基于SolidWorks的齒輪參數化設計及實現

2013-05-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 張建德*邵定宏*陸金桂來源: 萬方數據
關鍵字: 齒輪模型參數化設計漸開線 SolidWorks 二次開發(fā)

SolidWorks由于其強大的三維設計功能而在工業(yè)三維模型設計中有著廣泛的應用。本文以SolidWorks二次開發(fā)為基礎,采用參數化程序設計的方法,詳細介紹了SolidWorks中工業(yè)直齒輪參數化繪制的設計方法與技巧。討論了齒廓漸開線和齒根過渡曲線部分的參數化繪制方法,并編制了用戶化參數設定接口,在SolidWorks中,通過宏調用,輸入齒輪參數,自動繪制出了精確的直齒輪三維造型,避免了人工圖板圖樣的繪制,提高了造型設計的自動化水平

1引言

在當今的工業(yè)領域,越來越多地把產品的設計、分析、制造、數據管理與信息技術融為一體,以此提高工業(yè)生產的自動化水平。以前,三維產品模型的設計都是首先由設計師在圖板上畫出圖樣,然后由圖形軟件使用人員根據圖樣繪制出產品模型,這樣既浪費了人力和物力,設計效率也比較低。隨著SolidWorks等三維設計軟件的廣泛應用,以其開放性體系結構為基礎,利用高級編程語言設計程序來實現三維模型的參數化設計,這樣無疑提高了設計的自動化水平。本文正是以SolidWorks為基礎,通過高級語言程序設計進行圖形繪制軟件的二次開發(fā),使用戶通過友好的參數設定界面輸人齒輪參數,根據不同的參數,自動生成一系列齒輪模型,既節(jié)省了資源,也縮短了產品設計周期,大大提高了產品設計效率,對工業(yè)產品參數化設計的進一步發(fā)展有重要意義。

2參數化設計模型

參數化設計是由軟設計者根據軟件使用者提出的需求,結合實際設計問題,預先設置一些幾何圖形的約束條件,供軟件使用者以此定制自己的產品造型。在實際問題中,主要是幾何尺寸方面參數的約定,這些約定之間要符合一定的約束關系。一般情況下要求符合以下三個關系:基于特征的、全尺寸約束、全數據相關,以此保證約定的有效性。

參數化設計模型的形成過程如圖1所示:首先,對實際要解決的問題進行分析,根據實際問題確定關鍵的約束條件,這些約束條件必須能夠確定并且唯一確定一個造型;然后輸人約束參數,并進行參數有效性判定,即參數間不能有不相容條件存在,并據此判定是否需要修改參數;最后,觀察繪制的模型是否符合要求,如果符合則保存設計好的產品造型,否則進行參數的修改重新進行繪制和判定。這樣就是參數化設計的整個過程。

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3齒輪參數化設計原理

在直齒輪參數化設計的過程中,首先要根據齒輪繪制的特性,分析問題,提取問題的約定參數;然后是分析齒輪模型,設計漸開線齒廓和齒根過渡曲線的關系,分析時,設定好參變量,預留程序設計接口,這是編程實現的基礎;最后應用高級編程語言,設計界面,編程實現。

    3.1提取約束參數

這里以直齒輪為例,分析約束參數的提取過程,該方法可以擴展到其它產品模型約束參數的提取中。根據用戶在設計直齒輪圖樣時的需求,結合齒輪設計的關鍵尺寸約定,這里得到直齒輪的主要參數有:齒數z,模數m,分度圓壓力角a,齒頂高度h,頂隙系數c,變位系數e,拉伸厚度hou。這些是齒輪繪制時的常用參數,約定了這些變量,一個直齒輪便定制好了且是唯一的。

    3.2齒輪繪制算法分析

齒輪繪制算法的設計主要是漸開線齒廓的算法設計,在這個過程中要掌握齒輪的設計原理,靈活應用VB程序設計方法,充分利用SolidWorks的API函數進行設計。有關齒輪繪制算法的分析,這里以直齒輪的算法分析與設計為例,詳細論述了齒輪參數化繪制的方法,其主要包括以下幾個關鍵部分:

(1)繪制齒根圓并拉伸:這里調用SolidWorks的AP1函數以正視圖為繪制平面,建立草圖,用CreateCircle畫齒根圓,半徑由約束參數計算為:rf=(z一2*h一2*c+2*e)*m,然后拉伸生成圓柱體,即:齒坯;

(2)繪制漸開線齒形草圖:齒廓的生成主要有兩種方法,一種是用直線段逼近的方法,另一種是先確定齒廓上的部分點,用曲線擬合的方法。直線段逼近法計算量比較大,曲線擬合算法簡單同時在精度上也并不比直線段逼近法差,所以這里選擇曲線擬合的方法生成漸開線齒廓。
利用直角坐標系下的漸開線方程生成不同角度u對應的點,由循環(huán)確定6個點: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,齒頂圓半徑ra= ra=(z+2*h十2*e) * m;基圓半徑rb= r*Cos(a*p i/180),用同樣方法確定同側對稱的6個控制點,然后繪制齒根點,用B樣條曲線對這些點進行擬合連接,裁剪掉基圓、齒頂圓、漸開線封閉圖形以外的部分,就得到了光滑的齒廓形狀,如圖2所示。這里得到的只是齒形的一半,可以在基圓上對稱生成另一半漸開線齒廓,這樣,一個完整的齒形草圖就生成了;

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(3)形成單個輪齒:根據生成的齒廓草圖,調用路徑掃描函數InsertProtrusionSwepO進行掃描,可以得到完整的單個輪齒如圖3,單個輪齒的設計必須精確,因為這是整個齒輪設計的基礎,也是產品的關鍵部位;

基于SolidWorks的齒輪參數化設計及實現solidworks simulation學習資料圖片3

(4)陣列并生成直齒輪:對單個輪齒以齒輪基體特征的掃面軸線進行圓周陣列生成全部輪齒。最后,對齒頂圓和齒根圓進行圓角處理,并調用切除拉伸函數主要是Part.FeatureCut}來生成直齒輪孔等結構。通過以上算法的分析與設計,一個完整的直齒輪就生成了,這里最主要的是漸開線齒廓的算法設計。

3.3編程實現

通過以上的算法分析與設計,根據漸開線與齒根過渡曲線的設計原理,應用Visual Basic程序開發(fā)語言,并結合SolidWorks軟件自身提供的API函數,設計用戶交互界面并編制程序實現。

    SolidWorks提供了大量的OLE對象用于軟件自身的二次開發(fā),這些OLE對象涵蓋了全部的SolidWorks的數據模型,通過對SolidWorks的OLE對象屬性的設置和對OLE劉象方法的調用,就可以在用戶自己開發(fā)的系統(tǒng)中實現與SolidWorks相同的功能。SolidWorks中常用的主要OLE對象有SolidWorks, Mode1Doc,PartDoc,AssemblyDoc,DrawingDoc,Sketch, Dimension等。在程序設計的過程中,充分利用這些對象的強大功能,方便了SolidWorks的二次開發(fā)。

由于分度圓壓力角不方便設置,為了便于選擇,在下拉框中提供了常用分度圓壓力角,這樣用戶可以根據需要自行輸人或是從下拉框中選擇適當的角度。齒輪的參數設定后,以VB程序設計語言為基礎,調用SolidWorks的API函數,編程實現齒輪模型的參數化繪制,這樣通過在用戶交互界面中,輸入約束參數進行齒輪造型的設計,設計方便而且所設計的齒輪模型比較精確,也更直觀。

4齒輪參數化設計實例

根據齒廓漸開線和齒根過渡曲線部分的參數化繪制方法,本文以直齒輪的參數化設計方法為例,以VB為開發(fā)語言,設計實現了直齒輪的參數輸人界面,并根據輸人的齒輪參數,最終快速繪制出了精確的直齒輪模型。當然可以根據需要,構建自己的零件庫,這樣就可以方便的繪制各種不同類型的零件。這里以直齒輪參數化設計為例,參數設定如下:齒數為20,模數為3,分度圓壓力角20度,齒頂高度為1,頂隙系數設為0.25 ,變位系數為0,拉伸厚度設為10,其它零件構建思想類似。其結果如圖4和圖5所示;

其中圖4是齒輪參數化設計的餓參數設定界面,圖5為按照本文的直齒輪設計方法,最終自動繪制的直齒輪造型。由此可以看到,此方法繪制的齒輪精確、直觀,并且只要通過更改參數的設定,便可以方便地對齒輪造型進行再生成,方便三維造型的設計

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5結論

SolidWorks是口前最優(yōu)秀的三維造型設計軟件之一,它具有開放性的軟件體系結構,便于根據實際需要進行二次開發(fā)和擴展。利用本文的齒輪參數化設計方法,可以設計友好的交互界面,根據輸人的齒輪參數,迅速地繪制出具體的氣維造型,省去了煩瑣的圖板圖樣設計,節(jié)省了人力物力資源,縮短了模型設計周期,降低了設計成本。參數化設計極大地改善了工業(yè)產品的傳統(tǒng)設計手段,此齒輪三維設計方法界面清晰、運行可靠,可以廣泛應用到齒輪三維設計中,有廣闊的發(fā)展前景。

本文作者創(chuàng)新點:本文以SolidWorks強大的三維設計功能為基礎,充分應用其開放性的體系結構,進行軟件的二次開發(fā)。分析了參數化設計的一般模型,并在此基礎上,以直齒輪為例,設計了齒輪參數化繪制中最主要的齒廓漸開線和齒根過渡曲線部分的參數化繪制方法,并進行了算法的優(yōu)化。齒輪的參數化設計方法為建立自己的零件庫提供了方便,使自動化的模型設計方法代替了傳統(tǒng)的圖板圖樣的人工繪制方法,提高了設計效率,有重要的實際生產應用價值。

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