基于Pro/Toolkit异步模式准双曲面齿轮参数化3D建模

2012-08-01程良飞张福生高晓娟

太原科技大学学报 2012年1期

程良飞，张福生，高晓娟

(太原科技大学机械工程学院，太原030024)

准双曲面齿轮是用来传递相错轴之间的运动和动力基本元件，具有重迭系数大、传动平稳、冲击和噪音小、承载能力大的特点，由于其优点突出已广泛的运用于各种传动系统中。但由于准双曲面齿轮齿廓形状为复杂的球面渐开线，齿面也为不规则的空间曲面，因此三维建模较为困难，导致设计周期长。因此，寻求一种设计效率高、操作方便的建模方法对于准双曲面齿轮的研究具有重要意义。

鉴于格里森制准双曲面锥齿轮的数学模型已经基本成熟，采用参数化设计是未来准双曲面齿轮设计的方向。以准双曲面齿轮几何设计为基础，根据球面渐开线的形成原理，运用三维建模软件Pro/E通过方程生成曲线的方式，建立了以球面渐开线为齿廓的准双曲面齿轮三维模型，并且以Visual C++6.0开发环境对三维软件Pro/E进行二次开发，实现格里森制准双曲面齿轮的参数化建模，并通过具体实例说明了参数化建模在机械设计方面的优势。

1 准双曲面齿轮三维模型的建立过程

准双曲面齿轮三维模型是建立在进行数学理论的前提下，按照格利森的制度并且参考《齿轮手册》[1]完成主动、从动准双曲面齿轮的几何设计。本文依据设计结果建立从动锥齿轮三维模型。

运用三维软件Pro/E建立准双曲面齿轮模型的关键是轮齿的建立。单个轮齿是在创建大端面与小端面上的单齿齿廓后，然后建立单个轮齿的齿形线作为引导线，运用变截面扫描的方法将大端与小端齿廓以引导线为扫描轨迹扫描成一个轮齿，然后再阵列完成准双曲面齿轮的三维模型。

1.1 球面渐开线理论[2]以及数学模型[3]

准双曲面齿轮的齿廓为球面渐开线、齿顶圆弧、齿根圆弧、齿根过度曲线组成。球面渐开线生成原理，一圆平面与一基圆锥相切，圆平面圆心O与圆锥顶点O重合，圆平面半径R等于圆锥母线长度，圆平面沿基圆锥做纯滚动，从与基圆锥母线相切的初始位置到与基圆锥母线相切的位置，圆平面上点A轨迹即为球面渐开线，如图1所示，曲线AA1即为A点生成的球面渐开线。

图1 球面渐开线生成原理Fig.1 Formation mechanism of Spherical involute

在以基圆锥顶点O点为原点，O点处基圆锥高所在直线为z轴建立固定直角坐标系(x，y，z)，在以基圆锥顶点O为原点，基圆锥母线方向z1为轴，过O点在圆平面内垂直z1轴直线为x1轴建立动坐标系(x1，y1，z1)。在动坐标系中，点A的轨迹方程为:

式中，Rb表示外锥距即圆平面半径;ψ为与z1轴夹角。

图2 球面渐开线数学模型原理Fig.2 Mathematical model of Spherical involute

球面渐开线是圆平面沿基圆锥纯滚动平面上A点相对于基圆锥而形成的，即相对于固定坐标系(x，y，z)形成的，所以可以得到两坐标系的转换公式:

式中，θ为基圆锥锥角;φ为圆平面展成角。

将点A的轨迹方程通过两坐标转化公式可得准双曲面齿轮球面渐开线方程为:

1.2 准双曲面齿轮三维模型的建立

依据设计参数和几何计算公式可得到双曲面齿轮建模需要的几何参数，在Pro/E零件模式下建立准双曲面齿轮的三维模型。

首先设置设计参数，在草绘模式下创建齿轮基本圆和基本曲线，添加个参数间的函数关系，运用旋转命令生成齿轮轮坯，生成的齿轮轮坯如图3所示。

图3 准双曲面齿轮轮坯Fig.3 Blank of Hypoid gear

齿轮轮坯建立后，运用方程生成球面渐开线。以默认的笛卡尔坐标系为基准，用从方程生成曲线功能建立基准曲线。根据上面推导的渐开线方程式(3)在记事本中输入以下关系式:

这样即可生成大端球面渐开线，在球面渐开线生成后运用镜像命令生成齿廓另一部分球面渐开线。

完成后同样利用方程生成齿顶圆弧、齿根圆弧以及齿根过度曲线，选择曲线中属于齿廓部分的曲线完成的大端端面齿廓的绘制，完成后的大端端面齿廓如图4所示。

图4 大端端面齿廓Fig.4 Transverse tooth profile of big end face

确定大端端面齿廓后依照同样的方法生成小端端面齿廓，并绘制齿形线，运用Pro/E中变截面扫描方法，依据已经生成的大、小端齿廓沿齿形线扫描得到准双曲面齿轮的单个轮齿，单个轮齿建立完成后，运用阵列命令完成整个双曲面齿轮的创建。

2 基于Pro/Toolkit准双曲面锥齿轮参数化设计的实现

在建立了准双曲面齿轮的三维模型后，以Visual C++6.0为开发语言对三维软件Pro/E进行二次开发实现准双曲面锥齿轮的参数化设计。

2.1 基于Pro/Toolkit参数化设计方法[4]

基于Pro/Toolkit三维模型参数化设计方法有两种模式:同步模式和异步模式。同步模式是指基于Pro/Toolkit开发的程序与Pro/E系统同步运行，开发程序与正在运行的Pro/E系统进行信息交换从而实施某些操作但是每个程序在另一个程序执行完毕之前都必须等待其消息的返回。同步模式包含两种模式，即动态连接库模式和多进程模式。动态链接库模式是将编写的应用程序编译成DLL文件，与Pro/E处于同一进程中，通过函数调用实现与Pro/E之间的信息交换。多进程模式是应用程序代码经过编译和连接，生成可执行文件(exe文件)作为Pro/E的子程序运行。在同步模式中应用程序依赖与Pro/E系统运行，若Pro/ENClNEER没有启动，应用程序也将无法运行。异步模式是应用程序生成的可执行文件完全独立于Pro/E系统，采用远程程序调用的方式来实现和Pro/E系统之间的信息交换。异步模式可以独立启动应用程序，然后通过应用程序启动Pro/E进程或连接一个已经存在的Pro/E进程，启动或连接Pro/E与否，取决于应用程序是否需要Pro/E的功能。

本文采用的是基于Pro/TOOLKIT异步模式的二次开发技术，实现格里森制准双曲面齿轮的参数化建模。

2.2 基于Pro/TOOLKIT异步模式参数化设计相关技术

基于Pro/TOOLKIT异步模式二次开发主要包含以下步骤:注册环境变量、建立应用程序并且与Pro/E建立连接、从模型中读取参数、依据确定参数重新生成模型。

由于异步模式的应用程序是采用远程程序调用的方式，因此注册的环境变量设置是建立通信通道的关键。在Windows XP环境下，添加环境变量，其中变量名为:PRO_COMM_MSG_EXE，变量值为:D:PTCi486_ntobjpro_comm_msg.exe.

参数化设计的关键是VC++工程建立后运用Pro/Toolkit模块与Pro/E建立连接[4]。运行VC建立project并且设置头文件、库文件的路径:打开Visual C++6.0工程，在选取下拉菜单“tool/Options/Directories在打开的窗口中加入所需文件夹路径，如:D:PTCPROTOOLKITINCLUDES。库文件和头文件路径的设置关系到整个二次开发的成败，要依据Pro/E版本安装路径进行设置。完成了头文件、库文件路径的设置后，给应用程序添加库文件:选取“工程/设置/link”选项，当分类为“general”时，在链接库一栏中加入以下库:protoolkit.lib、pt_asynchronous.lib、wsock32.lib、mpr.lib protkmd.lib.类似添加所需的库文件。

设置可视化界面[5]，添加代码从模型中读取、修改参数。选用MFC(Microsoft Foundation Class)来设计准双曲面齿轮参数化设计对话框界面。Pro/Toolkit提供了资源文件编写UI对话框的功能，通过资源文件的形式来定义和描述界面组成元件、属性及布局。这种形式的优点是可以充分利用Pro/Toolkit提供的UI对话框操作函数和Pro/E资源，设计与Pro/E界面风格相一致的人机交互界面。然而用文本文件的形式定义对话框不能直观地反应界面的布局，设计、修改和调试都比较困难。为了能直观地反应界面的布局、方便参数修改和程序运行操作，创建基于MFC的可视化对话框，这样既可以充分利用Pro/Toolkit提供的操作函数又可以设计出直观的人机交互界面。完成的界面如图5所示。

图5 准双曲面齿轮可视化界面Fig.5 Visual interface of Hypoid gears

在对话框建立后添加启动Pro/E的消息响应函数ProEngineerStart()，完成Pro/E软件连接。添加代码完成Pro/Toolkit检索尺寸参数、编辑修改尺寸参数功能，完成准双曲面齿轮参数化设计全过程。

2.3 算例

依据《齿轮手册》[5]中“准双曲面齿轮的几何计算”部分计算格里森制准双曲面齿轮的几何参数。建模需要的参数如表1.

编译运行程序，将已经建立的准双曲面齿轮模型调入PRO/E进程，由然后在对话框输入相应数据，根据新的设计参数再生成新的三维模型。完成的齿轮模型如图6所示。

3 结论

本文的研究对象是格里森制准双曲面齿轮，运用Pro/E软件通过方程生成曲线的方式精确生成球面渐开线齿廓，完成以球面渐开线为齿廓的准双曲面齿轮三维模型的建立并且运用Visual C++6.0开发环境对三维软件Pro/E进行二次开发实现参数化建模。文中运用异步开发模式，Pro/Toolkit应用程序和Pro/E能够进行各自的操作，采用这种方法可以在Pro/E环境外开发参数化子系统，从而实现远程程序控制，根据需要输入不同设计参数，在原始三维模型基础上快速生成新的三维模型。这种设计方法可以显著地缩短设计周期、提高设计效率、降低设计成本，为正在发展的参数化设计提供参考。