圓弧齒線圓柱齒輪參數(shù)化造型*

蒲宗珉,侯 力,張耀祖,徐 韡,李源霜

(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065)

圓弧齒線圓柱齒輪參數(shù)化造型*

蒲宗珉,侯 力,張耀祖,徐 韡,李源霜

(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065)

根據(jù)圓弧齒線圓柱齒輪的輪齒特征和成型原理，利用SolidWorks建立理想圓弧齒線圓柱齒輪基本齒條的三維模型，通過模擬實際加工過程中該齒條與齒輪的嚙合運動，借助VB實現(xiàn)了該齒輪的參數(shù)化幾何造型，最后將造型過程做成插件集成于該軟件環(huán)境中。該方法通過仿真加工過程實現(xiàn)圓弧齒線圓柱齒輪的三維造型，提高了圓弧齒線圓柱齒輪的精確度和建模效率，為該齒輪的運動仿真和數(shù)控加工以及有限元分析等奠定了基礎。

圓弧齒線圓柱齒輪；特征造型；參數(shù)化設計

0 引言

齒輪傳動在傳遞機器動力和運動方面一直扮演著重要角色，根據(jù)齒向線的不同，常見的齒輪有直齒、斜齒和人字齒。然而這些齒輪在實際應用中有很多缺點，如：安裝中心距對齒廓綜合曲率半徑有嚴格限制；切齒加工方式的生產(chǎn)效率低的問題；重合度小而導致傳動平穩(wěn)性差等問題[1]。為了解決這些問題，曲線齒輪作為一種新型齒輪因具有嚙合性能好，重合系數(shù)大，軸向分力相互抵消，承載能力更強，對安裝精度要求不高等優(yōu)點[2]而被大量學者研究分析，三維建模時因其輪齒在齒寬中央截面齒廓為漸開線齒形，而其它截面齒廓都是圓錐曲線族的包絡[3]。常用的三維軟件的簡單特征不能實現(xiàn)精確建模，而能否精準的建立模型是后續(xù)研究分析能否順利進行的關鍵。

自曲線齒輪理論被提出至今，已有眾多學者對其研究，宋愛平教授團隊曾提出通過計算每個端面偏轉(zhuǎn)角度，采用放樣特征來獲取三維模型[4]，但該方法在實際加工過程中難以實現(xiàn)；現(xiàn)目前流行的建模方法為，先確定草圖平面，繪制齒坯輪廓，拉伸成齒坯，然后分別在輪齒端面和齒寬中間的輪齒橫截面上，繪制出圓錐曲線齒廓和漸開線齒廓，通過放樣命令生成半個輪齒，隨后鏡像、陣列，形成完整的曲線齒輪。此方法獲得的齒輪精度不高，且建模效率亦不高；一種根據(jù)曲線齒輪的切削原理，利用三維建模軟件生成一個刀具實體，以此來模擬格里森刀盤加工曲線齒輪的運動，然后根據(jù)曲線齒輪的實際加工過程，完成齒輪的特征造型建模過程的方法也被廣泛采用[5]，這種造型方法得到的齒輪三維造型并不精確，其凸齒面和凹齒面的圓弧半徑并不相同，成對嚙合時的嚙合線并不是圓弧線，故并未得到圓弧齒線圓柱齒輪的精確建模[6]。

本文根據(jù)范成加工原理來建立圓弧齒線圓柱齒輪模型，先建立圓弧齒條，以此作為刀具，通過仿真嚙合運動逐個生成齒形，通過坐標變換，旋轉(zhuǎn)、移動齒坯即可生成即可生成下一個齒形，以此循環(huán)即可得到標準圓弧齒線圓柱齒輪模型，利用VB實現(xiàn)了其參數(shù)化造型，通過SolidWorks軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)了該齒輪的

圖3 齒條模型

自動、高效且精準的三維建模。

1 理想模型

1.1 圓弧齒線圓柱齒輪成型原理

范成法亦稱展成法，共軛法或包絡法。是目前齒輪加工中最常用的一種方法。它是根據(jù)一對齒輪嚙合傳動時,兩輪的齒廓互為共軛曲線的原理來加工的。其刀具分齒輪型刀具(如齒輪插刀)和齒條型刀具(如齒條插刀和齒輪滾刀等)兩大類。切制加工過程如下：

范成運動：插刀和輪坯按恒定的傳動比i=ω刀/ω坯回轉(zhuǎn)；

切削運動：插刀沿輪坯軸線方向作往復切削運動；

進給運動：插刀向輪坯中心作徑向運動，以便切出齒輪的高度；

讓刀運動：防止刀具向上退刀時擦傷已加工好的面，損壞刀刃，輪坯作微小的徑向讓刀運動，刀刃再切削時，輪坯回位。

范成法加工效果圖如圖1所示：

圖1 范成法加工效果圖

1.2 理想圓弧齒線圓柱齒輪模型

理想的圓弧齒線圓柱齒輪模型應如圖2所示，齒輪周向齒厚處處相等，端面為漸開線輪廓，凸齒面圓弧半徑與凹齒面圓弧半徑相等，齒形中間面也應為漸開線輪廓，相對直齒輪和斜齒輪，其嚙合接觸區(qū)域較大、重疊系數(shù)較大，故承載能力較高、壽命較長[7]。

圖2 理想圓弧齒線圓柱齒輪模型

1.3 理想圓弧齒線圓柱齒輪齒條模型

理想的圓弧齒線圓柱齒輪齒條模型應如圖3所示，其齒面由凸面P和凹面Q組成，且P面和Q面的圓弧半徑都為RT，齒厚處處相等，平行于中間平面的所有橫截面上，其齒廓都為直線齒廓。

2 編程實現(xiàn)

2.1 建模流程

(1)齒輪實體造型步驟如下

①按照曲線齒輪基本齒條的橫截面幾何尺寸生成曲線齒輪齒條刀具。

②按照曲線齒輪形成原理，利用坐標變換，確定出齒坯和齒條的相對位置。

③模擬實際加工過程中齒輪齒條嚙合的相對運動，選擇齒條體特征切除齒輪多余部分，即進行兩者求差過程。

④利用坐標變換，將齒坯運動到下一走刀位置，然后按照上一過程求兩者之差。如此循環(huán)，直至將曲線齒輪上的齒形全部切出。

(2)建模流程圖如圖4所示

圖4 建模流程

2.2 齒輪造型程序

根據(jù)范成法加工齒輪的原理，利用Solidworks造型工具造型出曲線齒輪，并利用Solidworks宏錄制工具以及強大的API接口，調(diào)用API函數(shù)，編寫出曲線齒輪造型的程序[8-9]。

部分程序如下：

'繪制刀具齒

Part.SketchManager.InsertSketch True

boolstatus = Part.Extension.SelectByID2("前視基準面", "PLANE", 0, 0, 0, False, 0, Nothing, 0)

Part.ClearSelection2 True

……

Set myFeature = Part.FeatureManager.FeatureRevolveCut(pi, False, 0, 1, 0, True, True)

Part.SelectionManager.EnableContourSelection = False

Part.ClearSelection2 True

3 參數(shù)化設計

SolidWorks的二次開發(fā)有兩種方法: 一種是基于COM技術的方法，即COM技術，這種技術以SolidWorks API對象為基礎，是由Microsoft提出的組件標準，它定義了組件程序之間進行交互的標準。而另一種是基于OLE技術的開發(fā)方式，這種技術實際上是COM技術的一個應用，它能使不同應用程序的信息資源進行共享，將文檔和來自不同程序的各種類型的數(shù)據(jù)結合起來集成應用程序，它獨立于Solidworks運行。兩種開發(fā)方式有各自不同的優(yōu)點，但是由于Solidworks自身的特性，COM技術得到了廣泛應用。

參數(shù)化設計的目的是為了方便用戶設計零件，計算機獲取用戶想要的相關尺寸參數(shù)，然后程序自動運行，繪制出所需零件。對話框作為信息交流的載體，獲取零件的相關信息，最終達到設計目的。本文采用VB語言編寫對話框，以獲取零件的相關信息。

圖5 參數(shù)界面

4 插件的編寫

利用Solidworks API的功能編制該軟件的插件，并集成于Solidworks環(huán)境中，由該軟件程序進行管理。其操作過程為：工程—引用—選擇“SolidWorks插件庫文件”、“Solidworks常數(shù)庫”和“SolidWorks庫文件”；然后選擇工程屬性為工程兼容版。再對變量和函數(shù)進行定義。

程序的編寫中，其中與Solidworks連接程序如下：

Private Function SwAddin_ConnectToSW(ByVal ThisSW As Object, ByVal Cookie As Long) As Boolean

Set iSldWorks = ThisSW

iCookie = Cookie ；//從solidworks得到cookie

iSldWorks.SetAddinCallbackInfo App.hInstance, Me, iCookie ；// 定義菜單

Call AddJM ；//添加用戶界面

SwAddin_ConnectToSW = True ；//設置連接標識

End Function

編寫個程序代碼中的繪制曲線齒輪程序如下：

Public Function InsertNewGear()

Dim Doc As ModelDoc2

Dim Part As PartDoc

Set Doc = iSldWorks.ActiveDoc

If Doc Is Nothing Then

Set Part = iSldWorks.NewPart

Load DHK

DHK.Show

Else

Load DHK

DHK.Show

End If

End Function

插件是一個DLL文件，在用程序生成DLL的過程中，必須定義DLL文件與Solidworks的接口。程序的編寫主要是以下兩個方面：①變量和函數(shù)定義。②與Solidworks的鏈接。插件編寫好后，由VB生成dll文件，集成到Solidworks環(huán)境中。

5 創(chuàng)建齒輪模型實例

現(xiàn)要創(chuàng)建一個圓弧齒線圓柱齒輪，其參數(shù)如下：周向模數(shù)mc=2.5，齒數(shù)z=40，分度平面處半徑r=8mm，壓力角為20°，齒寬7mm。將現(xiàn)有參數(shù)輸入到所需參數(shù)中，再點擊創(chuàng)建即可生產(chǎn)如圖6所示參數(shù)，點擊確定即可生產(chǎn)齒輪模型，如圖7所示：

圖6 模型參數(shù)輸入

圖7 圓弧齒線圓柱齒輪模型

6 結束語

(1)在分析理想圓弧齒線圓柱齒輪特點的基礎上，指出現(xiàn)有建模方法的不足；基于三維建模軟件SolidWorks，利用展成原理，借助VB編程語言得到了其虛擬樣機，為后續(xù)圓弧齒線圓柱齒輪的CAD、CAE、CAM 分析提供相關支持。

(2)通過SolidWorks軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)了該齒輪的自動、高效且精準的三維建模，創(chuàng)建的三維模型能很好的為該齒輪的通用化、分析以及數(shù)控加工奠定基礎，對于三維軟件的二次開發(fā)亦可作為借鑒。

[1] 吳偉偉. 漸開線弧齒圓柱齒輪加工方法及其加工裝置的研究[D].揚州大學,2010.

[2] 宋愛平，易紅，湯文成，等.漸開線弧齒圓柱齒輪及嚙合特性[J].中國機械工程，2006,9(18):1888-1892.

[3] 李福生，林子光.非圓齒輪與特種齒輪傳動設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983.

[4] 吳偉偉，宋愛平，王召壘，等. 漸開線弧齒圓柱齒輪的齒根應力分析[J].機械設計與制造,2009(11):227-229.

[5] 蔣維旭，侯力，張建權，等. 基于UG的曲線齒圓柱齒輪的特征建模[J].組合機床與自動化加工技術，2010(12):47-49.

[6]姜平，侯力，任文娟，等.曲線齒輪的成型原理及嚙合特性分析[J]. 機械設計與制造，2012(7)：197-199.

[7] 宋愛平,吳偉偉,高尚，等. 弧齒圓柱齒輪理想幾何參數(shù)及其加工方法[J].上海交通大學學報,2012,44(12):1735-1760.

[8] 葉修梓，等. SolidWorks高級教程：二次開發(fā)與API[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[9] 張楓念，等.實用機械設計VB編程及實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

(編輯 趙蓉)

Development of Curvilinear Gear Parametric Design System

PU Zong-min, HOU Li，ZHANG Yao-zu, XU Wei , LI Yuan-shuang

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Based on the characteristic of gear teeth and molding principle for the cylindrical gears with curvilinear shape teeth, a 3D model of basic rack for such gears was built by SolidWorks. The simulation of meshing motion of gear rack and gear in manufacture procedure was conducted .The parametric geometry modeling was built by VB and the process of modeling was made into plugin, which was integrated to the software environment. The method established the cylindrical gears with curvilinear shape teeth by simulating the process procedure, improved the accuracy and efficiency of modeling, and can lay the foundation of motion simulation analysis , NC machiningand finite element analysis.

curvilinear gear；feature modeling；parametric design

1001-2265(2014)04-0101-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.027

2013-08-17；

2013-09-17

國家自然科學基金資助項目(51375320)

蒲宗珉(1989—)，男，四川巴中人，四川大學碩士研究生，主要從事機電一體化和傳動研究，(E-mail)13699441949@163.com;通訊作者：侯力(1956—)，男，四川雅安人，四川大學教授，博士，博士生導師，主要從事機電一體化及傳動研究，(E-mail)houli4@163.com。

TH122, TG65

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