基于SolidWorks-API二次开发的锥齿轮自动建模与仿真

李妍姝（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同，037000）



基于SolidWorks-API二次开发的锥齿轮自动建模与仿真

李妍姝
（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同，037000）

摘 要：渐开线圆锥齿轮传动具有传动平稳、承载能力强等优点，有着非常广泛的应用前景。为了满足CAD、CAM、CAE的需要，实现锥齿轮三维参数化建模有非常重要的意义。本文以Visual Basic软件作为开发工具，借助于SolidWorks-API应用函数接口，开发了一套渐开线锥齿轮参数化设计程序；还介绍了锥齿轮齿廓曲线的方程，并得出了齿坯的形成方法，以及切齿扫描线的绘制方法。利用VB界面输入参数自动生成锥齿轮的三维模型，结果准确。

关键词：锥齿轮；弧齿锥齿轮；SolidWorks-API；自动建模；VB编程；仿真

引言

齿轮传动装置具有质量小、体积小、传动比大和效率高等优点，现已被广泛应用于现代工业生产系统中。而在齿轮传动中，锥齿轮可用于两相交轴之间的运动和动力的传递。锥齿轮按轮齿形状又分为直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮以及弧齿锥齿轮。其中，弧齿锥齿轮具有传动能力大、传动平稳，重合度大、承载能力大、体积小等优点，因此被广泛应用于航空、航天和飞行器的动力装置中，有着广泛的应用前景，但由于其结构复杂，在设计及加工制造中都相对困难。

近年来，在新产品设计方面普遍进行参数优化，参数化设计和CAD应用发展很快。这样可以缩短前期准备周期、提高性能、保证产品性能。因此，齿轮类产品的设计也趋向于参数化设计。特别是随着塑料齿轮的广泛应用、快速成型技术的迅速发展，使用三维软件实现锥齿轮、特别是弧齿锥齿轮的参数化建模也成为了设计者的迫切需要［1］。

本文以常用三维软件Solidworks为开发平台，介绍了研究中所用到的二次开发原理、思路和方法等，采用设计变量与编程相结合的二次开发方法，实现了锥齿轮自动建模与仿真。

1 基于SolidWorks二次开发

1.1 基于SolidWorks软件二次开发的思路

研究表明，基于SolidWorks三维软件的二次开发一般有两种思路：一是完全由设计者编程以调用API对象，即所有API对象全部在编程环境中完成调用；二是由使用者输入设计变量，并与设计者所编写的程序相结合以调用API对象，即在SolidWorks软件中建立的典型三维模型，用使用者输入的设计变量作为驱动尺寸形成最终所需的三维模型。本文采用第二种二次开发方式，采用此方式生成零件的具体工作流程如图1所示。

图1 设计变量与编程相结合的二次开发流程图

1.2 SolidWorks二次开发的方法

基于SolidWorks的二次开发方法有两种：一种是编程法，一种是尺寸驱动法［2］。其中编程法是通过程序来顺序的执行所有的设计过程及计算关系式；而尺寸驱动法则是在原有典型三维模型的基础上，利用使用者输入的变量尺寸获得与典型模型结构不变而尺寸不同的类似零件。

但是开发者若要对SolidWorks三维软件进行二次开发，无论使用哪种开发方式或是哪种编程语言，都需要对SolidWorks-API编程函数非常熟悉。可以采用一个相对简单实用的方法，那就是必须采用VB编程软件［3］，开发者可以在SolidWorks三维软件中“录制宏”，即在打开“宏操作”的前提下手工建模所需的典型模型，得到的“宏代码”是符合VB编程语法的。开发者只需甄别“宏代码”中的编程语言和数字参数，将数字参数设置为用户输入的驱动尺寸，即可用于SolidWorks二次开发的主程序部分［4］。

2 锥齿轮参数化自动建模

本文以弧齿锥齿轮为例，如图2所示，介绍弧齿锥齿轮的自动建模过程。

2.1 建模思路

弧齿锥齿轮的建模思路有4步：

（1）绘制封闭的齿廓曲线，之后绘制齿坯草图，旋转拉伸形成齿坯；

（2）绘制切除扫描弧线；

（3）切除扫描生成单个齿形；

（4）圆周阵列（3）中特征即可生成所需的弧齿锥齿轮。

2.2 具体建模过程

（1）生成渐开线齿廓曲线

图2 齿条刀具齿形曲线

首先，在VB中建立两数组x1、y1，分别存放齿条刀具齿形曲线的两个坐标，齿条刀具曲线如图2所示。即刀具齿形曲线dc段上的10个坐标点由式（1）得到，曲线bc段上的10个坐标点由式（2）得到，曲线ab上的20个坐标点由式（4）得到。

式中：xoc、yoc为圆弧bc的圆心oc坐标。

其次，建立数组phi存放齿廓曲线转过的角度，两数组x2，y2分别存放齿廓曲线的两个坐标。按式（5）、式（6）分别计算齿廓曲线转过的角度和齿廓曲线的坐标。计算中用数值差分代替式（5）中的导数计算［5］。

算得的齿廓曲线坐标点可通过Solidworks-API中Part.InsertCurveFilePoint的命令绘制出样条曲线形式的单侧齿廓曲线，如图3（a）所示；用“镜像”（Part.SketchMirror）命令生成另一侧齿廓曲线，如图3（b）所示；最后用两条直线连接两侧齿廓曲线，使用“草图-直线”（Part.CreateLine）命令形成封闭的齿廓曲线以便切除单个齿形，如图3（c）所示；最后使用删除（Part.Extension.SelectByID2）命令删除中心线，以防止在后续步骤中形成干扰，如图3（d）所示。

图3 渐开线齿廓的绘制过程

（2）自动计算齿坯点，绘制齿坯草图并形成齿坯

为了方便绘制，选择将齿廓曲线绘制在前视基准面，齿坯草图绘制在右视基准面上，各坐标点（见表1）用“草图-直线”（Part.C r e a t e L i n e）命令连成如图4所示的草图，再用“旋转-拉伸”（Part.FeatureManager.FeatureRevolve）命令将其绕轴线l78旋转即可得到齿坯的三维实体，如图5所示。

图4 齿坯计算示意图

图5 齿坯效果图

表1 锥齿轮齿坯各点坐标计算公式

（3）判断锥齿轮类型，以弧齿锥齿轮为例介绍自动建模过程［6］

为了方便使用者，根据机械设计手册中的标准，本文所设计程序中自动选择合适的刀盘公称直径，不需要使用者由界面输入。根据使用者界面输入的弧齿旋向，由草图-圆弧（Part.SketchManager.CreateArc）命令生成扫描弧线，如图6所示。

图6 弧齿锥齿轮切齿扫描线绘制过程

再使用扫描-切除（Part.FeatureManager.InsertCutSwept3）命令，将第（1）步中形成的齿廓曲线沿扫描弧线切除，形成单个齿，如图7所示。最后通过阵列（Part.FeatureManager.FeatureCircularPattern2）命令形成整个弧齿锥齿轮，如图8所示。

图7 切除单个齿形

图8 弧齿锥齿轮

3 程序运行及仿真

由程序输入界面（如图9所示）输入齿轮参数，齿形角α，齿数z1、z2，模数m，齿顶高系数h ，齿隙系数c，齿厚b，选择所需的齿轮类型、旋向等，点击确定即可生成单个齿轮零件。零件生成后，将会自动弹出一个“生成报告界面”，如图10所示。

图9 程序输入界面

图10 生成报告界面

将大小齿轮零件分别保存，再调入装配体中，只需设置两个锥齿轮的节锥点和产形轮平面分别重合即可完成装配。图11为程序自动建模完成的等高齿、收缩齿、弧齿以及根切锥齿轮副的仿真模型。

图11 设计实例三维实体造型

4 结论

本文分析了国内对锥齿轮实体造型的研究现状，通过对SolidWorks三维软件的二次开发，实现了各种锥齿轮的参数化设计和自动建模。本文在SolidWorks二次开发思路及方法的基础上，分析了锥齿轮自动建模思路及具体建模过程，通过实际程序运行生成了三维实体造型。成功建模锥齿轮，为弧齿锥齿轮的制造加工提供了另一种方式，即用快速成型技术、粉末冶金方法加工制造弧齿锥齿轮。本文所阐述的生成渐开线廓线的过程，可方便的应用于其他渐开线齿轮场合，具有精确、简洁的优点。

参考文献

［1］ 李新华.基于特征的参数化齿轮系统的二次开发［J］.林业机械与木工设备，2002（8）：18-20.

［2］ 王晓丽，季忠.SolidWorks 的二次开发方法比较［J］.现代制造技术与装备，2006：2.

［3］ 黄润发，强沙沙.VB程序设计技术［M］.第1版.上海： 中国纺织大学出版社，2003.

［4］ 谢征恒，毛利民，过玉清.参数化齿轮全齿廓自动生成及实现方法［J］.东华大学学报，2009，35（1）：90-93.

［5］WE Eder.Design modeling a design seience approaeh［J］.Journal of Engineering Design，1998（4）：353-371.

［6］ 裴帮，朱继华刘忠明.基于齿轮泵特征的齿轮齿廓自动生成及特性研究［ J ］.机械传动，2004， （1） ： 17-18.

Study on Automatic Modeling and Simulation of Bevel Gears Based on SolidWorks-API

Yanshu Li
（Coal Engineering College， Shanxi Datong University， Shanxi， 037000， China）

Abstract：Bevel gears are widely used with much advantage， such as its high stability and bearing heavy loads.To meet the needs of CAD，CAM and CAE， realized bevel gear 3-D parametric modeling is a very important practice.The paper summarized the method of parametric entity construction under the SolidWorks， which was supported by Visual Basic.With the aid of SolidWorks- API application function interface， developed a set of involute bevel gear parametric design program.Bevel gear tooth profile curve equation was introduced in the paper， and concluded the formation of gear blank method， and the gear cutting line drawing method.Three-dimensional model of bevel gear was generated by using VB interface input parameter， satisfactory result has obtained.

Key words：Bevel Gear； Spiral Bevel Gear； SolidWorks-API； Automatic Modeling； VB Programming； Simulation

中图分类号：TH132.421

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-234-05

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.030

作者简介：

李妍姝（1987-），女，工作于山西大同大学煤炭工程学院，现任助教，工学硕士研究生。研究方向：参数化设计及优化设计。

E-mail： lys19870119@126.com