基于Web 服务的机械传动齿轮参数化设计研究

徐春宇

（江苏省泗阳中等专业学校，江苏 宿迁 223700）

1 背景

齿轮是工业机械的重要基础装置，也是我国工业发展的基础，齿轮的设计与发展水平可以在一定程度上体现国家的工业化水平。齿轮传动在国防军工、工程机械、风力发电、矿山机械、汽车、农机、航空等机械装备制造领域中的应用十分广泛。渐开线齿轮作为齿轮中的一种，是机械中常用的部件，是由渐开线和过渡线组成，因其具有工作可靠、结构紧凑、传动比高、使用寿命长等优点，得到了广泛应用。

齿轮的设计与建模是齿轮制造的基础，但由于在齿轮的图纸绘制过程中不可避免需要进行多次反复的修改与订正，以促进对零件形状加工的优化。但由于齿轮的设计比较复杂，且齿轮各个参数之间相互约束，使得齿轮的三维建模过程十分的繁琐。伴随着数字化时代的到来，基于Web的计算机辅助设计成为机械领域发展的重要趋势。

2 基于Web服务的机械传动齿轮参数化设计思路

齿轮是机械传动装置中的重要组成部分，所以齿轮设计的好坏直接关系机械传动装置的工作效率和使用寿命，同时也关系着齿轮制造企业能否在激烈的市场竞争中以最低的成本和最短的时间获得最大化的经济利润。齿轮的设计是一项相当繁琐的工作，而齿轮的再设计就是一件风险较高的事情，在设计过程中的一点误差或错误都可能会影响齿轮的性能，甚至可能会造成不可估量的损失。通过调研发现，在机械设计领域中，对于零部件的设计与加工，有40%是直接重用现有的零部件，还有40%的零部件是对现有程序进行参数修改后而得到。因此，重用设计不失为提高再设计效率和质量的一条有效途径。

计算机技术和数据库技术为重用设计提供了平台与技术支持，现阶段基于计算机技术的重用设计主要包括实例和参数重用设计2种类型，在实例的重用设计中可以同时实现对加工工艺、特征及参数的重用；而参数重用设计则只能对参数进行修改。由于在机械领域中，往往客户所需的产品与实例之间有着较大的差距，此时就需要对实例进行参数的修改，因此，在本文的设计中是将2种类型的重用设计融合在一起进行运用。对于齿轮的重用设计可以表示一个发现问题、获取知识和解决问题的过程。

近年来，为了将更多精力投放到核心技术的研发中，部分企业的零部件生产与加工往往会选择直接由齿轮供货商来提供，为了确定供货商所提供零部件是否满足其要求，企业需要全面、详细且便捷地了解零部件的相关资料与信息。而基于Web服务的零部件数据库，则为企业和供货商提供了一个良好的产品资源分享和信息交流的平台，这样有利于加快零部件的开发速度、缩短开发周期。此外，由于企业不同用户对于齿轮产品的需求也存在显著差异，为了能够带给客户个性化的体验和专业的服务，可以让客户提前通过基于Web服务的数据库根据自身需求，寻找是否有符合要求的齿轮种类，若有，则可以直接定制；若没有，可以查找到比较相似或相近的齿轮种类，通过改变齿轮的参数来达到所需产品的要求。由此可见，基于Web服务的零部件数据库设计，无论是对于企业，还是对于客户而言，可以促进他们之间的友好合作，而且也减少了因各种因素导致的误差，极大程度地缩短了产品开发的时间。因此，基于这一优势，笔者提出了一种基于Web服务的机械传动齿轮参数化设计重用的方案（如图1）。

图1 渐开线齿轮

图2 基于Web的机械传动齿轮参数化设计框架

其中，该框架主要包括以下3个部分：

（1）数据层：数据库主要用于存储齿轮的参数、螺旋角、压力角、模数和材料等相关信息；三维CAD模型库中以齿轮族的形式存放多个相似的齿轮模型；二维CAD模型库用于存储三维CAD模型库中齿轮模型对应的三向视图。

（2）逻辑层：该模块主要实现2个功能，一是对用户的权限进行处理，并显示不同的Web页面，以满足不同权限用户的需求；二是根据用户提交的零件参数信息进行三维建模，在建模完成后返回到Web以供用户使用。

（3）功能层：在该模块中将用户分为游客和普通用户，游客在Web页面上只具备检索和浏览功能；而普通用户可以实现对零件信息的检索、浏览以及三维建模、修改、下载等功能。

3 基于Web服务的机械传动齿轮参数化设计功能实现

3.1 机械传动齿轮二次开发方案的选择

UG作为当前世界上最为先进、面向制造行业的一种CAD/CAE/CAM软件系统,能够为产品的设计、分析、仿真及程序生成等一系列过程提供有力支撑和服务。且UG编程以三维模型为基础，具有强大、可靠的刀具轨迹生成方法，此外，当主模型需要更改设计时，只要根据编程重新计算即可，大大降低了开发成本和周期，在机械加工过程中具有十分广泛的应用。因此，基于以上优势，在本文的设计中，选择在UG软件中，利用C#创建齿轮参数的对话框，建立参数表达式，构建齿轮的特征参数数据库，绘制三维模型，这样操作的简单、直观、便捷，最为重要地是可以避免在运行程序过程中因多次调用程序而产生的错误。

3.2 机械传动齿轮参数化的设计

（1）齿轮数据库的设计。齿轮作为机械装置中的基础零件，在设计时涉及齿距、齿数、模数、齿顶高、齿根高、中心距、齿厚、螺旋角等诸多参数，然而，在实际加工中，为了提高齿轮的加工精度，对于不同用途，齿轮库给出了不同的标准，所以事实上很多参数已经标准化，比如模数、螺旋角等。为了便于加工人员和用户进行操作，在设计时，本文通过建立一个齿轮数据库，用于齿轮的相关参数信息，这样在进行三维建模时，就可以直接调用数据库中的参数信息，从而可以减少人工多次输入造成的错误。

（2）齿轮数据库管理系统的设计。由于齿轮的类型比较多，为了便于管理，在设计过程中建立一个齿轮数据库管理系统。E-R模型作为数据库系统设计中的一种常用结构，可以将实体及其属性很好的对应起来，且操作简单、容易理解，因此，齿轮数据管理系统是建立在E-R模型结构上，其中包含的实体主要有齿轮、齿轮供应商、齿轮参数、齿轮二维图、齿轮三维图、用户等。当用户在网页对话框上输入齿轮参数时，就能快速地从数据库中找到满足用户需求的相关信息，这也是本文设计的主要目的。

3.3 基于Web齿轮参数化界面的设计

在Web界面上，客户在登录后可以在线搜索和浏览齿轮零件的属性信息，如果在已搜索到的结果中，未找到适合自己需求的，可以直接调用数据库中的齿轮参数，如果仍然无法满足要求，用户还可以自行修改参数，从而更好地满足了用户的个性化需求。在用户输入参数后，系统就会自动计算出齿轮其它的相关参数信息，从而以确定齿轮的尺寸大小和加工精度。接着系统调动UG程序，根据参数重新制作齿轮三维CAD模型，并显示在用户界面上，便于用户观察和确认。同时，用户在浏览三维模型的过程中，还可以调动其相关的二维CAD模型，如果不满意可以继续修改参数，直到符合客户要求就可以保存为新模型。在保存同时，这个新模型也被存储到齿轮模型数据库中，在下次使用时直接调动即可。这样，齿轮模型数据库中的数据会不断被更新，模型数量也随之增多，对于用户而言，查询和计算的时间也会缩短，有效提高了齿轮设计和加工的效率。

4 结语

本文提出了一种基础Web服务的机械传动齿轮参数化设计方法，不仅能够实现对参数的在线快速输入与修改，可以避免因多次反复修改带来的误差和错误，极大程度提高了参数输入的可靠性与准确度，有利于优化机械零件的设计，而且设计人员利用互联网可以实现对齿轮的协同开发与设计，这样能为处于不同地理位置的设计人员提供便捷的合作与交流平台，有效缩短了齿轮设计的开发周期，有利于降低齿轮设计成本，提高齿轮设计的效率和准确性。