本文探討了用設計計算實現齒輪三維設計系統的相關內容。

　　引言

　　CAD/CAM技術的飛速發展，縮短了企業的產品開發周期，提高了生產效率。但一般的CAD/CAM系統都是通用的輔助設計平臺，專業針對性差。設計計算是產品開發的關鍵和依據，機械零部件設計計算中使用CAD技術，可以繼承經典的零部件設計理論，改變繁瑣的手工檢索和計算，并引人優化、可靠性等現代設計方法。因此企業在使用CAD軟件開發產品時，如對符合本企業標準規范的通用零部件如齒輪進行二次開發，建立專門的設計模塊，不僅能簡化設計流程，還可以快速應用于裝配設計、運動仿真中，加快產品的更新換代。

　　齒輪傳動是最重要的機械傳動方式之一，型式多樣、應用廣泛。齒輪設計在機械設計中占據著相當重要的地位，但它的設計步驟和涉及參數多，需查詢的圖表總數有二十多個，以前繁瑣的手工檢索計算已經不能滿足企業產品的快速設計要求，限制了生產率的提高。國內外一些常用的CAD軟件，如美國EDS公司的UG和SolidEdge等都不能直接進行齒輪的設計。為此我們仔細分析齒輪的設計過程，提取其合理的設計流程，將其設計流程和三維建模很好地融合在一起，開發了基于設計計算的齒輪三維設計系統，該系統不僅能夠很好地按照用戶給定的一些初始條件進行齒輪的設計，得到其繪制參數，而且能夠根據其繪制參數準確地生成三維模型，繼而為后續的裝配和仿真服務。

　　1系統設計

　　1.1 SolidWorks二次開發原理簡介

　　任何支持 OLE(對象鏈接與嵌人)和COM(組件對象模型)的編程語言例如VisualBasic,Visual C++都可以作為SolidWorks的開發工具。SolidWorks為用戶提供了強大的二次開發接口(API)，其中包含有數以百計的功能函數，這些函數提供了程序員直接訪問SolidWorks功能的能力。SolidWorks二次開發分為兩種:一種是基于自動化技術的，可以開發EXE形式的程序，即外掛式的;另一種是基于COM的，可以生成*.dll格式的文件，即內寄生式的。采用VC++作為開發工具進行開發的步驟是:首先，從SolidWorks公司的網站上下載向導文件Swizard.awx，將其復制到bficrosoft Visual Studio Common MSDev98 Template目錄下;然后在Visual C++中用該向導創建D幾工程，加入相關代碼，編譯生成*.dll文件。用戶只需要通過命令"Add-Ins (*.d11)"，加載自己的DLL，就可以將必要的用戶程序輸出。

　　1.2系統的總體設計

　　本系統可分為:功能嵌人，設計計算，數據存儲和三維建模4個模塊。功能嵌人模塊主要是把應用程序內嵌到SolidWorks中，通過菜單響應，輸出應用程序。設計計算模塊實現齒輪的強度設計和判斷選型過程，數據存儲模塊對齒輪的校核參數和尺寸參數進行相應的操作管理，建模模塊調出尺寸參數并建立相應的三維模型。4個模塊的關系如圖1所示。

　　本系統的流程為:通過內嵌方式在SolidWorks中加載齒輪三維設計系統，當用戶點擊二次開發的菜單項或者工具條上的命令圖標時，進人設計系統的設計算模塊，齒輪在設計計算時由程序自動根據用戶輸入的初始條件載人相應的數據，數據存儲模塊協助完成齒輪的判斷選型以及強度校核過程，同時提供建模尺寸參數，建模模塊接收到參數信息后，自動繪制齒輪的三維模型，以用于裝配設計、運動仿真等產品開發的其他用途。系統體系結構如圖2所示。

　　2關鍵技術

　　2.1設計計算

　　在設計的一開始，用戶先進行相關的初始參數的選擇，比方說齒輪的材料、精度等。按照保證齒面接觸強度和齒根彎曲強度兩項準則進行計算，設計出齒輪的基本參數如模數m,齒數z等，具體設計流程如圖3所示。本軟件系統采用了向導型設計界面，使用方便，部分設計界面如圖6所示。

　　在設計計算的過程中，需要對很多參數進行處理，并查詢很多的圖和表，本系統在開發過程中主要采用3種方式來解決圖表的查詢問題:

　　(1)數據庫直接存取法一些比較簡單的圖表，如齒輪的齒寬系數、彈性影響系數等，采用在SQLServer 2000中創建數據庫的方法來存儲和提取數據。

　　(2)插值法一些比較復雜而又有規律可循的圖表，如齒形系數、應力校正系數等，采用插值法可以使結果較為準確，同時也減少了用戶的查表時間。

　　(3)交互查表法對于特別復雜而又沒有規律可循的圖表，如彎曲疲勞壽命系數、接觸疲勞壽命系數等，就直接在應用程序的框架界面上顯示相關的圖表讓用戶自己進行查詢和選取，以提高用戶和程序的交互性。

　　2.2數據存儲

　　在數據管理和存儲上，我們根據項目需求以及建庫的規模，采用ADO方式管理數據庫，數據庫采用SQL Server 2000的數據文件。數據庫存儲了齒輪類零件在強度設計時所需要的所有國標參數以及三維建模的尺寸參數。需要說明的是，由于應用程序中的對象與ADO對象可能出現命名沖突，故在此將EOF(文件結束)更名為adoEOF。同時為了實現數據源連接的可視化和數據訪問的透明性，采用微軟提供的數據連接文件(.UDL)來建立和測試ADO連接屬性，方便采用統一的編程方法。

　　2.3三維建模

　　2.3.1斜齒輪建模方法

　　斜齒輪的齒面是一漸開線螺旋面，所以目前在SolidWorks下對斜齒輪的建模方法主要有兩種

　　a)作出一個法面齒廓，建立一條螺旋線，用法面齒廓沿螺旋線進行Sweep(掃描)操作，圓周陣列生成的掃描特征，然后用齒輪的兩個端面切割實體，中間剩下的就是斜齒輪。

　　b)作出一個端面齒廓，對此端面齒廓進行Pan(平移)以及Revolve(旋轉)一個螺旋角操作，建立一條齒根線或齒頂的導引螺旋線，再進行Loft(放樣)操作，最后圓周陣列生成的放樣特征，生成斜齒輪。

　　無論采用何種方法，在對斜齒輪建模時，關鍵都在于建立斜齒輪的齒廓曲線。

　　齒廓曲線是由漸開線和齒根過渡曲線連接而成，而齒根過渡曲線與齒輪的加工方法和加工刀具密切相關，本文以展成法為例，討論齒條形刀具加工齒輪時齒廓曲線的生成方法。SolidWorks沒有繪制漸開線的專用命令，也沒有根據參數方程繪制曲線的能力，因此給齒輪的三維造型造成了一定的困難，本文使用Visual C++編制程序，計算齒廓曲線上的一系列點坐標，以此繪制樣條曲線，實現齒廓曲線的精確繪制。

　　1)漸開線的計算

　　在直角坐標系下的漸開線的方程為

　　2)齒根過渡曲線的求取

　　用齒條形刀具加工齒輪，相當于齒條齒輪的無間隙嚙合運動，以齒條形刀具為例，刀具齒廓的頂部有兩個圓角，Cp是圓角的圓心，rp是圓角半徑。

　　被加工齒輪輪廓的漸開線部分由刀具的斜直線部分切出，齒根過渡曲線由刀具的圓角部分切出。如圖5所爾，加工過程中刀具的加工節線與齒輪的節圓相切純滾，刀具圓角的圓心將形成延伸漸開線，因此齒輪的過渡曲線是該延伸漸開線的等距曲線。圖5中，P是節點，nn刀具圓角與過渡曲線接觸點的公法線，a是nn與刀具加工節線間的夾角，r是齒輪分度圓半徑，選取圖5中的坐標系，不考慮變位，可求得齒根過渡曲線的參數方程為

　　依據上述參數方程編制程序生成齒廓曲線。

　　2.3.2斜齒輪律樟程序

　　最后依據齒輪尺寸選取不同的結構類型，進一步完善三維模型，如建立輪載、軸孔、鍵槽等特征，這樣斜齒輪零件的毛壞大致就形成了，接下來需要對其進行具體修飾。獲取了需要的特征拓撲元素以后，利用倒角函數LnsertFeatureChamfer()和圓角函數FeatureFilleto完成在拓撲元素上的倒角、圓角等修飾，三維建模過程完畢。

　　3結束語

　　筆者開發的齒輪三維設計系統是應國防科工委的項目要求開發的通用零部件參數化設計系統的主要組成部分，它有以下特點:

　　①能夠快速地建立企業所需的齒圖7斜齒輪完整模型輪三維模型，極大地縮短了企業產品的研發周期，符合市場競爭的需要;②面向后期裝配，能夠提供相關的零部件，適應裝配設計及運動仿真的需求。

　　該系統雖然在企業的調試和應用過程中取得了一定效果，但也存在一些問題，需要進一步改進和完善，最終形成服務于企業的高效的參數化集成設計系統。