齿轮几何参数（共5篇）
齿轮几何参数 篇1
本文针对直齿圆柱齿轮设计中设计变量的性质不同、取值离散性大和受设计标准限制多等关键技术问题, 研究优化设计数学模型的建立、绘图程序编制与支撑平台的关系和直齿圆柱齿轮的计算程序结构等, 为实现直齿圆柱齿轮的优化设计与参数化绘图的一体化提供依据和实现的手段。主要包括以下几个方面的内容:
(1) 确定直齿圆柱齿轮传动的设计变量, 建立目标函数、约束条件等优化设计计算的数学模型;
(2) 针对常用的直齿圆柱齿轮的结构特点, 建立设计变量与各个几何尺寸之间的基本关系, 为参数化绘图接口模块程序编制提供依据;
(3) 根据优化计算结果, 对直齿圆柱齿轮进行再设计, 进一步提高直齿圆柱齿轮的结构合理性、寻求几何尺寸的最佳组合, 协调各个零件之间的尺寸关系。
(4) 为提高设计和绘图效率, 实现人机对话, 开发出直齿圆柱齿轮优化设计与参数化自动绘图软件包提出具体的实施方案。
1 齿轮传动的分析
计算齿轮传动的强度时, 应按接触线单位长度上的最大载荷, 即计算载荷PCα (单位为N/mm) 进行计算。即PCα=KP=KFN/L。
式中:FN——作用于齿面接触线上的法向载荷, 单位为N;
L——沿齿面的接触线长, 单位为mm。
K——载荷系数。
计算齿轮强度用的载荷系数K, 包括使用系数KA、动载系数KV、齿间载荷分配系数Kα及齿向载荷分布系数Kβ, 即: K=KAKVKαKβ (1)
(1) 使用系数KA。
使用系数KA是考虑齿轮啮合时外部邻接装置引起的附加动载荷影响系KA的实用值应针对设计对象, 通过实践确定。表1所列的KA可供参考。
(2) 动载系数KV。
动载系数KV的实用值, 应针对设计对象通过实践确定, 获得动载系数KV的值可查《动载系数KV》图。
(3) 齿间载荷分配系数Kα。
Kα的值可用详尽的算法计算。对一般不需作精确计算的直齿轮传动可查表。2表所列的Kα可供参考。
(4) 齿向载荷分布系数Kβ。
计算轮齿强度时, 为了计及齿面上载荷沿接触线分布不均的现象, 通常以系数Kβ来表征齿面上载荷分布不均的程度对轮齿强度的影响。齿向载荷分布系数Kβ可分为KHβ和KFβ。其中KHβ为按齿面接触疲劳强度计算时所用的系数, 而KFβ为按齿根弯曲疲劳强度计算时所用的系数。下表给出用于计算圆柱齿轮的齿向载荷分布系数KHβ的公式。
齿轮的KFβ可根据其KHβ之值、齿宽b与齿高h之比值b/h从《弯曲强度计算的齿向载荷分布系数图》中查得。4.2直齿圆柱齿轮传动的强度计算。
(5) 齿轮的受力分析。
延齿合线作用在齿面上的法向载荷Fn与齿面, 为了计算方便, 将法向载荷Fn在节点P处分解为两个互相得分力, 即圆周力Ft与径向力Fr, 由此得
Ft=2T1/d1 (2)
Fr= Fttanα (3)
Fn= Ft/cosα (4)
式中:T1——小齿轮传递的转矩, 单位N·mm
d1——小齿轮的节圆直径, 对标准齿轮即为分度圆直径, 单位为mm。
α——-啮合角, 对标准齿轮, α=20°。
(6) 齿根弯曲疲劳强度计算。
计算公式。
δF=2KT1YFaYSa/ϕdm3Zundefined≤[δF] (5)
于是得:
undefined
两式中δF、[δF]的单位为MPa;b, m的单位为mm;T1的单位为N·mm。
式中的齿形系数YFa及应力校正系数YSa由4表查得。
上式中[δF]为弯曲疲劳许用应力, 其值按下式计算:
undefined (6)
由式N=60njLh 计算应力循环次数。
S——疲劳强度安全系数。对弯曲疲劳强度来说, 如果一旦发生断齿, 就会引起严重的事故, 因此在进行齿根弯曲疲劳强度计算时S=SF=1.25-1.5 。
KFN——弯曲疲劳寿命系数, 其值根据应力循环次数查《弯曲疲劳寿命系数图》。
δhm——齿轮的疲劳极限。弯曲疲劳极限值用δFE代入, 其值查《齿轮的弯曲疲劳强度极限图》。
(7) 齿面接触疲劳强度计算。
计算公式。
undefined (7)
将Ft=2T1/d1、ϕd=b/d1代入上式中得:
undefined (8)
于是得:undefined
ZH——区域系数 (标准直齿轮α=20°时, ZH=2.5) ;
ZE——弹性影响系数, 单位为MPa1/2;数值列于下表。
ϕd——齿宽系数。其值由表6查的。
(8) 齿轮传动的强度计算说明,
①因配对两齿轮的接触应力皆一样, 即δH1=δH2。同上理, 若按齿面接疲劳强度设计直齿轮传动时, 应将[δH]1或[δH]2中较小的数值代入设计公式进行计算。
②对两齿轮的齿面均属硬齿面时, 两轮的材料、热处理方法及硬度均可取成一样的。设计这种齿轮传动时, 可分别按齿根弯曲疲劳强度及齿面接触疲劳强度的设计公式进行计算, 并取其中较大者作为设计结果。
③当用设计公式初步计算齿轮的分度圆直径d1 (或模数mn) 时, 动载系数KV、齿间载荷分配系数Kα及齿向载荷分布系数Kβ不能预先确定, 此时可试选一载荷系数Kt (如取Kt=1.2～1.4) , 则算出来得分度圆直径 (或模数mn) 也是一个试算值, 然后按d1t值计算齿轮的圆周速度, 查取动载系数KV、齿间载荷分配系数Kα及齿向载荷分布系数Kβ, 计算载荷系数K。若算得的K值与试选的Kt值差不多, 就不必再修改原计算;若者相差较大时, 应按下式校正试算所得分度圆直径d1t (或mnt) :
undefined (9)
undefined (10)
2 直齿圆柱齿轮优化设计的数学模型
2.1 目标函数的确定
齿轮是传动件, 一般是成对使用的。为了有效地减轻机械产品的重量, 不仅要减小齿轮本身的尺寸, 而且要减小两个齿轮的中心距。因此在齿轮传动的设计过程中, 两个齿轮的参数必须同时考虑。一般情况下, 齿轮的宽度b影响产品的轴向尺寸, 而齿轮的中心距A影响产品的径向尺寸。综合考虑, 取目标函数为:
Min f (x) =f (b, A) (11)
2.2 齿轮设计变量的确定
齿轮的参数主要是齿轮的模数m、齿数z1、z2和齿轮宽度b。考虑齿轮的结构工艺性和有效性, 实际使用时, 多数齿轮是通过键 (平键或花键) 联接 (固定联接或滑动联接) 与轴孔过盈配合 (过盈联接) 实现传递扭矩和转动, 也有少数齿轮与轴做成一体, 形成齿轮轴。因此, 从结构上看, 齿轮可以分为两大类, 即带孔 (圆孔或带键槽的孔) 的齿轮和带轴的齿轮。但在实际设计时, 可以把齿轮的孔或轴的尺寸作为一个约束条件, 故齿轮优化的设计变量取为齿轮的模数m、齿数z1、z2和齿轮宽度b, 即有:
X=[x1, x2, x3, x4]T=[m, z1, z2, b]T (12)
2.3 约束条件的确定
2.3.1 传动比条件
齿轮传动的传动比u是重要的性能参数, 它可能是整数, 也可能不是整数。但齿轮的齿数必须是整数, 因此允许存在一定的相对误差bb (u和bb可根据传动要求由设计者给出) , 这样传动比约束条件可写为:
|u-z1/z2|-u×bb≤0
2.3.2 齿数条件
齿数z1、z2的取值除必须为整数外, 还应该满足不产生根切的工艺要求, 即:
17-z1≤0, 17-z2≤0 (13)
2.3.3 齿轮模数条件
齿轮的模数已标准化, 必须选用标准模数值, 否则将降低其工艺性。可根据设计者的经验给出一个比较大的取值范围 (m1, m2) 进行优化。即:
m1≤m≤m2 (14)
2.3.4 齿轮宽度条件
齿轮宽度除影响产品的轴向尺寸外, 对齿轮传动的接触强度和弯曲强度都有影响。传统方法是用齿宽系数表示。本文把它作为独立的设计变量, 为的是简化目标函数和约束条件, 使优化计算简单。齿宽的取值范围 (b1, b2) 由设计者给出。即:
b1≤b≤b2
2.3.5 齿轮接触强度条件
按照齿轮传动计算, 齿轮接触强度条件为:
undefined (15)
式中K=KAKVKαKβ, KA使用系数, KV动载系数, Kα齿间载荷分配系数, Kβ齿向载荷分布系数, ZH为区域系数, ZE为弹性影响系数, [σH]为许用接触应力。
2.3.6 齿轮弯曲强度条件
齿轮的弯曲应力应满足:
undefined
式中YFa为齿形系数, Ysa为应力修正系数, [σF]为许用弯曲应力。
2.4 设计过程
已知一由电机驱动的闭式直齿圆柱齿轮传动, 输入值为传递功率P, 转速n, 齿轮精度, 工况, 齿轮寿命, 表面硬化状况, 小齿轮相对支撑布置, 传动比I。
(1) 设计变量:X=[x1, x2, x3]T= [m, z, b]T
按初步设计和经验, 分别给出合理的边界:
1.5mm≤m≤8mm 17≤Z≤200 45≤b≤420
(2) 目标函数:考虑总体尺寸由中心距和齿轮宽度决定, 并保证目标函数为正数, 故取:
undefined
(3) 约束条件:
①模数条件:因为1.5mm≤m≤8mm, 所以有:g1 (X) =1.5-x1≤0, g2 (X) =x1-8≤0。
②齿数条件:因为17≤Z≤200, 所以有:g3 (x) =17-x2≤0, g4 (x) =200-x2≤0。
③齿宽系数条件:因为45≤b≤420, 所以有:g5 (x) =45-x3≤0, g6 (x) =x3-420≤0。
④齿轮接触强度条件:因为,
undefined
所以有:
undefined
⑤齿轮弯曲强度条件:根据设计条件齿轮的许用弯曲强度为:
undefined
undefined
2.5 优化方法与结果
直齿圆柱齿轮优化设计中, 设计变量既有连续变量, 又有整数变量, 还有离散变量, 是一个混合型设计变量。在优化中, 可以把所有的设计变量都作为连续变量来处理, 经过计算, 当寻找出最优点后, 再按整型点处理。优化方法采用共轭方向法的改进法——网格法, 并用VB编写了直齿圆柱齿轮优化设计源程序。
3 用户界面的设计
运用最优化方法建立数学模型, 确立原始参数 (功率、齿轮精度、转速、传动比、工作年限、齿轮的材料及表面硬化状况等) 与主要设计参数 (齿数、模数、齿宽等) 之间的对应关系, 求出零件的结构尺寸的最优化结果。
原始参数可定为:传动比i、功率、工作年限、齿轮材料、齿轮寿命、工作状况、转速、小齿轮相对支撑的布置、表面硬化状况。要求的主要设计参数定为齿数Z、模数Mm、齿宽b和优化后齿轮传动的体积 。由此设计的齿轮传动优化设计程序运行界面如图所示。
摘要：机械产品的数字化设计与制造是制造业信息化的重要内容, 而数字化设计包括参数的优化和计算机辅助绘图等内容。开发了齿轮参数优化计算的计算机辅助设计系统, 为齿轮的数字化设计和制造提供了一个高效、实用、准确、可靠的工具。运用VB软件, 结合传统的齿轮设计方法, 从齿轮设计的几个重要参数:齿数、模数、齿宽等方面进行了齿轮的优化设计研究;并以工程实践中具体应用的一对齿轮传动为例验证了其正确性, 为齿轮优化设计的进一步发展提供了一种新的有效途径。
关键词：齿轮,优化,计算机辅助设计
参考文献
[1]邱宣怀.机械设计[M].北京:北京高等教育出版社, 1991.
[2]史永芳, 田启华.基于VB的齿轮参数优化设计[J].通用机械, 2006, (3) .
[3]Bob Resel man.实用Visual Basic6教程[M].北京:清华大学出版社, 2001.
[4]马磊, 姚寿文, 张连第等.渐开线直齿圆柱齿轮参数优化设计研究[J].机械传动, 2006, (6) .
[5]肖亨云.渐开线齿轮行星变速器的优化设计[J].河北煤炭, 2000.
[6]杨小安.基于齿面寿命的齿轮参数优化设计[J].机械, 2003.
齿轮几何参数 篇2
齿轮传动教案
授课班级：14级机械（3）班
授课时间：2014年11月11日（星期二）下午 第6节 授课地点：新教学楼203 授课教师：王用
课 题：外啮合标准直齿圆柱齿轮主要几何尺寸的计算 课 型：理论课 课时安排：1课时
教学目标：
1、了解外啮合标准直齿圆柱齿轮各部分的名称及含义；
2、掌握外啮合标准直齿圆柱齿轮的主要几何尺寸计算公式；
3、把公式灵活运用到实际解题当中。
教学重难点：学生能够使用齿轮相关计算公式从事工程技术计算 教学方法：展示法、讲授法、分析法、巩固法 教 具：粉笔、黑板、电子白板 教学过程:
一、复习导入（展示法）
1、2、引导学生观看外啮合标准直齿圆柱齿轮实物图及传动动画。运用动态图演示标准直齿圆柱齿轮各部分的名称和含义,下 图为其各部分名称的标注。
京山县中等职业技术学校
齿轮传动教案
二、讲授新课（讲授法、分析法）
1、公式讲解
要求学生结合课本153页表7-4，引导学生理解并熟记下表公式。
2、联想到齿轮(外啮合标准直齿圆柱齿轮主要几何尺寸计算公式)
2、实例运用
运用实例帮助学生理解公式，学会解题方法。
例1: 已知一标准直齿圆柱齿轮的齿数Z=36，齿顶圆直径da=304mm。试
计算其分度圆直径，齿根圆直径，齿距以及齿高。计算结果：单位（mm）
例2
京山县中等职业技术学校
齿轮传动教案 例2:已知一对外啮合标准直齿圆柱齿轮副，其传动比i=3，中心距a=240mm，模数m=5mm.试求主动轮齿顶圆直径da1,从动轮齿根圆直径df2。分析过程: i=z2/z1=3 a=m(z1+z2)/2
z2=3z1
z1+z2=2a/m =2×240/5=96
z1=? z2 =? da1=? df2=? 计算结果: z1=24 z2 =72 da1=m（Z1+2）=5*（24+2）=130mm df2=m（Z2-2.5）=5*（72-2.5）=347.5mm
三、课堂练习（巩固法）
1、已知一外啮合标准直齿圆柱齿轮的齿顶高ha=6mm，齿顶圆直径
da=264mm。试计算其分度圆直径d，齿根圆直径df，齿距p和齿高h？
四、课堂小结（1）总结课堂知识
（2）总结教师上课的情况和学生听课情况
五、自由提问时间（给学生咨询的时间）
六、课后作业
双圆弧齿轮参数化设计研究 篇3
双圆弧齿轮具有承载能力强、工艺简单、制造成本低等优点[1],但双圆弧齿轮的基本齿廓形状非常复杂,控制的参数极多,给三维实体建模带来很大的麻烦。现代化设计方法的发展趋势之一是三维虚拟设计和参数化驱动,它要求设计的产品在形状、结构、物理特性等方面与真实产品一致,而且要求较高的设计效率。为顺应这一发展趋势,本文探讨采用一种基于三维设计软件Inventor、对双圆弧齿轮进行参数化设计的方法。设计的目的是通过改变齿轮本身具有决定性的结构参数,也就是改变齿轮本身的结构参数,来准确、迅速地生成新的双圆弧齿轮。
2 双圆弧齿轮基本齿廓
图1为国家标准(GB/T 12759-1991)规定的分阶式双圆弧齿轮的基本齿廓[2]。
通过文献还可以知道:当法向模数mn为不同区间,齿轮的其它参数也有着不同的值。在本文中法向模数mn=3.5mm,在>3~6mm区间内,各参数名称代号及其取值可以参考文献[2]。
3 双圆弧齿轮基本齿廓曲线参数化的创建
双圆弧齿廓的创建有两种形式:采用交互式创建双圆弧齿廓曲线;利用编制的程序实现自动绘制双圆弧齿廓曲线。无论哪种形式的齿廓创建,都必须要保证所创建的齿廓具要有参数化的特性。
3.1 利用交互式创建双圆弧齿廓曲线
创建的交互式操作是指在Inventor图环境下,利用二维草图面板、工具栏中的工具、浏览器等措施,以手动的方式创建符合几何尺寸关系的齿廓曲线,具体创建过程如下:
(1)新建草图依附于某一平面创建草图平面,本文创建的草图平面与双圆弧齿轮的一个端面的夹角为螺旋角β。
(2)创建图元根据图1和文献[2]的几何尺寸关系创建凸圆弧a-b,过渡圆弧b-c,凹圆弧c-d,齿根圆弧d-e,创建中心线,利用镜像功能生成另一侧的齿槽轮廓。
(3)添加几何约束在各图元之间添加特定的相对位置关系,几何约束为参数化提供了有力保障。
(4)添加尺寸约束在几何关系已经充分确立的基础上,添加定义其大小、相对位置关系的尺寸。尺寸起着驱动的作用,不是对所标注对象的“注释”。为了使建立的齿廓具有参数化特性,在参数表中将各尺寸尽量命名为具有工程意义的字母代号,并将其与法向模数mn的关系创建于参数表中。具有显式表达的尺寸约束是实现参数化过程的关键环节,这样,只要mn改变,所有参数值都随之改变。通过交互式方式创建的齿廓草图如图2。
3.2 利用Inventor内嵌的VBA程序设计模式编制自动齿廓绘制程序
利用VBA进行二次开发,编制自动绘图程序不同于交互式操作,所有图元、约束的实现必须依赖于程序代码来完成。由图1可知双圆弧齿廓由4段圆弧组成,每段圆弧的信息,各弧段端点的信息可以通过图形几何关系得到,如表1、表2,它们作为编制程序的依据。启动Inventor,单击【工具】/【宏】/【Visual Basic】,就可以编制程序。首先是参数输入问题,当mn=3.5时程序如下[3]:
由于篇幅,以下仅给出了绘制圆弧ab的程序:
其它圆弧的绘制程序与之类似,并省略了添加几何约束和尺寸约束的程序,另一侧的圆弧可以通过镜像得到。程序编制完后,可以通过输入不同的mn值绘制齿廓曲线。
4 创建齿廓
本文根据实际加工中的采用成型法创建双圆弧齿轮。在3.1节、3.2节中创建的齿廓曲线是法向齿廓,不能作为螺旋扫略的基础齿廓,为此可以在双圆弧齿轮的端面新建依附于它的草图平面,将创建好的齿廓曲线向此草图平面投影,所围成的轮廓可作为螺旋扫略的截面轮廓。投影后的齿廓曲线如图3。
图4是螺旋扫略控制界面,界面中B为齿宽,由于没有螺旋角而只有螺距选项,这里的参数Lj为用户自建参数,可以通过计算机辅助设计即CAGD(Computer Aided Geometrical Design)的方式得到,它是以计算机软件为载体,以计算几何为理论基础,利用设计过程中构造的辅助几何模型来求解某些参数[4]。为了得到螺距,可以新建草图,并构造如图5辅助几何模型,其中Sf是端面分度圆周长,β为螺旋角,这样可以利用软件自身的尺寸驱动功能得螺距Lj,并传给螺旋扫略特征。在设计新齿轮时,当与螺距有关的参数发生改变时,螺距Lj的值也会随之发生变化,可以生成新的齿槽。最后通过环形阵列生成全部齿槽,然后再创建键槽等其它特征。至此,齿轮建模完毕,零件模型如图6。
5 结语
本文利用Inventor对双圆弧齿轮进行参数化虚拟设计,借助了软件自身强大的计算功能。参数化技术以其强有力的尺寸驱动、修改图形的功能,为产品的设计、建模、修改系列产品提供了有效的手段,能充分满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及其相关工艺装备的需要[5]。
在设计过程中大部分重要的结构尺寸都以函数式的形式表达。CAGD的引入,使设计所需的螺旋扫略螺距具有参数化特性,双圆弧齿轮的齿廓曲线可以通过交互式操作或编制VBA程序来实现。以上诸多措施可以保证参数化、变量化设计的实现。零件的设计过程完全在可视化、三维模型上讨论,可以为进一步的零件的应力应变分析、制件质量属性分析、装配干涉分析、高质量的二维工程图生成、NC加工奠定一个坚实的基础。
参考文献
[1]卢贤缵,尚俊开.圆弧齿轮啮合原理[M].北京:机械工业出版社,2003,47-49.
[2]《机械设计手册》编委会.机械设计手册(齿轮传动分册)[M].北京:机械工业出版社,2007:115-144.
[3]陈伯雄,张朝阳.Inventor R6(V)BA程序设计-技巧与范例[M].北京:机械工业出版社,2004:26-56.
[4]杨晨升,孔庆典,等.基于Inventor的渐开线齿轮参数化设计研究[J].机械工程师,2009(11):82-84.
齿轮参数化设计与系统的实现 篇4
一、齿轮设计中的数据处理
1. 函数型数表。
很多数表中涉及的数据都有经验公式或者理论公式, 以及经过某一些数学方法得出的近似函数关系描述数表, 这种数表就被称为函数型数表。函数型数表能够直接使用原有公式或者推导公式进行相应编程, 并且采用相应公式进行数据计算。
2. 非函数型数表。
这种数表是对于没有原始理论公式或很难采用数学方法将近似公式推导出来的数据, 一旦出现了这样数表, 最好是采用数组形式将数据直接写进数据库, 以保存在数据库中。当需要检索之时, 就用相应程序将数据从数据库中调出来。如, 齿轮的传动工况系数用Ki表示, 工作原动机荷载与机载荷特性采用2个非数值变量, 用变量i= (0~2) 与j= (0~2) 表示出不同工况, 之后使用二维空间建立数组Ki (3, 3) 用来存储表里的系数值。在这种情况下, 只需要输入表示工况中的变量i, j值, 就能够查出相对应系数的Ki值。对于比较复杂的数表, 当不便于采用数组处理时, 最好使用数据库存储相关数表。事实上齿轮材料的特性表大都能够通过数据库查询出来, 但是在一些非函数型的数表之中, 某些数表仅仅提供有限节点数据, 如果这些节点数据没有在列表中, 而是处于节点之间位置上, 要使用插值法来计算出最终函数值。
二、齿轮参数化设计与系统的实现
打开Pro/E软件, 在零件模式中采用交互方式创建出圆柱斜齿轮、圆柱直齿轮以及圆锥齿轮涉及的参数化模型。本文, 笔者以圆柱斜齿轮为例, 创建该齿轮的参数化基准模型。
1. 设计齿轮参数。
圆柱斜齿轮参数涉及内容较多, 主要涉及到的参数有齿数、法向模数、螺旋角、压力角、齿高系数、变位系数、顶隙系数, 以及几何参数才能确定下来的分度圆直径 (D、齿根圆直径、齿顶圆直径、基圆直径、齿根高、齿顶高等尺寸参数。利用Pro/E窗口中的“参数设置”菜单设置齿轮参数, 并且通过该栏目赋予相应初始值。一旦确定好了基本的几何参数, 在确定其他的几何尺寸时就要使用Pro/E中对应的“添加关系式 (Relations) ”命令, 输入关系式子, 实现齿轮尺寸的参数化。
2. 对齿廓渐开线的参数化。
先使用Pro/E功能栏中的“基准曲线”与“从方程”2个命令, 之后在出现显示器上的记事本中输入相应参数化直角坐标系下齿廓的渐开线方程。最后, 使用Pro/E功能栏目的“零件模块”中的各种特征输出创建命令, 即可创建出斜齿轮的参数化三维模型。
3. 设计系统菜单。
在这项设计中, 为了便于用户使用齿轮模型, 方便用户修改参数并增强使用效率, 一定要在Pro/E的NGINEER菜单栏中增添自定义菜单, 之后再将各种功能激活。在Pro/Toolkit中有许多操作函数, 能够创建应用程序与管理菜单。之后, 在该系统调用Pro Mneubarmenu Pushbutton Add () 以及Pro M enue bar Menu Add () , 还可以给Pro/E加入设计中使用到的菜单和按钮, 再使用函数Pro Cmd Action Add () 把动作函数与菜单函数有机联系起来。设计中使用到的菜单栏、下级菜单和创建函数语句实例如下:
Status=Pro Menubar Menu Add (“User Menu”, “USER–User Menu”, “Utilities”, PRO_B_TRUE, User Msg) ;//这个地方要添加进“齿轮设计”。
Status=Pro Menubarmenu Menu Add (“User Menu”, “Sub”, “USER–Sub”, “Button2”, PRO_B_TRUE, User Msg) ;//这个地方要添加进“斜齿圆柱齿轮”。
status=Pro Menubarmenu Pushbutton Add (“Sub”, “SubButton1”, “USER–Sub Button1”, “Add new buttons”, NULL, PRO_B_TRUE, cmd_id, User Msg) ;//这个地方要添加进“左旋”。
status=Pro Menubarmenu Pushbutton Add (“Sub”, “Sub Button2”, “USER–Sub Button2”, “Add new buttons”, NULL, PRO_B_TRUE, cmd_id, User Msg) ;//这个地方要添加进“右旋”。
4. 设计的演示实例。
本文, 笔者以左旋斜齿的设计圆柱齿轮为例, 展示该齿轮参数化系统效果, 进而验证其稳定性及正确性。打开了Pro/E软件之后, 经过加载成功, 就会显示系统的输入对话框, 如图1所示。
基于UG的齿轮参数化设计 篇5
关键词：齿轮,UG,参数化造型
1 参数化和建模概述
建模技术是CAD的核心技术, 参数化造型技术和特征造型技术是新一代继承化CAD系统应用研究的热点理论, 也是齿轮参数化造型的基础理论依据, 对齿轮建模和系统设计起着指导性作用。特征是80年代中后期为了表达产品的完整信息而提出的一个概念, 它是对诸如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述, 是反映零件特点的可按一定的规则分类的产品描述信息。这表明:特征不是体素, 不是某个或几个加工表面, 不是完整的零件, 对于制造特征, 其分类与其加工工艺规程密切相关, 用不同的加工方法加工零件, 要定义成不同的特征。描述特征的信息中, 除表达形状的几何信息及约束关系信息外, 还包括材料、精度等制造信息, 通过定义简单的特征还可以生成组合特征。一个完整的产品模型不仅仅是产品数据的集合, 还反映出各类数据的表达方法以及相互之间的关系。只有建立在一定表达方式基础上的产品模型, 才能有效地为各应用系统所接受和处理, 作为完整表达产品信息的产品信息模型。参数化设计是新一代智能化、集成化系统的核心内容。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能, 成为初始设计、产品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。
2 UG软件简介
Unigra Phics软件起源于美国麦道公司。目前己成为世界一流的集成化机械软件CAD/CAM/CAE, 广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械、模具和家用电器等领域。他提供了参数化、特征化的概念设计, 采用区别于多面体的曲面实体造型, 使线框造型、曲面造型和实体造型融为一体。提供可以独立运行的面向对象的集成管理数据库系统, 是CAD/CAM/CAE各部分的数据能够进行自由切换, 是具有良好的二次开发接口和工具。UG为制造行业产品开发的全过程提供解决方案, 功能包括概念设计、工程设计、性能分析和制造。具体说来, 该软件具有以下主要技术特点:
1) 集成的产品的开发:UG是一个完全集成的CAD/CAM/CAE软件集, 它致力于从概念设计到工程分析到数字制造整个产品开发过程。
2) 相关性:应用主模型方法, 使得从设计到制造所有应用相关联。
3) 并行协作:通过使用主模型, 产品数据管理, 产品可视化以及应用Internet技术, 支持扩展企业范围的并行协助。
4) 基于知识的工程:知识通常包括“业界标准”知识和“公司独特”的知识。针对“业界标准”知识, 知识驱动自动化提供了过程向导和助理, 它们有更强的功能, 更易于使用和更高的生产率, 比如模具向导 (Mold Wizard) 、UG/齿轮工程向导 (Gear Engineering wizard) 和UG/冲模工程向导 (Die Engineering Wizard) 。
5) 客户化:UG提供CAD/CAE/CAM业界先进的编程工具集, 满足了企业的需要。CAE方面UG的做法是解算器采用国际上先进的即得到国际上一致认可的软件:如MSC/NASTRAN、NSC/PATRAN、MDI/ADMAS、MOLDFLOW等, UG对这些一流的软件并不是做简单的集成, 而是“植入”UG中, 做到用户界面的一致性, 并根据需要做相应的功能扩充。正是“先进、植入、扩充”的战略做法使得UG在CAD/CAE集成上占据了一流的地位。为了更方便、更直观地进行工程分析, UG推出了UG/Scenario模块。它允许工程技术人员仅在CAE极端就可根据前次的计算结果针对设计对象, 进行必要的结构参数的改变。UG/Scenario会自动对网络划分、边界约束、载荷工况做相应的变化, 从而得出结果。这样反复多次, 工程师就可很方便地进行多方案的分析, 从中再选出最优秀的方案。一经确认, CAD模块的数字模型也会自动的改变, 从而得到最佳的设计模型。其内部解算器可进行有限元、机构运动学和动力学、稳态热传导等分析, 基本上满足了常用的分析计算。同时提供了与世界最新的专业分析软件系统的接口。CAM方面, UG系统在产品加工方面提供的解决方案不仅得到用户的公认, 就是在CAD/CAM系统的软件开发行业, 也是得到公认的。UG最初就是在一个专业加工软件系统基础之上发展起来的, 其CAM模块覆盖了从孔加工到五轴加工的全部过程。同一个产品可选择不同的加工方式及加工路线, 提供了对话框式的机床参数定义系统, 可控制绝大多数的NC机床, 并能进行加工过程的动态仿真和模拟校核等功能。NG提供的二次开发工具功能齐全, 几乎包含UG软件所有模块的开发函数。并可通过高级语言接口, 使UG图形功能与高级语言的计算等功能结合起来, 有利于二次开发。
3 开发方式
利用UG提供的Open及Open++API, 以VC++作为开发和编译调试环境进行二次开发, 这是当前用户应用最为广泛的一种方法。UG/Open也称User Function及Open++API为开发者提供了多个函数及相应的接口, 经过组合调用可以实现大部分UG功能。为了实际开发需要, UG还提供了相应的用户对话框生成工具UG/Open UIStyler以及嵌入式菜单编辑器UG/Open Menuscript, 从而大大提高二次开发的性能。
4 UG/OPEN API模块
UG/OPEN API模块是UG软件中的一个重要的模块, 是UG的二次开发工具之一。作为UG/Open a PI与外部应用程序之间的接口, 是一系列函数的集合。UG/Open a PI能够在两种环境下运行:
1) Internet环境。内部环境下开发的程序只能在UG内部运行, 以动态链接库的形式被加载到UG的进程运行空间, 并一直保留, 除非调用API的卸载函数进行卸载。因此内部程序的执行代码少, 链接速度快, 其运行的结果在UG的图形窗口是可见的。
2) External环境外部环境下开发的程序是可以在操作系统中独立运行, 或者当作一个子进程运行。外部环境下运行的程序通常没有图形显示界面, 如绘图仪打印和建立CGM文件。通过UG/OPEN API的编程, 用户几乎能够实现所有的UG功能, 开发者可以通过用C+和C++编程来调用这些函数, 从而达到实现系统整合和用户化的需要。
5 UG/OPEN API的函数名称及参数约定
在没有特别说明的情况下, UG/OPEN API的函数是用C语言编写的, 并遵循ANSIC标准。
5.1 函数命名的标准约定
大多数函数名称是按照这种格式命名的UF_
5.2 参数约定
UG/Ope n API提供的函数遵守ANS/ISOC的标准, 并以下列格式在头文件声明函数的原型。
<返回值数据类型><函数名称> (变量列表) 。其中变量列表中的变量主要有一下三个种类:
input:函数的输入变量
output:函数的输出变量
output to be freed:函数的输出变量, 使用完成后必须调用UG/OPEN API的函数释放内存空间。
例如, UG_PART_open函数
函数名称OF PART open
运行环境internal和External
其中, int UF_PART_open (dhar*part_name, tage*part, UF+PART_load_statrs*error_status)
part_name:Input, 表示要打开的文件名称。
part:Output表示打开的文件标识, 当打开错误时返回TAG_NULL。
error_status:Output to be freed, 当加载失败时储存错误信息和文件名称, 使用结束后需要调用和函数释放内存。
return:output表示函数的返回值, 0表示加载成功, 非0表示加载失败。
5.3 UG/Open a PI的数据类型
UG/Open API除了使用了C言语的基本数据类型, 还大量应用了C++定义的数据类型, 例如structures, mums, unions, pointers等。UG/Open API对数据结构的命名与函数的命名方法相似, 通过约定的后缀, 定义数据结构的类型如下:
_t数据类型Data type Data type
_p_t数据类型指针Pointer to that type
_s结构标识Structure tag
_u_t联合类型Union type
_u_p_t联合类型的指针Pointer to a union type
_f_t函数指针Pointer to a function
5.4 UG/Open API的对象类型及操作
所有的UG对象都必须通过进行操作, 这些对象主要分为三类:
1) UF对象。UG中的大部分公共对象都是头文件uf_object_types.h中定义的对象, 所有这些对象都有明确的函数与它们对应, 只有特定的对象子类和可显示的UF对象有另外的函数与它们对应。UG/Open API函数支持对UF对象进行指定、查询及删除, 设定和访问属性。对于可显示的UF对象可以对显示颜色、状态及亮度等进行设置。
2) 表达式。UG支持参数化的建模机制, 使用表达式控制特征, 特征也随着表达式的变化而变化。UG/Open API函数可以创建和编辑表达式, 与UG的交互界面产生的表达式同样在表达式编辑器中可见。
3) 部件对象。对每个加载到UG环境中的部件文件, 都有一个关联的部件对象代表它, 同时还为每一个部件对象分配一个类型的变量供用户程序调用。部件对象主要保存的信息有:创建该文件的计算机类型;保存文件的UG的版本;部件文件的状态、描述信息;文件的历史信息, 如存盘的日志信息等等。UG/Open API函数可以对部件对象进行查询, 访问部件的属性, 关闭打开部件, 获取部件的名称, 设置状态和信息, 查询部件文件的历史信息等。
5.5 MFC在UG二次开发技术中的应用
MFC (Microsoft Foundation Class) 类库是Windows下C++编程使用最广泛的类库。它封装了WIN32 API函数, 并设计了一套方便使用的消息映射机制。Visaul C++及其MFC的界面灵活性和表达能力均优于UIStyler的功能。有效灵活MFC的框架结构大大方便了开发者的编程工作, 达到事半功倍的效果。尽管UG/Open API应用程序一直采用Visual C++作为编译器, 但是UG/Open API中没有直接提供对MFC的支持, 所以在UG开发中不能直接提供对MFC的支持, 同目前流行的Windows应用程序开发工具相比, UG应用程序界面的专用工具UIStyler中包含的控件较少, 功能有限, 使得在开发的灵活性上受到一定的局限, 使用起来很不方便, 有的功能甚至难以实现。为了解决这个问题, 本论文采用MFC应用向导 (MFC APP Wizard) 建立系统框架, 在该框架下则可以方便的调用MFC类库中的资源。
6 渐开线数学模型
当直线BK沿半径rb为圆周作纯滚动, 直线之上任意一点K的轨迹AK展开渐开线。直线BK称为渐开线的发生线。角θk称为渐开线上K点的展开角。
如图1, A为渐开线在基圆上的起点, K为渐开线上任意点, 其矢径为rk, 渐开线AK段的展开角为θk。当渐开线作为齿轮的齿廓在点K啮合时, 则此齿廓在点K所的正压力方向 (即法线方向) 与速度方向 (沿a K方向) 所夹的锐角ak为渐开线在点K的力角。由图可见, ak=∠BOK, 且
又因故得θk=tanak=ak, 由上式知, 展开角θk是压力角ak的函数, 称其为渐开线函数, 工程上常用invak表示, 即
由式 (1) 及 (2) 可得渐开线的极坐标方程式为:
如己知基圆半径rb, 在每取一个ak值时, 就可算出渐开线上各相应点的极坐标 (rk, θk) 。
当算出若干点后, 就可得出整条渐开线。
渐开线的绘制:对 (3) 式渐开线曲线建立如图2符合UG要求的表达式: