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圆锥齿轮设计系统的开发【含图和文档】,含图和文档,圆锥,齿轮,设计,系统,开发,文档
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DOI :10.13841/ki .jxsj .2002.12.01952应用技术与经验交流机械设计2002 年 12 月12计算机辅助设计文章编号:1001 -2354(2002)12 -0052-03圆锥齿轮实体参数化造型系统的开发陈修龙1 ,邓昱1 ,路懿2(1.河北职业技术师范学院计算机系, 河北秦皇岛 066600 ; 2.燕山大学机械工程学院, 河北秦皇岛 066600)摘要:介绍了应用 V isual Basic(V B)程序语言, 基于三维机械 CA D 软件 SolidWorks97 平台, 开发直齿圆锥齿轮三维 实体参数化造型设计系统的方法。 解决了工业生产中圆锥齿轮三维实体造型设计的难题, 并且提供了一种对三维 CA D 软件开发的方法, 使设计者掌握运用该方法进行实际开发, 提高开发 CAD 软件的能力。关键词:Visual Basic ;SolidWorks97 ;三维 CAD 软件;参数化;实体造型中图分类号:TP24 文献标识码:A目前国内外对二维图形参数化和简单三维实体的 参数化的研究较为成熟。对复杂的三维实体的参数化 造型研究尚不多见, 特别是象圆锥齿轮这类形状复杂、 精确齿形的三维实体参数化造型设计更为少见 1 。 其原因是 :一方面圆锥齿轮二维图形参数化设计能够 满足传统的齿轮加工要求 ,另一方面运用低级 CAD 软 件对复杂的三维实体很难实现参数化虚拟造型设 计 2 。随着塑料齿轮的广泛应用和快速成型与虚拟 制造技术的迅速发展 ,用小型 CAD 软件对圆锥齿轮三 维基体和齿面进行参数化虚拟造型设计已成为设计者 的迫切需求 3 。为此, 在三维机械设计 CAD 软件环境 下,应用 Visual Basic(VB)开发了圆锥齿轮三维实体参 数化造型设计系统, 来解决圆锥齿轮三维实体参数化 造型设计这一难题。渐开线圆锥齿轮实体参数化造型系统(以下简称 系统)有如下意义:(1)保证了造型的精确性 ; (2)造型速度快, 避免了手工取点造型的复杂过 程; (3)完成的三维圆锥齿轮实体模型是后续的齿轮 有限元分析、机构仿真和数控加工等的必要条件;(4)可以用于刀具齿轮模型和塑料齿轮模具的三 维设计和加工。1 圆锥齿轮实体造型系统简介参数化三维实体造型设计是以变量几何和生成历 程树为基础,以尺寸驱动为特征的一种三维建模方法。 其基本过程是:首先利用草图功能勾画零件基本形状, 然后根据设计要求标注必要的尺寸 ,最后修改尺寸值, 驱动模型变化以生成需要的零件模型。参数化三维实 体建模的目的是 ,通过修改尺寸而快速生成新的三维 实体模型。标准渐开线齿轮实体参数化设计系统可以完成渐 开线直齿圆锥齿轮实体的参数化设计, 系统的运行窗 口见图 1 。渐开线直齿圆锥齿轮实体造型系统的结构 ,如图 2 所示, 各模块及其功能如下 。1.1 系统界面模块 该模块的作用是采集直齿圆锥齿轮实体造型所需 的具体参数。0 ,综合目标函数值 F(x)=0 .497 7 。取整后得:d =5 mm , D2 =38 mm , n =5 。4 结论用上述提出最小偏差法的多目标优化设计方法, 对圆柱螺旋弹簧多目标优化计算结果表明 , 该方法比 普通的多目标优化算法收敛速度快、精度高。它是一种更有效的多目标优化设计方法, 可以在机械设计领 域中推广使用。参考文献 1 孙靖民.机械优化设计 M .北京:机械工业出版社, 1999 . 2 施光燕, 董加礼.最优化方法 M .北京:高等教育出版社, 2001 :102 -103 . 3 王文博.机构和机械零部件优化设计 M .北京:机械工业出版社 , 1990 :276 -282 .收稿日期:2002 -01 -15 ; 修订日期:2002 -06 -07作者简介:陈修龙(1976 -), 男, 河北沧州人, 博士研究生, 专业方向:智能设计、计算机仿真及 CAD/CAM 技术。机械设计2002 年 12 月12应用技术与经验交流计算机辅助设计53图 1 直齿圆锥齿轮设计窗口1.2 三维 CAD 软件接口模块该模块提供在 OLE Automation 层上所有与三维CAD 软件 SolidWorks97 通讯的函数 。CAD 软件的API 函数以类的形式封装起来, 在直齿圆锥齿轮造型 时,通过这些函数驱动 CAD 软件生成直齿圆锥实体。 1.3 结构计算模块 根据界面模块的用户输入的参数, 计算直齿圆锥齿轮的结构参数。 1.4 齿形计算模块该模块是整个系统的核心, 可以完成直齿圆锥齿 轮齿形计算。通过计算得到特定截面的齿廓参数, 为 齿形生成模块准备所需的数据。1.5 结构实体生成模块该模块应用三维 CAD 软件 SolidWorks97 的基本 特征 , 如拉伸(Ex trude)、旋转(Revolve)和圆周阵列 (Circular Pattern)等操作, 按照结构类型计算模块输 出的参数, 生成直齿圆锥齿轮的结构实体部分。该操 作的结果类似生成直齿圆锥齿轮的毛坯。1.6 齿形生成模块 此模块根据齿形计算和装配参数计算模块的输出 参数, 利用三维软件 SolidWorks97 的扫描(Sweep)和层叠拉伸(Loft)功能 , 在齿轮坯上生成一个直齿圆锥 齿形特性 ,然后应用圆周阵列生成所有的齿形。图 2 渐开线齿轮实体参数化设计系统的程序结构图2 系统的使用2.1 窗体的创建 直齿圆锥齿轮参数化设计窗口有 2 个框架控件、6个命令按钮、7 个标签控件、6 个文本框控件、1 个 Combo1(列表框控件)控件 、1 个 Picture1(图形控件)控件组成,控件的属性如表 1 所示。为进一步地了解 窗体的结构和组成, 给出了窗体的运行演示, 见图 1 。表 1 控件名称及属性控件名称Caption 属性控件名称C aption 属性控件名称Caption 属性Label 1齿数Label 7孔直径Comm and 2设置Label 2齿宽Frame 1输入参数Comm and 3退出Label 3大端模数Frame 2定义参数Comm and 4预览Label 4分度圆锥角Picture 1图形控件Comm and 5帮助Label 5轮毂高度Combo1列表框控件Comm and 6取消Label 6轮毂厚度Command 1生成2.2 窗体的操作过程 系统主要根据对直齿圆锥齿轮模数、齿数等一些设计参数的设定 ,自动设计出所要求的三维齿轮实体。 操作过程为 :首先点击设置按钮, 可以自动打开 Solid-Works97 应用程序,进入SolidWorks97 设计环境;其次 从设计窗口中直接输入参数, 比如输入齿数 24 、齿宽 45 、大端模数 6 、分度圆锥角 60 、轮毂高度 15 、轮毂厚 度 8 、孔直径 70 数值后 ,点击生成键, 即可直接运行参 数化造型设计程序, 得到所需的三维直齿圆锥齿轮实 体(以上尺寸单位是 mm)。若想了解系统的具体使用 过程, 可由帮助键直接查看帮助信息。通过预览键可 以提前查看所设计的三维直齿圆锥齿轮实体外观图, 以便了解三维直齿圆锥齿轮实体的基本形状。用取消 键可取消预览, 退出键用于结束当前应用程序。需要 指出 ,利用系统生成的直齿圆锥齿轮都是标准正常齿 的齿轮 ,压力角 20;齿轮的类型采用不等顶隙收缩齿 圆锥齿轮。3 齿轮渐开线齿廓的数学模型在直角坐标系下 ,用渐开线的直角坐标方程式 ,计 算渐开线轮廓上各点坐标值 ,然后在用样条曲线绘出 齿轮的一个实际齿廓形状,见图 3 。具体方法如下 6 : 以齿轮中心 o 为坐标原点 ,齿厚对称线为纵坐标轴 y , 渐开线齿廓上任意点 c 的向径为 rc , rc 与y 轴的夹角 为c。则 c 点坐标方程式为 xc =rcsin c, yc =rc cos c。对于齿数为 z ,模数为 m , 分度圆压力角为 的 标准渐开线齿轮 , 其分度圆半径为 r =0 .5mz , 基圆半径 rb =0 .5 mzcos , 则点 c 的向径为 rc =rb/ cos c, 压力角表示为 c=arccos (rb/ rc )。点 c 对应的齿厚半角(即为 rc 与y 轴的夹角)应为 c=+-c。是渐开线分度圆b 点处的极角=inv =tan -。 是分度圆齿厚s 所对的中心角之半 =s/2r ,s =0 .5m 。 c是渐开线在 c 点处的极角 c=inv c, c=arccos (rb/ rc)。则有 c=inv -inv c+s/2r 。54应用技术与经验交流机械设计2002 年 12 月12计算机辅助设计图 3 实际齿廓形状的直角坐标图4 渐开线直齿圆锥齿轮造型系统 的关键技术4.1 跨 CAD 平台技术宏是从软件内部编程角度操作其对象的方式, 它 是一段定义好的操作 ,它可能是一批指令的集合, 也可 能是一段程序代码 4 。可以用 VB 的函数 Createob-ject 创建一个三维 CAD 软件的程序对象 ,通过对程序 对象及其子对象的方法、属性的调用,可操作图形数据 库 5 。宏记录是一个较为普遍的功能, 几乎所有的三 维机械CAD 软件都有该功能 ,经过宏记录得到的宏文 件通过编译都可以被 VB 或 C/C +编程语言调用。 4.2 直齿圆锥齿轮实体建模 (1)如图 4 所示, 以 1 点为坐标原点、轴线为一坐标轴建立正交直角坐标系, 依次求出点 2 、3 、4 、5 、6 的 坐标。由 1 -2 -3 -4 -5 -1 的连线构成直齿圆锥齿 轮的基体轮廓, 再用旋转轮廓线的方法生成直齿圆锥 齿轮的基体,见图 6 。(2)在圆锥齿轮的背锥上, 以当量齿数为标准, 按 图 3 所示的坐标系, 计算圆锥齿轮大端渐开线上各点 坐标 ,得出直齿圆锥齿轮渐开线大端各点的坐标。(3)然后, 在基体的背锥上构造出齿槽的齿廓曲 线,如图 7 所示。齿槽轮廓曲线的构造步骤是 :建立 直角坐标系 xoy (与图 3 所示的坐标系相同)和 x 1oy 1 (过齿槽的中心所作的坐标系),见图 5 。 通过 c 点, 可以导出 xoy 和 x 1 oy 1 两个坐标系之间坐标变换的公 式。 把齿轮大端渐开线上各点在 xoy 下的坐标 ,通 过坐标变换 , 转换为 x 1 oy 1 下的坐标。得到齿槽上各 点在 x 1oy1 下的坐标。 通过 VB 编程用绘制样条曲 线的方法 ,把齿槽上各个点连接起来,得到渐开线轮廓 曲线。(4)用放样 LOFT 命令 , 将齿槽轮廓向锥顶点以 顶圆锥角的大小放样, 产生锥齿轮的一个齿槽。如图 7 中所示 ,齿槽的齿廓曲线向锥顶点放样。(5)用圆周阵列(Circular Pattern)命令, 将锥齿轮的一 个齿槽沿基体周向分布, 得到所需齿数 ,即完成整个锥 齿轮的造型,见图 7 。4.3 宏文件的编译和应用程序的生成 首先通过 SolidWorks97 设计出圆锥齿轮基体 ,并把齿轮基体生成的全过程经过宏记录转变成宏文 件 7 , 8 ,把宏文件和齿形生成程序结合。即把齿轮建 模的全过程记录为宏文件 ,找出宏文件中与模型生成 有关的关键函数。确定关键函数中的关键常数 ,弄清 楚关键常数的变化对实体模型的影响。把关键常数用 变量替换, 这样就完成了齿轮参数化程序的建立。由 于宏文件是自动记录生成的 ,在宏文件中有一些语句 并无实际作用 9 , 删除它并不影响程序的执行结果。 对于宏文件中一些难理解的语句, 可以采取试参数的 方法(多次改变某常数的值, 观察实体的变化)来找出 关键常数 ,依据关键常数对宏文件编译。这样 ,即可把 宏文件编译成 Visual Basic 可以识别的应用程序。将 以上编译好的程序放入参数输入对话框的“生成” 键 的C LICK 事件中。然后运行设计窗口, 每次点击“生成” 键, 在三维机械 CAD 软件 SolidWo rks97 环境下,打开一张新零件图进行直齿圆锥齿轮三维实体建模, 即可得到所需要的圆锥齿轮实体。图4 圆锥齿轮的平面结构 图 5 坐标变换图图 6 直齿圆锥齿轮的基体图 7 直齿圆锥齿轮的模型5 系统造型实例标准渐开线直齿圆锥齿轮的参数见表 2 。表 2 直齿圆锥齿轮实体的参数(mm)参数齿数齿宽大端模数分度圆轮毂高度轮毂厚度孔直径锥角实体锥齿轮 1244066015880锥齿轮 23010012451510200锥齿轮 324401245158140锥齿轮 43060660151080依据表 2 参数生成的直齿圆锥齿轮实体见图 7 、 图 8 。机械设计2002 年 12 月12应用技术与实例分析计算机辅助设计55文章编号:1001 -2354(2002)12 -0055-03UG 实现复杂运动机械的三维动态仿真裘建新 ,常健(上海工程技术大学机械工程学院, 上海 200336)摘要:论述了基于 Unigraphics(UG)的运动机构三维动态仿真。 描述 UG 的有关功能及其在计算机辅助设计(CAD) 中的应用。 结合实例, 介绍复杂机构三维动态仿真的具体实施方法。关键词:U G ;CAD ;运动机构;动态仿真中图分类号:TH112 文献标识码:A随着计算机辅助设计(CAD)的发展 , 应用软件的 功能日益增强。CAD 已不仅仅限于二维图纸设计 ,而 且具有建立三维立体模型、生成数控代码、将多个立体 三维模型装配为系统并进行动态仿真的功能。各种复杂的机械系统都是由多个简单零件组成 的,同一功能的机械可有多种不同组合方案。机械设 计时 ,要对机械系统的组合方案作论证分析, 比较、试 配不同的零件组合。在以往功能不够强大的 CAD 设计中 ,因为无法用实物零件对各种方案作试装配, 组合 方案的选择论证仅停留在理论比较, 带有一定的盲目 性。目前 ,基于 Unig raphics(UG)、Pro .E 、Solidwork 等 CAD 软件的立体零件建模、三维零件模拟装配等功能 已发展成熟,在计算机屏幕上便可实现以零件模型代 替实物,进行方案选择及修改、运动分析与校核 ,为机 械组合方案的选择论证带来便利。以下结合 UG 软件 的特点,介绍其在 CAD 中对复杂运动机构的三维动态(a)生成直齿圆锥齿轮实体 1 、2(b)生成直齿圆锥齿轮实体 3 、4图 86 结论渐开线直齿圆锥齿轮的造型比较复杂 , 是三维机械CAD 设计的难点。系统完成了直齿圆锥齿轮实体 的变量化自动生成。其思路和方法可以应用到其他零 件的自动造型。实践证明 ,该系统缩短了直齿圆锥齿 轮设计制造的时间, 提高了设计精度, 减化了加工过 程,在圆锥齿轮设计制造中具有重要的实用价值和显 著的经济效益。参考文献 1 冯新安.CAD/ CAM 技术概述 M .北京:机械工业出版社, 1995. 2 宁汝新, 徐弘山.机械制造中的 CAD/ CAM 技术 M .北京:北京理工大学出版社, 1991 :67 -73. 3 W E Eder .Design modeling a design science approach J .Journal of Engineeri
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