基于SolidWorks二次開發的銑齒刀盤參數化建模系統

摘"要：為縮短標準模塊化零件制造工藝的設計時間，基于VB.Net對SolidWorks進行二次開發，建立銑齒刀盤的參數建模系統。以參數化設計原理為指導，分別對齒輪齒廓參數和銑齒刀盤結構參數進行分析；設置相應的功能操作來實現系統的自動建模目標；通過輸入零件模型的具體參數，使用所開發的系統對其進行建模。結果表明：該系統能夠完成齒輪及銑齒刀盤的參數化設計，生成的零件符合要求。

關鍵詞：VB.Net；SolidWorks二次開發；銑齒刀盤；參數化

中圖分類號：TH122;TH132.41;TP391.9""文獻標志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0134-05

Parametric Modeling System of Gear Milling Cutter Head Based on Secondary Development of SolidWorks

ZHANG Jiankun， LIN Xiaochuan， HONG Rongjing， HU Min

（School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

Abstract：In order to shorten the manufacturing process design time of standard modular parts， this paper redevelops SolidWorks based on VB.Net and sets up the parameter modeling system of gear milling cutter head. Guided by the parametric design principle， the gear profile parameters and the milling cutter head structure parameters are analyzed respectively. The corresponding function operation is set to achieve the automatic modeling goal of the system. Through the inputting of the specific parameters of the part model， the developed system is used for its modeling. The results show that the system can complete the parametric design of gear and gear milling cutter head， and the generated parts meet the requirements.

Keywords：VB.Net；secondary development of SolidWorks；gear milling cutter head；parameterization

0"引言

隨著三維CAD軟件和各種開發語言的快速發展，三維CAD軟件的二次開發已經越來越普遍了。SolidWorks是一套基于Windows的三維CAD桌面集成開發軟件，利用SolidWorks的開放性體系為基礎的這一特性，運用高級語言編程可以實現三維模型的參數化、自動化設計［1］。因此，對于一些模塊化的三維零件模型，以SolidWorks為平臺進行二次開發，可以縮短產品零件的設計時間。

齒輪作為機械傳動的重要組成零件之一，具有其他機械傳動零件不可替代的優點，但是在齒輪的設計過程中，需要大量的手工運算，工作效率低且容易出現錯誤。所以在齒輪制造工程中急需一種計算機輔助設計的參數化建模系統，這樣不但可以減少機械工程師在齒輪設計過程中的工作量，也能極大地提高機械產品的生產效率［2］。張湘等［3］根據漸開線齒廓的形成原理，詳細論述了描點法、參數法和差值法3種齒輪建模的方法，并比較了這3種方法的優缺點。焉兆超等［4］以SolidWorks為平臺利用VB編程語言進行二次開發，實現了直齒外齒輪和斜齒輪的參數化設計，但沒有對齒根進行圓角優化處理。CHOE T C等［5］在笛卡兒坐標系下建立了漸開線斜齒輪接觸線的表達式，得到了斜齒輪接觸線的方程和一些參數，為斜齒輪的參數化設計提供理論公式。FENG G S等［6］研究了漸開線斜齒輪傳動的全齒面精確建模，通過修形后的幾何設計方法對斜齒輪進行建模。王平等［7］以Pro/E Wildfire4.0為開發平臺，對斜齒圓柱齒輪進行了參數化建模，并通過Pro/E的族表功能建立了斜齒輪參數化模型庫。在齒輪參數化建模中，大部分學者都是單獨地進行外齒輪的研究，對于內齒輪的研究卻鮮有報道，而且國外對斜齒輪的研究也只是分析其齒廓的設計，并沒有結合計算機輔助對其進行參數化建模。

在從齒輪設計到加工這一過程中，成形銑齒是齒輪加工方法常用的一種工藝，它利用與待加工齒廓形狀完全相符的成形銑齒刀片切削齒形，銑齒刀片搭接在刀盤基體上，二者共同構成銑削刀具。李剛［8］利用SolidWorks和VB軟件編寫了盤形齒輪銑刀三維建模和齒形對比系統。朱柏林等［9］采用UG二次開發工具，在VS環境下，通過C#語言開發了數控高速盤銑刀自動CAD/CAM系統，但沒有具體盤銑刀模型的展示。陳善國等［10］利用VB6.0完成了對SolidWorks軟件的二次開發并建立了盤形齒輪銑刀的三維參數化自動設計系統。王東海等［11］基于UG NX內部的表達式功能提出了齒輪和盤形銑刀的參數化設計方法，但可供齒輪和盤銑刀建模的約束條件太少且重建模型過程復雜。基于盤形銑刀方面的參數化研究可知，雖然銑齒刀盤的設計問題得到了解決，但可供設計人員進行銑齒刀盤模型規格的選擇甚少，設計之后的銑齒刀盤類型單一，而且也沒有建立二者的整體參數化設計界面，缺少齒輪和銑齒刀盤具體成果的展示，因此完善銑齒刀盤的參數化建模勢在必行。

由上可知，針對齒輪和銑齒刀盤二次開發內容的研究，學者們進行了類型各異的先導工作，但關于齒輪參數化建模系統的研究，并沒有考慮到外齒輪和內齒輪的共有參數設計，同時也缺少關于內直/斜齒輪建模的參數化設計，且對于銑齒刀盤的研究也沒有結合齒輪齒廓的參數進行整體參數化建模系統的開發。因為銑齒刀盤是銑削加工齒輪的刀具，二者是不能脫離開的。因此本文以SolidWorks為平臺，利用VB.Net編程語言對齒輪和銑齒刀盤進行二次開發，完成齒輪從設計到制造過程中的整體流程，實現齒輪和銑齒刀盤自動化建模的目標。

1"銑齒刀盤結構分析

在齒輪的加工制造過程中，成形銑齒可轉位盤型刀具能從根本上解決滾削加工齒輪難度大和插削加工齒輪效率低的問題，其銑齒刀片全型搭接，能完成齒輪粗加工、半精加工和精加工的高效銑削，刀具壽命可提高10倍以上，極大地提高了生產效率，因而成為國內銑削加工齒輪的最為理想刀具［12］。

1.1"刀盤基體結構分析

圖1為可轉位成形銑齒刀盤基體的三維結構。

作為銑削加工齒輪的載體，在銑齒加工時會在刀片槽上開有一定規格的孔，成形銑齒刀片則通過內六角螺釘的連接方式安裝在刀盤基體上，通過裝載刀片刃型的形式，可最終確定刀盤的規格及銑削方式。

由于銑齒刀盤基體和成形銑齒刀片是成套供應的，即刀盤基體和銑齒刀片需分開進行設計。其作為模塊化的刀具，刀盤基體結構參數通常具有一定的規格化，可供設計人員進行選擇，所得信息匯總如表1所示。

上述刀盤基體結構參數信息為加工模數6mm～22mm的圓柱齒輪刀具，因此在本文所開發的齒輪及銑齒刀盤參數化建模系統中，按照表1數據，共設置有3種不同規格的銑齒刀盤基體供設計人員進行選擇。同時，在對銑齒刀盤基體三維模型分析之后可知，刀片槽的長度與齒數無關，所以在銑齒加工中通常會使用同一規格的盤型刀具來銑削模數相同而齒數相近的齒輪組，這樣可節約刀片安裝的時間。對刀片槽的寬度起約束作用的是刀片數目N的個數，若刀片數目N較多時，則刀片槽寬度短，反之則長，以保證銑削加工的剛度要求，一般取值范圍是10mm～20mm。

1.2"銑齒刀片結構分析

在銑齒刀盤基體的刀片槽內，錯齒均勻分布著與刀盤規格相匹配的成形銑齒刀片，如圖2所示。圖2（a）為左右兩側的刀片搭接示意圖，圖2（b）為兩側刀片的側視結構圖，圖2（c）為刀片的主視圖。左右兩側刀片共同搭接在刀片槽內進行銑削加工，因此刀盤基體對刀片起約束作用的是刀片槽的結構尺寸。當刀片由于銑削鈍化后，可對換左右兩側的刀片，繼續再使用一次，以保證刀片的合理利用。

表2為與表1刀盤基體相配套的銑齒刀片結構參數信息。可見，隨著齒輪模數的增加，刀片長度的變化程度比較明顯，因為刀片的刃型長度要滿足銑削加工的齒廓長度。當齒輪的模數和齒數確定之后，首先考慮的是刀盤基體規格的選擇，設計人員選擇本系統開發的3種刀盤規格的任意1種；其次通過被加工齒輪的模數可確定滿足銑削要求的刀片類型（若模數發生變化，可通過選擇合適的墊片來改變刀片銑削齒輪的刃長）；最后完成刀片安裝到刀盤基體上的工作。其中刀盤的齒形角α0受齒輪壓力角α的影響，在實際加工時，一般選擇α0=（1～1.2）×α。

通過對銑齒刀盤結構參數的分析，可確定銑齒刀盤各參數變量與齒輪參數之間的約束關系，從而建立銑齒刀盤和齒輪參數之間的關系方程，以齒輪參數來確定銑齒刀盤的尺寸變量，以此來指導銑齒刀盤的參數化設計。

2"銑齒刀盤參數化建模系統的建立

參數化設計是將工程本身編寫為函數的過程，通過修改初始條件值并經過計算機計算得到工程結果的設計過程，從而實現設計過程的自動化。

2.1"建模系統設計

1）界面設計

在對齒輪齒廓和銑齒刀盤進行分析之后，將二者參數化設計的系統融合在一個界面上，如圖3所示，通過設置不同的按鈕來實現類似SolidWorks軟件內部操作的功能。在二者整體建模系統界面中，主要可分為參數輸入區、刀片搭接形式區、三維模型建立區及其他區域。

參數輸入區分為齒輪參數輸入區和刀盤參數輸入區。齒輪參數輸入區中對應著齒輪選擇框架中的4種齒輪形式，當需要進行斜齒輪的建模時，可在對應的標簽下輸入斜齒輪的螺旋角大小。輸入螺旋角為正，則得到右旋斜齒輪；反之，則得到左旋斜齒輪。在刀盤參數輸入信息框中，共設置有3種可供設計人員進行選擇匹配的銑齒刀盤規格尺寸，分別是：刀盤直徑D為 300mm、360mm、420mm；刀盤安裝孔直徑d為80mm、90mm、100mm；刀盤側面圓柱直徑d1為 160mm、170mm、180mm；刀盤厚度H為90mm、100mm。刀片槽數目N按銑齒刀盤加工齒輪時的實際情況進行約束，當設計人員輸入齒輪參數之后，刀盤齒形角α0、刀片長度L、寬度K、厚度S通過“計算刀盤”按鈕，即可顯示配套的刀盤參數信息。

三維模型建立區是當齒輪參數信息和刀盤基體參數信息符合要求后，通過點擊設定的模型建模按鈕，即可在系統界面的三維模型區中得到對應參數自動設計的零件模型。刀片型線搭接區是按照實際銑削加工所設計的4種刀片型線搭接形式，在設計人員需要考慮齒輪的制造流程時，可選擇對應的刀片搭接形式裝配在自動生成的銑齒刀盤基體上。

本系統具有零件模型保存的功能，模擬使用SolidWorks軟件本身保存所設計模型的功能，當設計人員完成目標零件的建模后，在對應的模型保存文本框下輸入需要命名的零件名稱，點擊“保存模型”按鈕，即可把模型保存在既定的文件夾中；若設計人員需要重建齒輪或刀盤基體模型，通過點擊系統界面上的“重建模型”按鈕，即可重新開始建模。

2）系統實現

將銑齒刀盤結構參數和齒輪參數的約束方程以函數的形式編寫在內部程序中，先獲得被加工齒輪的齒廓參數信息，輸入齒廓參數的信息為齒數Z、模數M、壓力角α、變位系數X、螺旋角β、齒寬B、齒根圓角半徑r。在界面上只需輸入相應的齒輪參數，即可生成標準的零件模型。當設計人員確定輸入的齒輪參數信息，選擇需要進行銑削加工的刀片搭接方式后，點擊“計算刀盤”按鈕即可生成匹配齒輪加工的刀盤基體參數信息，再點擊“基體生成”按鈕即可生成目標模型，建立齒輪及銑齒刀盤建模系統的流程如圖4所示。

在VB平臺環境下，采用VB.Net的編程語言對齒輪進行建模，鏈接SolidWorks API接口的代碼及其他代碼如下：

Dim Swapp As SldWorks.SldWorks

’定義SolidWorks軟件文檔

Dim Part As SldWorks.ModelDoc2

’定義零件模型的文檔

Dim Sketchmer As SldWorks.SketchManager

’定義草圖管理器

……

’齒輪倒圓角代碼

Dim Angle_qx2 As Double

Angle_qx2 = Pi / 2 - （Tan（Acos（Radius_f / Radius）） - Acos（Radius_f / Radius） + Pi / Z / 2） *2"’計算以光線照射選擇齒根的角度偏移

Part.Extension.SelectByRay（0， 0， 0， 0， 1， 0， 0.001， 1， False， 0， 0）’選擇齒根倒角部分

Part.Extension.SelectByRay（0， 0， 0， Radius_f / 1000 * Cos（Angle_qx2）， Radius_f / 1000 * Sin（Angle_qx2），0， 0.001， 1， True， 0， 0）

’選擇齒根倒角部分

Dim myFeature3 As SldWorks.Feature

myFeature3=Part.FeatureManager.FeatureFillet3（195， r /1000， 0， 0， 0， 0， 0， 0， 0， 0， 0， 0， 0， 0）"’設置齒輪倒角的參數輸入

Part.ClearSelection2（True）"’倒角完成

……

End "Sub’建模完成

……

’銑齒刀盤建模代碼

Part.Extension.SelectByID2（\"切除-拉伸6\"， \"BODYFEATURE\"， 0， 0， 0， False， 4， Nothing， 0）

Part.Extension.SelectByID2（\"切除-拉伸7\"， \"BODYFEATURE\"， 0， 0， 0， True， 4， Nothing， 0）

Part.Extension.SelectByRay（0.001， -0.001， 0， 0， 1， 0， 0.001， 2， True， 1， 0）

Dim myFeature11 As SldWorks.Feature

myFeature11 = Part.FeatureManager. Feature Circular Pattern5（N， 2*Pi， False， \"NULL\"， False， True， False， False， False， False， 1， 2*Pi， \"NULL\"， False）

'圓周陣列繪制的刀片槽，陣列個數為N個。

……

End "Sub’建模完成

……

’重建模型代碼

Swapp=CreateObject（\"Sldworks.Application\"）

Swapp.Visible = True

Swapp.FrameState = 1

Part = Swapp.NewDocument（\"C：＼ProgramData＼SolidWorks＼SOLIDWORKS2017＼templates＼gb part.prtdot\"， 0， 0， 0）

Sketchmer = Part.SketchManager '草圖繪制

End "Sub

2.2"實例展示

按照圖4的系統建模流程圖，輸入如表3所對應的外斜齒輪齒廓參數，通過相應的操作即可在系統內自動生成與齒輪模型相配套的刀盤結構參數信息，如表4所示。

圖5為齒輪參數和刀盤基體參數確定后，所得的參數化設計結果，其結果顯示在本系統的三維模型建立區中。對于SolidWorks軟件內部自動設計得到的目標零件三維圖，對齒廓進行優化處理，設置齒根圓倒圓角的半徑r為（0.3～0.38）×M，同時在獨特的銑齒刀盤基體建模系統中添加了圓柱齒輪的參數化設計部分，使得齒輪在制造過程中的刀具模型得到展示，并且設置有3種規格的刀盤結構尺寸，分別是刀盤直徑D、刀盤安裝孔直徑d、刀盤側面突起圓柱直徑d1以及刀盤厚度H，此4個參數在刀盤參數輸入區中設為可供選擇的刀盤基體尺寸，便于設計人員在刀盤基體裝配時有更多的選擇，豐富了銑齒的制造工藝。

3"結語

本文利用VB.Net編程語言，以SolidWorks軟件為平臺進行二次開發，分析了齒輪從設計到建模再到制造的參數化設計原理，并建立了銑齒刀盤的參數化設計系統。該系統能夠實現漸開線齒輪的自動建模以及根據齒輪齒廓參數得到配套的銑齒加工刀具，從而縮短了設計人員設計齒輪及銑齒刀盤的時間。本文的主要貢獻有：

1）建立齒輪及銑齒刀盤的參數化建模系統，完善了齒輪從設計到建模再到制造的整體工藝，實現了標準模塊化零件快速成形的設計目標，縮短了研發周期，并且有利于實現齒輪及刀盤生產的系列化和通用化；

2）優化了對齒輪的處理工藝，本系統不僅可以自動生成圓柱外直/斜齒輪，還可生成圓柱內直/斜齒輪，對漸開線圓柱齒輪的參數化建模進行了統一，同時對齒根過渡曲線和圓角進行優化處理，設置有齒根圓角半徑輸入的操作功能；

3）所開發的系統可以實現對不同參數的齒輪和不同規格的銑齒刀盤進行參數化建模的要求，不再局限于單一規格零件的設計，增加了設計人員在進行齒輪和刀盤建模時的選擇性，豐富了銑齒的制造工藝。

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收稿日期：20220905