SolidWorks中的非圆齿轮实体建模方法研究 1

miueoji

    本文利用SolidWorks软件开放性体系结构，通过对软件的二次开发实现了非圆齿轮的参数化三维建模。

1 非圆齿轮设计及方程
    1.1 非圆齿轮与圆齿轮的不同之处
    机械产品中的圆柱齿轮、圆锥齿轮等圆齿轮，其每个齿形相同且均匀分布在圆周上，齿顶、齿根分别位于齿顶圆周和齿根圆周上。齿轮的计算机辅助设计，可利用软件的镜像、阵列等功能实现。
    非圆齿轮的齿廓形成及设计，与圆齿轮有很多相似之处，如齿数、模数、齿顶高、齿根高等参数设计。但又因为它的节曲线不是圆，因此不同位置的轮齿不尽相同，如图l所示，非圆齿轮的节曲线方程为r=r(θ)，其齿顶、齿根、齿廓等部位的计算与圆齿轮有很大的区别。为此在进行非圆齿轮设计是，将每个齿形单元分成齿廓ab、cd，齿顶bc，齿根de四部分，分别计算设计，然后再利用绘图程序绘制齿形图。

图1 齿形图

    1.2 轮齿在节曲线上的位置
    节曲线封闭的非圆齿轮，在设计时要保证轮齿在节曲线上的均匀分布。若要设计齿轮的模数为m，齿数z，则节曲线的周长L应恰好是z个齿距，即应满足条件式    

    一般情况，设计时随意确定的节曲线参数，是很少能恰好满足上式的。为此，设计者必须通过改变节曲线的某些参数，或者改变齿数、模数等进行反复的计算，直到满足上述要求为止。
   1.3 齿顶与齿根曲线方程
    非圆齿轮的齿顶曲线和齿根曲线理论上是节曲线的法向等距线，它们与节曲线之间的法向距离分别是齿顶高ha、齿根高hf，如图2所示。从节曲线沿法线向外侧量取长度ha，得到A点，它就是齿顶曲线上的一点：沿法线向内侧量取长度hf，得到B点，它就是齿根曲线上的一点。齿顶与齿根曲线方程分别为

图2 轮齿齿顶齿根计算图

    1.4 齿廓曲线方程
    圆齿轮的齿廓是基圆的渐开线，每个轮齿形状相同，而非圆齿轮各个轮齿的齿廓不尽相同，其设计和计算相对要比圆齿轮复杂的多。如图3所示，n为齿廓线上的一点，a为n点的法线与节曲线交点。则由矢量方程式ro=r+an求得n的直角坐标方程为分页

图3 轮齿齿廓计算图

2 非圆齿轮建模程序开发及关键技术
    目前市场上的三维机械CAD软件并没有提供直接生成非圆齿轮的功能，但很多软件为用户提供了开放的二次开发接口，用户可根据自身需要对其进行二次开发，以实现建立机械零件三维模型的目的。本系统采用市场上较为流行的SolidWorks作为二次开发平台，研究非圆齿轮参数化建模的方法。
    SolidWorks软件二次开发是利用支持OLE(对象的连接和嵌入)和COM(组件对象模型)的编程语言作为开发工具，通过调用SolidWorks API(应用程序编程接口)函数，实现与SolidWorks软件相对应的功能。API是一个基于OLE Automation的编程接口，其中包含了许多功能函数，这些函数提供了直接访问三维机械CAD软件的能力，可以被VB、VC等编程语言调用，以实现预期功能。
    2.1 系统开发思路
    本系统通过编写Visual Basic程序来对SolidWorks软件进行二次开发，实现非圆齿轮的参数化三维建模，其基本过程如下：
    (1)在SolidWorks中建立非圆齿轮三维模型
    用SolidWorks创建非圆齿轮三维模型时，应用SolidWorks自带的宏记录功能，把建模的全过程录制成宏文件。对记录所得宏文件，进行编译即可变成能被VB调用的应用程序。找出宏文件中与模型生成有关的关键函数，确定其中的关键常数，将关键常数用变量代替，这样就完成了齿轮三维参数化造型程序。
    (2)应用Visual Basic编制应用程序
    运用VB语言编制应用程序界面，读取界面并录入初始参数，计算出相关参数并输入到齿轮实体生成时形成的宏文件中，编译程序并生成可执行程序供SolidWorks程序调用。运行设计窗口时，点击模块中的“确定”按钮，在SolidWorks环境下进行齿轮三维实体建模，即可得到所需要的齿轮实体。
    (3)完成可执行应用程序后，使用SolidWorks中的“宏”操作命令将应用程序嵌入SolidWorks中，实现二者的接口。
    (4)进行非圆齿轮参数化建模。
    2.2 非圆齿轮参数化三维建模过程
    2.2.1 齿轮的造型
    用VB开发SolidWorks时，一般是利用宏录制命令在SolidWorks环境中录制SolidWorks的相关操作来获得程序头部和应用程序的代码，并将代码经过适当的修改后放到VB中使用。在应用程序的开发过程中，利用SolidWorks内部的宏功能，将非圆齿轮三维实体创建的全过程经宏录制转换成宏文件，然后对宏进行编辑，形成非圆齿轮的三维参数化造型程序。基本步骤如下：创建新零件—新建宏—录制宏—利用样条曲线等建立草图特征—创建拉伸特征—停止宏—编辑宏文件(*.swp)。
    在本例中首先录制一个模数为m=2，齿数为z=40，偏心率为e=0.45的一阶椭圆齿轮实体创建全过程的宏文件。然后编辑该宏文件，把关键常数用变量代替，生成齿轮的三维参数化造型程序。造型过程需要利用非圆齿形的齿廓曲线方程式，计算各点的坐标值并用SolidWorks软件中的样条曲线功能生成一个完整的齿廓形状，如图4所示。

图4 齿轮齿廓形状

    2.2.2 齿轮参数的定义与计算
    程序中首先定义非圆齿轮的各项参数，并据齿轮计算公式进行计算，得出绘制齿轮所需参数。
    Dim m As single／／定义齿轮模数
    Dim z As Integer／／定义齿轮齿数
    Dim e As single ／／定义椭圆齿轮偏心率
    Dim n As Integer／／定义椭圆齿轮阶数
    ......
    xg=r*cos(seita)／／计算非圆齿轮齿廓点
    yg=r*sin(seita)
    xr=xg+s*cos(alfaN)*cos(q)
    yr=yg+s*cos(alfaN)*sin(q)
    beita=bei(xr,yr)
    ra=A*(1-e*e)／(1-e*cos(N*beita))+M分页l=sqrt(xr*xr+yr*yr)
    ......
    2.2.3 VB程序与SolidWorks接口的实现
    调用VB与SolidWorks的开发接口，建立VB与SolidWorks的联系，部分代码如下：
    Dim swApp As Object
    Dim NewPart As Object
    Set swApp=CreatObject(SldWorks.Application)
    swApp=True
    ......
    完成应用程序后，将应用程序嵌入SolidWorks中。使用SolidWorks中的宏操作命令直接调用编译好的可执行程序，其过程如下：选择菜单“工具／宏操作／录制”-停止录制，以文件名称feiyuanchilun.swp.保存宏文件-选择菜单“工具／宏操作／编辑”，把宏文件论证的内容删掉，并输入下面的程序：
    Sub main()
    MyAppID=shell(“D：＼feiyuanchilun．exe"，1)
    AppActivate MyApplD
    End Sub
    保存并返回到SolidWorks环境。在SolidWorks中指定宏命令的文件位置，并定制工具栏，将所执行的宏操作按钮添加到指定位置，以后在SolidWorks中单击相应的图标就可以直接执行应用程序了。

该文来源于三维论坛