基于SolidWorks与AutoCAD蜗轮蜗杆减速机设计研究

王 蔚，陈明锐

(1.海南职业技术学院交通与信息学院，海南 海口570216;2.海南大学信息科学技术学院，海南海口570228)

目前，国内外较为流行的 CAD/CAM 软件［1］有 UG，Pro/Engineer，I-dea、AutoCAD，SolidWorks，CAXA，CATIA等.基于微软Windows平台开发的三维机械计算机辅助设计软件SolidWorks，由于其建模能力强、使用操作简单，深得广大用户的喜爱.SolidWorks自1993年发布以来，作为一种世界性的标准化三位实体模型设计系统，已成为3D CAD市场的主流.SolidWorks是典型基于特征的三维机械零部件设计软件，可以通过形状特征定义和组合来实现零部件的三维实体设计［2］，借助放样、扫描和拉伸等操作，以实现不同零部件的实体造型.在使用SolidWorks构建模型的过程中包含以下5个方面［3］:1)分析零部件的形体结构;2)构建零部件基体的特征;3)生成孔的特征;4)阵列特征;5)生成过渡倒角及圆角特征等.

Auto Computer Aided Design(计算机辅助设计)，由美国Autodesk公司开发，是目前国内外最受欢迎的CAD软件包之一，是目前应用是当今机械设计与制造领域最流行的二维工程绘图软件之一，其快捷的图形绘制功能和强大的图形编辑功能一直备受工程设计与技术人员的青睐，使其在二维绘图设计领域里占据着主导地位［4－5］.

涡轮蜗杆减速机是一种重要的动力传动装置，在机械化生产中起着不可替代的作用，借助齿轮的速度转换器，把电机的原本回转数减速到所需要的回转数，而且得到较大转矩的机构.在当前用于传动动力和运动的机械中，减速机的应用领域非常地广泛.笔者以SolidWorks 2008为平台的减速机三维实体造型设计，充分利用了SolidWorks的三维参数化设计和AutoCAD的二维绘图的优势，可以实现优势互补，对实现整个产品以及别的类似箱体类的零部件的计算机辅助设计有着很重要的意义.

1 基于SolidWorks的减速机参数化实体设计

对零部件进行设计时，引入参数化其实就是引入了各种约束形式［6］，用变量的方式表示零部件上各种特征的几何尺寸形状和尺寸大小.这样定义的优点是，如果零部件的某个特征变量进行了修改，则零部件其特征的几何形状及尺寸，都相应地随着参数的改变而变化.在涡轮蜗杆减速机的特征设计中，将特征形态用参数化的基本要素来定义，用特征通过体素拼合的方法，构造零部件的几何形状和几何大小，使得特征具有可调整性［7－8］.

在减速机设计时，利用SolidWorks软件包含的命令，可用于创建零部件的特征和基准特征.减速器零部件除减速器箱体部件和箱盖部件外，还有如蜗轮、蜗杆轴等的输入输出轴系部件，并利用这些零部件的实体模型可以实现动态仿真.考虑实体造型的完整性，基础实体特征主要有拉伸凸台/基体、旋转凸台/基体等，在基础实体特征上可添加圆角、倒角、筋、抽壳、拔模及异型孔、线性阵列、圆角阵列、镜像等放置特征.软件还包含了很多高级特征选项，主要包括扫描、放样凸台/基体及参考几何体中基准轴、基准面等定位特征，主要是为了处理复杂的几何形状.

本文的减速器中零件实体模型主要包括箱体、箱盖、蜗轮、蜗杆轴、轴承等，利用SolidWorks生成的主要零件实体如图1所示，分别为上箱体、下箱体、蜗轮和蜗杆.

图1 减速器主要零件实体模型

为了利用设置的参数以及绘制出来的涡轮和蜗杆来参数化生成其他尺寸的涡轮和蜗杆，笔者利用VB对Solidworks进行参数化设计的二次开发，设计过程如图2所示.

图2 利用VB对Solidworks进行二次开发的参数化设计流程

利用程序实现零部件参数化的方法有尺寸驱动法和程序驱动法，在实际应用中2种方法的实现的作用是不同的.当处理外形结构相同但尺寸不同的零件时，一般使用尺寸驱动参数化方法，其优点是运行速度快，效率高.但此方法的缺点是缺乏变型的设计能力，不同的零部件有可能会存在局部结构的差异，这时就需重新建立模型进行其驱动.对于一些参数通过尺寸驱动参数方法系统也无法处理原本设计变量，且对建模过程有着非常严格的要求，必须与零部件的实际参数相对应的设计变量，而且建模方法须与零部件的设计要求互相吻合.其程序驱动法参数化的途径要根据指定的值和程序计算出的值作为API对象的函数变量的值，再按照值绘制出图形，这就是一个绘图程序.相对于尺寸驱动的参数法，程序驱动法在理论上可以对所有零部件的参数化驱动，对于尺寸驱动法也无法处理的题目可选择此方法来解决.由于本文中的蜗轮和蜗杆减速机没有用到程序驱动法，不做详细的介绍，具体可参阅文献［9］.

利用尺寸驱动法进行零部件建模时，可以根据建模的过程而自动创建设计变量，也可给每个变量赋以相对应的名称，只需要修改其变量的值即可.此过程会被SolidWorks在后台用VB语言记录，也就是所谓的录制宏.在录制好的宏中，按照具体要求对其VB代码进行编辑调试，添加窗体，对窗体进行必要的程序控制，即可形成完整的人机操作界面.最后利用编辑好的宏，制作插件，生成.dll或.exe的文件，通过加载插件即可实现蜗轮和蜗杆的参数化设计.图3为生成的制作不同参数的蜗轮和蜗杆的界面图.

图3 制作不同参数的蜗轮和蜗杆的界面图

2 基于SolidWorks的减速器的装配

依据设计思路对减速器所有的零部件创建完成后，需要将其装配成一个组合体.在Solidworks装配文件中，将所有零部件实体一一添加.在添加的过程中，需要注意添加各个2件之间的位置约束(配合)关系，只有正确的关系，才能确保动态仿真的正确性.在装配中，还需注意的一个问题就是如何选择第1个零部件，第1行零部件选定后就可以作为整个装配体的基础.在Solidworks软件中，一般是默认第1个插入的零件为非运动体，在本文减速机中，选择箱体作为第1个装配的零部件作为装配参照体的.在后续的装配中，为了制作工作原理仿真的需要，需要给齿轮副添加高级配合—齿轮配合(如图4所示)，减速器所有零件装配后结果如图5.

图4 蜗轮蜗杆配合

图5 减速机装配模型

装配过程中，爆炸视图的产生可以更加直观和形象地了解配件之间的装配关系.依据爆破视图，可以迅速快捷地完成装配任务，从而减少设计中的失误和装配中的失误.同时，在实际操作中，也便于工程人员进行组装制造和后期的维修.Solidworks在装配环境中选择爆炸视图命令，在弹出的对话框中就可以设置创建装配体的爆炸视图，本文生成的减速机的爆炸视图如图6所示.

3 基于AutoCAD的工程图设计

利用Solidworks软件对减速机的零件进行了实体的参数化设计和装配，这一系列设计都是三维模型.但由于传统技术人员形成的职业习惯，二维的工程图纸依然是零部件设计、加工和验证的重要参考依据和技术文件.在完成了减速机的三维设计及组装后，还需要输出二维的工程图样，便以提供后续的生产、维修等实用.

在Solidworks软件的图纸输出功能中，也具备了二维工程图纸的输出能力，其一般是直接将Solid-Works创建的实体零部件按照ANSI/ISO/DIN的标准进行输出二维工程的图样，也可按照依据个人需要设置输出图样的格式，以完成其尺寸、公差和文本等各项标注.Solidworks软件的缺点是输出的图样，一旦需要修改，并不容易完成，但可以利用AutoCAD来弥补.AutoCAD是建筑工程设计、机械加工、测绘制图等方面常用的二维/三维工具，具有的强大的二维制图和编辑加工功能，可以对工程图纸进行修改和完善.

图6 减速机的爆炸视图

图7 基于AutoCAD的工程图输出流程

在SolidWorks软件中设置好减速机的视图表达、标注之后，就可导出DWG与SLDDRW 2种格式的文件［10］.SLDDRW为备用文件，如在后续的工作中发现错误，将其在SolidWorks中进行调整，避免再次生成工程图的重复工作.将SolidWorks转化为AutoCAD需要一个共同格式的转化文件，DWG格式文件即为SolidWorks和AutoCAD的衔接文件，可以在AutoCAD软件中打开，对二维工程图就可进行二次加工了.例如，一般相切连接的2个曲面的相切处在制图表达方案中是绝对没有线段的，但SolidWorks导出的工程图中存在线段，这是属于多余线段.在AutoCAD中可以删除表达上的多余线段，调整不同线型、线宽和标注，并且按照国家标注要求对各种线段(如粗实线、点划线、细实线和波浪线等)来进行相应调整［11］，其具体流程如图7所示.

4 结束语

SolidWorks软件给减速机设计提供了便捷的参数化设计平台，只需对旧模型中的参数将进行调整即可得到所要求的新模型，很大程度上提高了设计的效率;AutoCAD提供了完善的图形绘制和强大的图形编辑功能，两者的有效结合，充分利用了2种设计软件的特长，兼顾了效率和质量的统一，缩短了设计思想转化为产品的开发周期.

［1］魏加兴.基于Pro/Engineer与AutoCAD回油阀的参数化设计［J］.煤矿机械，2010(6):216－218.

［2］宋宪一.SolidWorks在 螺杆3D造型设计中的应用［J］.机械设计与制造，2007(9):80－81.

［3］郑长松.SolidWorks2006中文版机械设计高级应用实例［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［4］高成慧，付正飞.SolidWorks与AutoCAD相结合实现直齿圆柱齿轮的三维算数化设计［J］.煤矿机械，2006，27(9):105－107.

［5］郭晓晨.基于AutoCAD的特征造型方法研究［J］.西安工业学院学报，2000，21(1):9－14.

［6］罗煜峰.基于 SolidWorks的参数化特征建模技术研究［J］.机械设计，2004，21(2):52－55.

［7］李爱平，王龙涛，刘雪梅.SolidWorks环境下参数化部件库的开发及实现［J］.机械设计，2010，27(8):5－12.

［8］吴文根，王龙涛，刘雪梅.SolidWorks环境下参数化部件库的开发及实现［J］.机械设计，2010，27(1):5－12.

［9］李爱平，王天虎，王三武，等.基于 SolidWorks的部件参数化设计方法的研究［J］.现代机械，2007，27(1):90－92.

［10］王玉，刑渊，阮雪榆.机械产品设计重用策略研究［J］.机械工程学报，2002，38(15):145－148.

［11］王蔚.基于PRO/E的参数化装配过程仿真及优化［D］.海口:海南大学，2010.

［12］刘淑芬.基于SolidWorks的减速器拆装及工作原理动态仿真［J］.辽宁工业大学学报:自然科学版，2009，29(3):178－180.