基于SolidWorks二次开发的渐开线齿轮参数建模系统

2018-04-21邓琨赵罘林建邦

科技创新与应用 2018年10期

邓琨赵罘林建邦

摘要：渐开线齿轮是一种最常见的齿轮传动，具有其他机械传动不可代替的优点，广泛的应用于各种机械结构中。传统的渐开线齿轮设计需要工作人员进行大量的计算与查阅资料，往往需要耗费较长的时间，工作效率低也不能直接将设计结果体现在模型上，而且手工计算及其容易出错。因此本课题结合SolidWorks二次开发技术，将渐开线齿轮的参数化设计与三维建模统一起来，设计出一套参数建模系统，这样不但可以大大的减少机械工程师在齿轮设计过程中的工作量，也能极大的提高机械产品的生产效率。程序设计的主要思路是，首先使用MATLAB拟合齿轮参数设计中的图表，然后编写强度校核程序界面与后台算法，最后要链接到SolidWorks使能够根据参数设计结果自动进行三维模型的绘制。以实际工况条件为例，使用程序进行了渐开线齿轮设计，从而证明程序方法的实用性和可行性。

关键词：渐开线齿轮；参数化设计；MATLAB曲线拟合；SolidWorks二次开发

中图分类号：TH128 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）10-0010-04

Abstract： Involute gear is one of the most common gear drives， which has the irreplaceable advantages of other mechanical transmission， and is widely used in various mechanical structures. The traditional involute gear design needs a lot of calculation and reference， which often takes a long time， and the low efficiency can not directly reflect the design results on the model， and manual calculation and error prone. Therefore， adopting the technology of SolidWorks secondary development， this paper unifies the parametric design and 3D modeling of involute gear， and designs a set of parameter modeling system. This can not only greatly reduce the workload of mechanical engineers in the process of gear design， but also greatly improve the production efficiency of mechanical products. The main idea of the program design is to first use MATLAB to fit the graph of gear parameter design， then write the strength check program interface and background algorithm， and finally link to SolidWorks to make 3D model drawing automatically according to the parameter design results. With the actual working condition as an example， the involute gear is designed with the program， which proves the practicability and feasibility of the program method.

Keywords： involute gear； parametric design； MATLAB curve fitting； SolidWorks secondary development

引言

渐开线齿轮传动是机械传动中的主要形式之一，具有其他机械传动不可代替的优点，如：速比范围大、功率范围广、结构紧凑等。但是齿轮的设计与校核过程需要大量的手工计算过程，往往需要耗费较长的时间，工作效率低，而且手工计算及其容易出错。所以现代的齿轮制造工程中急需一种计算机辅助设计的参数化校核与建模系统应用，这样不但可以大大的减少机械工程师在齿轮设计过程中的工作量，也能极大的提高机械产品的生产效率。

目前开发交互式系统实现齿轮的参数化设计是最热门的应用技术之一，能否实现参数化设计也成为评价CAD系统优劣的重要指标。张小明、罗静、李新华等人做了基于SolidWorks的渐开线参数化设计的研究，探索使用VB作为主体开发语言，分析建立齿轮方程，编写基于VB语言的齿轮仿真系统的源程序，实现渐开线齿轮参数化设计[1]；阴天龙、陈林等人开发了基于SolidWorks的渐开线齿轮参数化建模与装配的系统，使用VB语言创建dll插件嵌入到SolidWorks中去进行二次开发，程序可以进行齿轮建模与装配，效率高精度高，将设计人员从繁复的建模过程中释放出来，提升了设计效率[2]；马晓芳、王春燕等人做了基于Visual Basical和APDL的渐开线齿轮参数化建模的研究，利用ANSYS自带的参数化设计语言与Visual Basical结合，对ANSYS进行二次开发，设计出了一种便捷、有效的渐开线齿轮参数化建模方法。这一方法可以是操作界面简单化并面向对象，使没有学习过ANSYS软件的工程设计人员也能很好的进行有限元分析[3]；杨向、陈顺洪等人做了基于UGNX的渐开线齿轮参数化设计的研究，利用UGNX的原有命令来实现圆柱直齿轮的参数化设计。能够在UG的环境下利用其表達式功能，选用适当的参数化驱动命令，实现齿轮等复杂体的参数化设计，同时绘制结果比较精确。这种实现为其他具有复杂表面形状形态的参数化设计与建模提供的参考方法[4]。

目前研究出来的系统往往只能够根据用户输入的参数进行简单的三维建模，并不能保证其强度上的可靠性。或者有些产品只能进行强度校核，但是没有解决后续链接三维软件进行建模和绘制工程图的问题。所以本课题致力于开发一种参数化设计与建模系统，链接校核软件与三维建模软件，用户只需输入相应的工况条件，由系统进行强度校核，再将校核的参数传递到三维软件中绘制三维模型和工程图。这样一体化的工作流程从根本上解决了繁琐的齿轮设计的难题。

1 强度校核程序开发

1.1 MATLAB曲线拟合

对于强度校核中众多的图形图表参数需要使用MATLAB的cftool工具拟合曲线模型。第一步需要截取图形上的点，截取的点的范围要遍布整条曲线，在曲率变化较大的位置要尽可能多取点。第二步，取点完成后就可以录入到MATLAB中，启动cftool工具，如图1所示。定义的拟合方式为Custom Equation，因为到曲线最后收敛到2.106点，所以为了使拟合结果尽可能准确同时方便录入到程序中，自定义方程为：

（1）

式中a、b、c、d、e、f是待定系数，程序会自动拟合出相应的系数值和取值范围，对拟合结果的准确性要进行检验，主要的检验标准是组内方差（SSE）值，当SSE小于0.01时，拟合的结果满足精度要求，数学模型可以使用。

最后可以将拟合结果的参数值和方程保存到TXT文件中，方便后续工作使用，当所有的曲线都拟合完成后，需要验证方程是不是符合要求，将所有的参数编写到一个程序中，调用绘图工具绘制出原图形，如果与原图形无误则可以使用，如图2所示。

1.2 程序设计

程序开发平台使用的是Visual Studio 2013版，选择VB.NET作为开发语言。这主要是因为VB.NET语言是一种面向对象的编程语言，它适用于VS平台，比VB更加的便捷和强大。VB.NET接受了C#全部面向对象的特征，只有在语法表现形式上照顾广大VB使用者，用扩充的VB表达。同时，SolidWorks二次开发时使用的原始代码是VBA编程语言，其在语法上与VB.NET有一定的共性，这就为编写与修改程序提供了方便。

程序设计流程如图3所示：

为了满足工程上的要求，开发的强度校核程序需要具备一下特点：

（1）允许用户根据工况条件输入或修改设计参数。

（2）程序要能够在设计完成后展示强度校核所需的相关参数，并展示这些参数的取值范围。

（3）对于齿轮材料的选择提供两种方案，一是给出推荐材料，二是允许用户自定义齿轮的材料。

（4）在强度校核后能够在后台计算出齿轮尺寸参数，并连接SolidWorks完成三维建模绘制。

程序开发过程中首先要进行窗体设计，这里需要调用VS平台提供的工具模块，通过设定模块的属性和触发事件可以进行相应的操作。在工具模块的后台编写校核计算单元，定义全局参数接收保存计算结果提供后续建模程序使用。如图4所示的程序界面，主要使用了TextBox和Button窗体工具进行设计，完成的是齿轮变位系数的计算步骤，在程序后台定义了相应的计算单元，通过单机计算按钮触发计算事件。

2 SolidWorks二次开发建模

SolidWorks二次开发是利用支持OLE和COM编程的开发平台，通过调用SW API函数来实现相应功能的开发[5]，从而建立专用功能模块的过程。目前对SW二次开发有两种方法：其一是OLE（Object Linking and Embedding），译为对象的嵌套技术，即开发的程序以DLL插件文件的形式嵌入到SolidWorks中，用户可以在使用时方便调用而且稳定性较高；另外一种是COM（Component Object Model），译为组件对象模型技术[6]，使用这种方法开发的程序是独立于SolidWorks之外的，用户使用时能够自动打开建模软件并生成三维模型，这种方法的优点在于能够编辑更多的交互界面，方便使用本课题采用的是第二种COM二次开发的技术，基本的设计思路归纳如下：

（1）在SW中进行零件的三维图绘制和工程图绘制，使用宏录制功能记录下相应的VBA代码。

（2）修改VBA代码为VB.NET代码，删除冗余代码，将其作为源代码插入到开发的程序中。

（3）将源程序进行参数化修改，将强度校核得到的齿轮尺寸参數添加到程序中去。

（4）在开发的程序中添加SW引用，调用相应的API函数建立开发程序与SolidWorks的连接。

3 设计实例

根据工程实例使用开发的程序设计渐开线齿轮副，要求的工程参数是小齿轮传递的额定功率为250kW，小齿轮的转速为750r/min，名义传动比为3.15，单向运作满载工作寿命为50000h，如图5所示为程序的设计参数输入界面。

首先需要设定齿轮材料属性，系统提供了一系列常用方案供用户选择，用户也可以自己定义材料和热处理方法，如图6所示。

程序根据用户输入的齿轮参数自动计算出模式和中心矩，同时也提供计算变位系数的功能，最后根据所有参数计算出安全系数。如图7所示。程序最后展示校核结果，连接SolidWorks自动进行三维模型绘制，效果如图8所示。

4 结束语

本文的主要研究内容是渐开线齿轮参数化建模系统开发，是齿轮设计知识与计算机辅助设计技术相结合的综合课题。该系统可实现渐开线齿轮参数化设计并自动根据设计结果绘制三维模型，使设计人员从摆脱了相似零件的重复性设计的困扰。本文的主要成果有：

（1）开发出的程序能够完成渐开线齿轮的参数化设计和建模功能，简化了繁琐的设计过程。

（2）程序中对齿轮的材料属性设计创新性的提供了用户自定义的功能，提升了程序的实用性。