基于SolidWorks的齿轮参数化设计及实现

2013-05-13 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 张建德*邵定宏*陆金桂来源: 万方数据
关键字: 齿轮模型参数化设计渐开线 SolidWorks 二次开发

SolidWorks由于其强大的三维设计功能而在工业三维模型设计中有着广泛的应用。本文以SolidWorks二次开发为基础,采用参数化程序设计的方法,详细介绍了SolidWorks中工业直齿轮参数化绘制的设计方法与技巧。讨论了齿廓渐开线和齿根过渡曲线部分的参数化绘制方法,并编制了用户化参数设定接口,在SolidWorks中,通过宏调用,输入齿轮参数,自动绘制出了精确的直齿轮三维造型,避免了人工图板图样的绘制,提高了造型设计的自动化水平

1引言

在当今的工业领域,越来越多地把产品的设计、分析、制造、数据管理与信息技术融为一体,以此提高工业生产的自动化水平。以前,三维产品模型的设计都是首先由设计师在图板上画出图样,然后由图形软件使用人员根据图样绘制出产品模型,这样既浪费了人力和物力,设计效率也比较低。随着SolidWorks等三维设计软件的广泛应用,以其开放性体系结构为基础,利用高级编程语言设计程序来实现三维模型的参数化设计,这样无疑提高了设计的自动化水平。本文正是以SolidWorks为基础,通过高级语言程序设计进行图形绘制软件的二次开发,使用户通过友好的参数设定界面输人齿轮参数,根据不同的参数,自动生成一系列齿轮模型,既节省了资源,也缩短了产品设计周期,大大提高了产品设计效率,对工业产品参数化设计的进一步发展有重要意义。

2参数化设计模型

参数化设计是由软设计者根据软件使用者提出的需求,结合实际设计问题,预先设置一些几何图形的约束条件,供软件使用者以此定制自己的产品造型。在实际问题中,主要是几何尺寸方面参数的约定,这些约定之间要符合一定的约束关系。一般情况下要求符合以下三个关系:基于特征的、全尺寸约束、全数据相关,以此保证约定的有效性。

参数化设计模型的形成过程如图1所示:首先,对实际要解决的问题进行分析,根据实际问题确定关键的约束条件,这些约束条件必须能够确定并且唯一确定一个造型;然后输人约束参数,并进行参数有效性判定,即参数间不能有不相容条件存在,并据此判定是否需要修改参数;最后,观察绘制的模型是否符合要求,如果符合则保存设计好的产品造型,否则进行参数的修改重新进行绘制和判定。这样就是参数化设计的整个过程。

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3齿轮参数化设计原理

在直齿轮参数化设计的过程中,首先要根据齿轮绘制的特性,分析问题,提取问题的约定参数;然后是分析齿轮模型,设计渐开线齿廓和齿根过渡曲线的关系,分析时,设定好参变量,预留程序设计接口,这是编程实现的基础;最后应用高级编程语言,设计界面,编程实现。

    3.1提取约束参数

这里以直齿轮为例,分析约束参数的提取过程,该方法可以扩展到其它产品模型约束参数的提取中。根据用户在设计直齿轮图样时的需求,结合齿轮设计的关键尺寸约定,这里得到直齿轮的主要参数有:齿数z,模数m,分度圆压力角a,齿顶高度h,顶隙系数c,变位系数e,拉伸厚度hou。这些是齿轮绘制时的常用参数,约定了这些变量,一个直齿轮便定制好了且是唯一的。

    3.2齿轮绘制算法分析

齿轮绘制算法的设计主要是渐开线齿廓的算法设计,在这个过程中要掌握齿轮的设计原理,灵活应用VB程序设计方法,充分利用SolidWorks的API函数进行设计。有关齿轮绘制算法的分析,这里以直齿轮的算法分析与设计为例,详细论述了齿轮参数化绘制的方法,其主要包括以下几个关键部分:

(1)绘制齿根圆并拉伸:这里调用SolidWorks的AP1函数以正视图为绘制平面,建立草图,用CreateCircle画齿根圆,半径由约束参数计算为:rf=(z一2*h一2*c+2*e)*m,然后拉伸生成圆柱体,即:齿坯;

(2)绘制渐开线齿形草图:齿廓的生成主要有两种方法,一种是用直线段逼近的方法,另一种是先确定齿廓上的部分点,用曲线拟合的方法。直线段逼近法计算量比较大,曲线拟合算法简单同时在精度上也并不比直线段逼近法差,所以这里选择曲线拟合的方法生成渐开线齿廓。
利用直角坐标系下的渐开线方程生成不同角度u对应的点,由循环确定6个点:For i=1 To 6;x(i)-((r6+(i-1) * f)*Cas(u(i)); Y(i)=(rb+(i-1)*f)*Sin(u(i)),其中f=(ra-rb)/5,齿顶圆半径ra= ra=(z+2*h十2*e) * m;基圆半径rb= r*Cos(a*p i/180),用同样方法确定同侧对称的6个控制点,然后绘制齿根点,用B样条曲线对这些点进行拟合连接,裁剪掉基圆、齿顶圆、渐开线封闭图形以外的部分,就得到了光滑的齿廓形状,如图2所示。这里得到的只是齿形的一半,可以在基圆上对称生成另一半渐开线齿廓,这样,一个完整的齿形草图就生成了;

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(3)形成单个轮齿:根据生成的齿廓草图,调用路径扫描函数InsertProtrusionSwepO进行扫描,可以得到完整的单个轮齿如图3,单个轮齿的设计必须精确,因为这是整个齿轮设计的基础,也是产品的关键部位;

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(4)阵列并生成直齿轮:对单个轮齿以齿轮基体特征的扫面轴线进行圆周阵列生成全部轮齿。最后,对齿顶圆和齿根圆进行圆角处理,并调用切除拉伸函数主要是Part.FeatureCut}来生成直齿轮孔等结构。通过以上算法的分析与设计,一个完整的直齿轮就生成了,这里最主要的是渐开线齿廓的算法设计。

3.3编程实现

通过以上的算法分析与设计,根据渐开线与齿根过渡曲线的设计原理,应用Visual Basic程序开发语言,并结合SolidWorks软件自身提供的API函数,设计用户交互界面并编制程序实现。

    SolidWorks提供了大量的OLE对象用于软件自身的二次开发,这些OLE对象涵盖了全部的SolidWorks的数据模型,通过对SolidWorks的OLE对象属性的设置和对OLE刘象方法的调用,就可以在用户自己开发的系统中实现与SolidWorks相同的功能。SolidWorks中常用的主要OLE对象有SolidWorks, Mode1Doc,PartDoc,AssemblyDoc,DrawingDoc,Sketch, Dimension等。在程序设计的过程中,充分利用这些对象的强大功能,方便了SolidWorks的二次开发。

由于分度圆压力角不方便设置,为了便于选择,在下拉框中提供了常用分度圆压力角,这样用户可以根据需要自行输人或是从下拉框中选择适当的角度。齿轮的参数设定后,以VB程序设计语言为基础,调用SolidWorks的API函数,编程实现齿轮模型的参数化绘制,这样通过在用户交互界面中,输入约束参数进行齿轮造型的设计,设计方便而且所设计的齿轮模型比较精确,也更直观。

4齿轮参数化设计实例

根据齿廓渐开线和齿根过渡曲线部分的参数化绘制方法,本文以直齿轮的参数化设计方法为例,以VB为开发语言,设计实现了直齿轮的参数输人界面,并根据输人的齿轮参数,最终快速绘制出了精确的直齿轮模型。当然可以根据需要,构建自己的零件库,这样就可以方便的绘制各种不同类型的零件。这里以直齿轮参数化设计为例,参数设定如下:齿数为20,模数为3,分度圆压力角20度,齿顶高度为1,顶隙系数设为0.25 ,变位系数为0,拉伸厚度设为10,其它零件构建思想类似。其结果如图4和图5所示;

其中图4是齿轮参数化设计的饿参数设定界面,图5为按照本文的直齿轮设计方法,最终自动绘制的直齿轮造型。由此可以看到,此方法绘制的齿轮精确、直观,并且只要通过更改参数的设定,便可以方便地对齿轮造型进行再生成,方便三维造型的设计

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5结论

SolidWorks是口前最优秀的三维造型设计软件之一,它具有开放性的软件体系结构,便于根据实际需要进行二次开发和扩展。利用本文的齿轮参数化设计方法,可以设计友好的交互界面,根据输人的齿轮参数,迅速地绘制出具体的气维造型,省去了烦琐的图板图样设计,节省了人力物力资源,缩短了模型设计周期,降低了设计成本。参数化设计极大地改善了工业产品的传统设计手段,此齿轮三维设计方法界面清晰、运行可靠,可以广泛应用到齿轮三维设计中,有广阔的发展前景。

本文作者创新点:本文以SolidWorks强大的三维设计功能为基础,充分应用其开放性的体系结构,进行软件的二次开发。分析了参数化设计的一般模型,并在此基础上,以直齿轮为例,设计了齿轮参数化绘制中最主要的齿廓渐开线和齿根过渡曲线部分的参数化绘制方法,并进行了算法的优化。齿轮的参数化设计方法为建立自己的零件库提供了方便,使自动化的模型设计方法代替了传统的图板图样的人工绘制方法,提高了设计效率,有重要的实际生产应用价值。

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