鼓形齿联轴器参数化CAD系统开发



鼓形齿联轴器参数化CAD系统开发

杨军，汪永明，李卓

(安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山243032)

摘要：以鼓形齿联轴器产品设计为研究对象，分析鼓形齿联轴器参数化CAD系统的功能需求，制定系统的总体功能框架。设计系统的UML(统一建模语言)活动图，研究系统的参数化设计方法，包括参数关联性分析和图形构建技术等。基于Visual Basic 6.0编程语言和SQL Sever数据库技术，开发鼓形齿联轴器参数化CAD系统，并给出应用实例。实践表明，该系统操作简便，极大地节省了鼓形齿联轴器产品的设计时间，生成的图纸格式统一、符合国家标准规范。

关键词：鼓形齿联轴器；CAD；参数化设计；活动图

目前，国内鼓形齿联轴器[1]制造企业的产品均具有稳定性，日常的产品设计方式通常是针对客户需求对现有同类产品进行修改设计。这种基于基型产品的修改设计涉及许多繁琐的工作，其设计效率低且容易出错。传统的交互式计算机绘图很难适应客户定制式的生产需求，需利用计算机技术对鼓型齿联轴器设计及图纸绘制过程进行编程以便自动实现。

黄烨等[2]在基于Solidworks参数化设计的基础上开发了1套鼓形齿联轴器CAD系统，实现了鼓型齿联轴器修改设计及自动绘制工程图的功能，但该系统仅对鼓形齿联轴器的主要参数进行参数化，没有实现全部结构尺寸的参数化，且未涉及公差带的设计，生成的图纸仍需较多修改工作，因此其CAD系统在自动生成图纸的功能上有较大缺陷。

文中针对文献[2]中的不足，以某鼓形齿联轴器制造企业的产品设计为研究对象，提出整个系统的总体功能框架，分析GⅡCL型鼓形齿联轴器各参数之间的关联性，给出其图形的具体构建方法，开发鼓型齿联轴器CAD系统，以期实现鼓形齿联轴器零部件全部结构尺寸的参数化，完善自动生成图纸功能，使之更符合实际需求。

1　系统的总体功能框架

根据某鼓形齿联轴器制造企业的实际需求，本CAD系统需满足如下功能需求：

(1)辅助设计功能基于产品数据库和特征参数联动机制，支持国家标准和企业标准，实现产品零部件的快速参数化设计和产品非标准件的设计；

(2)绘图功能根据用户设定的有效参数，实现产品零部件相应图纸的自动生成；

(3)容错功能防止错误操作，对相关参数进行合理性检验，减少输入错误，提高设计质量；

(4)检索功能提供对产品标准件和已保存非标准件的相关图档信息的快速检索，避免重复设计；

(5)用户权限管理功能依据不同用户分配权限，并提供对相应模块的操作权限，便于用户和产品信息的管理；

(6)接口功能提供与PDM软件的接口，便于产品信息的后续管理和利用。

基于上述开发需求，采用Visual Basic 6.0面向对象开发工具，以SQL Server数据库[3]为数据载体，制定系统的总体功能框架，如图1所示。由图1可知，该系统总体功能框架包括如下模块。

(1)用户管理模块包括一般用户使用的“新用户注册”、“修改密码”和“注销”等功能，管理员用户还增添了“设置用户权限”和“删除用户”功能。系统依据管理员给用户设定的权限，提供相对应的模块操作权限。

2)辅助设计模块包括“外齿轴套设计模块”、“内齿圈设计模块”、“端盖设计模块”和“联轴器总装配体设计模块”，其中总装配体设计是通过各零部件设计组成。该模块提供2个参数集，“标准参数集”和“非标准参数集”。前者是企业常用并已标准化的参数集，后者是不在前者范围内由客户定制并通过校核的参数集。该模块可实现尺寸驱动、关联尺寸联动和公差上下偏差的自动添加等功能，以满足产品设计需求。

3)产品绘制模块包括“外齿轴套零件图绘制模块”、“内齿圈零件图绘制模块”、“端盖零件图绘制模块”和“联轴器总装配图绘制模块”。该模块根据辅助设计模块返回的参数和程序内预设的结构特征信息，自动绘制所需图纸。

4)软件接口模块提供与PDM软件的接口，以便产品信息的管理和再利用。

5)数据库系统采用SQL Server数据库，包括“用户数据库”、“产品资料库”和“产品知识库”[4]。其中：“用户数据库”用于存储用户的相关信息和权限；“产品资料库”用于存储产品的相关资料和详细信息；“产品知识库”用于存储产品相关参数的标准和相关性能参数值。

2　系统开发关键技术

2.1系统UML活动图设计

采用统一建模语言（Unified Modeling Language, UML）[5]的活动图对系统整个工作流程中各对象之间的交互行为进行描述，以明确各功能模块之间的交互过程和信息间的交互关系，如图2。

由图2可知，系统可分为3个泳道，表明系统的3个层面分别为“用户层”，“逻辑层”和“数据库层”。“用户层”面向用户，主要接收和识别用户操作信息，将相关信息传送给“逻辑层”及将结果返回给用户。“逻辑层面”用于判定用户的操作信息并执行相应命令，如访问数据库。该层面不仅是“用户层”和“数据库层”的链接，也是实现系统主要功能（如图形绘制）的层次，为整个系统的核心。“数据库层”提供保证系统运行的数据支持和相关产品信息的管理。

2.2参数化设计

参数化设计是采用参数预定义的方法建立图形的集合约束集[6-7]，结合各结构要素的尺寸驱动[8]及图形中需修改设计的非结构要素，将其融入到应用程序中构建相应的结构函数（此结构函数包含非结构要素，为与下文的装配函数区分，故仍称为结构函数），然后根据实际需求可以通过人机交互的方式修改各要素，最终由应用程序执行结构函数达到修改设计的目的。

以GⅡCL型鼓形齿联轴器的外齿轴套为例。图3为鼓形齿联轴器CAD系统中外齿轴套零件特征参数示例。图示中的参数标注参照实际工程图，部分结构未标注，如D3处内螺纹等，该部分结构几乎不修改，无需对其参数化。由此可知，图3所示参数可以较好地表达该型号外齿轴套的结构特征。设该型号外齿轴套结构函数为f，外齿轴套特征为y，以图中所示参数为自变量（非结构要素的参数化与此思路不同，在此不将其添加为自变量），可得如下关系

式(或图3)中：d为轴孔直径，mm；b为键槽宽，mm；h为轴孔和键槽的总高，mm；R为鼓形齿曲率半径，mm；D2为外齿轴套主体直径，mm；D3为内螺纹中心轴线所在圆直径，mm；Dr为鼓形齿分度圆直径，mm；Da为鼓形齿齿顶圆直径；S为齿宽，mm；L为外齿轴套总长，mm；L1为齿左端面到内螺纹所在面的距离，mm；L2为图示处的水平宽度，mm；h1,h2分别为图示处45°倒角水平宽度，mm；r1,r2,r3分别为图示处圆角半径，mm。

通过修改式(1)中的自变量，得到不同的外齿轴套特征y，达到修改设计的效果。将每种型式的鼓形齿联轴器的结构特征构建为相应的结构函数f1，f2,…,fn。通过选取不同的结构函数f，再修改相应的自变量，即可通过CAD系统自动绘图，实现快速参数化修改设计。

2.2.1参数关联性分析

在结构函数f中，并非每个自变量均与其他自变量不相关。因此，需找出非独立的参数，并归纳出相应规律，以单一参数驱动其他与之相关参数，使结构函数f的自变量互不相关，从而使结构函数f更为合理，继而减少设计误差。

非独立参数可以分为两类：一类是参数间逻辑相关，如齿顶圆直径Da和分度圆直径Dr，这2个参数均是表示齿形的，且均由模数m和齿数z计算而得，考虑到设计需要，可替换为彼此不相关的模数m和齿数z来表示；另一类是由于设计准则而相关，如图3中的轴孔直径d、键槽宽b、键槽高度h和倒角半径r3。平键为标准件，因此这4个参数具有相关性，但并不如第一类一样存在连续变化规律，需对其进行归纳。参考机械设计手册[9]，可得表1所示键槽设计参数。图3中h和表1中t2的关系为

表1　键槽设计参数(部分)Tab. 1 Parameters of keyway design (part)

由表1可知，b，h和r3均与d相关，且d为变值，其他参数为定值（r3根据企业的加工精度,在表1范围内设为定值），故选取d作为驱动参数较为方便。在平键设计过程中，也是由轴孔直径d来选取平键，因此以d作为b，h及r3的驱动参数更符合设计习惯。

依此法建立各零部件之间的参数驱动机制，对各自相应函数关系f的自变量之间的相关性进行优化。第一类非独立参数通过保存基本参数和计算公式来存储和调用；第二类非独立参数采取建立独立数据库来存储，根据驱动参数调用其他参数。

2.2.2图形构建

根据系统的开发需求，在实现鼓形齿联轴器参数化的基础上，需通过自动生成图纸将参数化的结果表现出来。图形构建实现的是把参数化的结果数据转化为所需生成的图纸，具体来说，就是函数关系f具体化的一个过程。

构建零件的函数关系f主要是利用面向对象的ActiveX Automation技术访问AutoCAD2012的内部图形实体模型，构建相应图形实体的功能，对零件图中的每个要素（如直线、圆弧等）进行参数化，再添加非结构要素，进而实现函数关系f的构建。对于零件图，其函数关系f的构建流程如图4。

(1)零件图的构建

以外齿轴套主视图为例，说明零件图的构建过程。首先根据其特征参数示意图建立坐标系，如图3中粗线部分。其中主视图的坐标原点O通过一维数组储存，将O点命名为wczt_ucsorigin1，横坐标为wczt_ucsorigin1(0)，纵坐标为wczt_ucsorigin1(1)，横纵坐标的具体数值由图形在图纸中的位置决定。

其次，找到关键点（如直线的起点和终点，圆的圆心等）并通过解析法求出其相对于坐标系原点的表达式，进而确定各要素之间的相对位置。在此基础上通过调用AddLine，AddArc，AddCircle等方法构建各要素并进行参数化。以图3中r1圆弧的参数化为例，其关键点圆心的坐标为(wczt_ucsorigin1(0) + L1－r1，wczt_ucsorigin1(1) + D2/ 2 + r1)，起始角度为－90o，终止角度为0o，半径为r1，其参数化实现代码为：

Dim cusx_polyarc_wczt1 As AcadArc

Dim ptcen1(2)As Double

ptcen1(0) = wczt_ucsorigin1(0) + L1－r1: ptcen1(1) = wczt_ucsorigin1(1) + D2 / 2 + r1: ptcen1(2) = 0 Set cusx_polyarc_wczt1 = thisdrawing.ModelSpace.AddArc(ptcen1, r1, -1.571, 0)

其中：cusx_polyarc_wczt1为r1圆弧名；AcadArc为CAD圆弧实体对象；ptcen1为r1圆弧圆心点名；thisdrawing为当前图形；ModelSpace为CAD图纸的模型空间；AddArc为添加圆弧方法；-1.571为起始角度的弧度；0为终止角度的弧度。

最后，添加粗糙度、尺寸标注等非结构要素。粗糙度和形位公差等由于相同型号之间无变动，但其标注位置会随图形结构尺寸变化而变化，故在该系统中可通过在参数表达的图块插入点上调用预先定义的图块来实现。粗糙度块的调用代码如下：

Dim ccd As AcadBlockReference

Set ccd = thisdrawing.ModelSpace.InsertBlock(blockinsertionpoint, "ccd3.2", 1, 1, 1, 0)

其中：ccd为粗糙度块名；AcadBlockReference为CAD块实体对象；InsertBlock为插入块方法；blockinsertionpoint为块插入点；ccd3.2为图形中预先定义的粗糙度块；“1, 1, 1”分别为x，y，z方向的比例；0为不统一比例。

尺寸标注以L为例，其标注代码如下：Dim wczt_dimobj_LAs AcadDimAligned

Set wczt_dimobj_L = thisdrawing.ModelSpace.AddDimAligned(wczt_L_pt1, wczt_L_pt2, wczt_L_pttext)

其中：wczt_dimobj_L为L的标注名；AcadDimAligned为CAD对齐标注实体对象；wczt_L_pt1为L起点；wczt_L_pt2为L终点；wczt_L_pttext为标注文字位置。

2)总装配图的构建

总装配图的构建有2种方法：与零件图构建类似，构建相应总装配体结构函数g；主要通过构建装配函数г实现在不同位置调用不同零件的结构函数f，再根据几何约束进行相应修改，实现总装配图的构建[10]。前者对装配处的细节处理较好，但构建工作量大；后者的模块化程度较高，但对装配处的细节较难控制。本系统采用第一种方法。由于总装配体结构函数g的构建方法与零件结构函数f的构建方法相似，故不再赘述。

3　应用实例

图5为CAD系统的外齿轴套零件设计界面。用户在界面中选择相近产品的零件号后，右方会显示产品的详细几何特征参数和公差带选项。点击“修改参数”按钮，即可修改相应参数。用户确认参数无误后，点击“确定”按钮，再点击“绘图”按钮，即可自动生成相应的外齿轴套零件CAD图。图6为根据图5设定的参数自动绘制的鼓型齿式联轴器的外齿轴套零件CAD图。图7为该系统自动绘制的鼓形齿联轴器总装图，其中1号零件为图6所示外齿轴套。结合图5~7可知，图6，7中的结构要素及其相应参数与图5中的设定参数相符，非结构要素与实际图纸吻合，零件图与总装图均符合行业技术要求和国家标准规范。该系统已成功应用于某鼓形齿联轴器生产企业，实现了某型号鼓形齿联轴器的全部参数化，较好满足了个性化客户的快速定制需求，自动生成的鼓形齿联轴器非标产品图纸基本与实际图纸吻合，较好地满足了鼓形齿联轴器修改设计的需求，成功解决了在鼓形齿联轴器修改设计时存在的计算繁琐、工作量大、效率低等问题。

4　结　论

针对国内鼓形齿联轴器的设计效率低等问题，通过对整体系统的架构，对系统的具体工作流程进行建模且针对鼓型齿联轴器的参数化，开发1套鼓形齿联轴器CAD系统，用于辅助鼓型齿联轴器设计，提高设计效率。该系统已成功应用于某鼓形齿联轴器生产企业。实践表明：本鼓形齿联轴器参数化CAD系统较好满足了修改设计的需求，并成功解决了设计效率低的问题。所生成的图纸质量符合行业技术要求和国家标准规范，满足了个性化客户的快速定制需求。

参考文献：

[1]万朝燕，王欣欣，张耘国.鼓形齿联轴器的研究发展及应用现状[J].机械工程师，2013(12):1-2.

[2]黄烨，史金飞，田梦倩.基于Solidworks的鼓形齿联轴器参数化设计[J].煤矿机械，2006，27(10):109-111.

[3]叶绍松，阮祥发，赵燕.基于SQL Server 2000数据库的库存管理系统的设计与研究[J].机械设计与制造，2006(2):169-170.

[4]吴伟伟，唐任仲，侯亮.基于参数化的机械产品尺寸变型设计研究与实现[J].中国机械工程，2005，16(3):18-22.

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[6]刘夫云，邓小林.配置产品尺寸参数修改与变型设计方法研究[J].计算机集成制造系统，2008，14(11):2092-2094.

[7]谢少波.基于参数化技术的产品自顶向下设计[D].武汉：武汉理工大学，2007:7-8.

[8]王彩英，王继明.尺寸驱动的参数化绘图[J].机电产品开发与创新，2011，24(4):99-100.

[9]成大先.机械设计手册[M]. 5版.北京：化学工业出版社，2007:228-229.

[10]杨显刚，何玉林，金鑫，等.基于自动装配技术的参数化部件库的关键技术研究[J].中国机械工程，2013，24(14):1914-1915.

责任编辑：何莉

Development of Parametric CAD System of Crown Gear Coupling

YANG Jun, WANG Yongming, LI Zhuo

(School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology, Ma'anshan 243032, China)

Abstract:With the design of the crown gear coupling product as the research object, analyze the functional needs of the crown gear coupling parametric CAD system, decide the overall functional framework of the system, design the unified modeling language (UML) activity diagram of the system, and discuss the parametric design method of the system, including the analysis of parameter relation and graphics construction technology. A set of crown gear coupling parametric CAD system based on Visual Basic 6.0 programming language and SQL Sever database technology was developed. The application of the crown gear coupling parametric CAD system was presented. The application result shows that the system is easy to operate and significantly saves the design time of the product. The format of its generated drawings is unified, and meets with the national standard specification.

Key words:crown gear coupling; CAD; parametric design; activity diagram

通信作者：汪永明(1971-)，男，安徽绩溪人，博士，教授，研究方向为制造业信息化技术，机器人及检测技术。

作者简介：杨军(1991-)，男，安徽安庆人，硕士生，研究方向为机械CAD/CAE与信息集成。

基金项目：安徽省科技攻关计划项目(1301021009)；安徽省研究生“千人联合培养”计划资助项目(20130020)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201310360045)

收稿日期：2015-04-09

文章编号：1671-7872(2015)-03-0256-07

doi：10.3969/j.issn.1671-7872.2015.03.011

文献标志码：A

中图分类号：TP391.7