典型傳動機械零件參數化設計系統方法研究

李金佩，姚慧，白瑀，張國安

?

典型傳動機械零件參數化設計系統方法研究

李金佩1，姚慧1，白瑀1，張國安2

（1.西安工業大學 機電工程學院，陜西 西安 710000；2. 輕工業西安機械設計研究院，陜西 西安 710086）

在典型機械傳動零件設計生產過程中，種類繁多相應的使零件的生產成本和時間增多。為了提高產品的質量和工廠的效率，針對典型機械傳動零件這一領域，在以往單一類型的傳動類零件參數化設計系統基礎上，將典型的機械傳動零件進行系列化、標準化歸類，在現有的零件參數化設計系統基礎上實現一種更加適應現代零件智能化設計的方法。并且分析了目前具有代表性的不同種類機械零件的設計方法的特點和目前實際應用中的限制因素，指出了目前該系統需要改進和完善的具體技術方法，使該參數化設計計算系統更加的適應目前產品設計的需求，從而更好地服務用戶。

參數化設計；二次開發；典型傳動機械零件；模塊化

典型傳動機械零件在傳統的制造過程中需要查閱設計手冊，進行大量的計算得出參數，然后再進行設計、校核、繪圖。從設計到最終投產成型，期間需要一個漫長的過程，這樣會提高生產成本，誤差率也會隨之上升。針對這些典型的傳動件，系列化、標準化就為參數化帶來了極大的可能性和迫切性，這意味著生產成本的極大縮減和工廠利潤空間的上升。

因此，在原有單一的機械傳動零件類型基礎上開發一套整合后的典型傳動機械零件參數化設計系統具有重要的意義。對傳動系統中典型傳動件的參數化繪圖和計算的實現實際上是在目前已經存在的一些CAD軟件的二次開發，通過計算機輔助設計來完成建模、計算、分析、仿真、繪圖等設計任務[1]。

1 典型傳動機械零件參數化設計計算的系統開發方法及框架

典型傳動件的參數化設計主要由設計計算系統和參數化繪圖系統共同組成，并且實現了兩部分的有效連接，采用編程語言開發軟件菜單的接口程序，實現和目標軟件的控制和信息調用，將傳統的人工設計計算所需要的圖表和數據信息統一整合，并以模塊化的形式存儲起來，形成一系列的圖庫、數據庫信息，通過語言編程使在系統運行過程中以人機交互的形式輸入設計所需參數，程序通過對數據庫的調用，將所需數據以幻燈片，圖表等形式呈現在用戶面前，指導用戶更好地完成典型傳動件的設計。這種采用可編輯對話框的功能實現人機交互界面的運行方法，體現了現代設計的智能化發展。

1.1 系統開發方法

典型傳動機械零件參數化設計計算與繪圖系統根據以往人工的設計習慣和設計流程，通過程序調用對話框的形式實現人機交互，以最新《機械設計手冊》和典型傳動件設計相關資料為依據[2]，形成一套一體化的設計系統。該系統彌補了之前CAD軟件側重于繪圖從而沒有完成整個過程的不足，通過程序設計計算的結果數據庫運用接口程序，不僅實現了AutoCAD軟件二維圖形繪制，也可采用VB API進行參數化齒輪庫設計。

該設計計算系統是在Visual Basic 6.0集成編程環境下，根據標準化設計計算原理，將設計計算公式和定理原則嵌入到程序當中，通過對子程序的調用完成對典型傳動機械零件系統的設計計算。所得設計參數通過AutoCAD ActiveX Automation接口對軟件進行編程，從而完成部裝圖的參數化繪制以及總裝圖的繪制[3]。該系統體現了集設計計算、數據管理、圖形繪制于一體的參數化、智能化設計系統。其中，ActiveX Automation作為面向對象的編程接口，可以根據用戶需求訪問數據庫的繪圖對象，指導用戶完成繪圖工作。

以往的系統開發方法中，對典型傳動機械零件參數化設計計算都不同于最初的交互式計算機輔助設計，實現了真正的參數化繪圖與計算。現在所要開發的典型傳動機械零件參數化設計計算系統，通過將單一的設計類型系統共同點進行提取，并在此基礎上針對系統開發方法中難以統一的技術建立分支，使彼此相互依存又相互獨立，在系統運行過程中可以根據用戶的實際需求調取設計傳動件類型的設計方法、計算規則以及設計準則。典型傳動機械零件設計系統由設計子系統、繪圖子系統、設計數據庫等幾個主要系統構成[4]。對典型傳動機械零件參數化系統開發整體而言，不論以何種形式的開發方法，都需要一個開發平臺、開發環境以及開發語言的支撐，以人機交互的形式呈現在用戶面前，從而完成產品的設計和研發。

1.2 系統整體框架

典型傳動機械零件參數化設計系統整體框架構成以模塊化的形式實現，系統功能的體現靠模塊之間的聯系。意味著系統之后的功能升級只需在原有的基礎上增加想要實現其他功能的模塊，并對一些新的設計要求和設計準則運用編程語言重新定義和賦值即可。系統的靈活性得到了很大的提高。

典型傳動機械零件設計系統主要根據零件的失效形式[5]，按照相應的強度設計計算，由最初的設計參數輸入到最終的繪圖完成，除了傳統的設計計算系統中用戶管理模塊、設計計算模塊和參數化繪圖等幾個基本模塊之外，在此基礎上增加了專家系統模塊和幫助系統，實現了系統的升級和人性化、智能化的特點。該系統本著系統化、實用化原則收集了大量專家領域在進行齒輪設計時遇到的知識和經驗，用真人模擬的方式所編程的計算機程序輔導人們在決策過程中來解決遇到的實際問題，有著啟發性、透明性特點，與其中的幫助系統相輔相成，在系統整體組成上形成了明顯的優勢。首次引進了人工神經網絡在系統中應用的概念，用以模擬人類進行知識的表示與存儲以及利用知識進行推理的行為[6]。人工神經網絡系統以信息分布的方式存儲于整個網絡中，其高度的自學習能力可以對不完整的信息進行聯想從而使信息完整準確，導出正確的的輸出，該系統的整體框架如圖1所示。

圖1 典型傳動機械零件參數化設計系統框架圖

2 系統參數化繪圖的實現與關鍵技術

參數化設計實際上就是所謂的尺寸驅動，調用系統提供的編程接口操作該模板，在產品設計的繪圖過程中可以實現自動繪圖功能[8]。在同類型的產品設計當中需要通過不同的關鍵參數來確定不同規格的產品，參數化即通過輸入不同的參數來改變產品的結構尺寸，快速準確地自動生成工程圖。對于約束較多且復雜的圖形來說，分為主約束和次約束兩種。由用戶控制的能夠獨立變化的參數稱為主約束，或主參數，由圖形結構或主約束控制的稱為次約束。對于主約束是不能簡化的，對此約束的簡化可以有圖形特征聯動和相關參數聯動兩種方式。

2.1 系統的參數化繪圖

典型傳動機械零件參數化繪圖系統需要在對話框中輸入相關傳動件類型的結構參數，設計參數是通過程序調用將寫入到程序當中的設計所需參數呈現給用戶。用VB語言建立對話框，經過編程將輸入對話框的參數賦值得到相應的變量，然后建立結構圖和參數之間的關系，編寫子程序計算齒輪軸各拐點的3D坐標[7]。在圖形繪制過程中，系統通過調用命令來完成圖層設置、圖形修改、尺寸和公差標注，最后經過編寫和調試輸入齒輪軸繪圖程序，完成參數化繪圖，具體的參數化繪圖流程如圖2所示。

圖2 典型傳動機械零件參數化繪圖流程

2.2 系統關鍵技術

根據不同的系統其關鍵技術也都各有差異，其最終目的都是為了保證設計合理的情況下提高系統的設計精度，避免重復的設計工作而浪費時間。典型傳動機械零件參數化設計系統的關鍵技術主要體現在以下兩個方面：

（1）初始參數設計可逆的實現。在系統的初始參數設計界面包括了所要設計傳動件類型的初始設計參數，用戶根據需要輸入所要設計參數，由于初始設計參數有的不能夠滿足用戶的設計要求，只能重新進行設計。該功能可以在初始參數設計界面反復更改設計參數，將舊的參數數據存入一個暫存器，最終的設計參數以用戶最終點擊確認按鈕為準并進行賦值。

系統在根據初始設計參數設計出典型傳動零件的具體尺寸后（如齒輪中心矩、模數、齒數等），用戶可以根據需要更改滿意的中心矩或其他尺寸，也可以選擇標準值進行設計，這樣的過程可以反復進行，直到用戶滿意為止。

（2）表格與線圖處理方法。典型傳動機械零件的設計中需要參考許多表數據以達到設計要求，將些表數據程序化，用多維數組檢索方法進行表格處理；對于沒有固定的公式的線圖，需要通過擬合或插值的方法得到，而且這些圖難易不一，因此處理好這些線圖和圖標將對設計的精度起到直接的影響。對于較為復雜的線圖來講，為了提高精確度該系統采用三次樣條插值函數和MatrixVB進行處理，達到了較為理想的效果。

3 結束語

典型傳動機械零件參數化設計系統在原有單一傳動件類型的傳動件基礎上，將各系統內部子模塊的共同點進行歸納和總結，主要包括計算方法、設計準則等，對于不同的技術模塊重新建立分支，提出了一種典型傳動件類型集合化的參數化設計方法。并引進了專家系統模塊和幫助模塊，為用戶提供一種更加可靠和準確的意見和建議，避免了一些不必要的設計誤區。不僅滿足了用戶對標準件的設計，而且可針對不同的需求，設計和制造滿足客戶需要的非標準零件，開辟了一種新的設計思維，使該系統的受眾范圍更加廣泛。該系統有助于更好地指導設計流程，提高設計過程的精確化和用戶的滿意程度，并為進一步的模擬仿真、尺寸精度測量奠定了基礎[9]，對今后典型傳動機械零件的參數化設計系統網絡化、集成化、智能化發展具有重要的作用。

[1]強增. 基于人工智能的齒輪CAD系統（GCAD）的研究與開發[D]. 西安：西安建筑科技大學，2003.

[2]姚慧，曹巖. 基于VBA和AutoCAD的向心關節軸承選型與校驗CAD系統開發[C]. Applied Computing,Computer Science, and Computer Engineering（ACC 2011 V4），2011.

[3]黃忠敏. CHC型少齒差減速器參數化繪圖系統開發[D]. 武漢：武漢理工大學，2012.

[4]孫孝文. 基于CAD軟件的齒輪傳動設計系統開發[J]. 科技廣場，2001（32）：123-125.

[5]張新運. 基于Visual LISP和VBA的蝸桿傳動CAD系統開發[J].西安工業大學學報，2009，29（5）：432-436.

[6]尹朝慶，尹皓. 人工智能與專家系統[M]. 北京：中國水利水電出版社，2002.

[7]楊濤. 連桿式少齒差減速機的CAD參數化設計[J]. 機械研究與應用，2016，29（3）：81-83.

[8]宋龍，馬龍，等. 基于SolidWorks的曲柄壓力機傳動機構部件參數化技術研究[J]. 鍛壓技術，2015，40（2）：107-112.

[9]沈宇涵，宋愛平，等. 蝸桿傳動參數化設計系統的研究[J]. 機械，2017，44（4）：54-59.

Parametric Design System of Typical Mechanical Transmission Parts

LI Jinpei1，YAO Hui1，BAI Yu1，ZHANG Guoan2

( 1.School of Mechatronic Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710000, China; 2.Light Industrial Xi'an Mechanic Design Research Institute, Xi'an 710086, China)

The variety of mechanical transmission parts increases the cost and time of design and production. In order to improve the final product quality and the manufacturing efficiency, this paper explores a new method to serialize and standardize the typical mechanical transmission parts. Based on the traditional single type parametric design system of mechanical transmission parts, the new method is more adaptable to the intelligent design of modern parts. In addition, this paper also analyzes the characteristics of the currently typical design methods for different types of mechanical parts, and examines the limitations when these methods are in practical applications. The paper provides specific technical solutions to the current system, aiming to develop a more adaptable parametric design calculation system so as to provide better service to the users.

parametric design；secondary development；typical mechanical transmission parts；modular

TP391

A

1006－0316 (2018) 04－0011－04

2017－10－19

陜西省工業科技攻關項目（2016GY－024）

李金佩（1992－），男，河南林州人，碩士研究生，主要研究方向為機械工程；姚慧（1977－），女，陜西耀縣人，碩士，講師，主要研究方向為機械設計；白瑀（1975－），男，河南項城人，副教授，主要研究方向為計算機輔助設計、計算機輔助制造。

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.003