 模 块 , 主 要 用 于 制 作用 户 菜 单 。 菜 单 脚 本 文 件 是 以 * . m e n 为 扩 展 名 的 文 本 文 件 。U G / O P E N M e n u S c r i p t 提 供 一 套 用 于 定 义 U n i g r a p h i c 菜 单 的 脚 本语 言 , 开 发 者 可 以 使 用 该 脚 本 语 言 定 义 和 修 改 菜 单 及 菜 单 响 应的 行 为 。在 * . m e n 文 件 中 指 明 了 菜 单 的 形 式 、 菜 单 目 录 的 名 称 以 及所 调 用 的 程 序 路 径 和 名 称 。 但 是 要 使 用 用 户 定 义 的 菜 单 及 其 调用 的 程 序 被 U G / N X 识 别 , 则 必 须 进 行 U G / N X 环 境 变 量 的 设 置和 系 统 目 录 的 建 立 。 U G / N X 常 用 的 环 境 变 量 都 记 录 在 U G / N X安 装 目 录 下 的 u g i i _ e n v . d a t 文 件 中 。 U G / N X 启 动 时 先 会 载 入 这 个文 件 , 再 调 用 用 户 定 义 的 菜 单 文 件 。 建 立 的 菜 单 脚 本 文 件 必 须放 在 S t a r t u p 文 件 夹 下 。M a c h i n e r y D e s i g n & M a n u f a c t u r e机 械 设 计 与 制 造第 7 期2 0 0 8 年 7 月1 9 1- -2 . 3 U G / O P E N U I S t y l e rU G / O P E N U I S t y l e r 也 是 U G / N X 提 供 的 专 用 模 块 。 主 要 用 于对 话 框 的 制 作 和 U G / N X 的 参 数 化 设 计 。 使 用 U G / O P E N U I S t y l e r的 编 辑 工 具 可 以 生 成 包 含 文 字 说 明 ( L a b e l s ) 、 数 据 或 文 字 输 入( T e x t F i e l d ) 、 可 选 按 钮 ( O p t i o n M e n u s ) 等 要 素 的 对 话 框 。 编 辑 完 成后 生 成 一 个 对 话 框 模 板 文 件 ( * . t e m p l a t e . c ) 、 一 个 对 话 框 头 文 件 ( * .h ) 和 一 个 对 话 框 资 源 文 件 ( * . d l g ) 。 其 中 对 话 框 资 源 文 件 、 头 文 件与 U G / O P E N A P I 结 合 , 编 译 成 动 态 连 接 文 件 ( * . d l l) 。 需 要 注 意 的是 对 话 框 资 源 文 件 必 须 放 在 用 户 目 录 下 的 A p p l i c a t i o n 目 录 中 。2 . 4 渐 开 线 齿 廓 曲 线 的 生 成在 U G / N X 的 M o d e l i n g 状 态 下 , 为 了 生 成 渐 开 线 , 需 要 建 立渐 开 线 的 参 数 方 程 。 设 参 数 方 程 的 参 数 为 t , 为 基 圆 直 径 , 则 范围 内 的 渐 开 线 方 程 为 :!= 9 0 t ;s = db14t ;xt=12 db c o s !+ s s i n !;yt=12 db s i n !- s c o s !;zi= 0采 用 的 是 样 条 曲 线 拟 合 渐 开 线 的 方 法 , 即 首 先 根 据 渐 开 线公 式 计 算 出 渐 开 线 轮 廓 曲 线 上 若 干 个 点 在 工 作 坐 标 系 下 的 三 维坐 标 , 然 后 绘 制 通 过 以 上 点 的 样 条 曲 线 , 利 用 样 条 曲 线 来 代 替 渐开 线 。 在 拟 合 过 程 中 , 拟 合 点 越 多 , 所 得 的 样 条 曲 线 就 越 逼 近 渐开 线 。 对 于 制 作 轮 齿 来 说 , 展 角 必 须 从 0 开 始 , 到 6 0 已 经 足够 使 用 。 在 这 一 范 围 内 , 所 编 制 的 程 序 等 角 设 定 了 2 0 个 点 以 上 ,即 可 充 分 满 足 拟 合 精 度 要 求 。 但 需 要 注 意 的 是 : 由 于 在 拟 合 渐 开线 前 , 工 作 坐 标 系 已 经 发 生 了 移 动 和 旋 转 , 所 以 必 须 将 这 些 在 绝对 坐 标 系 下 的 点 切 换 到 新 的 工 作 坐 标 系 下 。 具 体 实 现 方 法 如 下 :( 1 ) 根 据 渐 开 线 方 程 , 在 基 圆 和 齿 顶 圆 之 间 , 从 基 圆 开 始 半径 每 增 加 0 . 0 2 5 m m 就 计 算 一 个 点 的 三 维 坐 标 , 一 直 到 半 径 大 于等 于 齿 顶 圆 半 径 为 止 。 在 本 文 中 为 了 使 齿 廓 曲 线 封 闭 , 在 齿 顶圆 以 外 , 额 外 地 计 算 了 一 个 点 。( 2 ) 从 基 圆 上 的 点 开 始 , 每 计 算 出 两 个 点 就 用 一 条 弧 线 连 起来 , 这 样 将 会 获 得 一 系 列 的 弧 线 段 并 将 所 获 得 的 所 有 弧 线 拟 合成 一 条 样 条 曲 线 。( 3 ) 为 了 获 得 另 一 侧 的 齿 廓 曲 线 , 从 分 度 圆 和 渐 开 线 的 交 点发 出 一 条 通 过 原 点 的 直 线 。 由 于 在 分 度 圆 上 一 个 齿 的 包 角 为1 8 0 / z , 将 直 线 绕 垂 直 于 齿 廓 曲 线 所 在 的 面 的 一 个 轴 旋 转 复 制9 0 / z , 然 后 以 此 直 线 作 为 镜 像 直 线 , 来 建 立 另 一 侧 的 渐 开 线 。( 4 ) 为 了 实 现 实 体 减 的 操 作 , 必 须 将 两 条 渐 封 闭 。 在 靠 近 齿顶 端 , 用 一 条 直 线 将 两 条 渐 开 线 的 端 点 连 接 起 来 ; 而 靠 近 齿 根 圆端 , 由 于 基 圆 内 的 部 分 不 影响 齿 轮 的 啮 合 , 故 可 用 一 条过 两 条 渐 开 线 另 一 端 点 并且 和 齿 根 圆 相 切 的 原 弧 来代 替 , 从 而 形 成 封 闭 曲 线 ,如 图 1 所 示 。2 . 5 强 度 校 核在 使 用 本 文 所 设 计 系 统 时 , 用 户 首 先 进 行 齿 轮 类 型 的 初 步选 择 , 系 统 根 据 用 户 的 初 步 选 型 调 用 不 同 的 强 度 校 核 子 模 块 , 在强 度 校 核 前 首 先 根 据 齿 轮 的 工 作 要 求 、 工 作 环 境 选 择 齿 轮 的 材料 和 精 度 等 级 , 而 后 系 统 按 齿 面 接 触 疲 劳 强 度 和 齿 根 弯 曲 疲 劳强 度 两 项 准 则 进 行 计 算 和 校 核 , 最 终 定 出 齿 轮 的 模 数 m 、 齿 数 z等 基 本 参 数 , 具 体 流 程 图 , 如 图 2 所 示 。图 2 直 齿 圆 锥 齿 强 度 校 核 流 程 图本 软 件 系 统 采 用 了 向 导 型 设 计 界 面 , 使 用 方 便 、 清 晰 , 其 中 齿面 接 触 强 度 验 算 界 面 和 齿 根 弯 曲 强 度 校 核 界 面 , 如 图 3 、 4 所 示 。2 . 6 数 据 存 储无 论 是 初 步 选 型 、 强 度 校 核 还 是 三 维 建 模 都 需 要 从 相 应 的数 据 库 中 读 取 数 据 。 所 阐 述 的 系 统 根 据 企 业 需 求 和 建 库 的 规 范 ,采 用 A D O ( A c t i v e X D a t a O b j e c t s ) 方 式 建 立 和 管 理 数 据 库 , A D O是 M i c r o s o f t 提 出 的 应 用 程 序 接 口 , 用 以 实 现 访 问 数 据 库 中 的 数据 。 数 据 库 采 用 W i n d o w s 平 台 的 通 用 的 关 系 型 数 据 库 S Q LS e r v e r 2 0 0 0 数 据 文 件 , 它 支 持 多 用 户 操 作 、 网 络 应 用 、 分 布 式 事务 处 理 等 功 能 , 能 够 方 便 的 完 成 对 数 据 的 各 项 操 作 。 在 编 制 的程 序 的 过 程 中 , 所 建 立 的 数 据 库 存 储 了 圆 锥 齿 轮 进 行 强 度 校 核所 需 的 中 间 参 数 以 及 三 维 建 模 时 所 需 的 尺 寸 驱 动 参 数 。图 3 齿 面 接 触 强 度 验 算 界 面图 1 新 工 作 坐 标 系 下 的 齿 廓 曲 线第 7 期周 卿 等 : 基 于 U G N X 的 直 齿 圆 锥 齿 轮 参 数 化 系 统 开 发*1 9 2- -图 4 齿 根 弯 曲 强 度 校 核 界 面3 系 统 的 总 体 设 计3 . 1 系 统 功 能 模 块本 文 所 开 发 的 系 统 可 分 为 : 功 能 嵌 入 , 强 度 校 核 , 数 据 存 储和 三 维 建 模 四 个 模 块 。 系 统 的 功 能 嵌 入 模 块 实 现 设 计 系 统 对 应的 菜 单 项 和 按 钮 项 响 应 ; 强 度 校 核 模 块 实 现 圆 锥 齿 的 强 度 计 算和 校 核 过 程 ; 数 据 存 储 模 块 对 圆 锥 齿 的 校 核 参 数 和 尺 寸 参 数 进行 相 应 的 操 作 管 理 ; 建 模 模 块 调 出 尺 寸 参 数 并 建 立 圆 锥 齿 的 三维 零 件 模 型 , 如 图 5 所 示 。图 5 系 统 模 块 工 作 流 程 图3 . 2 系 统 工 作 流 程本 文 所 编 制 系 统 的 工 作 流 程 为 : 通 过 嵌 入 方 式 在 U G 软 件中 加 载 已 经 开 发 好 的 圆 锥 齿 轮 设 计 系 统 , 当 用 户 点 击 二 次 开 发的 菜 单 项 或 工 具 条 上 的 命 令 图 标 时 , 进 入 设 计 系 统 的 强 度 校 核模 块 , 零 件 在 强 度 校 核 时 由 程 序 自 动 根 据 用 户 输 入 的 初 始 条 件装 载 相 应 的 数 据 , 同 时 提 供 建 模 尺 寸 参 数 , 进 入 三 维 建 模 模 块 ,该 模 块 在 接 收 到 参 数 信 息 后 , 自 动 绘 制 圆 锥 齿 的 三 维 模 型 , 具 体工 作 流 程 , 如 图 6 所 示 。图 6 系 统 工 作 流 程 图4 圆 锥 齿 轮 的 参 数 化 设 计利 用 U G 软 件 进 行 圆 锥 齿 轮 三 维 造 型 设 计 的 步 骤 如 下 :( 1 ) 根 据 设 计 要 求 确 定 齿 轮 的 基 本 参 数 , 包 括 模 数 、 分 度 圆压 力 角 、 轴 孔 径 等 。( 2 ) 依 据 分 度 圆 锥 角 !、 分 度 圆 直 径 d 、 锥 距 R 、 齿 宽 b 、 齿 根圆 锥 角 f、 齿 顶 圆 锥 角 a、 齿 根 高 hf, 齿 顶 高 ha等 几 何 尺 寸 创 建齿 轮 的 初 始 毛 坯 , 并 且 在 背 锥 面 上 建 立 一 个 基 准 面 , 并 将 X Y 的平 面 坐 标 系 通 过 移 动 和 旋 转 放 到 该 基 准 面 上 。( 3 ) 在 新 的 工 作 坐 标 系 下 , 将 计 算 出 来 的 各 个 点 拟 合 出 圆 锥齿 轮 大 端 面 的 齿 廓 曲 线 , 如 图 7 所 示 。图 7 圆 锥 齿 轮 大 端 面 齿 廓 曲 线( 4 ) 由 于 圆 锥 齿 轮 大 小 端 齿 形 不 同 , 故 还 需 将 大 端 的 齿 廓 曲线 按 比 例 缩 小 , 然 后 平 移 至 小 端 。 最 后 通 过 放 样 生 成 圆 锥 齿 轮的 一 个 齿 槽