基于SolidWorks-API二次開發(fā)的錐齒輪自動建模與仿真

李妍姝（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同，037000）

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基于SolidWorks-API二次開發(fā)的錐齒輪自動建模與仿真

李妍姝
（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同，037000）

摘 要：漸開線圓錐齒輪傳動具有傳動平穩(wěn)、承載能力強等優(yōu)點，有著非常廣泛的應用前景。為了滿足CAD、CAM、CAE的需要，實現錐齒輪三維參數化建模有非常重要的意義。本文以Visual Basic軟件作為開發(fā)工具，借助于SolidWorks-API應用函數接口，開發(fā)了一套漸開線錐齒輪參數化設計程序；還介紹了錐齒輪齒廓曲線的方程，并得出了齒坯的形成方法，以及切齒掃描線的繪制方法。利用VB界面輸入參數自動生成錐齒輪的三維模型，結果準確。

關鍵詞：錐齒輪；弧齒錐齒輪；SolidWorks-API；自動建模；VB編程；仿真

引言

齒輪傳動裝置具有質量小、體積小、傳動比大和效率高等優(yōu)點，現已被廣泛應用于現代工業(yè)生產系統(tǒng)中。而在齒輪傳動中，錐齒輪可用于兩相交軸之間的運動和動力的傳遞。錐齒輪按輪齒形狀又分為直齒錐齒輪、斜齒錐齒輪以及弧齒錐齒輪。其中，弧齒錐齒輪具有傳動能力大、傳動平穩(wěn)，重合度大、承載能力大、體積小等優(yōu)點，因此被廣泛應用于航空、航天和飛行器的動力裝置中，有著廣泛的應用前景，但由于其結構復雜，在設計及加工制造中都相對困難。

近年來，在新產品設計方面普遍進行參數優(yōu)化，參數化設計和CAD應用發(fā)展很快。這樣可以縮短前期準備周期、提高性能、保證產品性能。因此，齒輪類產品的設計也趨向于參數化設計。特別是隨著塑料齒輪的廣泛應用、快速成型技術的迅速發(fā)展，使用三維軟件實現錐齒輪、特別是弧齒錐齒輪的參數化建模也成為了設計者的迫切需要［1］。

本文以常用三維軟件Solidworks為開發(fā)平臺，介紹了研究中所用到的二次開發(fā)原理、思路和方法等，采用設計變量與編程相結合的二次開發(fā)方法，實現了錐齒輪自動建模與仿真。

1 基于SolidWorks二次開發(fā)

1.1 基于SolidWorks軟件二次開發(fā)的思路

研究表明，基于SolidWorks三維軟件的二次開發(fā)一般有兩種思路：一是完全由設計者編程以調用API對象，即所有API對象全部在編程環(huán)境中完成調用；二是由使用者輸入設計變量，并與設計者所編寫的程序相結合以調用API對象，即在SolidWorks軟件中建立的典型三維模型，用使用者輸入的設計變量作為驅動尺寸形成最終所需的三維模型。本文采用第二種二次開發(fā)方式，采用此方式生成零件的具體工作流程如圖1所示。

圖1 設計變量與編程相結合的二次開發(fā)流程圖

1.2 SolidWorks二次開發(fā)的方法

基于SolidWorks的二次開發(fā)方法有兩種：一種是編程法，一種是尺寸驅動法［2］。其中編程法是通過程序來順序的執(zhí)行所有的設計過程及計算關系式；而尺寸驅動法則是在原有典型三維模型的基礎上，利用使用者輸入的變量尺寸獲得與典型模型結構不變而尺寸不同的類似零件。

但是開發(fā)者若要對SolidWorks三維軟件進行二次開發(fā)，無論使用哪種開發(fā)方式或是哪種編程語言，都需要對SolidWorks-API編程函數非常熟悉。可以采用一個相對簡單實用的方法，那就是必須采用VB編程軟件［3］，開發(fā)者可以在SolidWorks三維軟件中“錄制宏”，即在打開“宏操作”的前提下手工建模所需的典型模型，得到的“宏代碼”是符合VB編程語法的。開發(fā)者只需甄別“宏代碼”中的編程語言和數字參數，將數字參數設置為用戶輸入的驅動尺寸，即可用于SolidWorks二次開發(fā)的主程序部分［4］。

2 錐齒輪參數化自動建模

本文以弧齒錐齒輪為例，如圖2所示，介紹弧齒錐齒輪的自動建模過程。

2.1 建模思路

弧齒錐齒輪的建模思路有4步：

（1）繪制封閉的齒廓曲線，之后繪制齒坯草圖，旋轉拉伸形成齒坯；

（2）繪制切除掃描弧線；

（3）切除掃描生成單個齒形；

（4）圓周陣列（3）中特征即可生成所需的弧齒錐齒輪。

2.2 具體建模過程

（1）生成漸開線齒廓曲線

圖2 齒條刀具齒形曲線

首先，在VB中建立兩數組x1、y1，分別存放齒條刀具齒形曲線的兩個坐標，齒條刀具曲線如圖2所示。即刀具齒形曲線dc段上的10個坐標點由式（1）得到，曲線bc段上的10個坐標點由式（2）得到，曲線ab上的20個坐標點由式（4）得到。

式中：xoc、yoc為圓弧bc的圓心oc坐標。

其次，建立數組phi存放齒廓曲線轉過的角度，兩數組x2，y2分別存放齒廓曲線的兩個坐標。按式（5）、式（6）分別計算齒廓曲線轉過的角度和齒廓曲線的坐標。計算中用數值差分代替式（5）中的導數計算［5］。

算得的齒廓曲線坐標點可通過Solidworks-API中Part.InsertCurveFilePoint的命令繪制出樣條曲線形式的單側齒廓曲線，如圖3（a）所示；用“鏡像”（Part.SketchMirror）命令生成另一側齒廓曲線，如圖3（b）所示；最后用兩條直線連接兩側齒廓曲線，使用“草圖-直線”（Part.CreateLine）命令形成封閉的齒廓曲線以便切除單個齒形，如圖3（c）所示；最后使用刪除（Part.Extension.SelectByID2）命令刪除中心線，以防止在后續(xù)步驟中形成干擾，如圖3（d）所示。

圖3 漸開線齒廓的繪制過程

（2）自動計算齒坯點，繪制齒坯草圖并形成齒坯

為了方便繪制，選擇將齒廓曲線繪制在前視基準面，齒坯草圖繪制在右視基準面上，各坐標點（見表1）用“草圖-直線”（Part.C r e a t e L i n e）命令連成如圖4所示的草圖，再用“旋轉-拉伸”（Part.FeatureManager.FeatureRevolve）命令將其繞軸線l78旋轉即可得到齒坯的三維實體，如圖5所示。

圖4 齒坯計算示意圖

圖5 齒坯效果圖

表1 錐齒輪齒坯各點坐標計算公式

（3）判斷錐齒輪類型，以弧齒錐齒輪為例介紹自動建模過程［6］

為了方便使用者，根據機械設計手冊中的標準，本文所設計程序中自動選擇合適的刀盤公稱直徑，不需要使用者由界面輸入。根據使用者界面輸入的弧齒旋向，由草圖-圓弧（Part.SketchManager.CreateArc）命令生成掃描弧線，如圖6所示。

圖6 弧齒錐齒輪切齒掃描線繪制過程

再使用掃描-切除（Part.FeatureManager.InsertCutSwept3）命令，將第（1）步中形成的齒廓曲線沿掃描弧線切除，形成單個齒，如圖7所示。最后通過陣列（Part.FeatureManager.FeatureCircularPattern2）命令形成整個弧齒錐齒輪，如圖8所示。

圖7 切除單個齒形

圖8 弧齒錐齒輪

3 程序運行及仿真

由程序輸入界面（如圖9所示）輸入齒輪參數，齒形角α，齒數z1、z2，模數m，齒頂高系數h ，齒隙系數c，齒厚b，選擇所需的齒輪類型、旋向等，點擊確定即可生成單個齒輪零件。零件生成后，將會自動彈出一個“生成報告界面”，如圖10所示。

圖9 程序輸入界面

圖10 生成報告界面

將大小齒輪零件分別保存，再調入裝配體中，只需設置兩個錐齒輪的節(jié)錐點和產形輪平面分別重合即可完成裝配。圖11為程序自動建模完成的等高齒、收縮齒、弧齒以及根切錐齒輪副的仿真模型。

圖11 設計實例三維實體造型

4 結論

本文分析了國內對錐齒輪實體造型的研究現狀，通過對SolidWorks三維軟件的二次開發(fā)，實現了各種錐齒輪的參數化設計和自動建模。本文在SolidWorks二次開發(fā)思路及方法的基礎上，分析了錐齒輪自動建模思路及具體建模過程，通過實際程序運行生成了三維實體造型。成功建模錐齒輪，為弧齒錐齒輪的制造加工提供了另一種方式，即用快速成型技術、粉末冶金方法加工制造弧齒錐齒輪。本文所闡述的生成漸開線廓線的過程，可方便的應用于其他漸開線齒輪場合，具有精確、簡潔的優(yōu)點。

參考文獻

［1］ 李新華.基于特征的參數化齒輪系統(tǒng)的二次開發(fā)［J］.林業(yè)機械與木工設備，2002（8）：18-20.

［2］ 王曉麗，季忠.SolidWorks 的二次開發(fā)方法比較［J］.現代制造技術與裝備，2006：2.

［3］ 黃潤發(fā)，強沙沙.VB程序設計技術［M］.第1版.上海： 中國紡織大學出版社，2003.

［4］ 謝征恒，毛利民，過玉清.參數化齒輪全齒廓自動生成及實現方法［J］.東華大學學報，2009，35（1）：90-93.

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

［6］ 裴幫，朱繼華劉忠明.基于齒輪泵特征的齒輪齒廓自動生成及特性研究［ J ］.機械傳動，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

中圖分類號：TH132.421

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-234-05

DOI：工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.030

作者簡介：

李妍姝（1987-），女，工作于山西大同大學煤炭工程學院，現任助教，工學碩士研究生。研究方向：參數化設計及優(yōu)化設計。

E-mail： lys19870119@126.com