基于UG二次开发的渐开线花键轴参数化建模

卢嘉铮　王瀚艺

【摘 要】渐开线花键轴作为一种重要的传动部件，被广泛用作较大载荷和对定心精度要求较高的机械传动结构。而在花键轴的设计过程中，需要进行多次强度校核和尺寸修改，琐碎、重复的建模极大地影响了设计效率。因此本文采用参数化设计方法，基于商用CAD软件UG的二次开发功能，结合MFC，编写客户化菜单和对话框，实现渐开线花键轴的快速建模以供实际工程设计需求。参考渐开线齿轮的加工的过程，先建立轴的模型，再生成渐开线齿廓，最后进行布尔差操作模拟切削加工，得到完整渐开线花键轴三维实体模型，并可生成不同齿廓的模型，能进行多次参数变动后的渐开线花键轴快速建模，满足实际工程优化设计中反复修改模型的需要。本文的工作展示了参数化设计的有效性和高效率，且在花键轴的实际设计过程中有一定参考价值。

【关键词】渐开线花键轴；参数化设计；UG二次开发；MFC

中图分类号： TG333 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）04-0001-004

Parametric 3D Modeling of Involute Splined ShaftBased on UG Secondary Development

LU Jia-zheng WANG Han-yi

（School of Aeronautical Engineering， Civil Aviation Flight University of China，Guanghan，Sichuan 618307）

【Abstract】The involute spline shaft is widely used in mechanical structure which is bearing a heavy load and requiring high precision of centering accuracy on account of its prominent advantages as an important part of torque and motion transmission. In the design of an involute spline shaft， a balance should be struck between strength checking and dimension modifying， thus leading to great repetitive modeling work， which reduces the efficiency of the design. Thus， based on secondary development of commercial CAD software UG， combined with MFC， a customized menu and a dialog in accordance with parametric modeling method were built， to meet the demand of quick modification of involute spline shaft. Referring to the manufacturing process of the involute gear， we model the shaft first， then involute tooth profiles， finally get the aimed involute spline shaft 3-D solid model through subtract-bool operation. Besides， series of spline shafts can be modeled and quick modified， satisfying the needs of repetitive modeling work of optimal designs. This paper demonstrates the high efficiency and effectiveness of parametric modeling method， provides certain instructions for the spline shaft designing as well.

【Key words】Involute Splined Shaft； Parametric Design； Secondary development of UG0 引言

花鍵联接，如图1，是在平键联接的基础上发展而形成的一种键联接方式，其齿面接触好，启动时承载能力好，强度高，精度高，互换性好，刀具经济，因此，其在载荷较大和定心精度要求较高的各类机械结构联接中被广泛应用[1]-[2]。但其造型较为复杂，尤其是齿形的建造较为困难，建模需耗费相当多的时间，且尺寸改动时涉及较多参数，建模效率低下。另外，完整的机械优化设计，根据经验从初步设计出发，经过多次循环反复的强度校核、结构修正等大量计算，最终得到最优设计结果，如图2所示。其海量的重复性建模工作会大大降低工作效率，而利用成熟的CAD技术可解决上述问题，如UG、ProE等商业软件提供的二次开发和参数化建模功能可避免GUI建模，降低时间成本，为后续因强度校核等而需要进行的协调设计提供便利。

20世纪70年代末及80年代初，英国剑桥大学的R.C.Hillyard和美国MIT的D.C.Gossard等率先将参数化造型技术应用于CAD系统中[3]。白剑锋等人[4]利用UG软件的参数设置、建立表达式实现齿轮的完全参数化设计，提出了渐开线斜齿轮参数化控制自动造型的方法。马铁林等人[5]优化设计变量与机翼气动计算网格的中间参数变量用于描述机翼气动网格变形情况，并建立结构有限元网格与优化设计变量的空间变化关系，提出一种机翼气动与结构分析模型参数化建模方法。陈卓等人[6]应用VB汇编语言，开发了花键强度计算系统软件，找到了对花键强度产生影响的主要尺寸参数，并提出了提高花键强度的方法。本文基于成熟的渐开线花键轴设计思想，引入参数化设计，实现程序自动快速建模，以满足工程设计的需求，降低设计过程中由于反复修改尺寸而带来的重复建模工作量。

1 外花键轴参数化模型

1.1 参数化建模思路

参照渐开线齿廓的加工方法，本文采用“去除材料”的方式生成花键基本齿廓，再由基本齿廓模型旋转阵列得到完整的外花键。理论上，渐开线起于基圆，而实际加工时，由于花键刀具具体结构的限制，渐开线齿廓从小径处生成，因此建模也应遵循上述规律。

建模步骤如下：1）用户根据需求输入渐开线花键轴的模数m、齿数z、压力角α、齿根类型等参数；2）在轴端面上，生成渐开线花键轴的大径Dee、小径Die、基圆半径Db和分度圆直径D；3）在大径和小径之间生成渐开线齿廓关键点，连接关键点得到渐开线齿廓线；4）将关键点经过旋转复制得到新的点，生成渐开线花键的z个凹槽齿廓（被去除部分）；5）根据齿宽对去除部分进行拉伸操作，分别与轴体进行布尔差；6）根据齿根类型选择对应的齿根圆弧，并对花键齿廓实体进行倒圆角操作，即得到完整的渐开线花键轴模型。

1.2 主要参数

一般而言，渐开线花键按其三种齿形角和两种齿根类型规定了四种齿廓：30°平齿根、30°圆齿根、37.5°圆齿根和45°圆齿根[7]，工业标准GB/T3478.1-2008规范了渐开线花键的各类参数，本文受时间限制，仅考虑外花键相关设计。

本文模型将被用于强度校核等计算，计算要求几何模型尽量简洁，另一方面考虑到需要快速建模，因此对花键轴部分细微结构进行了简化。建模主要参数如表1所列：

1.3 关键特征

本文采用圆弧代替渐开线的简易画法。虽然在实际的加工过程和齿轮啮合过程中，无法用圆弧代替渐开线，但对于CAE分析，特别是有限元计算而言，本文所涉及花键齿的绝对高度仅为数毫米，在这个尺寸下，由于前处理要对几何模型进行离散，单元形状对边界的模拟并不足够精确，且结构强度分析对如此细微差别的形状并不敏感，两者都为均匀弧线，不存在应力集中的情况，圆弧和渐开线齿廓在强度分析中能得到几乎相同的结果，因此采用圆弧代替渐开线。渐开线花键的简易画法如下：

（1）根据模数m，齿数z、压力角α，画出基圆Db，大径Dee、小径Die；

（2）多边形内接于分度圆D（边数=2z）；

（3）由圆心O向多边形的任一角点A引直线OA；

（4）以OA中点B为圆心，AB为半径画圆，交基圆于C；

（5）以C为圆心，AC为半径画圆，如图4、5所示，与大径、小径相交部分为所需圆弧。

（6）完整花键齿廓图如图6。

根据上述方法，画出压力角为37.5°的圆弧齿廓并与渐开线齿廓线进行比较，见图7。由对比图可看出，简化画法得到的圆弧与渐开线差别极小，一定条件下可以满足工程实际。

2 程序实现

基于MFC对话框，选用Visual Studio2010作为开发环境。利用UG提供的二次开发功能，编程扩展系统功能实现本文中创建花键轴模型的特定需求，采用动态链接库技术，把创建模型时用到的相应的Open C文件，编译生成DLL文件，供NX进程加载。

2.1 程序界面

根据上一章提到的建模所需参数，设计如图8所示的对话框，作为人机交互界面。

本文采用菜单调用的方式运行动态链接库。图9为UG用户菜单，使用者可通过点击菜单，调出对话框，进行模型的创建。菜单代码布局放入.men文件中，另外应在主程序中加入调用菜单的命令。

程序经过编写和调试后，最终实现了在UG中快速生成渐开线花键轴，如图10所示。

程序中添加了15种模数、四种基本齿廓类型（由30°、37.5°和45度以及圆齿根和平齿根两种齿根类型组成），下图为四种基本齿廓的实体模型：

（a） 30°平齿根（b） 30°圆齿根（c）37.5°圆齿根（d）45°圓齿根

2.2 程序关键代码

UG二次开发中，许多特征函数的特定输入变量为字符型变量，例如表2为程序中所使用的创建拉伸体特征函数UF_MODL_create_extruded的回转角度输入变量说明：

虽然拉伸长度是数值，但是在函数定义中却作为字符变量而非float变量进行输入。在程序中，诸如拉伸长度一类的变量是通过计算而来，所以被定义为float变量，现为了将其值作为变量输入到拉伸特征函数UF_MODL_create_extruded中使用，必须进行变量类型的转换。

C语言中的sprintf可以执行字符串格式化命令，其主要功能是把格式化的数据写入某个字符串中。本渐开线花键轴的建模程序中，正利用sprintf将double或者int型变量转换为char型变量，进而作为二次开发函数输入值进行使用。值得注意的是，在C++语言中，应尽量使用sprintf_s代替sprintf，前者对缓冲区的大小进行了安全处理，是后者的安全版本。下面例子是本文程序中对sprintf_s的使用：

char c_Len[20]；

sprintf_s（c_Len，"%f"，Lenth）；//将float变量转换为char变量，用于拉伸特征函数

程序关键代码还有：用户菜单和交互界面和计算代替渐开线圆弧的子函数。

1）菜单的格式和标题由.men文件定义（菜单执行动作必须与.cpp文件中的执行命令保持一致）：

2）计算代替渐开线的圆弧，关键在于求得齿廓圆弧的两个端点与该圆弧上其他任意一点，代码如下：

//计算得到渐开线简化算法中，最后圆C与齿顶圆齿根圆的交点坐标

3 总结

本文采用参数化设计方法，利用UG的二次开发功能，结合MFC，编写客户化菜单和对话框，实现渐开线花键轴的快速建模以供实际工程设计需求。得到完整渐开线花键轴三维实体模型，并可生成不同齿廓的模型，能进行多次参数变动后的渐开线花键轴快速建模，满足实际工程优化设计中反复修改模型的需要。本文的工作展示了参数化设计的有效性和高效率，且在花键轴的实际设计过程中有一定参考价值。

由于本人的学术水平和精力有限，暂不能完成后续有价值的研究工作，望有兴趣的读者进一步完善：

（1）补充花键种类，自定义轴向和花键生成方向；

（2）集成模型的参数化设计、强度校核、修形、寿命评估以及优化设计分析功能；

（3）融合知识驱动，搭建“智慧型”设计平台，更好地服务于工程实际。

【参考文献】

[1]明翠新.键与花键[M].北京：中国计划（下转第79页）（上接第4页）出版社，2004：2，156，215—218.

[2]机械设计基础/胡家秀.机械设计基础[M]北京：机械工艺设计出版社，2001.5.

[3]莫蓉，常智勇.计算机辅助几何造型技术—第2版[M]北京：科学教育出版社，2009.

[4]白剑锋，贺靠团，黄永玲，等.UG在渐开线斜齿轮参数化设计中的应用[J].机械设计与制造，2006（7）：1001-3997.

[5]马铁林，马东立，张朔.分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的应用[J].航空学报，2008，29（6）：1000-6893.

[6]陈卓，朱如鹏.航空发动机渐开线花键强度分析[J].机械工程与自动化，2009（155）：1672-6413.

[7]中国第二重型机械集团公司，等. GB/T 3478—2008圆柱直齿渐开线花键（米制模数 齿侧配合）[S].中国国家标准化管理委员会，2008： 2008-09-2.