基于Solid Works的锥齿轮传动系统参数化建模

薛 成，罗 霞

（江苏省涟水中等专业学校，江苏淮安 223400）

齿轮传动是一种传统的运动与动力传递方法，已历经数百年的发展，应用十分广泛，在日常生活中随处可见，负责将动力装置的运动或动力经过一定的变换后传递给执行装置，使二者之间实现合理匹配，可实现增速、减速、变速、改变运动形式、分配运动和动力以及某些操纵控制功能。齿轮传动的设计制造技术是各个发达国家争相发展的重大技术之一，在一定程度上代表着一个国家的科技力量和工业水平；因此，将CAD技术引入到齿轮传动的设计中来，建立一个集参数化设计与特征建模于一身的齿轮传动CAD系统，使其成为机械产品CAD系统中的重要组成部分，是齿轮传动设计的发展趋势，具有非常重要的工程价值和研究意义。

本文针对锥齿轮传动系统的参数化建模问题，解决了锥齿轮传动系统的参数化设计与三维精确造型的相关技术问题，以So1idWorks 2008作为支撑软件，以Visual Basic软件作为开发平台，开发了一套锥齿轮零件的三维设计模块系统，该系统将齿轮传动的参数化设计、三维实体造型和装配等多种功能集成为一体，能够较好地实现齿轮设计过程的自动化，使齿轮设计人员从繁琐、低效的手工设计工作中解放出来，提高了产品的设计质量和效率。

1 参数化建模设计思路

锥齿轮传动具有较多的参数，其产生较多规格的模型和零件，为缩短设计时间，针对锥齿轮传动系统结构特征，本文采用了建立参数化模板的方法，即建立一个模板库，对传动系统进行参数化建模。

使用SolidWorks对传动系按其结构特点创建实体并标注参数尺寸，其中注明各个驱动尺寸的参数和数值，标注尺寸采用建立实体的实际尺寸，SolidWorks自动标注的尺寸名字（如：D1，D2）在程序中难以辨识，采用在标注时修改尺寸的方式对各个参数进行定义名称，使尺寸的名称表达出特征的作用，将形成的三维设计模块，在VB程序中直接调用该模块。

为实现模型的参数化，需使用经过参数化计算已生成的数据对三维设计模块进行参数化驱动。本文选取Solid⁃Works为开发平台，以传动系统为研究对象，采用Micro⁃soft Visual Basic作为开发语言，设置合理的设计变量，再通过Microsoft Visual Basic程序驱动设计变量实现传动系统的参数化建模，其流程图如图1所示。

2 锥齿轮的基本参数和几何尺寸计算

锥齿轮传动关系如图2所示，图中表明了设计锥齿轮的基本参数如分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径等主要参数，同时给出了计算该模型的主要参数的公式如表1所示。

图1 传动系统参数化设计程序流程图

图2 标准直齿圆锥齿轮传动

表1 标准直齿圆锥齿轮传动几何尺寸计算

根据以上给出的计算表格，对模型的基本驱动参数的计算结果，采用VB软件，根据以上公式编制计算参数程序，对所需的驱动参数进行计算，驱动Solidworks锥齿轮模块。

3 基于Solidworks的锥齿轮参数化建模

锥齿轮的主要参数为：分度圆锥角δ、齿数z、齿宽b、中心孔D4、模数m。将以上参数作为为输入参数建立其三维模型，其主要的设计步骤如下所示。

（1）新建一个文件，输入新文件名：zhuichilun。

（2）选取前视基准面，点击草图绘制中的直线命令绘制五条直线，分别标注尺寸将其改为30 mm、30 mm、20 mm、20 mm和4 mm，并且将其尺寸属性中的名称分别改为δ、z、b、D4和m，退出草图绘制，将草图名称改为参数驱动。

（3）选取前视基准面，点击草图绘制中的直线命令绘制如图3所示的草图。

分别标注如图所示的尺寸，退出草图并建立各个关系式：

①"df@草图1"=("m@参数驱动"*"z1@参数驱动"-2*"hf@草图1"*cos("δ@草图5"))∕2；

②"hf@草图1"=1.2*"m@参数驱动"；

③"ha@草图1"="m@参数驱动"*1；

④"b@草图1"="b@参数驱动"；

⑤"δa@草图1"="δ@草图1"+atn("ha@草图1"∕"R@草图5")；

⑥"δ@草图1"="δ@草图5"；

⑦"δf@草图1"="δ@草图1"-atn("hf@草图1"∕"R@草图5")。

（4） 选取前视基准面，点击草图绘制中的直线命令绘制五条直线，分别标注尺寸，退出草图并建立各个关系式：

①"df@草图5"="m@参数驱动"*"z1@参数驱动"∕cos("δ@草图5")+2*"ha@草图1"；

图3 标准圆锥齿轮草图1

②"s@草图5"=(pi*"m@参数驱动"∕2)*"df@草图5"∕"d@草图 3"∕2-"df@草图 5"*(tan("ak@草图 5")-tan(20)+20*pi∕180-"ak@草图 5"*pi∕180)；

③"ak@草图5"=arccos("z1@参数驱动"*"m@参数驱动"*cos(20)∕cos("δ@草图5")∕"df@草图5")；

④"R@草图5"=(("m@参数驱动"*"z1@参数驱动")^2+("m@参数驱动"*"z1@参数驱动"∕tan("δ@参数驱动"))^2)^0.5∕2；

⑤"δ@草图5"="δ@参数驱动"。

（5）选取前视基准面，点击草图绘制中的直线命令绘制如图4所示的草图。

图4 标准圆锥齿轮旋转特征草图

退出草图，点击特征中的旋转凸台生成旋转特征。

（6）建如图5所示的基准面1。

（7）选取基准面1，绘制如图6的草图。

分别标注尺寸，并且建立各个关系式：

图5 标准圆锥齿轮基准面1

图6 标准圆锥齿轮草图3

①"d@草图3"="m@参数驱动"*"z1@参数驱动"∕cos("δ@草图5")∕2；

②"D5@草图3"=180*"s@草图5"∕"df@草图5"∕pi；

③"D6@草图3"="D5@草图3"+"D7@草图3"-0.1④"D7@草图3"=90∕"z1@参数驱动"。

（8）点击特征中的扫描，生成一个齿。

（9）选取基准面，绘制一个ϕ20 mm的圆，添加键槽，建立关系式"d4@草图6"="D4@参数驱动"，"jck@草图7=6"，"jcs@草图7=22.8"拉伸切除生成一个孔。

（10）点击特征中的圆周阵列，选取生成的一个齿为所需阵列的特征，完成圆周阵列，完成的圆锥齿轮如图7所示。

图7 标准实心式圆锥齿轮三维模型

以上针对锥齿轮传动系统，给出了该传动系统的参数化建模思路；给出了锥齿轮传动模型的主要参数计算公式，并以该计算结果作为驱动参数，给出了采用参数驱动的Solidworks软件建立锥齿轮传动的建模过程，为实现Solidworks软件的参数化建模奠定了基础。

4 基于VB的参数化建模软件

本软件主要由界面模块、数据模块、参数驱动模块和调用程序模块组成，采用VB与Solidworks软件参数的相互通讯，采用建模程序命令流，驱动Solidworks软件实现Solidworks的参数化建模。基于VB的传动系统参数化建模软件的建模流程采用如图8所示，采用界面输入参数驱动Solidworks软件建模输出。

图8 基于VB的传动系统参数化建模软件设计流程

4.1 界面和参数设置

采用VB编写软件的主界面和子界面，主界面实现用户名输入和设计类型选择，子界面实现模型的参数输入，登录界面是为了保护程序的著作权，本软件设置了登录用户名与密码，如果用户名称或密码错误，会提示重新输入，同时在登录界面上添加了系统当前时间，当进入软件时需设置模型的保存位置，方便使用者查找。

（1）系统时间设置代码如下：

Private Sub Timer1.Timer()

Label1.Caption=Now

End Sub

（2）模型文件保存位置设置代码如下：

Private Sub Txt_WorkDir_Change()

Str=Txt_WorkDir.Text

End Sub

Private Sub Cmd_SetWorkDir_Click()

Txt_WorkDir.Text=Module_OpenFolder.GetDirName

Str=Txt_WorkDir.Text

End Sub

4.2 参数驱动和建模

通过对齿轮在工程设计中的地位和作用的分析，提出了一个基于齿轮设计和绘图一体化的总体方案，用以解决齿轮设计和绘图中的问题，其过程如图9所示，设计参数的输入采用VB界面形式，界面清晰，使用方便，用户只要根据界面便可迅速学会使用。为了满足不同设计者的不同需要，所有设计程序都可以修改，设计者可以根据需要，反复修改，采用优化方法确定设计参数，直到得到满意的答案。

图9 齿轮的参数化驱动程序流程图

根据上面分析的理论公式，采用VB编写各个模块的参数计算公式，驱动Solidworks，建立参数化模型，其中设计模块的主要操作步骤为：启动Visual Basic 6.0，输入密码登录程序，首先设置路径下选用保存的路径，为模型的建立和提取建立路径，点击“圆锥齿轮”模块按钮，进入圆锥齿轮的参数化设计模块界面，输入相关参数，后点击“创建”命令按钮，运行程序，驱动Solidworks软件，其生成结果如图10所示。

图10 圆锥齿轮三维模型

5 结束语

本文针对锥齿轮传动系统，以VisualBasic6.0为编程工具，对三维造型软件SolidWorks进行了二次开发，采用模块化设计思路、参数化特征造型的方法来实现锥齿轮传动系统的参数化建模，解决了齿轮等设计中的复杂、烦琐计算，提高了设计效率，可靠性、准确性也大大提高，同时，便于用户使用、也方便开发者扩充。