基于solidworks的齿轮cad系统开发学士学位论文.doc

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常熟理工学院毕业设计(论文)1.引言1.1课题研究背景和意义齿轮传动是现代机械设备中应用最广泛的一种传动方式。与带传动、链传动等相比，齿轮传动具有效率高，使用寿命长、维护方便，传动比恒定、传动平稳等优点，在各种机械设备中广泛应用[1]。大到矿山机械的传动装置，小到汽车变速箱、甚至日常生活中使用的玩具汽车等小型机械，无不渗透着齿轮传动装置的应用。所以在一定意义上说，齿轮设计与制造系统技术标志着一个国家工业技术的水平[4]。随着近代科学的迅速发展，对齿轮传动的设计和制造水平提出了更高的要求。发展趋势是向六高、二低、三化方向发展。六高是指、高承载能力、高传动效率、高精度、高速度高齿面硬度及高可靠性；二低，即低噪声、低成本；三化，即通用化标准化、多样化、[2]。从六十年代以来，很多工业技术发达的国家如德国、美国、日本等，在发展高精度、硬齿面齿轮，磨齿及齿轮修形方面取得了重大的成果。随着改革开放进一步深入，国际交流的加强，国内齿轮制造企业需要提高在汽车、大型工程机械、大型成套设备等领域内齿轮的设计制造水平，成为摆在我们面前的一道艰巨的课题[3]。而当前我国齿轮技术的主要科研方向是：齿轮的热处理技术；高速大功率齿轮热弹变形的测量和修形技术的研究；电子计算机在齿轮技术中的应用研究；齿轮的损伤分析和损伤预报；齿轮装置的噪声控制技术的研究等[4]。这些研究方向都需要对齿轮传动进行精确的设计造型。而随着计算机技术的发展，CAD技术已被越来越多企业重视，CAD软件已经在众多企业普及。然而由于设计人员素质等方面原因，在我国还有众多用户仅仅是将通过CAD软件作为绘图工具，使所绘图形便于保存或修改，并没有真正实现通过计算机进行辅助设计的目的，设计手段的本质仍是繁杂的手工设计。但是由于传统的二维设计的局限性，新型的三维设计以其直观性强、方便修改、便于分析检验等方面的优点已逐步被国际上的众多大公司引用。近些年出现诸多优秀三维软件，如UG、SolidWorks、Proe等。但是因为商业软件所要兼顾通用性，并不会为解决某个具体的问题专门设计一些模块，因此在解决一些具体设计问题时，常常需要企业根据自身需求对通用CAD软件进行自主化的二次开发，以提高通用软件的设计效率和使用范围。通过对一些通用软件进行二次开发来实现某种特定的功用，已经成为当代CAD软件应用一种潮流和趋势[11]。37 常熟理工学院毕业设计(论文)所以将CAD技术引入到齿轮传动设计中来，建立一个集参数化设计与三维特征建模于一身的齿轮传动CAD系统，是齿轮传动设计的发展趋势。本课题以齿轮三维设计为突破口，以SolidWorks2010作为支撑软件，把渐开线圆柱齿轮的几何参数设计和三维精确造型作为研究重点，开发了齿轮类零件三维设计专用模块系统。该系统能够较好地实现齿轮设计过程的自动化，避免设计人员通过手工查阅大量技术数据，也可避免三维造型过程中靠手工取点的繁琐及不精确性，能够让齿轮设计人员从繁琐、低效的手工设计工作中解放出来，并提高设计质量和效率[11]。齿轮传动参数化设计与三维造型模块系统是现代CAD技术与齿轮设计相结合的产物，也是两者发展的必然趋势。本课题以常用渐开线圆柱齿轮传动为设计对象，将齿轮传动的参数设计及强度校核、三维实体造型等种功能集合在一起，适应了齿轮传动设计的发展趋势，从而具有非常实用价值。1.2国内外研究动态渐开线圆柱齿轮的设计已经历二百多年，设计理论非常成熟，设计资料也相当丰富。渐开线圆柱齿轮的主要参数已经标准化、系列化。因而现代工程技术对齿轮参数设计、三维造型等功能提出了更高要求。为适应现代制造技术的需求，涌现出许多大型的的商业应用软件，但或多或少都存在一些不完善的地方。有些系统即使实现了齿轮三维造型，所建模型却也非常粗糙，难以精确地表达渐开线齿廓的几何特征；有的软件只具有几何参数设计而缺少三维造型功能；而有些软件不能充分注重设计者的设计需求，表现在为减少设计难度，齿轮的一些经验参数直接采用了系统默认值，当输入的唯一初始值的时候，却只能得到唯一的结果，这显然是不符合实际的设计需求。当然少数公司也开发了较为完善的专用齿轮设计软件，如美国Camnetics公司的GearTrax插件，可以建立光滑的渐开线齿廓，直观、简单、功能强大，自动变位量更新功能，比较适合生产实际的需要，价格却很高，如果仅为设计齿轮购买价格昂贵的专用软件对中小企业负担很重，但是该插件所建的齿廓为抛物线线型，从而得到的造型曲线并不精确。因此应用小型CAD软件对齿轮进行自身化、参数化造型设计已成为各个领域齿轮设计者的迫切需求。37 常熟理工学院毕业设计(论文)1.3三维CAD齿轮参数化设计系统的发展现状1.3.1三维CAD软件齿轮参数设计情况虽然目前有关齿轮设计的资料比较完善，理论已相当成熟，但其设计过程仍然比较繁琐。考虑到齿轮设计这种情况，国内外许多大型商业软件也逐渐开始在自己软件内部开发适用于齿轮传动设计的专用插件，但由于软件通用性及自身不便且过于庞大等原因，其齿轮设计部分多数比较简易，且参数较少，只适用于一般设计要求。像对于齿轮三维建模，中端三维软件SolidEdge提供了其设计原型，但无论是其对齿轮齿廓的特征的精确描述，还是由三维模型到二维工程图纸的转换等功能都没有提供很好的解决方案，虽然其支持三维模型/二维工程图的转换功能，但是转化过程中的图幅的选择，尺寸标注，齿轮技术参数表内数据的更新等技术问题都没有得到很好的解决，还需靠人工逐一检验修改，造成重复劳动，也容易出错。从在SolidWorks2007开始有直接生成标准齿轮的插件，但参数较少，且建立的齿轮模型也不精确，不能用于后续的数控加工及有限元分析，难以做到设计、制造及检测的一体化[11]。1.3.2SolidWorks齿轮建模方法SolidWorks是基于Windows的三维CAD软件，具有全面的参数化特征造型，灵活的装配设计和约束检验，以及快速生成工程图功能，同时还具有强大的数据转换接口，便于与其他软件进行数据转换。但该软件在参数绘图方面的功能模块还不完善，因为没有公式图线功能，齿轮建模时只能用近似圆弧代替渐开线齿廓曲线，精度比较低，或根据齿轮渐开线方程计算坐标值采用手工取点方法绘制渐开线齿廓，效率低而对设计人员的要求较高，设计人员既要熟悉齿轮设计又要对软件应用非常熟练。实现齿轮三维造型，关键是精确地绘制渐开线齿廓。在SolidWorks中，一般是采用齿轮设计插件或者调用标准零件库的方法来进行齿轮的快速建模，还有借助于程序开发或与其他软件的数据交换等功能得到精确渐开线齿廓，再进行建模。总结现有SolidWorks软件进行齿轮三维造型的方法，主要有以下几种[7]：(1)用SolidWorksToolbox建模SolidWorksToolbox是集成于SolidWorks软件的标准件库。利SolidworksToolbox，用户只需选择相应标准并指定相应标准件的类型和基本参数，即可方便地生成、构造并调用Toolbox中的标准零部件。用户还可以自定义SolidWorksToolbox零件库，建立用户公司的标准，以节省日后建立标准零件的时间。从2007版开始，SolidW37 常熟理工学院毕业设计(论文)orks提供了齿轮设计库，方便用户通过设计参数的方法自动生成齿轮。(2)齿轮设计专用插件建模美国Camnetics公司的GearTrax插件，一种简单易用的、在SolidWorks内部就可以完成驱动零件实体造型工具。可生成：直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、涡轮蜗杆、渐开线花键，链轮，齿形带带轮，V带带轮等。主要特点：直观易用，功能强大；支持主要工业国家标准；支持塑料齿轮设计标准；真正的精确渐开线齿廓；渐开线齿廓曲线可导入SolidWorks草图；单个齿实体可以加入已有.prt文件。类似功能的国内软件有济南法恩特集成技术有限公司开发的法恩特三维齿轮专家系统V2.0，基于SolidWorks使用，并符合中国国家标准，直接输入齿轮相关参数，即可方便在得到精确的渐开线齿轮。(3)借用CAXA电子图版生成渐开线齿廓进行建模CAXA电子图版是一款优秀的国产二维CAD软件，简单、易用、符合我国国家标准，在中小企业中有较大的占有率。该软件与渐开线齿轮齿形绘制功能，在对话框中输入齿轮的齿数、模数、压力角、变位系数等参数，并可设置齿形的齿顶过度圆角的半径和齿根过度圆弧半径及齿形的精度，直接生成齿轮的渐开线齿廓，可生成全部或部分轮齿的齿形图。利用DXF格式的文件建立SolidWorks和CAXA电子图板的联系，将在电子图板中绘制好的齿轮齿形保存为DXF格式的文件备用。在SolidWorks软件中对齿轮建模时，导入保存过的齿轮齿形DXF文件，并设置齿轮曲线数据单位为“毫米”，即可完成齿轮轮齿的草图绘制，通过拉伸或扫描特征完成齿轮造型。然后进行齿轮轮毂、腹板等基体结构建模，从而完成整体齿轮三维模型。(4)用编程法编制渐开线曲线程序进行建模根据渐开线曲线的直角坐标参数方程，应用高级编程语言VB或VC语言等编写生成渐开线齿廓曲线的应用程序，并保存生成.txt文件。在SolidWorks利用“通过XYZ点的曲线”命令，使用文本编辑器或电子表格应用程序为曲线点生成包含有坐标值的文件。单击对话框中的“确定”按钮，所需渐开线曲线即出现在屏幕上，然后进行其他步骤完成齿轮的三维建模。1.3.3SolidWorks齿轮建模方法比较以上几种方法中，使用软件自带SolidWorksToolbox标准件库是对齿轮建模最简单的一种方法，用此方法得到的齿轮模型能够满足一般用机械虚拟装配要求。但是Toolbox标准件库中，只有几种最基本的齿轮，而且设计界面中也仅有模数、齿数、压力角等几个最基本的参数值，应用范围较狭窄，不能满足其他的常用齿轮如变位齿轮设计等的要求。37 常熟理工学院毕业设计(论文)GearTrax齿轮插件直观易用，功能强大，参数齐全，精度较高，比较符合设计生成需求。通过选择齿轮类型，输入齿轮设计相关参数，自动生成具有较为精确齿形的齿轮，绘制出齿轮齿形与实际基本一致。能够设计圆柱齿轮，同步带轮，螺旋锥齿轮，涡轮蜗杆等齿轮传动；生成输入数据，与所画的齿轮相啮合的齿轮。该插件是一种简单易用的齿轮造型工具，但价格昂贵，若果仅为齿轮设计需要购买对中小企业负担较重。借用CAXA电子图板绘制渐开线通过DXF文件与SolidWorks软件结合实现齿轮的建模，不必购买价格昂贵专用插件，方便易行，对中小企业或是学校课程设计等需要比较实用，但所绘齿轮精度不高，如果齿根过渡曲线直接选取0.38m，不切合生产实际。而利用编程法生成渐开线完成齿轮设计，能够实现许多特殊结构曲线、曲面等的造型，使得仿真设计更趋于生产实际。该方法对于摆线齿轮、变位齿轮、圆锥齿轮等其他复杂齿轮轮齿齿廓曲线的设计只是形状不同，而其开发原理基本相同。与以上三种方法比较，需要开发者具备一定的编程知识，对通用软件进行二次开发，完成所需专业CAD系统开发，从而提高通用软件的设计效率。本文针对目前齿轮传动设计现状提出相应的解决方案，运用编程法开发了基于SolidWorks齿轮三维设计专用模块系统，将齿轮的设计与校核与三维造型集成，实现齿轮几何参数设计自动化，提供了渐开线齿廓的精确建模的功能。1.4本课题研究的主要内容1.4.1本课题研究的主要内容本课题以SolidWorks2010为支撑平台，利用VB编程，采用参数化设计和特征建模技术实现了渐开线圆柱齿轮的参数设计和三维精确造型绘制。整个系统包括两大部分：齿轮几个参数设计模块和三维精确造型模块，并集成了这两大模块。本课题主要内容包括以下两个方面：（1）几何参数设计及强度校核本部分包括齿轮的几个参数设计及承载能力分析计算，对齿轮齿面接触强度及齿根弯曲强度的进行强度校核计算。主要根据齿轮设计理论，利用VB编程计算；并通过调用SolidWorks的API函数，将编译好的可执行程序，嵌入SolidWorks中。实现了对齿轮几何参数特征的描述，开发了直齿、斜齿圆柱齿轮的几何参数设计模块。该模块可根据输入的基本工作参数，通过程序分析计算，确定出齿轮的齿数、模数等几何参数及齿轮建模用的控制参数等以备齿轮造型使用。（2）渐开线圆柱齿轮的实体建模37 常熟理工学院毕业设计(论文)根据输入齿轮主要参数生成齿轮的三维实体模型是，把齿轮建模的全过程录制成宏文件，找出宏文件中与模型生成有关的关键函数，弄清关键常数的变化对实体造型的影响，把关键常数用变量代替，就建立了SolidWorks中的渐开线齿轮的参数化模型。该部分是渐开线齿廓部分的精确造型的功能。1.4.2具体要求（1）能够实现齿轮参数设计过程自动化。根据输入的相关参数，选择设计方法，自动调用程序，进行齿轮参数的初步设计。并根据设计准则进行齿面接触疲劳强度或齿根的弯曲疲劳强度的校核计算。（2）选择高级语言VB编写渐开线齿廓曲线的程序，采用插点法即“通过XYZ点的曲线命令”，精确绘制渐开线齿轮齿廓曲线，借助软件的宏功能采用尺寸驱动实现渐开线圆柱齿轮三维精确造型的绘制功能。（3）实现齿轮几个参数设计与三维精确造型两部分内容的结合，实现设计计算与三维造型的集成。2.SolidWorks二次开发的基本方法2.1SolidWorks二次开发简介SolidWorks软件是美国一家专门从事开发三维机械设计的公司开发的一个基于Windows的三维CAD系统，它具有丰富的API程序应用接口，是一个基于OLEAutomation的编程接口，它包含了近千个功能函数，可以方便VB或VC调用，内嵌VBA二次开发环境，可以高效开发所需的专用软件。2.1.1SolidWorks二次开发的基本原理对SolidWorks二次开发主要通过软件内嵌API接口，该接口提供大量的OLE，对象以及这些对象所拥有的方法和属性。通过调用这些API，我们可以将SolidWorks中一些重复单调或者规划明确的操作使用程序语言描述，通过简单人机交互，让计算机自己来完成此类工作，以提高工作效率。用户通过SolidWorksAPI，借助支持OLE编程的高级编程语言作开发平台，设计系统界面，编制应用程序，通过在程序中调用API对象访问和操作SolidWorks，对SolidWorks进行二次开发，建立起适于自己需要的37 常熟理工学院毕业设计(论文)专用SolidWorks功能模块。如生成和编辑零件草图、构造三维实体、检测曲面，建立标准零件库、自动生成工程图并进行尺寸标注等几乎所有我们需要的参数化设计功能。这些专用功能模块可通过生成DLL文件作为插件挂接在SolidWorks的菜单下，也可置于用户开发的工具条中，或者独立于SolidWorks之外使用。图2-1为SolidWorksAPI对象模型，在所有对象中，ModelDoc2对象是最为常用的，代表SolidWorks的文档。SolidWorks有三种最基本的文件格式：零件、装配体、工程图。ModelDoc2对象可以直接对这三类文件进行操作。ModelDoc2又包含了很多子对象，其中PartDoc，AssemblyDoc和DrawingDoc分别属于零件、装配体和工程图的API对象，使用它们来操作相应类型的文件。SolidWorksAPI每种对象都有自己特定的对象来表示，但是SolidWorks设定了一些通用的方法和属性来操作这些对象。通过设置各自对象方法个属性等就可以就可以诸如视图设置、轮廓线修改、参数控制、对象选择、打开/保存文档、生成编辑特征参数等与实体模型相关的各种操作，完成对应文件类型的相关二次开发[7]。图2-1为SolidWorksAPI对象模型2.1.2SolidWorks二次开发的思路对SolidWorks进行二次开发，要根据企业产品设计需求确定开发方法，并指定具体的开发方案，当然也要根据开发人员能力量力而行。（1）SolidWorks二次开发原理和方法通过调用API对象对SolidWorks进行二次开发有两种方法：完全编程法和尺寸驱动法。完全编程法即所有API对象属性设置及调用全部在编程环境中完成。此方法可以使三维模型完全实现由程序驱动，能够实现对复杂形体的造型。37 常熟理工学院毕业设计(论文)尺寸驱动法是一种编程技术与设计变量相结合的方法，即以SolidWorks环境中建立的典型结构模型为基础，的尺寸标注视为变量。用设计变量作为程序与模型的联在保持模型结构不变的情况下，将造型系的纽带，此方法可以通过少量的变量化参数来控制模型，获得一系列结构相同而尺寸不同的相似零件，适用于如齿轮、标准件等结构和尺寸关系明确的系列化产品设计。利用这种方式进行二次开发，在参数化建模中并不重复模型的生成过程，而只是在模板模型的基础上改变零件的尺寸，从而达到更新模型的目的。当然无论采用完全编程法和尺寸驱动法进行二次开发，都需要编制大量程序，需要开发者有丰富的编程经验、对SolidWorksAPI函数非常熟悉和扎实的英语基础。对于初学者和非计算机专业的开发人员来说，都有一定的难度。而本课题拟采用完全编程法。通过SolidWorks中宏的录制功能是非计算机专业的开发人员避开大量编程及理解API对象及调用的最佳途径。（2）SolidWorks二次开发方法的比较对于SolidWorks进行二次开发，如果采用VisualBasic.NET或者VisualBasic作为编程语言，也可以采用一种简单实用的方法SolidWorks的宏录制。完全编程法和尺寸驱动法都可以使用宏录制来简化编程任务，但两者存在较大差异。①系统的执行效率和可靠性不同从系统可靠性、执行效率考虑，尺寸驱动法比较简单。编程法则需要从头到尾重新建立模型的过程，尺寸驱动只需改变已有的模型的尺寸即可，可以节省图形的更新速度。编程法VB程序调试过程中，经常会出现SolidWorks绘制图形的某一步骤没有任何反应，也不会出现任何出错的提示信息，这需要耐心地查找程序中存在的错误。②简化程度不同完全编程法进行在三维造型的同时，使用宏将造型的整个过程全部录制下来，然后再对所录制的宏代码进行修改，将有关的常量换成变量。该方法虽然不必由开发者对整个造型过程全部变成，使编程简化，却存在一个很大的缺点。即使用宏录制造型的过程中，并不能将造型过程全部录制下来，对于被遗漏部分，需要开发者自行查询并使用SolidWorksAPI函数补全这部分代码，而这无论是对初学者还是有经验的开发者，都比较困难。使用尺寸驱动法，不必录制整个造型的具体过程，而是在零件造型完成后，修改零件模型需要参数化的尺寸，用宏录制修改尺寸的过程，产生程序代码。这种方法不必考虑模型的造型过程，只关心对造型参数化尺寸的修改，涉及到的API函数相对较少，比较适用于初学者和非计算机专业的开发人员[10]。37 常熟理工学院毕业设计(论文)（3）本系统的具体开发方案我们在选定开发方法后，就要制定本系统具体开发方案了。选定一个标准齿轮零件，按正确的设计方法在SolidWorks环境中绘制其三维为标准模型图并保存，根据用户需要分析并确定模型的变量化参数，如齿轮的模数，齿数、压力角、螺旋角等参数，然后通过VisualBasic等编程环境设计操作界面，在程序中调用API对象获取并修改标准模型中的相关约束变量参数值，使模型的几何或拓扑关系发生改变，从而完成参数化的齿轮零件建模。最后将程序置于SolidWorks的菜单或工具条中。工作流程如图2-2所示：SolidWorksAPI窗口零件建模菜单与工具条用户选择界面获取并修改齿轮变量参数生成系列化的齿轮实体零件图2-2二次开发方案工作流程图2.2SolidWorks二次开发的工具选用二次开发的工具是由支撑软件来决定的。本课题是基于SolidWorks软件的二次开发，由于SolidWorks具有良好的开放性程序接口SolidWorksAPI，任何支持COM和OLE的编程语言如VisualBasic，VBA，C，VisualC++，C#，Delphi等等都可以作为SolidWorks的开发工具。SolidWorks二次开发可以使基于自动化技术的，也可以是基于COM的。基于自动化技术只能开发EXE形式的程序，而基于COM技术可以使用最多的SolidWorksAPI函数，API可控制SolidWorks的会话方式，生成DLL格式的文件，作为SolidWorks插件使用。而本课题拟采用的则是基于自动化开发的EXE程序。37 常熟理工学院毕业设计(论文)在众多开发工具中，最简单的工具为VBA，它常用于录制宏，得到基本的程序框架和API函数。易学易用的高级开发语言是VB（通常为EXE格式），VisualC#是功能强大语言（通常为DLL格式），但是入门困难，对非计算机专业的开发人员难度比较高。与其他开发语言相比，VB语言规则简单，功能较为强大，同时考虑到SolidWorks提供的宏录制功能为VBA环境，与VisualBasic语法规则完全的一致，因而对非计算机专业的工程技术人员来说，VisualBasic更适于作为开发工具。2.3二次开发程序的运行方式用VB技术和SolidWorks二次开发接口API开发应用程序有两种运行方式：一种方式是将应用程序作为可执行文件直接运行，由程序控制SolidWorks的调入和退出。另一种方式是将程序作为一条宏命令嵌入到SolidWorks中。本课题拟采用VisualBasic6.0做为开发编辑工具，调用SolidWorks中的API函数，令API向VB程序提供所需要的对象及这些对象的方法和属性，将齿轮的几何参数设计及三维造型宏，嵌入到SolidWorks中，完成圆柱齿轮在SolidWorks中的三维造型。用户在SolidWorks环境下，新建或打开已有的零件文件，点击宏工具栏中“齿轮设计”图标，即可运行齿轮设计程序，进入齿轮设计主界面。3.系统的总体设计及齿轮参数设计模块3.1系统总体设计3.1.1系统的总体构成本系统主要分为齿轮参数设计模块及三维造型模块两大组成部分。其中参数设计模块包括齿轮几何参数的设计和相应疲劳强度的校核。根据齿轮工作情况，齿轮传动分为开式齿轮传动和闭式齿轮传动，而闭式齿轮传动又有软齿面齿轮和硬齿面齿轮之分。软齿面齿轮的主要失效形式是齿面点蚀，其按照接触疲劳强度设计，弯曲疲劳强度校核；硬齿面齿轮主要失效形式是齿根折断，按照弯曲疲劳强度设计，并按照接触疲劳强度校核。齿轮三维精确造型包括：建立齿轮原始模型、生成轮齿特征、驱动特征参数、生成齿轮结构等内容。齿轮参数设计模块是齿轮造型系统的前导，用以完成齿轮基本几何参数的设计、强度校核及设计结果的输出37 常熟理工学院毕业设计(论文)。用此模块设计出的齿轮参数，不仅可以为其后的参数化造型所运用，也可以被二维或手工绘图所采用，还可以验算手工设计计算或按经验类比设计的正确性。齿轮三维精确造型模块是整个模块系统的最终目标，用以完成齿轮零件的三维精确造型，齿轮三维造型可以为以后齿轮的数控加工及与后续的有限元软件连接提供依据。齿轮涉及模块系统的整体结构如图3-1所示：图3-1系统关系图3.1.2系统的设计界面本系统的设计界面包括系统启动界面、齿轮参数设计主界面、齿轮三维造型主界面。37 常熟理工学院毕业设计(论文)如图3-2所示，用户点击“齿轮设计”菜单出现启动界面进入系统。在启动界面中，点击“参数设计”按钮进入齿轮参数设计主界面，对齿轮传动进行包括初步设计、强度校核、详细齿轮几何参数的计算及设计几个哦的输出等内容的齿轮传动几何参数设计的设计：点击“三维造型”按钮可不比经过齿轮几何参数设计过程而直接进入齿轮三维造型界面，输入齿数，模数，压力角这三个参数可直接对齿轮进行三维精确造型；点击“退出系统”按钮则结束齿轮设计退出系统。图3-2系统启动界面在启动界面中点击“参数设计”按钮进入齿轮参数设计系统主界面，如3-3所示。图3-3参数设计主界面本界面主要分为参数输入、强度校核、设计结果输出三大部分：“参数输入“37 常熟理工学院毕业设计(论文)又分为初始参数输入、工作参数的确定、特征参数选择区域。用户在参数输入并选择齿轮材料、精度、热处理方式等特征参数，确定安全系数、齿宽系数、螺旋角等设计参数后，点击“参数设计”按钮后，进行齿轮传动初步计算，设计程序根据用户输入的相关参数，从齿轮初步设计结果输出。如对初步设计结果不满意，可点击“重新输入”按钮重新输入参数设计。点击“强度校核”按钮后，系统对初始设计结果进行疲劳强度校核；用户也可在初始结果输出区直接诶输入现有齿轮几何参数，点击“强度校核”按钮进行疲劳强度校核，强度校核区显示大、小齿轮强度校核结果。如果满足疲劳强度校核，点击“输出结果”按钮在参数输出区将齿轮设计结果全部几何参数输出在主界面上。如果初始设计结果不满足强度条件，点击“重新输入”按钮可重新输入参数设计。本系统齿轮几何参数设计模块设计思路是，在参数输入区把直齿圆柱齿轮与斜齿圆柱齿轮的设计集成一体，以螺旋角β输入值区分直齿和斜齿齿轮,当用户输入的螺旋角β等于0°时,系统自动判断按照直齿圆柱齿轮传动设计；当螺旋角β大于0°时，按照斜齿圆柱齿轮传动设计。这样可使设计界面简洁、统一、便于用户操作。在齿轮参数设计主界面点击“三维造型”按钮，进入三维造型主界面，如图3-4所示。图3-4三维造型界面3.2齿轮参数设计模块基本理论和研究方法齿轮传动是现代的机械传动机构中应用的最广泛的一种传动装置，型式多样，传动功率可达105kw，圆周速度可达300m/s，直径可从1mm到150m以上。主要有以下优点[1]：（1）效率高，在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率最高。37 常熟理工学院毕业设计(论文)（2）结构紧凑，在同样的使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸一般较小。（3）工作可靠、寿命长，设计制造正确合理，使用维护良好的齿轮传动，其寿命长达一、二十年，这是其他机械传动形式所不能比拟的，对车辆及在矿井内工作的机器非常重要。（4）传动比稳定，渐开线齿轮传动对加工、安装的误差及轴承的磨损不敏感，是渐开线齿轮传动获得广发使用的原因。本节介绍的渐开线圆柱齿轮传动设计的基本理论及相关计算，然后讲述齿轮参数的设计系统模块总体方案的设计。参数设计模块的基本理论包括齿轮传动的材料的选择原则、设计准则原则、齿轮精度及热处理方式的选择、相关参数的选择、强度校核等方面，下面简答介绍系统的设计理论，为编制齿轮传动几何参数设计计算流程做准备。3.2.1设计准则的选择（1）齿轮常见的失效形式分析齿轮失效的目的是为了找出齿轮传动失效的原因，从而制定强度计算准则，或提出防止失效的措施，提高齿轮承载能力和使用寿命。齿轮传动的失效主要集中在轮齿部分，而齿轮的其它部分如齿圈、轮辐、轮毂等，通常只按照经验设计，其尺寸对强度及刚度而言较富裕，实践中也极少失效。齿轮失效可分为两大类，即：齿体失效和齿面损伤失效，主要表现形式[6]：①轮齿折断轮齿折断有多种形式，在正常工况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当齿轮重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使齿轮疲劳折断。轮齿折断是齿轮传动最危险的失效形式之一。②齿面磨损在齿轮传动中，齿面随着工作条件的不同会出现多种不同的磨损形式。例如当啮合齿面间落入磨料性物质（如沙粒、铁屑等时），齿面即被逐渐磨损而致报废。这种磨损称为磨粒磨损。它是开始齿轮传动的主要失效形式之一。改用闭式齿轮传动是避免齿面磨粒磨损最有效的办法。③齿面点蚀37 常熟理工学院毕业设计(论文)点蚀是齿面疲劳损伤的现象之一。所谓点蚀就是齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件未加改善，麻点就会逐渐扩大，甚至数点连成一片，最后形成明显的齿面损伤。从相对意义上说，靠近节线处的齿根面抵抗点蚀的能力最差（即接触疲劳强度最低），因此，点蚀就会首先出现在靠近节线的齿根面上，然后再向其他部位扩展。而开始齿轮传动，由于齿面磨损较快，很少出现点蚀。④齿面胶合齿面胶合按照其形成条件，可分为热胶合和冷胶合。热胶合发生于高速重载的齿轮传动，冷胶合发生在低速齿轮传动。⑤塑性变形塑性变形发生于材料较软而载荷较大的齿轮。用软钢或者其它软材料制造的齿轮，当受重载时，会使轮齿表面材料发生塑性流动使齿面失去正确的齿形，这种失效形式是齿面塑性变形。（2）设计准则的选择各种失效形式都对齿轮的承载能力有限制，应分别建立相应的计算准则[6]:1.保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。2.保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计。由实践得知：闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主。闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主。㈠闭式传动当采用软齿面（硬度≤350HBS）时，其齿面接触疲劳强度相对较低，一般应首先考虑按齿面接触强度条件计算齿轮的中心距或分度圆直径及其余主要几何参数，然后对其轮齿弯曲疲劳强度进行校核。当采用硬齿面（硬度＞350HBS）时，则一般应首先按轮齿的弯曲疲劳强度条件确定齿轮的模数及其余主要几何参数，则然后再校核其齿面接触疲劳强度。根据上述设计准则，系统对于软齿面齿轮采用解除疲劳强度条件为设计准则并验算接触疲劳强度、校核弯曲疲劳强度。对于硬齿面齿轮，在实际工程应用中，初步设计得到的参数并不需要非常准确，按照接触强度条件进行初始设计也可以满足应用要求。因此，本系统对于硬齿面齿轮也采用了按照齿面接触疲劳强度条件初步设计中心距，然后进行接触疲劳强度的验算和弯曲疲劳强度的校核设计思路。这样可简化编程设计，降低开发难度，并不影响系统的实用价值。37 常熟理工学院毕业设计(论文)㈡开式传动开式齿轮主要失效形式为齿面磨损和轮齿的弯曲疲劳折断。由于目前齿面磨损尚无完善的计算方法，因此通常只对其进行弯曲疲劳强度计算，并用适当加大模数的办法，来考虑齿面磨损的影响。根据上述原则，本系统对开式齿轮采用弯曲疲劳强度条件为设计准则并将设计结果中模数适当加大（10~20%）。3.2.2齿轮材料的选择齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧、加工工艺性能及热处理性能良好。齿轮常用材料有以下几种：⑴钢：许多钢材经适当的热处理或表面处理，可以成为常用的齿轮材料；⑵铸铁：常作为低速、轻载、不太重要场合的齿轮材料；⑶非金属材料；适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。齿轮材料选用的基本原则：⑴齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等；⑵应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺；⑶钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在30~50HBS或更多。齿轮传动的形式很多，有直齿圆柱齿轮传动，斜齿圆柱齿轮传动，人字齿圆柱齿轮传动，直齿圆锥齿轮传动，斜齿圆锥齿轮传动等。因轮齿齿廓曲线的不同，齿轮传动的设计方法也不尽相同。齿轮参数设计部分划分为开式齿轮传动设计和闭式齿轮传动设计两大主要分支。每一个分支又分为外齿轮设计和内齿轮设计。而闭式齿轮传动又分为软齿面齿轮和硬齿面齿轮，其设计准则、计算方法各不相同。用VB进行程序设计时要根据实际需求处理好程序分支问题，并尽量简化合并设计步骤，否则会使系统过程庞大，无法完成。渐开线圆柱齿轮参数化设计与三维造型系统的初始参数设计过程可按照外啮合的斜齿标准齿轮的计算公式进行，这样可减少程序分支。当螺旋角的输入值为0°时，即为按直齿齿轮传动设计，不为0°按斜齿齿轮传动设计；为减小设计难度，本系统仅设计标准齿轮传动，暂不考虑变位齿轮、短齿齿轮等。先按主流设计，减少程序的分支和难度。下面以外啮合的标准斜齿渐开线圆柱齿轮传动为例，简要介绍齿轮参数设计模块开发设计流程。其他类型的齿轮传动设计方法原理基本相同，可参考有关教材和设计手册。37 常熟理工学院毕业设计(论文)3.2.3初始参数输入完成齿轮设计需要的初始数据输入包括以下方面：（1）输入功率；（2）选择传动类型和啮合类型；（3）选择大小齿轮材料及热处理方法等；（4）选择材料质量等级；（5）输入转速、输入工作寿命、输入传动比；（6）输入齿轮每转一周同一齿面啮合的次数；（7）选择原动机载荷类型与工作机载荷类型；（8）初定接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；（9）确定螺旋角初值和法面压力角初值；（10）选择齿宽系数。初始参数输入界面如上图3-3所示。3.2.4主要参数初始设计本系统设计时预先确定齿数和模数，然后根据解除疲劳极限和接触最小安全系数以及接触寿命系数算出许用接触应力，再进行验算，如果符合条件，就继续下一步，否则，调整齿轮的尺寸。由相关文献[16]的介绍,总结得到以下计算步骤，其中闭式齿轮传动的初始设计过程如下。（1）计算转矩式中：P——名义功率，kw；n1——小齿轮转速，r/min。（2）计算许用接触应力计算大小齿轮的应力循环次数，确定接触寿命疲劳系数，求出试验齿轮的齿面接触疲劳极限，计算大小齿轮的许用接触应力并加以比较，取小值进行以后的设计计算。37 常熟理工学院毕业设计(论文)许用接触应力的计算式为：式中：σlim——试验齿轮的齿面接触疲劳极限，n/mm²；SH——齿面接触疲劳强度安全系数。一般为1~1.3，齿面越硬越大；ZH——接触疲劳寿命系数，主要影响因素有材料、热处理方法、尺寸、啮合次数等，大于1。.3.2.5确定主要传动尺寸利用公式算出的传动主要尺寸包括：实际分度圆直径、齿宽。（1）初定中心距Ψd——齿宽系数；u——齿数比；[σH]——许用接触应力，配对齿轮中取小值；K——载荷系数，大于1；ZN——接触疲劳寿命系数。（2）确定标准模数β——分度圆螺旋角（8°~20°）根据计算值确定标准法面模数。（3）计算实际中心距mn——法面模数；Z1——小齿轮齿数；Z2——大齿轮齿数；β——分度圆螺旋角（8°~20°）37 常熟理工学院毕业设计(论文)从以上两步设计可以得到中心距的期望值和实际值，但是大多数的情况下，两者是不等的，主要原因是模数标准值的选取、齿数的圆整以及期望中心距的选取。（4）实际螺旋角ββ——实际分度圆螺旋角（8°~20°）3.2.6校核弯曲疲劳强度斜齿圆柱齿轮轮的弯曲疲劳强度校核公式为[1]：式中：mn——斜齿轮的法面模数；YF——斜齿轮的齿形系数；YS——斜齿轮的应力修正系数；Z1——主动齿轮的齿数；σF——斜齿轮的弯曲疲劳计算应力；[σF]——斜齿轮的弯曲疲劳许用应力。在以上公式中，当螺旋角β等于0°，螺旋角影响系数Yβ等于1时，这些公式就是直齿圆柱齿轮的设计和校核公式。根据查出的弯曲疲劳极限和弯曲最小安全系数以及弯曲寿命系数和尺寸系数计算出许用应力，和计算出的弯曲疲劳极限相比较，如果小于它们，则表明传动严重过载，所以不必做静强度校核，否则需调整齿轮参数重新设计。3.2.7设计结果输出如果满足强度条件，点击“输出结果”按钮，将设计结果输出在主界面。包括大小齿轮齿顶高、齿根高、全齿高，大小齿轮齿顶圆直径、齿顶圆直径、分度圆直径等。3.3齿轮参数设计模块开发过程齿轮的参数设计模块包括直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮的参数设计。由于斜齿圆柱齿轮和支持圆柱齿轮的设计计算公式和参数都非常相似，将两者合并设计。因此在主界面参数中输入螺旋角为0°时认为是直齿圆柱齿轮，否则即为斜齿。这样做可使界面简洁统一、方便用户操作使用。37 常熟理工学院毕业设计(论文)程序的编写过程，首先访问根结点的应用（Application）对象，其次再访问各文档对象，以此方式编写程序代码，设计计算程序的编制是本系统二次开发过程能否成功最为关键的一步，必须细心、逐步调试，否则难以得出设计结果。3.4系统关键技术的处理3.4.1系统的界面设计系统界面是人机交互的接口，是程序设计中的一个重要方面，包括用户如何命令系统以及系统如何向用户提交信息。在程序设计阶段，出了程序代码的编写与数据结构等内容的处理外，系统界面的设计也似程序重要的组成部分。界面是系统的门面，与产品的外观和包装一样重要，设计良好的界面使得用户更容易接受并掌握系统。在系统开发过程中必须将界面设计放在非常重要的位置上[14,15]。VB面向对象的可视化程序设计，简化了程序界面的设计工作，只需要极少量的代码，就能实现标准Windows应用程序的界面。用户界面是软件系统的门面，直接影响到用户在使用系统时的情绪，程序开发者设计界面时应避免以下情形：(1)过于花哨的界面，使用户难以理解其具体含义。(2)模棱两可的提示，容易产生歧义。(3)长时间(超过10秒)的反映时间，使用户失去耐心。(4)额外的操作。在软件界面设计中，有三种基本的用户界面样式，即基于命令的界面、菜单驱动的界面以及基于工作流的GUI界面。这三种界面对于实现和使用各有其长处和缺点，在具体实现时，可以同时支持一种或几种样式。基于命令行的界面是最简单的界面样式，在早期各种操作系统软件如DOS中被采用。使用文本命令，界面不提供任何提示信息和建议。随着计算机技术的迅速发展及Windows应用软件的广泛使用，已逐步被淘汰[15]。菜单驱动的界面几乎在所有的Windows应用软件中被采用。按照层次，以菜单、工具条等形式列出系统提供的所有操作，用户通过键盘或鼠标等指定设备选择并执行操作。每个命令都有相应的帮助信息，方便用户随时查询。3.4.2系统的程序编写(1)连接SolidWorks37 常熟理工学院毕业设计(论文)SolidWorks将其内部数据以对象的形式组织起来并构成了一个层次结构，最顶层对象为SolidWorksApplication，它是其他对象的父对象，我们可以用VB的CreateObject函数获得SolidWorks对象关联，通过对Application对象及其子对象的方法、属性的调用获得对SolidWorks的控制。在对SolidWorks进行二次开发时，首先要建立SolidWorks的连接，创建一个SolidWorks的应用对象[8]:DimswapAsObjectSetswap=CreateObject(“Sldworks.Application”)通过这个函数，就可以打开SolidWorks的接口，可以调用它的API函数了。(2)建立新的零件图DimswPartAsObjectSetswPart=swapp.newpart(3)插入草图在所选平面插入草图，调用ModelDoc中的InsertSketch函数：ModelDoc.InsertSketch()(4)绘制零件“选择”通过调用ModelDoc对象中的SelectByID（选择）来实现，“选择”可以说是在使用SolidWorks时用得最多的一个命令，有很多命令在使用时都要选择操作对象：ModelDoc.SelectByID(objectName,objectType,x,y,z)，这个函数在应用时需要输入五个参数：objectName表示要选择对象的名称，该名称是SolidWorks在创建对象时按先后顺序自动命名的，如基准面1，基准面2、Arc1、Line3、D1@草图1@Part1.SLDPRT……；objectType要输入对象的类型，如PLANE（面）、SKETCHSEGMENT（草图上的对象如直线、圆弧等）、DIMENSION（尺寸标注）……；x,y,z是平面上任一点的坐标值。“画线”通过调用ModelDoc对象中的Createline2来实现：ModelDoc.Createline2（xStart，yStart，zStart，xEnd，yEnd，zEnd）[.ConstructionGeometry=True],其中xStart，yStart，zStart，xEnd，yEnd，zEnd分别是直线的起点和终点坐标；ConstructionGeometry=True表示画中心辅助线。“画圆”通过调用ModelDoc对象中的CreateCircle来实现：Part.CreateCircle（xc，yc，zc，xp，yp，zp）其中xc，yc，zc，xp，yp，zp分别是圆心和圆上一点的坐标值。37 常熟理工学院毕业设计(论文)“倒角”调用ModelDoc中的FeatureChamferType函数：可取下列值：1（角度E-控制距离）、2（距离-距离控制）、3（顶点-倒角控制）、4（两边等距离控制）；width表示倒角边距；angle表示倒角角度，仅chamferType为1时有效；otherDist表示chamferType为2时的另一边距；vertexChamDist1，vertexChamDist2，vertexChamDist3表示chamferType为3时的三个距离。“旋转”调用PartDoc对象中FeatureRevolve函数：ModelDoc.FeatureChamferType(chamferType,width,angle,flip,otherDist,vertexChamDist1,vertexChamDist2,vertexChamDist3),其中chamferType控制倒角的类型，PartDoc.FeatureRevolve(angle,reverseDir,angle2,revType),其中angle表示旋转的角度；reverseDir控制旋转方向，为TRUE时表示反向，revType为1时无效；angle2表示旋转的反向角度，仅当revType为2时有效；revType表示旋转类型，为0时单向旋转，为1时双向等角度旋转，为2时双向旋转。“拉伸”通过调用ModelDoc对象中的FeatureExtrusion来实现：ModelDoc.FeatureExtrusion（sd，flip，dir，t1，t2，d1，d2，dchk1，dchk2，ddir1，ddir2，dang1，dang2，offsetReverse1，offsetReverse2）其中sd为TRUE时表示单向拉伸，为FALSE时双向拉伸，以0,1表示；dr为TRUE时表示正向拉伸，为FALSE时表示反向拉伸；t1，t2表示终止类型，可取下列值：0（给定深度）、1（贯穿）、2（为贯穿下一个）、3（成形到一顶点）、4（成形到一面）、5（到离指定面指定的距离）、6（两侧对称）；d1，d2表示拉伸的深度；ddir1，ddir2为TRUE时表示带拔模角拉伸；dang1，dang2为TRUE时表示向内拔模，为FALSE是向外拔模；offsetReversel，offsetReverse控制到离指定面指定的距离，在t1，t2为5时有效。其中d2、dchk2、dang2、offsetReverse2在双向拉伸时有效。“标注尺寸”先通过SelectByID函数选择要标注的对象，再调用ModelDoc中的AddDimension函数：ModelDoc.AddDimension（x，y，z），其中x，y，z为尺寸文本所要放的位置的坐标值。利用VB提供的方法和属性，调用SolidWorksAPI函数编写程序代码，完全实现三维模型的参数化设计以及模型的编辑，实现复杂形体的零件造型。这种方法要求开发者对SolidWorksAPI函数非常熟悉，对于初学者来说有一定的难度。SolidWorks宏是一系列命令的集合，相当于DOS操作系统下的批处理文件。为了实现VB程序和SolidWorks37 常熟理工学院毕业设计(论文)之间的参数传递，可以录制使用SolidWorks用户界面执行的操作，然后让宏重新执行这些操作。宏所包含的调用相当于使用用户界面执行的操作，然后让宏重新执行这些操作。宏所包含的调用相当于使用用户界面执行操作时对API的调用。通过记录宏和交互式的执行任务，可以简化编程过程。在编写程序代码前，都是录制宏来用作程序的基础，获得宏操作代码，然后对宏进行编辑，将其特征尺寸转化为参数化变量，将其复制添加到VB程序代码的相应部分，然后编辑修改调试以达到程序要求，通过程序驱动设计变量实现模型的创建和更新。通过这种方法编程较简单，通用性好。开发者可以根据自己对相关知识掌握的熟练程度，选择合适的方法进行程序代码的编写。录制宏的主要步骤[7]：(1)单击录制暂停图标按钮或单击工具宏操作录制菜单命令；(2)执行要录制的操作；(3)操作结束后单击停止宏图标按钮或单击工具-宏操作-停止菜单命令出现“另存为”对话框；(4)输入宏的名称并单击保存命令存成.swp文件。3.4.3程序运行(1)在SolidWorks界面中执行应用程序程序代码编写好以后运行程序，即可得到设计者想要的零件模型。要在SolidWorks中直接调用VB编译的可执行程序，可以使用SolidWorks的宏操作来进行。利用宏在SolidWorks界面中添加指定的应用程序后，就好像SolidWorks调用了自身的功能一样，利用类似的方法，在SolidWorks中可以添加任何可以执行的文件。建立文件名为“齿轮设计.swp”宏文件，其内容为：Submain()MyAppID=Shell(“路径齿轮.exe”,1)AppActiveMyAppIDEndSub指定宏操作，在SolidWorks中可以指定宏命令的文件位置，并定制图标。(2)用VB或者VBA直接生成.swb或者.swp文件用VB或者VBA直接生成.swb或者.swp文件，在SolidWorks中可以直接执行宏文件，生成参数化零件。37 常熟理工学院毕业设计(论文)4.齿轮的三维精确造型模块用软件实现渐开线齿轮精确造型的关键是草图轮廓曲线的精确绘制。但由于渐开线涉及的参数多，直接实现渐开线的精确绘制对三维绘图软件一般都比较困难，So1idWorks软件没有公式曲线，不能提供精确绘制渐开线的直接命令，这就使齿轮三维造型很不方便，降低了设计效率。能够对渐开线齿轮迅速而精确的三维造型，是本系统要解决的重要问题之一。由于斜齿圆柱齿轮和直齿圆柱造型过程及齿轮参数都极这相似，本系统该模块设计与参数设计模块采取相同的编程思想，将直齿圆柱齿轮与斜齿圆柱齿轮的三维造型相结合，界面上同样不直接出现直齿和斜齿选项，以参数输入螺旋角不同区分，螺旋角为0°。接直齿圆柱齿轮设计，螺旋角不为0°。按斜齿圆柱齿轮设计，这样使整个系统的界面风格一致，便于用户理解和操作。斜齿圆柱齿轮的参数及造型都比直齿圆柱齿轮复杂，下面以斜齿圆柱齿轮三维精确造型为例介绍齿轮三维精确造型模块设计与实现的过程。4.1三维造型参数化设计的原理及思路根据斜齿圆柱齿轮形成原理，斜齿圆柱齿轮的齿面为渐开线螺旋面，因而在不同方向的截面上的轮齿的齿形是不相同的，分为端面齿形和法面齿形，都有各自相应的一套基本参数。所以斜齿圆柱齿轮三维造型设计的时候必须处理好端面和法面两套基本参数之间的关系。而在加工斜齿轮时，齿轮刀具通常是沿着螺旋线方向进刀的，故斜齿轮法面参数应是与刀具相同的标准值。但是在计算斜齿轮几何尺寸时，大部分都需要按端面参数进行计算。下面列出两套基本参数之间的关系以方便对比，如表4-l所示。表4-1法面参数与端面参数的关系参数名称符号关系法面模数mn标准值端面模数mtmt=mn/cosβ法面压力角αnαn=20°端面压力角αttanαt=tanαncosβ37 常熟理工学院毕业设计(论文)分度圆螺旋角β一般8°~20°基圆螺旋角βbtanβb=tanβcosαt法面齿顶高系数han*han*=1法面顶隙系数cn*cn*=0.25齿顶高haha=han*mn齿根高hfhf=(han*+cn*)分度圆直径dd=mtz=mnz/cosβ基圆直径dbdb=dcosαt齿顶圆直径齿根圆直径dadfda=d+2ha=mn(z+2han*)da=d-2hf=mn(z-2han*-2cn*)4.1.1参数转换斜齿轮有六个基本参数，齿数z、法面模数mn、法面压力角αn、法面齿顶高系数han*、法面顶隙系数cn*、分度圆螺旋β均为法面参数。而造型时按照端面参数进行，为了计算齿顶圆直径等端面参数，必须将用户在界面上输入的法面模数mn、法面压力角αn、法面齿顶高系数han*、法面顶隙系数cn*等转化为对应的端面参数，相应公式如下：mt=mn/cosβ（4-1）tanαt=tanαncosβ（4-2）hat*=han*cosβ（4-3）ct*=cn*cosβ（4-4）式中：法面模数mn、法面压力角αn、法面顶隙系数cn*、法面齿顶高系数han*为标准值，由用户在系统三维造型主界面输入，端面模数mt、端面压力角αt、端面齿顶高系数hat*、端面顶隙系数ct*为非标准值，由设计程序转换后直接用于斜齿圆柱齿轮齿廓三维造型。4.1.2参数转换的程序设计在VB程序设计时，通过设置相应按钮Click事件属性及行为由程序自动计算完成两套参数间转换，其关键程序代码示意如下：DimmnAsDouble,mtAsDouble,zAsInteger,βAsDoubleDimhanAsDouble,hatAsDoubleDimcnAsDouble,ctAsDouble37 常熟理工学院毕业设计(论文)DimanAsDouble,atAsSinglez=Val（Text11.Text）mn=Val（Text12.Text）β=Val（Text13.Text）han=Val（Text14.Text）cn=Val（Text15.Text）an=Val（Text16.Text）mt=mn/cos(β*pi/180)hat=han*cos(β*pi/180)ct=cn*cos(β*pi/180)at=Atn(Tan(an*pi/180)/cos(β*pi/180))由于VB中cos和tan等三角函数默认的是弧度制，而键入的参数为角度制故需要换算。4.2齿轮三维造型模块设计4.2.1渐开线齿形Ⅰ.渐开线的形成原理及性质如图4-1所示，一条直线NK沿一个半径为rb的圆周做纯滚动时，直线上任意的一点K的轨迹AK就称为该圆的渐开线。该圆称为基圆，直线NK称为渐开线的发生线[1]。37 常熟理工学院毕业设计(论文)图4-1渐开线的形成原理渐开线有下列一些性质[1]：(1)发生线在基圆上滚过的一段长度等于基圆上被滚过的弧长，即。(2)由于发生线在基圆上作纯滚动，所以它与基圆的切点N为其速度瞬心，发生线NK就是渐开线在K点的法线，同时它也是基圆在N点的切线。(3)切点N是渐开线上K点的曲率中心，NK是渐开线上K点的曲率半径。离基圆越近，曲率半径越小。(4)渐开线的形状取决于基圆的大小。基圆越大，渐开线越平直，当基圆半径无穷大时，渐开线为直线。(5)基圆内无渐开线，Ⅱ.渐开线方程(1)渐开线的极坐标方程为[1]:(4-5)其中是渐开线上压力角为的K点的渐开线函数，以弧度（rad）度量，工程上已经将不同压力角的渐开线函数inv的列成表格。将和转换为直角坐标，则有：37 常熟理工学院毕业设计(论文)(4-6)由渐开线函数：得：(4-7)单位：弧度当时，取最大值：(4-8)斜齿圆柱齿轮端面齿廓和垂直于螺旋线方向的法面齿廓是不相同的，因此法面参数和端面参数也不相同。应为斜齿轮的法面参数为标准值，但是考虑斜齿轮的几何尺寸和传动关系却是按照端面参数来进行计算，所以设计时应考虑法面参数和端面参数的换算。换算关系参考之前给出的相关公式。参数化原则应考虑加工一致，故界面参数应用法面参数即标准值，而建模时为了更精确地表达斜齿轮的几何外形及软件特征造型的方便，而使用端面参数，所以程序中应根据相关表达式进行法面参数与端面参数间的自动换算。4.2.2齿根过渡曲线的建立根据基圆内无渐开线的特性，当基圆直径大于或小于齿根圆直径时，齿廓曲线的情况是不一样的。计算临界齿轮的齿数：标准直齿圆柱齿轮的五个基本参数有：齿数z，模数m，分度圆压力角α=2°，齿顶高，顶隙系数=0.25。(4-9)(4-10)两式联立得：Z=41.5因此当齿轮齿数z≥42时，基圆直径小于齿根圆直径，齿轮齿廓曲线从齿根圆到齿顶圆均为渐开线：当齿轮齿数z<42时，基圆直径大于齿根圆直径，齿轮齿廓曲线从基圆开始直到齿顶圆为渐开线，基圆以内到齿根圆的齿廓曲线不是渐开线，齿根过度圆角由加工齿轮时的刀具齿顶圆角切出。取过渡曲线圆角半径[4]为：作出齿根过渡曲线。37 常熟理工学院毕业设计(论文)当时，当时，而斜齿轮的齿根圆除了和齿数还与螺旋角β有关，所以斜齿轮轮齿的三维造型就不能像直齿轮一样以42齿为界。基圆、齿根圆与齿数和螺旋角的关系可由下面推导得到：当齿根圆和基圆相等时，即标准斜齿轮圆柱齿轮，代入上式联立得到：(4-11)所以斜齿圆柱齿轮有无径向线以为界。4.2.3螺旋线的生成斜齿圆柱齿轮，可采用端面渐开线齿形沿基圆、分度圆或齿顶圆螺旋线进行特征扫描来生成单个斜齿，进而通过圆周阵列特征产生所有轮齿来实现整个轮齿部分生成。斜齿轮的建模方法是，画出端面齿形，画出能表达端面齿形上某点沿轴向运动的螺旋线的轨迹，然后用扫描特征命令完成单个轮齿的绘制。轮齿可以看作渐开线齿形沿发生线在基圆柱面上的投影螺旋线移动而形成的。螺旋线的旋向和螺旋角决定斜齿圆柱齿轮的旋向和螺旋角。若螺旋角等于0°则是直齿圆柱齿轮，使用“特征/拉伸”功能形成一个轮齿。若螺旋角不为0°则为斜齿圆柱齿轮，则先生成螺旋线，然后将端面渐开线齿形沿螺旋线使用“特征/扫描”功能形成单个轮齿。在SolidWorks中可以使用绘制螺旋线的功能。只要已知螺旋线圆的半径和控制螺距以及圈数，即可画出螺旋线所在圆，输入螺距和圈数，就可自动绘制螺旋线。但绘制齿轮时一般只给出法面模数mn，齿数z，法面压力角αn、分度圆螺旋角β及齿宽b等基本参数，绘制螺旋线需经过简单计算。37 常熟理工学院毕业设计(论文)拉伸路径螺旋线圆选择基圆、分度圆或齿顶圆均可，选择齿顶圆螺旋线绘制较方便。螺旋线圆半径：(4-12)螺距Ps：(4-13)圈数等于齿轮宽度b处以导程，其公式如下：(4-14)在VB中通过以下方法实现编程，其中pi表示，Lxj表示螺旋线螺距Ps，qsz表示螺旋线的圈数n，主要程序代码如下：Lxj=pi*d/Tan（β*pi/180）Qsz=b/（pi*d/Tan（β*pi/180））Part.InsertHlixTrue,True，False，False，0，0.0151875，Lxj，qsz，0，1.4486232791554.2.4齿轮的生成(1)直齿圆柱齿轮的造型示例：进入系统启动界面，点击“三维造型”按钮，进入三维造型界面，取螺旋角β=0°，表示直齿圆柱齿轮；再键入齿数z=30，模数m=2mm，压力角α=20°，齿宽b=23mm，如图4-2：37 常熟理工学院毕业设计(论文)图4-2直齿圆柱齿轮设计界面单击“造型”按钮，得到所要的直齿圆柱齿轮三维造型图，如图4-3所示：图4-3直齿圆柱齿轮三维造型图(2)斜齿圆柱齿轮的造型示例进入系统启动界面，点击“三维造型”按钮，进入三维造型界面，取螺旋角β=15°，表示斜齿圆柱齿轮；再键入齿数z=30，法面模数m=2mm，法面压力角α=20°，齿宽b=23mm，如图4-4：图4-4斜齿圆柱齿轮设计界面37 常熟理工学院毕业设计(论文)单击“造型”按钮，得到所要的斜齿圆柱齿轮三维造型图，如图4-5所示：图4-5斜齿圆柱齿轮三维造型图4.3齿轮三维精确造型的实现4.3.1齿轮三维造型的一般步骤建立齿轮三维造型的一般步骤如下：(1)在SolidWorks的“前视基准面”上以坐标原点为中心画一个草图圆，该圆为齿根圆；(2)用拉伸凸台/基体特征生成一个圆柱体，高度等于齿宽；(3)使用“通过XYZ点的曲线”这项功能，插入齿廓曲线，这是最关键的步骤；(4)绘制轮齿曲线选择圆柱体任意一个端面，在其上绘制分度圆、齿顶圆，并分别与齿廓曲线相交，用转换实体功能将齿根圆转换成草图曲线。连接圆心的分度圆与齿廓曲线的交点，绘制一条与该直线夹角为360°/4z的中心线。将齿廓曲线以此中心线为基准镜像，用圆弧连接两齿廓曲线的根部（），该圆弧就是齿根圆弧。用裁剪功能裁掉无用的线，形成端面轮齿齿廓。37 常熟理工学院毕业设计(论文)(5)生成单个轮齿若螺旋角等于0°则为直齿圆柱齿轮，使用“特征/拉伸”功能形成一个轮齿。若螺旋角不为0°则先生成螺旋线，然后沿螺旋线使用“特征/扫描”特征形成单个轮齿。(6)生成全部轮齿用圆周阵列法生成全部轮齿。(7)生成齿轮结构(8)生成齿轮工程图4.3.2齿轮参数化设计的实现编程方法可以使三维模型完全实现程序驱动，能够实现对具有复杂形体的零件造型，但编程工作量大，开发效率低，而且对开发人员要求较高，但通过录制的方法是编程法的快捷方式。其操作方法如下；首先在SolidWorks选择工具→宏→宏录制命令，然后绘制完想要创建的三维模型，再选择工具→宏→宏编辑命令，此时可以看到VB形式的程序代码，将其复制到VB中进行编辑。将以上编辑好的程序放入参数输入对话框的“三维造型”按钮的Click事件中。输入VB与SolidWorks的接口语句，并确定其中的关键常数，弄清关键常数的变化对实体建模的影响，将关键常数用变量代替，并用VB界面进行控制。下面给出VB语言在SolidWorks环境中进行斜齿轮三维造型的部分子程序代码：DimswapAsObject‘定义OLE对象变量对应SolidWorksDimswPartAsObject‘定义OLE对象变量对应Part……SetswAp=CreateObject(“Sldwords.Application”)创建SolidWorks对象SetswPart=swApp.ActiveDoc获得激活文件……5.系统应用实例本章主要是用典型实例检验系统的使用情况。37 常熟理工学院毕业设计(论文)以外啮合的斜齿圆柱齿轮传动设计为例说明齿轮参数设计模块与三维造型模块的使用方法，检验计算结果正确性，并查看齿轮三维造型和工程图纸绘制的效果。首先启动软件，由“欢迎界面”点击“参数设计按钮”进入“齿轮参数设计”主界面，在界面中输入需要设置的初始参数，如图5-1所示。图5-1初始参数的设置和结果的输出单击“小齿轮造型”或“大齿轮造型”即可得到齿轮的三维造型图。37 常熟理工学院毕业设计(论文)结语本文以Windows7操作系统为开发平台，VisualBasic6.0为编程工具，对三维造型软件SolidWorks2010进行了二次开发。实现了渐开线圆柱齿轮的参数化设计，对齿轮齿体进行了精确的三维造型。并论述了参数化造型的主要技术特征和齿轮参数化造型原理，研究了通过参数化驱动、基于特征的设计方法对齿轮零件进行造型；实现了从界面输入参数，以参数驱动模型，对渐开线圆柱齿轮的敏捷造型。本课题开发的齿轮造型系统优点是采用模块化设计思路、采用参数化特征造型的方法来实现其功能的，其中参数化不是采用尺寸驱动，而是采用程序驱动，使系统易于使用、易于扩充和维护，并且系统作为一个功能模块直接嵌入SolidWorks中，方便调用和后续修改等。但由于时间关系和个人水平限制，系统还有很多不完善的地方，以下几个方面有待进一步提高和完善。(1)为减少设计难度和避开复杂的程序分支，只研究了标准渐开线圆柱齿轮，未考虑变为齿轮、短齿齿轮等非标准齿轮的设计。(2)为节约开发时间，解决主要问题，齿轮参数数据库的内容并不完善，影响了参数设计模块的自动化程度和使用范围，需建立更加完善的数据库以支撑提高系统的使用效率。(3)需增加圆锥齿轮、摆线齿轮等其他常用齿轮的设计，进一步扩大系统的使用范围。(4)系统与数控加工及有限元分析软件的连接。齿轮精确造型的目的就是为了加工检测的需要，提高齿轮在数控加工精度对使高速重载的工作齿轮进行传动过程中受力分析，以检验设备的安全性。(5)齿轮齿根部分与实际加工还有差距，不同的齿轮加工方法齿根圆角及过渡曲线不同，程序设计时为减少程序分支一律选用了，需要增加不同加工方法对应的齿根部分曲线。37 常熟理工学院毕业设计(论文)参考文献[1]陈立德.机械设计基础（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2004，166~237.[2]毕洪新.浅谈变速器制造技术现状及发展趋势[J].汽车工艺与材料，2008,17(05):53-55.[3]中国机械设计大典编委会.中国机械设计大典.第4卷.机械传动设计.南昌：江西科学技术出版社，2002，1.[4]朱孝录、鄂中凯.齿轮承载能力分析[M].北京：高等教育出版社，1992，53~54.[5]郑文伟、吴克坚.机械原理(第7版)[M].北京:高等教育出版社，1997，153~212.[6]濮良贵、纪名刚.机械设计(第8版)[M].北京：高等教育出版社，2006，186~223.[7]江洪、李仲心、刑启恩.SolidWorks2003二次开发基础与实例教程[M].北京：电子工业出版社，2003，19~239.[8]江洪.SolidWorks机械设计实例解析[M].北京：机械工业出版社，2004.113~145.[9]张晋西、郭学琴.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].北京：清华大学出版社，2007，45~52.[10]陆利锋、江洪、吴锦辉.SolidWorks工程师高级教程[M].北京：化学工业出版社，2006，263~290.[11]董丽琴.基于SolidWorks的齿轮类零件三维设计专用模块系统的研究[D].保定：华北电力大学，2009.[12]周长城、薛文星、胡仁喜.SolidWorks2010中文版从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2009，66~190.[13]王晓丽、季忠.SolidWorks的二次开发方法比较[J].现代制造技术与装备,2006.2，171:50~51.[14]徐谡.VisualBasic应用开发案例教程[M]，北京：清华大学出版社.2005，1~109.[15]张玉生.VisualBasic程序设计与上机实验指导[M],上海：华东理工大学出版社.2006，18~85.[16]机械设计手册编委会.机械设计手册（单行本）·齿轮传动[M],北京：机械工业出版社.2007，42~61.[17]Solidworks公司.SolidworksAPI二次开发[M].北京：机械工业出版社，2005.[18]黄迎春.基于Solidworks的齿轮参数化设计系统研究[D].大连理工大学，2008[19]张新庄.基于Solidworks平台的渐开线齿轮三维造型系统的研究[D].大连交通大学，2008[20]程娟.基于Solidworks的渐开线齿轮绘制方法研究[J].农业装备与车辆工程，No.3,2010[21]成大先．机械设计手册[M]．北京：化学工业出版社，200437 常熟理工学院毕业设计(论文)致谢本论文是在导师金权洽副教授指导下完成的。在进行毕业设计期间，金老师在学习、研究和生活方面给了我精心的指导和莫大的帮助。导师以其渊博的知识、严谨的治学态度、一丝不苟的敬业精神、开拓创新的工作作风、高昂的工作热情以及对学术执着追求的精神给我留下深刻的印象，他始终是我学习的楷模，导师在学业上的教诲是我一生的财富。论文的完成同样也离不开众多老师、同学、朋友的热情帮助和我亲人的支持。至此，我向指导、关心和帮助我的老师、同学、朋友和亲人致以最诚挚的感谢。37