田启华 李 慧 杜义贤 向兵飞 王 伟

（三峡大学机械与材料学院,湖北 宜昌 443002）

渐开线齿轮是各种机械传动设备中常用的零件,在机械设计和制造领域为了满足机构运动学与动力学仿真分析、数控加工仿真及有限元分析的需要,常常需要精确建立渐开线齿轮的三维实体模型.在机械设计计算时,经常要引用一系列的数据资料,如查询有关的实验曲线、图表以及各种标准和规范等.在传统的设计中,这些数据资料通常是以手册的形式提供的.而在CAD中,只要事先把设计所需的数据资料加以处理与组织并输入计算机,以计算机能够接受的形式存储起来,使用时就能灵活方便地检索和调用,即可实现数据信息的自动检索[1].

文章基于Pro/Engineer软件平台,利用Pro/E提供的二次开发包工具Pro/Toolkit和VC++6.0程序设计语言,设计、开发齿轮类零件三维参数化造型系统.本文还探讨了在齿轮传动设计中常用图表、资料的程序化处理方法.充分发挥计算机绘图的准确和快速性,提高效率,减少重复性劳动,从而带来更大的经济效益.

1 齿轮的特征造型

笔者开发的基于精确模型的齿轮参数化CAD系统所包括的齿轮类型有:直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、内齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆.本文仅以圆柱斜齿建模为例.

在运用参数化技术对齿轮零件进行实体建模时,首先设置基本参数,并把参数加入到关系式中以控制齿轮零件的结构特征[2].大致步骤如下:

（1）分别给齿轮的一些基本参数赋以初值:模数MN 、齿数Z、压力角 ALPHA 、螺旋角 BETA 、齿宽B、齿顶高系数 HAX、顶隙系数CX、变位系数 X.

（2）添加以下方程,创建渐开线,如图1所示.

图1 生成一条渐开线

（3）根据齿廓方程生成精确的齿廓,利用可变截面扫描命令沿着螺旋线精确地扫描出一个斜齿,如图2所示.用阵列生成其它的齿后添加辅特征,得到斜齿圆柱齿轮图,如图3所示.

2 Pro/Toolkit程序设计方法

Pro/Toolkit是采用面向对象的程序设计方法.用户开发的应用程序和Pro/E之间主要是通过特定的数据结构来传递信息的,应用程序需要通过Pro/Toolkit提供的函数来访问这些数据结构.在Pro/Toolkit中,最基本的概念是对象和动作,其应用程序主要包括3个部分:头文件、主程序和自定义函数.

要建立Pro/Toolkit应用程序,在程序中必须使用Pro/Toolkit的初始化函数user_initialize（）,其作用相当于main（）.函数user-initialize（）是Pro/Toolkit应用程序的初始化函数,在该函数中设置与用户的交互接口,如添加用户设置的菜单、直接调用对话框等,它必须包含Pro/Toolkit应用程序所需的任何初始化,在用户和Pro/Engineer交互之前被调用[3].其函数为:

建立同步模式的 Pro/Toolkit应用程序必须包括初始化函数user_initialize（）和user_terminate（）,而且它们应位于同一个.cpp文件中,一般在工程文件命名的.cpp文件中.

3 进行程序调试,生成相应的应用程序文件（.dll或.exe）

Pro/E系统、Pro/Toolkit应用程序与MFC应用程序的通信方式是接口实现的关键之一.本文采用动态链接库（DLL）方式实现三者之间的通信,如图4所示.采用VC++6.0作为Pro/Toolkit调试有两种方法,一种是根据Makefile文件,直接编译和调试；另一种则不需要编写Makefile文件,直接由VC++6.0建立Pro/Toolkit应用程序项目,并进行编译和连接等工作[3].本文采用在创建好应用程序框架后或是编写完所有程序后完成Pro/E与VC++6.0的编译和链接,比如:设置库文件,设置头文件等.随后进行程序调试,生成相应的应用程序文件（.dll或.exe）.

图4 接口实现

4 直齿圆柱齿轮传动设计

齿轮传动是机械传动中的一种主要传动形式,其设计方法已相当规范,但设计过程却相当复杂,往往需要从有关的工程手册或设计规范中查找各种系数或数据.在常规齿轮传动设计计算中要确定的参数主要有齿数Z,模数M,齿宽 B等.在设计过程中,一般先选取大小齿轮的材料、热处理情况及硬度、精度等级并初选齿数Z.后由已知条件查找有关的线表确定,按照齿根弯曲疲劳强度计算公式（1）或齿面接触疲劳强度设计公式（2）进行计算所需系数,最后进行验算校核[4].

接触强度设计公式

齿根弯曲强度设计公式

4.1 关键技术实现

笔者应用CAD系统将人工查找各种系数或数据转变成高效快速的自动查询.主要处理技术有:（1）程序化.在应用程序内部对这些数表及线图进行查表、处理或计算.具体处理方法有两种,第1种将数表中的数据或线图经离散化后存入一维、二维或三维数组,用查表、插值等方法检索所要的数据；第2种将数表或线图拟合成公式,编入程序计算出所需数据.（2）数据库存储.将数表及线图（经离散化）中的数据按数据库中的规定进行文件结构化,存放在数据库中,数据独立于应用程序,但又能为所有应用程序提供服务,使用比较方便可靠.（3）数据文件法.

4.1.1 线图的程序化处理

如图5中的弯曲疲劳系数曲线图的处理,主要运用曲线拟合的方法求出经验公式,再将公式编入程序.选择图中第1条线,得出的各段拟合公式见式（3）

图5 弯曲疲劳系数曲线图

4.1.2 列表函数的插值

根据机械设计中的要求,齿形系数Yfa及应力校正系数Ysa的选择需要对表格数据进行线性插值.齿轮1的齿形系数Yfa1及应力校正系数Ysa1的线性插值的部分程序如下:

依照以上方法,可以将齿轮传动设计计算全部程序化.

4.2 交互界面设计

利用VC++6.0高级语言设计了齿轮传动设计人机交互界面,如图6所示.通过输入相应参数,最后得出传动齿轮的基本参数:模数、齿数和齿宽,并传输到齿轮的参数对话框中,如图7所示,即可生产所对应的齿轮模型.因此,只需改变齿轮传动的设计参数及工作条件,可以得到相应的三维齿轮图.

图6 齿轮传动设计人机交互界面

图7 传动齿轮1对话框

5 开发实例

笔者通过在Pro/E中添加了齿轮种类的菜单,并利用VC++6.0高级语言设计了多个友好的用户界面,解决了齿轮种类繁多的问题.系统的具体操作流程如图8所示.

图8 系统的具体操作流程

注册后在Pro/E齿轮的特征建模菜单条下点击圆柱斜齿齿轮菜单按钮,如图9所示,弹出如图10所示对话框,点击打开模型按钮就可得到初始斜齿模型.

通过改变对话框中的齿轮参数,系统将生成相应的斜齿轮,如图11所示.在圆柱直齿斜齿统一建模对话框中通过控制参数螺旋角BETA,可以实现圆柱斜齿与直齿的统一三维建模[5],如图12所示.

6 结 语

基于Pro/E开发平台,根据齿轮类零件各自的特点,参考机械设计手册的设计参数,结合 Pro/T oolkit、参数化等技术,在VC++6.0的集成开发环境中使用MFC开发Pro/E的应用程序,进行人机交互界面的可视化设计,实现了大部分齿轮类零件的参数化建模.同时,在直齿圆柱齿轮传动设计中,完成了曲线图和表格的程序化,将人工查找转变成在CAD进程中高效处理.提高了产品开发效率,缩短了开发时间,具有一定的市场全景和经济效益.可为后续的齿轮CAE、CAM等提供精确的三维实体,更好地为仿真、有限分析、虚拟装配和NC加工等打下了良好的基础,并给CAD/CAPP/CAM的集成研究提供了可行的方法与经验.

[1]库 兰,周江林,吉玉祥.机械设计在CAD中图表资料的处理[J].新疆大学学报:自然科学版,2002（5）:246-250.

[2]周四新.Pro/E Wildfire 3.0工业设计范例教程[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[3]李世国.Pro/Toolkit程序设计[M].北京:北京机械工业出版社,2003.

[4]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].7版.北京:高等教育出版社,2001:198-204.

[5]王 魁,吴正佳,张利平.基于参数化技术的圆柱直齿斜齿统一建模方法[J].三峡大学学报:自然科学版,2008,30（6）:74-76.