基于SolidWorks 2006 的渐开线直齿圆柱齿轮参数化设计

摘 要齿轮作为最重要的基础传动部件被广泛地应用于机械、冶金、石化、煤炭、水电等行业。在齿轮设计和生产过程中,需要大量的分析、计算和绘图工作。随着计算机技术的飞速发展，使齿轮设计人员借助计算机及相应软件可迅速、高效、准确地进行设计方案的确定、比较、分析和绘图，为生产企业以高技术、高质量、低成本占领市场提供技术保障。本文论述了利用VB6.0作为开发工具，调用Solidworks API函数对Solidworks进行二次开发，实现精确渐开线直齿圆柱齿轮参数化设计，同时以插件的形式实现了与Solidworks软件的无缝集成，从而提高了齿轮三维造型的速度和效率。利用参数化设计生成的齿轮实体，另存为IGS格式文件导入ANSYS软件，根据齿轮的工作情况及失效形式,建立有限元分析模型,对齿根最大弯曲应力有限元分析。最后利用IGS格式文件生成的MCX格式文件，在Mastercam X4软件中利用数控加工自动编程技术对齿轮齿廓进行数控线切割加工指令程序的编制，并进行数控加工仿真。本论文在solidworks平台上实现精确渐开线直齿圆柱齿轮的参数化三维设计的方法和过程，对同类零件的快速设计具有一定的借鉴意义。关键词: 精确渐开线直齿圆柱齿轮 VB Solidwork二次开发 有限元分析 数控加工仿真AbstractAs the most important foundation of transmission components, gear are widely used in machinery, metallurgy, petrochemical, coal, electricity, etc. Gear design and production process needs a large number of analysis, calculation and mapping work. With the rapid development of computer technology, gear designers by computer and the corresponding software can be quickly and efficiently and accurately to confirm, compare, analyze and draw the design proposal, which provide technical support for production enterprise occupy market with high technology, high quality and low cost.This paper discusses using the development tools of VB6.0 to call API function of Solidworks for secondary development realize the parametric design of precise involute gear, and meanwhile forming the plug-in to achieve seamless integration with the Solidworks software, so it will improve designing the three-dimensional model of gear speedy and efficiently. By using the parametric design of gear entity saved as IGS format file import ANSYS software. According to the working conditions and gear failure form build analysis model of finite element to analyze the maximum bending stress of gear root. Finally, using the MCX format file which generated by the IGS format file program CNC cutting machining instructions of gear tooth profile under the technology of CNC automatic programming, and go on NC machining simulation in the Mastercam X4 software. on the platform of solidworks achieving the method and process of the precise involute gear parameter design have the reference of the rapid design of similar parts.Key words: precise involute gear VB Solidwork redevelop ansys finite element analysis NC machining simulation目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 课题背景与来源11.2 SolidWorks软件简介11.2.1 功能描述11.3 CAD技术在工程设计中的应用及意义21.3.1 目前国内外流行的CAD/CAM 软件21.3.2 国内齿轮传动制造行业现状51.4 本论文研究的主要问题与设计思路6第二章 二次开发平台及语言72.1二次开发的概念72.1.1 二次开发的一般方法72.1.2 SolidWorks二次开发能实现的功能72.2 二次开发介绍72.2.1 二次开发的特点72.2.2支撑软件的选择82.2.3 二次开发编程工具的选择82.2.4 开发的思路8第三章 基于SolidWorks的渐开线直齿圆柱齿轮的参数化设计103.1.2 渐开线的性质103.1.3 齿轮单齿轮廓线形成113.2 二次开发调用函数113.2.1 调用函数的关系113.2.2 定义接口函数113.3 参数化数学模型123.3.1驱动参数界面设计133.3.2 建模程序143.3.3 插件加载24第四章 有限元分析274.1有限单元法简介274.1.1 有限单元法分析计算的基本思路和做法274. 2 ANSYS简介294.2.1 ANSYS的发展294.2.2 ANSYS的功能294.3 单齿轮的有限元分析304.4 小结38第五章 数控加工仿真395.1 数控仿真技术395.1.1 计算机仿真的概念及应用395.1.2 数控仿真技术的研究现状395.2 数控编程的基本概念415.2.1 数控编程及其发展415.2.2 数控编程技术的发展概况415.3 NC刀具轨迹生成方法研究发展现状425.3.1 基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法425.3.2 基于特征的NC刀轨生成方法425.4 线切割加工的基础知识435.4.1 线切割加工的原理435.4.2线切割加工的特点和应用范围435.5 基于Mastercam X4软件的齿轮数控加工仿真445.5.1 线切割加工模型采用已在SolidWorks中创建好的渐开线齿轮模型445.5.2 定义线切割加工工序445.5.3 设置齿轮轮廓线为线切割路径，生成刀位数据文件455.5.4 后置处理475.5.5 NC代码生成475.6 小结48结 论49致 谢50参考文献51附 表52第一章 绪 论1.1 课题背景与来源齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械传动，是传递机器动力和运动的一种主要形式，是机械产品的重要基础零部件。齿轮传动一般是一对齿轮分别安装在主动轴和从动轴上，利用两齿轮轮齿相互啮合以传递运动和动力，它广泛地运用在传动、变速、联接等各类现代机器中。它与带、链、摩擦、液压等机械传动相比，具有功率范围大、传动效率高、圆周速度高、传动比准确、实用寿命长、结构尺寸小等一系列特点。因此，它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件，也是机器中所占比重最大的传动形式。齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。由于齿轮在工业发展中的突出地位，致使齿轮被公认为工业化的一种象征。渐开线齿轮由于传动比准确,传动效率高等优点，在工程实际中应用比较广泛。由于渐开线齿廓的复杂性，一般的CAD软件只能利用直线或圆弧拟合渐开线，很难造出精确的渐开线齿廓，Solidworks可方便地解决此问题。齿轮在机械行业中的广泛应用,使得齿轮的设计和加工显得尤为重要.随着现代制造技术的飞速发展,齿轮的数控加工技术也在迅速提高,但在系统操作的人性化和易用性方面并非完全尽人意.例如具有三维设计和制造功能的优秀软件之一的Pro/Engineer(以下简称Pro/E)系统,仍需要人机交互地建立制造模型,选择加工方法,指定各种特征几何参数,填写刀具参数表等,才能生成刀位轨迹和NC代码,且缺乏与CAPP的信息集成,使CAD/CAPP/CAM的信息集成出现断流.CAPP产生的工艺信息无法直接、自动地为CAM模块所使用.这些都对操作人员的水平要求高,交互复杂。1.2 SolidWorks软件简介Solidworks公司是专业从事三维机械设计、工程分析和产品数据管理软件开发和营销的跨国公司，其软件产品Solidworks提供一系列的三维（3D）设计产品，帮助设计师减少设计时间，增加精确性，提高设计的创新性，并将产品更快推向市场。1.2.1 功能描述1.2D到3D转换工具将2D工程图拖到SolidWorks工程图中的功能；支持包括外部参考的可重复使用2D几何；视图折叠工具，可以从DWG资料产生3D模型。2.内置零件分析测试零件设计，分析设计的完整性。3.机器设计工具具有整套熔接结构设计和文件工具，以及完全关联的钣金功能。4.模具设计工具测试塑料射出制模零件的可制造性。5.消费产品设计工具保持设计中曲率的连续性，以及产品薄壁的内凹零件，可加速消费性产品的设计。6.对现成零组件的线上存取让3D CAD系统使用者透过市场上领先的线上目录使用现在的零组件。7.模型组态管理在一个文件中产生零件或零组件模型的多个设计变化，简化设计的重复使用。8.零件模型建构利用伸长、旋转、薄件特征、进阶薄壳、特征复制排列和钻孔来产生设计。9.曲面设计使用有导引曲线的叠层拉伸和扫出产生复杂曲面、填空钻孔，拖曳控制点以进行简单的相切控制。直观地修剪、延伸、图化、缝织曲面、缩放和复制排列曲面。1.3 CAD技术在工程设计中的应用及意义1.3.1 目前国内外流行的CAD/CAM 软件CAD/CAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。现在，工作站和微机平台CAD/CAM软件己经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件，下面分别介绍国内外一些流行的软件。(1) 国外软件有: Unigraphics( UG)UG是Unigraphics Solutions公司的产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，使得UG被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中UG作为全公司的CAD/CAE/CAM/CIM 主导系统，这进一步推动了UG 的发展。1997年10月Unigraphics Solutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的SOLIDEDGE软件统一到Parasolid平台上。由此形成了一个从低端到高端，兼有Unix工作站版和 Windows NT微机版的较完善的企业级CAD/CAE/CAM/PDM集成系统。 SOLIDEDGESOLIDEDGE是真正的Windows软件。它不是将工作站软件生硬地搬到Windows平台上，而是充分利用Windows基于组件对象模型(COM)的先进技术重写代码。SOLIDEDGE与Microsoft Office兼容，与Windows的OLE技术兼容，这使得设计师们在使用CAD系统时，能够进行Windows下字处理、电子报表、数据库操作等。SOLIDEDGE具有友好的用户界面，它采用一种称为Smart Ribbon的界面技术，用户只要按下一个命令按钮，既可以在Smart Ribbon上看到该命令的具体的内容和详细的步骤，同时在状态条上提示用户下一步操作。SOLIDEDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统，它是为设计人员专门开发的，易于理解和操作的实体造型系统。 AutoCADAutoCAD是Autodesk公司的主导产品。Autodesk公司是世界第四大PC软件公司.目前在CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，也是全球规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及Web网的数据开发等重大领域。AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它具有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。AutoCAD提供Auto LISP、ADS、ARX作为二次开发的工具。在许多实际应用领域中，一些软件开发商在AutoCAD的基础上已经开发出许多符合实际应用的软件。 MDTMDT是 Autodesk公司在PC平台上开发的三维机械CAD系统。它以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体，为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。MDT的推出受到广大用户的普遍欢迎，由于该软件与AutoCAD 同时出自Autodesk公司，因此两者完全融为一体，用户可以方便地实现三维向二维的转换。MDT为AutoCAD用户向三维升级提供了一个较好的选择。 SolidWorksSolidWorks是生信国际有限公司推出的基于Windows的机械设计软件。生信公司是一家专业化的信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际CAD/CAE/CAM/ PDM市场同步。该公司提倡的“基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统”是以Windows为平台，以SolidWorks为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等。Solid Works是基于Windows平台的全参数化特征造型软件，该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，具有更加友好的界面和更为大众化的运行环境，用户上手快， 同时它的价格仅是其余相应软件价格的1/41/5。 CimatronCimatron CAD/CAM系统是以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。Cimatron CAD/CAM系统自从80年代进入市场以来，在国际上的模具制造业备受欢迎。1994年北京宇航计算机软件有限公司(SACS)开始在国内推广Cimatron软件，从8版本起进行了汉化，以满足国内企业不同层次技术人员应用需求。 Pro/EngineerPro/Engineer系统是美国参数技术公司(PTC)的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM 的传统观念，这种全新的概念己成为当今世界机械CAD/CAE/CAM 领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。Pro/Engineer系统具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图，它的用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯，容易使用，可以极大地提高设计效率。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。Pro/Engineer建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。 I-DEASI-DEAS 是美国SDRC公司开发的CAD/CAM软件。该公司是国际上著名的机械 CAD/CAE /CAM公司，许多著名公司，如波音、索尼、三星、现代、福特等公司均是SDRC公司的大客户和合作伙伴。I-DEAS 是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统，它可以在单一数字模型中，完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。I-DEAS是全世界制造业用户广泛应用的大型CAD/CAE/CAM软件。I-DEAS在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。SDRC 也是全球最大的专业CAM软件生产厂商。I-DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品。I-DEASCAMAND可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。 (2)国内软件有:高华CAD高华CAD是由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。该公司是由清华大学和广东科龙(容声)集团联合创建的一个专门从事CAD/CAM/PDM/MIS集成系统的研究、开发、推广、应用、销售和服务的专业化高技术企业。高华CAD系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统GH Drafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM，其中GHMDS是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM 集成系统，它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。 CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师CAXA 电子图板和CAXA-ME制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软件有限公司(原北京航空航天大学华正软件研究所)。该公司是从事CAD/CAE/CAM 软件与工程服务的专业化公司。CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。CAXA-ME是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件。CAXA制造工程师1.0版于1996年推出，CAXA-ME2.0版于1998年3月发布，CAXA-ME2000版业己发布。 GS-CAD98GS-CAD 98是浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统。该公司是国家科委高技术研究发展中心、浙江大学和中国航天总公司CAD/CAM中心在杭州联合创建的高新技术研究、开发和应用企业。大天公司集软件开发、工程应用、信息系统集成和计算机类产品销售为一体，是从事CAD/CAPP/CAM 工程数据库和MIS/OA的开发、应用、销售和服务的专业化高技术公司。GS-CAD 98是一个具有完全自主版权、基于微机、中文Windows95/NT平台的三维CAD系统。该软件是在国家“七五”重大攻关及863/CIMS主题目标产品开发成果的基础上，参照SolidWorks的用户界面风格及主要功能开发完成的。它实现了三维零件设计与装配设计，工程图生成的全程关联，在任一模块中所做的变更，在其他模块中都能自动地做出相应变更。 金银花系统金银花(Lonicera)系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统。该系统是国家科委863/CIMS主题在“九五”期间科技攻关的最新研究成果。该软件主要应用于机械产品设计和制造中，它可以实现设计/制造一体化和自动化。该软件以制造业最高国际标准ISO-10303 (STEP)为系统设计的依据，采用面向对象的技术，使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI标准数据存取接口的技术,具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能。同时还具有多种标准数据接口，如STEP, DXF等，支持产品数据管理(PDM)。目前金银花系统的系列产品包括:机械设计平台MDA、数控编程系统NCP、产品数据管理PDS、工艺设计工具MPP 。 开目CAD开目CAD 是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、 CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。1.3.2 国内齿轮传动制造行业现状目前，我国以上海汽车齿轮总厂、陕西法士特公司为代表的骨干齿轮制造企业和研究所，完成汽车齿轮、摩托车齿轮、工程机械齿轮传动、农机齿轮、工业齿轮变速箱和高速重载齿轮、特殊专用齿轮传动、齿轮专用装备等各类产品的技术引进和消化，使我国齿轮传动制造业近十年得到了跨越式的发展。首先，汽车手动变速箱(含重、中、轻、微)，轿车变速箱，摩托车齿轮、工程机械换挡变速箱，大、中型农机变速传动的配套，已经基本立足国内生产，基本满足了主机厂的配套需要，并已经有部分齿轮件出口或变速箱出口。在汽车自动变速箱方面，目前仍被进口产品控制。其次，在车辆驱动桥、主被动螺旋锥齿轮、直齿锥齿轮及轮边减速机方面，大部分能满足国内配套需要。以东风车桥为代表的驱动桥与锥齿轮产业正在整合重组发展，已经看到快速发展的希望。第三，在工业通用变速箱领域，SEW等一批国外独资企业的进入激活了中国工业通用变速箱企业为代表，在产品系列化、模块化、质量与技术水平方面，最近五年有了突飞猛进的发展，形成了与国际品牌的激烈竞争。我国企业生产的部分产品达到了国际水平，有部分产品已经出口欧美。第四，在高速重载齿轮传动制造方面，我国有已南京高精齿轮股份有限公司(南京高速齿轮箱厂)、重庆齿轮箱厂、杭州前进齿轮箱集团、郑州机械研究所、洛阳中重减速机公司、沈阳矿山减速机公司为代表的企业。这些企业在引进技术的过程中，为我国大型成套装备配套与船舶工业的发展做出了重大贡献。第五，特殊、专用车轮传动方面，如非圆齿轮、塑料齿轮、粉末冶金齿轮、小模数齿轮等，我国目前没有形成龙头企业，企业的技术潜力尚待发挥。 第六，齿轮专用装备方面，近五年来民营企业发展较快，国有企业发展比较慢。大多数国有齿轮装备制造企业的装备可靠性指标进步较慢，致使齿轮行业的大部分主导精加工装备仍是以进口为主。部分齿轮企业装备国产化的希望主要有：秦川机床厂的蜗杆砂轮磨齿机；重庆机床厂、南京二机厂的数控机床；螺旋锥齿轮磨齿机床的研制成功；天津元昊公司数控螺旋锥齿轮切齿机床的批量供货；杭州天辰精密齿轮检具、量具、夹具；长城润滑油对齿轮行业的润滑市场服务。这些都让我国齿轮行业看到了自立创新、自主发展的希望。1.4 本论文研究的主要问题与设计思路利用SOLIDWORKS三维造型软件，对渐开线齿轮进行精确的三维造型设计，并通过标准数据接口转换进入有限元分析系统，根据齿轮的工作情况及失效形式，建立有限元分析模型，对所设计零件进行校核。最后对零件进行数控线切割加工指令程序的编制，并进行数控加工仿真。齿轮的实体造型中对渐开线齿廓曲线进行精确绘制，以满足轮齿造型的准确性，针对渐开线直齿圆柱齿轮，通过采用笛卡尔坐标方程得到渐开线上一系列型值worksk中准确的绘制出渐开线齿廓曲线，从而实现Solidworks软件中的齿轮三维实体造型。第二章 二次开发平台及语言2.1二次开发的概念所谓CAD/CAM软件的二次开发，是指在现有支撑软件的基础上，为提高设计质量和完善软件的功能，使之更符合用户的需求而做的开发工作。其根本目的是提高设计、制造质量，缩短产品的生产周期，充分发挥CAD/CAM软件的价值。当前主流的三维软件都提供了二次开发接口（API），是用户能在软件本身功能上开发出新的功能模块，满足特定的需求。2.1.1 二次开发的一般方法 在二次开发过程中，根据二次开发技术的不同，可以分为两种模式：内嵌机制和外部机制，内嵌机制是把语法解释器集成在支撑软件中，直接在程序中调用脚本程序段，执行后即可支撑软件中获得结果，如ArcView中的脚本、AutoCAD中的AutoLisp就属于这种形式。外部开发机制则是由外部集成开发环境，如用VC+、VB、Delphi等，调用支撑软件程序暴露的接口，在调用程序中实现支撑软件程序中功能模块提供的功能。内嵌机制的优点是针对性较强，与支撑软件程序的融合性好、易学易用，它主要是对支撑软件程序的功能的扩展（如CAD图形节点自动探测、自动更正）再建模板库和界面定制等。然而由于它固定在支撑软件程序上，因此功能受到限制，灵活性不足，只能与支撑软件程序一起运行。外部机制方式则功能强大，几乎可以实现支撑软件程序所提供的所有功能，并有较强的独立性，还可以生成新的应用程序，拥有自己的界面和功能，它的执行不影响支撑软件程序的运行。另外，外部开发机制还可以将开发成果作为插件的形式在支撑软件程序中调用，增加支撑软件的功能。这一开发模式就相当于一次软件创新。它要求开发人员有较高素质，应对支撑软件程序有相当的了解，而且对支撑软件的要求也较高。2.1.2 SolidWorks二次开发能实现的功能SolidWorks二次开发能实现的功能可以分为两大类：一类是实现与用户通过SolidWorks软件的交互界面调用相同的功能。另一类是只能通过API接口才能访问的功能，而用户无法通过软件的交互界面调用的功能。具体的可以分为以下几大部分：零件文档模式下的二次开发装配体文档模式下的二次开发工程图模式下的二次开发工程图模式下的二次开发三种文档模式共有的二次开发用户界面的二次开发等等。2.2 二次开发介绍2.2.1 二次开发的特点一般的二次开发系统都是为减少设计人员的重复劳动，提高工作效率和工作质量而进行开发的，更高层次对软件的应用。由于二次开发一般是针对特定用户设计的，因此二次开发的专业性很强，必须由一些既懂专业技术，又具备软件设计能力的人员来完成。二次开发不同于一般的软件开发，主要在于它不是从底层开始的软件设计，已有的软件基础上的完善和提高，变得适合用户的需要，所以二次开发有很强承性，二次开发后的软件的性能很大程度上取决于支撑软件的性能和开放程度。因为二次开发是对已有的软件的提高，许多复杂的内核已由支撑软件来完成。因此开发工作相对的简单，工作量较小。2.2.2支撑软件的选择二次开发的支撑软件应该满足以下的几个方面的要求：1）支撑软件应该是一种通用的软件。通用软件应不是面向某个行业开发的，提供的功能覆盖面广，能完成多个行业的基本所需功能，系统性能优良，功能齐全，稳定可靠，具有很强的生命力。2）支撑软件必须是开放的体系，具有良好的用户接口。开放体系是指能向用户提供嵌入系统的语言或使用高级语言，用户据此可以编写自己的应用程序，在应用程序中，可以使用系统二次开发工具来进行自己的应用程序的开发。3）对二次开发支撑系统的基本要求：生成和显示速度快、图形的质量高、结构稳定可靠、交互方式灵活多样、简单明了。4）具有菜单、工具条、对话框、热键等组成友好的界面，并提供相应的工具,目前我国市场上比较流行的有UG、PRO/E、MDT、SolidWorks、SolidEdge等。由于SolidWorks在价格上的优势，适合中小企业使用，加之对其功能和操作性等方面的考率，决定以SolidWorks为支撑平台软件。2.2.3 二次开发编程工具的选择采用什么样的二次开发编程工具是由支撑软件来决定的。已选SolidWorks作为二次开发的平台，由表2-1可知，能够对SolidWorks二次开发的编程软件工具有VB、VC+、DelphiVBA等，本课题选用VB作为开发工具。是因为Visual BASIC具有以下特点：1.Visual BASIC的可视化界面设计方式能使用户毫不费力地设计出所需的软件界面。2.Visual BASIC强大的多媒体功能很容易实现文本、图形、图像的展现。3.Visual BASIC的事件驱动特性很容易实现多界面切换。4.Visual BASIC是开发Windows应用程序的强有力的工具，用Visual BASIC能轻而易举地开发符合Windows规范和风格的应用程序，学习后能立即付诸使用。2.2.4 开发的思路1.在Visual Basic 6.0中编辑宏语句，找到接口语句，用来调用SolidWorks2007(或其他版本)的API。2.运用渐开线函数建立计算关键点的坐标值。3.调用样条曲线命令拟合渐开线，绘制出标准齿形。4.调用拉伸命令，拉出齿轮单齿。5. 调用阵列命令，得到完整齿形。6. 切除拉伸出轴孔和键槽。表 2.1 几种支撑软件的比较序号功能比较SolidworksPRO/EI-DEAS1操作性完全的Windows界面简单、易学封闭的命令、多层复杂的指令难学难用位图式多层指令尚可学不方便2辅助绘图性智慧导向绘图模式无，完全靠设计者智慧导向绘图模式3软件的处理模式参数式实体模型计算核心，可选择全参数模式完全参数式设计、但必须先标全部尺寸变数式模型计算核心、参变数设计，技术未完全成熟4绘图流程可以由特征管理员记录并可以进行特征变更管理无，由设计者自己记忆无，由设计者自己记忆5轮廓产生可以在三维空间中绘制限制在二维平面限制在二维平面6数据文件交换性具有良好的CAD/CAM数据交换性可以插入Cut，Boss，Thicken等功能二维完全支持DXF和DWG具有良好的CAD/CAM数据交换性二维仅支持DXF和DWG具有良好的CAD/CAM数据交换性7造型功能具有良好的产品造型功能只能做一般的阴影只能做一般的阴影8语言接口可以用VB，VC+、Delphi轻易开发应用程序专用语言难学难用不宜做二次开发专用语言难学难用不宜做二次开发9硬件需求低中中10动态预览有无无11集成性好可以做到无缝集成集成性差集成性差12中文应用完全的中文应用无无第三章 基于SolidWorks的渐开线直齿圆柱齿轮的参数化设计在实际设计中，大量新产品的设计只是在一个原有产品的基础上做一些小的改动，并且希望修改后马上产生新的模型，但传统的建模方法(线框建模、曲面建模、实体建模)只能建立固定的设计模型，缺乏变参数设计功能，模型一旦建立，修改时则需重新建模，设计效率低，不能满足现代设计系统中对辅助设计变量和已有设计的可再使用性以及设计自动化的要求。随着CAD技术的发展，为了能快速建立产品模型，全面而完整地表达设计者的意图，提出了参数化设计方法。参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不需确定的数值，变化一个参数值，将自动实现约束联动(包括图形特征联动和相关参数联动)。它可以消除传统CAD系统的一系列缺陷，更强调面向工程的应用，成为进行初始设计、产品模型修改、多种方案设计的有效手段，深受工程设计人员的欢迎。本章探讨在solidworks平台上实现精确渐开线直齿圆柱齿轮的参数化三维设计的方法和过程。3.1 渐开线的形成及数学建模3.1.1形成原理及建模如图3.1所示，当一直线BK沿着一圆周做纯滚动时，直线上任意点K，就是该圆的渐开线。这个圆称为渐开线的基圆，它的半径用rb表示，直线BK叫做渐开线的发生线；角k叫做渐开线AK段的展角。图3.1 渐开线形成原理数学表达如下：又称为压力角的渐开线函数渐开线的极坐标方程：当用直角坐标来表示渐开线时，其方程为： 3.1.2 渐开线的性质1.发生线沿基圆滚过的线段长度等于基圆上被滚过的相应弧长。2.渐开线上任意一点法线必然与基圆相切。换言之，基圆的切线必为渐开线上某点的法线。因为当发生线在基圆上作纯滚动时，它与基圆的切点B是发生线上各点在这一瞬时的速度瞬心，渐开线上K点的轨迹可视为以B点为圆心，BK为半径所作的极小圆弧，故B点为渐开线上K点的曲率中心，BK为其曲率半径和K点的法线，而发生线始终相切于基圆，所以渐开线上任意一点法线必然与基圆相切。3.渐开线齿廓上某点的法线与该点的速度方向所夹的锐角称为该点的压力角。4.渐开线的形状只取决于基圆大小。5.基圆内无渐开线。3.1.3 齿轮单齿轮廓线形成图3.2 单齿齿廓渐开线直齿圆柱齿轮的单齿齿廓形成结构如图3.2所示，左右齿廓由齿顶圆连接，齿廓与齿根由过渡圆弧连接，构成了单个齿的齿廓。3.2 二次开发调用函数二次开发调用函数的结构关系如图3.3所示3.2.1 调用函数的关系在调用solidworks的过程中，我们只有对各个函数之间的关系和层次分的明了清楚，才能保证正确调用。如上表所示，在编程中可以用作对象参考。3.2.2 定义接口函数要调用solidworks的API其他功能，必须先调用接口对象。一般的在程序里写为：Dim swApp As Object Set swApp = CreateObject(SldWorks.Application)图3.3 函数调用结构3.3 参数化数学模型程序主界面设计如图3.4：图3.4 程序主界面3.3.1驱动参数界面设计本次设计需要输入的参数有齿数Z、模数m、压力角、轴径、键槽宽、键t1值以及齿宽的相关尺寸。程序界面如图3.5所示。图3.5 输入参数界面3.3.2 建模程序下面就本次的设计程序附图说明设计过程。在创建模型的过程中，首先经过在VB环境下的数学模型的计算，得出重要数据并准备好传递给SolidWorks数据接口API，等待调用。Dim swApp As ObjectDim swPart As ObjectDim boolstatus As BooleanDim longstatus As LongDim u As Double 展角度数（弧度）Dim Db As Double 基圆直径Dim Da As Double 齿顶圆直径Dim m As Double 模数Dim Z As Double 齿数Dim D As Double 分度圆直径Dim Df As Double 齿根圆直径Dim zhouj As Double 周节Dim faj As Double 法节Dim b As Double 键槽宽及计算所用参数Dim bb As DoubleDim t1 As DoubleDim DD As DoubleDim As Double 压力角Dim h As Double 齿顶高系数Dim c As Double 顶隙系数Dim x00() As Double 坐标函数点值：x，yDim y00() As DoubleDim x0() As DoubleDim y0() As DoubleDim p00() As Double 坐标函数点值：p，qDim q00() As DoubleDim p0() As DoubleDim q0() As DoubleDim pi As Double pi的近似值Dim hh As Double 齿轮的厚度Dim t As DoubleDim s As DoubleDim inv As DoubleDim sb As DoubleDim j As DoubleDim i As Integer需要的数据定义完成后，下面就是完成渐开线及齿轮的其他参数相应计算。这里程序中分为输入参数和输出参数两大部分。前文已经论述过，创建一个渐开线直齿圆柱齿轮需要三个最基本的参数，模数、齿数、压力角。我国标准齿轮的齿顶高系数及顶隙系数已经固定，这里不做参数化考虑。下面就是有关的几个基本计算的程序：pi = 3.14159265358979Z = Val(Text1.Text)m = Val(Text2.Text) = Val(Text3.Text) * pi / 180DD = Val(Text4.Text)b = Val(Text5.Text)t1 = Val(Text6.Text)hh = Val(Text7.Text) 齿轮的拉伸厚度h = 1 齿顶高系数c = 0.25 顶隙系数Da = m * (Z + 2 * h) 齿顶圆直径D = m * Z 分度圆直径Db = m * Z * Cos() 基圆直径Df = m * (Z - 2 * h - 2 * c) 齿根圆直径zhouj = pi * m 周节faj = pi * m * Cos() 法节*输出值*Form3.Text1.Text = Str$(D)Form3.Text2.Text = Str$(Df)Form3.Text3.Text = Str$(Da)Form3.Text4.Text = Str$(Db)Form3.Text5.Text = Str$(zhouj)Form3.Text6.Text = Str$(faj)Form3.ShowUnload Me输出值界面如图3.6所示图3.6 输出参数界面*u = Sqr(Val(Da) / Val(Db) 2 - 1) 展角度数（弧度）有了如上数据的准备，接下来就可以进行渐开线的计算了。首先，通过渐开线的直角坐标方程，联立方程组，可以求出 u 的最大值，也就是齿顶圆上的展角度数。我们知道，在齿数小于等于41的时候，齿廓上的渐开线的起点是在基圆上，所以在基圆上的展角度数等于零。本次设计将展角度数9等分。下面就是正向渐开线的的计算程序。这里运用循环语句实现计算For i = 1 To 10If t = u Thenx0(i) = 0.5 * Db * Sin(t) - 0.5 * Db * t * Cos(t) 渐开线方程y0(i) = 0.5 * Db * Cos(t) + 0.5 * Db * t * Sin(t)t = t + gEnd IfNext i在计算出正向渐开线的基础上，利用y轴的对称关系，可以计算出反向渐开线的坐标点值。如下面的程序：For i = 1 To 10If t = u Thenp00(i) = -0.5 * Db * Sin(t) + 0.5 * Db * t * Cos(t)q00(i) = 0.5 * Db * Cos(t) + 0.5 * Db * t * Sin(t)p0(i) = p00(i) * Cos(j) + q00(i) * Sin(j)q0(i) = -p00(i) * Sin(j) + q00(i) * Cos(j)t = t + gEnd IfNext i通过上面两段程序的计算，渐开线的点值就计算出来了。这里反向渐开线仅仅是跟正向渐开线关于y轴对称，从理论上还不能形成齿廓，需要将其旋转一个齿厚所对应的角度。程序如下：s = pi * m / 2inv = Tan() - sb = Cos() * (s + m * Z * inv)j = 2 * sb / Db有前面叙述可知41齿以下的齿廓曲线由径向线和渐开线组成。径向线的起点为齿根圆的半径终点为基圆的半径。数据如下：xx = 0yy = 0.5 * Dfxx1 = xx * Cos(j) + yy * Sin(j)yy1 = xx * Sin(j) + yy * Cos(j)可知两条径向线已经准备完毕。接下来就是VB与SolidWorks之间的数据传递。SolidWorks的API是完全对外开放的。外部数据想要驱动SolidWorks就必须先打开他的数据接口，我们运用的语句是：Set swApp = CreateObject(SldWorks.Application)Set Part = swApp.NewPartSet Part = swApp.ActiveDoc数据接口打开后，程序中的绘图语句就会自动接收数据创建草图模型。本次设计先绘制一个轮齿的草图。主要步骤：1. 连接齿顶圆弧劣弧2. 连接径向线与渐开线3. 连接齿根圆优弧实现语句如下：*样条曲线拟和*Part.SketchSpline 10, 0.001 * xx, 0.001 * yy, 0Part.SketchSpline 9, 0.001 * x0(1), 0.001 * y0(1), 0Part.SketchSpline 8, 0.001 * x0(2), 0.001 * y0(2), 0Part.SketchSpline 7, 0.001 * x0(3), 0.001 * y0(3), 0Part.SketchSpline 6, 0.001 * x0(4), 0.001 * y0(4), 0Part.SketchSpline 5, 0.001 * x0(5), 0.001 * y0(5), 0Part.SketchSpline 4, 0.001 * x0(6), 0.001 * y0(6), 0Part.SketchSpline 3, 0.001 * x0(7), 0.001 * y0(7), 0Part.SketchSpline 2, 0.001 * x0(8), 0.001 * y0(8), 0Part.SketchSpline 1, 0.001 * x0(9), 0.001 * y0(9), 0Part.SketchSpline 0, 0.001 * x0(10), 0.001 * y0(10), 0Part.SketchSpline 10, 0.001 * xx1, 0.001 * yy1, 0Part.SketchSpline 9, 0.001 * p0(1), 0.001 * q0(1), 0Part.SketchSpline 8, 0.001 * p0(2), 0.001 * q0(2), 0Part.SketchSpline 7, 0.001 * p0(3), 0.001 * q0(3), 0Part.SketchSpline 6, 0.001 * p0(4), 0.001 * q0(4), 0Part.SketchSpline 5, 0.001 * p0(5), 0.001 * q0(5), 0Part.SketchSpline 4, 0.001 * p0(6), 0.001 * q0(6), 0Part.SketchSpline 3, 0.001 * p0(7), 0.001 * q0(7), 0Part.SketchSpline 2, 0.001 * p0(8), 0.001 * q0(8), 0Part.SketchSpline 1, 0.001 * p0(9), 0.001 * q0(9), 0Part.SketchSpline 0, 0.001 * p0(10), 0.001 * q0(10), 0加入绘制草图命令即可实现目的，程序运行后会出现如图3.7的效果：图3.7 草图接下来，就是要通过执行拉伸命令制作出单个轮齿齿坯实体造型。齿宽是通过输入得到的参数，具体的语句如下：hh = Val(Text7.Text) 齿轮的拉伸厚度下面是拉伸命令及模型图：*单齿拉伸*Part.ShowNamedView2 *上下二等角轴测, 8boolstatus = Part.Extension.SelectByID2(草图1, SKETCHREGION, -0.006129740340857, -0.006757397417192, 0.008770383608117, True, 4, Nothing, 0)Part.ClearSelection2 Trueboolstatus = Part.Extension.SelectByID2(草图1, SKETCH, -0.006129740340857, -0.006757397417192, 0.00877038