1引言
在当今的工业领域,越来越多地把产品的设计、分析、制造、数据管理与信息技术融为一体,以此提高工业生产的自动化水平。以前,三维产品模型的设计都是首先由设计师在图板上画出图样,然后由图形软件使用人员根据图样绘制出产品模型,这样既浪费了人力和物力,设计效率也比较低。随着SolidWorks等三维设计软件的广泛应用,以其开放性体系结构为基础,利用高级编程语言设计程序来实现三维模型的参数化设计,这样无疑提高了设计的自动化水平。本文正是以SolidWorks为基础,通过高级语言程序设计进行图形绘制软件的二次开发,使用户通过友好的参数设定界面输人齿轮参数,根据不同的参数,自动生成一系列齿轮模型,既节省了资源,也缩短了产品设计周期,大大提高了产品设计效率,对工业产品参数化设计的进一步发展有重要意义。
2参数化设计模型
参数化设计是由软设计者根据软件使用者提出的需求,结合实际设计问题,预先设置一些几何图形的约束条件,供软件使用者以此定制自己的产品造型。在实际问题中,主要是几何尺寸方面参数的约定,这些约定之间要符合一定的约束关系。一般情况下要求符合以下三个关系:基于特征的、全尺寸约束、全数据相关,以此保证约定的有效性。
参数化设计模型的形成过程如图1所示:首先,对实际要解决的问题进行分析,根据实际问题确定关键的约束条件,这些约束条件必须能够确定并且唯一确定一个造型;然后输人约束参数,并进行参数有效性判定,即参数间不能有不相容条件存在,并据此判定是否需要修改参数;最后,观察绘制的模型是否符合要求,如果符合则保存设计好的产品造型,否则进行参数的修改重新进行绘制和判定。这样就是参数化设计的整个过程。
3齿轮参数化设计原理
利用直角坐标系下的渐开线方程生成不同角度u对应的点,由循环确定6个点:For i=1 To 6;x(i)-((r6+(i-1) * f)*Cas(u(i)); Y(i)=(rb+(i-1)*f)*Sin(u(i)),其中f=(ra-rb)/5,齿顶圆半径ra= ra=(z+2*h十2*e) * m;基圆半径rb= r*Cos(a*p i/180),用同样方法确定同侧对称的6个控制点,然后绘制齿根点,用B样条曲线对这些点进行拟合连接,裁剪掉基圆、齿顶圆、渐开线封闭图形以外的部分,就得到了光滑的齿廓形状,如图2所示。这里得到的只是齿形的一半,可以在基圆上对称生成另一半渐开线齿廓,这样,一个完整的齿形草图就生成了;
(3)形成单个轮齿:根据生成的齿廓草图,调用路径扫描函数InsertProtrusionSwepO进行扫描,可以得到完整的单个轮齿如图3,单个轮齿的设计必须精确,因为这是整个齿轮设计的基础,也是产品的关键部位;
(4)阵列并生成直齿轮:对单个轮齿以齿轮基体特征的扫面轴线进行圆周阵列生成全部轮齿。最后,对齿顶圆和齿根圆进行圆角处理,并调用切除拉伸函数主要是Part.FeatureCut}来生成直齿轮孔等结构。通过以上算法的分析与设计,一个完整的直齿轮就生成了,这里最主要的是渐开线齿廓的算法设计。
3.3编程实现
通过以上的算法分析与设计,根据渐开线与齿根过渡曲线的设计原理,应用Visual Basic程序开发语言,并结合SolidWorks软件自身提供的API函数,设计用户交互界面并编制程序实现。
SolidWorks提供了大量的OLE对象用于软件自身的二次开发,这些OLE对象涵盖了全部的SolidWorks的数据模型,通过对SolidWorks的OLE对象属性的设置和对OLE刘象方法的调用,就可以在用户自己开发的系统中实现与SolidWorks相同的功能。SolidWorks中常用的主要OLE对象有SolidWorks, Mode1Doc,PartDoc,AssemblyDoc,DrawingDoc,Sketch, Dimension等。在程序设计的过程中,充分利用这些对象的强大功能,方便了SolidWorks的二次开发。
由于分度圆压力角不方便设置,为了便于选择,在下拉框中提供了常用分度圆压力角,这样用户可以根据需要自行输人或是从下拉框中选择适当的角度。齿轮的参数设定后,以VB程序设计语言为基础,调用SolidWorks的API函数,编程实现齿轮模型的参数化绘制,这样通过在用户交互界面中,输入约束参数进行齿轮造型的设计,设计方便而且所设计的齿轮模型比较精确,也更直观。
4齿轮参数化设计实例
根据齿廓渐开线和齿根过渡曲线部分的参数化绘制方法,本文以直齿轮的参数化设计方法为例,以VB为开发语言,设计实现了直齿轮的参数输人界面,并根据输人的齿轮参数,最终快速绘制出了精确的直齿轮模型。当然可以根据需要,构建自己的零件库,这样就可以方便的绘制各种不同类型的零件。这里以直齿轮参数化设计为例,参数设定如下:齿数为20,模数为3,分度圆压力角20度,齿顶高度为1,顶隙系数设为0.25 ,变位系数为0,拉伸厚度设为10,其它零件构建思想类似。其结果如图4和图5所示;