奧利康錐齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)-論文

1、Visual LISP 環(huán)境下奧利康錐齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究姚 慧 曹 巖 陳江波（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710032）摘要：關(guān)鍵詞：奧利康錐齒輪；參數(shù)化設(shè)計(jì)；Visual LISP1.引言 擺線齒錐齒輪分為“奧”制和“克”制兩種12，奧利康錐齒輪采用等高齒，齒線是長(zhǎng)幅外擺線，加工時(shí)機(jī)床調(diào)整方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，且承載能力高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，對(duì)安裝誤差和變形不敏感；軸向力大，且隨轉(zhuǎn)相變化，廣泛用于汽車制造業(yè)，如小汽車、小貨車及其制造業(yè)，因此奧利康錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)是經(jīng)常會(huì)遇到的工作，如果僅依靠傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，不僅工作繁瑣、效率低而且出錯(cuò)率比較高，因此研究并開發(fā)一種符合工程設(shè)計(jì)習(xí)慣的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系

2、統(tǒng)非常必要。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于外齒輪類零件參數(shù)化CAD設(shè)計(jì)研究主要集中在參數(shù)化繪圖方面，并且也多集中在直齒輪和斜齒圓柱、圓錐齒輪方面89，對(duì)于弧齒、擺線齒錐齒輪的研究也大多集中在齒形功能和制造方面10 11，對(duì)于其參數(shù)設(shè)計(jì)研究較少12，對(duì)奧利康錐齒輪的智能參數(shù)化設(shè)計(jì)幾乎是空白13。本文針對(duì)奧利康錐齒輪的設(shè)計(jì)流程，在Visual LISP開發(fā)環(huán)境下采用模塊化設(shè)計(jì)，開發(fā)了設(shè)計(jì)流程控制模塊、算法模塊、幾何參數(shù)信息模塊和參數(shù)化繪圖模塊，并通過與快捷、友好的用戶界面鏈接，實(shí)現(xiàn)從傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核，輸出幾何參數(shù)報(bào)表到繪制齒輪結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)過程，從而大大縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率。2.奧利康錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過程分析及

3、其CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式錐齒輪的失效形式主要表現(xiàn)為點(diǎn)蝕、膠合、磨損、塑性和斷齒變形等，由于錐齒輪大小端面參數(shù)不同和軸相交的特點(diǎn)，也會(huì)出現(xiàn)小端壓潰、干涉、大端斷軸、小端輪緣裂開等特殊情況。通常對(duì)于閉式錐齒輪傳動(dòng)，先進(jìn)行齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)再進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核，對(duì)于不重要的傳動(dòng)情況可省略強(qiáng)度校核；對(duì)于開式錐齒輪傳動(dòng)，往往只按彎曲強(qiáng)度進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，必要時(shí)進(jìn)行齒根彎曲強(qiáng)度校核?？紤]上述兩種情況，本文中奧利康錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過程及其CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示。為了同時(shí)滿足開式和閉式兩種傳動(dòng)情況，本文系統(tǒng)中初步設(shè)計(jì)部分包括齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)和齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)兩種方法選擇，并分別進(jìn)行抽象提取

4、形成特定的算法，采用Visual LISP程序開發(fā)實(shí)現(xiàn)。另外，初步設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核過程都分別涉及大量圖、表類型的參數(shù)，對(duì)于這些參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化處理，形成特定的參數(shù)庫(kù)，且此參數(shù)庫(kù)具有可擴(kuò)充性。對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)果、校核結(jié)果和錐齒輪的幾何參數(shù)則由專門的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理，并最終形成報(bào)表輸出。參數(shù)化繪圖部分根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的錐齒輪幾何參數(shù)信息，利用Visual LISP程序能夠調(diào)用繪圖命令的特點(diǎn)，采用基于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化方法實(shí)現(xiàn)繪圖過程，它是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)模塊可獨(dú)立使用。整個(gè)設(shè)計(jì)流程由Visual LISP程序開發(fā)的設(shè)計(jì)流程控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)進(jìn)度的控制和設(shè)計(jì)信息的反饋。圖1 奧利康錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)實(shí)

5、現(xiàn)3.奧利康錐齒輪系統(tǒng)框架及關(guān)鍵模塊針對(duì)奧利康錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)流程的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，研究并開發(fā)了用戶管理界面模塊、算法模塊、參數(shù)信息模塊和參數(shù)化繪圖模塊，各個(gè)模塊之間既獨(dú)立又相互聯(lián)系，如圖2所示。圖2 系統(tǒng)框架及模塊結(jié)構(gòu)3.1 用戶管理界面模塊系統(tǒng)用戶管理界面模塊包括用戶界面的組成和管理兩部分，用戶管理界面是由若干窗體組成，它是連接設(shè)計(jì)與校核、參數(shù)信息、參數(shù)化繪圖的橋梁。當(dāng)系統(tǒng)接到設(shè)計(jì)任務(wù)后，用戶界面將提示用戶確定設(shè)計(jì)初始條件，在設(shè)計(jì)參數(shù)庫(kù)中檢索關(guān)鍵參數(shù)，并將處理后的參數(shù)賦予對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量，調(diào)用相關(guān)設(shè)計(jì)算法和校核算法程序完成奧利康錐齒輪的設(shè)計(jì)并輸出設(shè)計(jì)結(jié)果即設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

6、信息中的幾何參數(shù)信息形成與錐齒輪參數(shù)化繪圖相聯(lián)系的外部參數(shù)報(bào)表，提示用戶進(jìn)行參數(shù)化繪圖并調(diào)用參數(shù)化繪圖程序，根據(jù)幾何參數(shù)報(bào)表中的參數(shù)信息進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)完成繪圖過程，生成所設(shè)計(jì)的奧利康錐齒輪結(jié)構(gòu)圖。本文采用DCL對(duì)話框來(lái)開發(fā)用戶管理界面。 3.2 算法模塊和參數(shù)信息模塊算法模塊和參數(shù)信息模塊分別由兩個(gè)子模塊組成，如圖2所示，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和用戶設(shè)計(jì)任務(wù)的初始條件，設(shè)計(jì)算法模塊與用戶可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，引導(dǎo)用戶選擇具體的初步設(shè)計(jì)方式，然后，針對(duì)用戶選擇的初步設(shè)計(jì)方式，該模塊通過交互方式從設(shè)計(jì)參數(shù)信息模塊所包含的符合該設(shè)計(jì)方式的設(shè)計(jì)參數(shù)庫(kù)中獲得滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的設(shè)計(jì)參數(shù)，完成初步設(shè)計(jì)，確定奧利康錐齒輪的基本

7、幾何參數(shù)，進(jìn)而通過設(shè)計(jì)算法模塊中的幾何尺寸算法完成奧利康錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算，輸出幾何參數(shù)信息到設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息模塊中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)還形成幾何參數(shù)報(bào)表用于參數(shù)化繪圖。對(duì)于齒輪強(qiáng)度校核則由強(qiáng)度校核算法模塊中所包含的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且強(qiáng)度校核過程也與參數(shù)信息模塊發(fā)生數(shù)據(jù)的傳輸。算法模塊主要基于Visual LISP開發(fā)實(shí)現(xiàn)，參數(shù)信息模塊基于SLD文件、DCL對(duì)話框的多類控件和Visual LISP程序開發(fā)。3.3 參數(shù)化繪圖模塊本文的參數(shù)化繪圖是將要繪制的奧利康錐齒輪工程圖圖形與一組參數(shù)相關(guān)聯(lián)，由這組參數(shù)產(chǎn)生的約束條件來(lái)確定其幾何形狀，從而生成齒輪零件圖形。該模塊的核心部

8、分為：數(shù)學(xué)模型子模塊、繪圖環(huán)境子模塊和繪圖子模塊等。該模塊程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。首先該程序模塊根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息模塊提供的錐齒輪幾何參數(shù)信息，初步確定繪圖的主要參數(shù)，再由數(shù)學(xué)模型子模塊提供的算法建立起輔助參數(shù)與主要參數(shù)之間的約束關(guān)系。設(shè)置繪圖環(huán)境，涉及：圖層、線型、線寬、繪圖比例等，這些由繪圖環(huán)境子模塊程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。在建立好繪圖環(huán)境的基礎(chǔ)上，由繪圖子模塊來(lái)完成繪圖過程，包括：利用相對(duì)極坐標(biāo)找尋相關(guān)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)位置、利用求交點(diǎn)函數(shù)和求兩點(diǎn)距離函數(shù)找尋特殊點(diǎn)位置、調(diào)用AutoCAD繪圖命令進(jìn)行繪圖、運(yùn)用選擇集對(duì)所繪圖形進(jìn)行操作等，完成錐齒輪圖形的繪制。圖3 參數(shù)化繪圖程序流程圖4. 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

9、4.1 用戶管理界面的設(shè)計(jì)AutoCAD常用的二次開發(fā)工具有：Object-ARX、VB/VBA、ADS、Auto LISP/Visual LISP、Dot NET等，本文是在Visual LISP環(huán)境下開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于用戶管理界面本文應(yīng)用AutoCAD的PDB（可編程對(duì)話框）管理功能來(lái)編寫，形成DCL文件，這種文件是典型的ASCII文件。本文的用戶管理界面由多個(gè)不同的對(duì)話框組成，根據(jù)奧利康錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)流程的特點(diǎn)，各對(duì)話框界面之間或是順序關(guān)系，或是主子關(guān)系。每個(gè)完整的用戶界面的創(chuàng)建包括：定義對(duì)話框的外觀與內(nèi)容和編寫驅(qū)動(dòng)程序以控制對(duì)話框的行為。每個(gè)對(duì)話框界面由位于其中的單選按鈕、乒乓開關(guān)和編輯

10、框等控件12組成，它們?cè)诔绦蛑邪礃湫谓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，樹的根節(jié)點(diǎn)是對(duì)話框本身，樹的節(jié)點(diǎn)是位于對(duì)話框中的各個(gè)控件，而控件類型都由PDB功能預(yù)先定義，并將其保存在 acadsupportbase.dcl文件中。對(duì)于對(duì)話框使用方式的控制完全由它的驅(qū)動(dòng)程序（利用Visual LISP編寫的程序）所決定。本文系統(tǒng)的DCL文件由三部分組成：引用其他DCL文件，由include命令實(shí)現(xiàn)；典型控件及行、列組合控件的定義；對(duì)話框定義。4.2 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)由于Visual LISP是可視化的LISP語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境，不僅擅長(zhǎng)描述人機(jī)交互操作過程，而且能進(jìn)行通常的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析。因此，本文采用Visual LISP程

11、序來(lái)控制對(duì)話框的行為、實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算與校核分析，具體控制過程為：按指定路徑加載DCL文件，顯示用戶界面，初始化和定義對(duì)話框界面中控件的行為并激活用戶界面。本文系統(tǒng)中，初始化和定義控件行為主要為：設(shè)定文本編輯框初始數(shù)據(jù)；定義按鈕控件的單擊動(dòng)作以嵌套顯示對(duì)話框界面；對(duì)圖像控件加載預(yù)定義的SLD文件以顯示經(jīng)數(shù)字化處理后的圖、表類型的設(shè)計(jì)參數(shù)信息。激活對(duì)話框之后，就可進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，以交互方式按控件定義的行為操作該設(shè)計(jì)系統(tǒng)。完成傳動(dòng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)程序退出用戶界面并卸載DCL文件，退出設(shè)計(jì)系統(tǒng)。4.3 參數(shù)信息的管理 在齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過程中涉及大量的設(shè)計(jì)參數(shù)，且參數(shù)表達(dá)形式不統(tǒng)一。本文系統(tǒng)中對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)按其具體

12、表達(dá)形式的不同進(jìn)行分類，形成不同的參數(shù)庫(kù)，共同組成設(shè)計(jì)參數(shù)信息模塊。其中，對(duì)于圖、表形式的參數(shù)以幻燈片文件（.sld）格式保存其矢量圖，SLD文件是圖形區(qū)顯示的快照，不是圖形文件，大量的SLD文件形成幻燈片文件庫(kù)，通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)?kù)中指定的參數(shù)曲線顯示在用戶界面中指定的圖像控件所限定的范圍內(nèi)。對(duì)于數(shù)值或字符形式的參數(shù)依據(jù)其復(fù)雜程度，或以指定文本文件（.txt）中特定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，形成文本數(shù)據(jù)庫(kù)，或采用對(duì)話框文件的下拉列表、單選按鈕、編輯框和文本等控件形式表達(dá)。對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)除用指定的文本文件存儲(chǔ)外，還專門生成可視化的數(shù)據(jù)列表。通過對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，形成有效管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的

13、快速傳遞，同時(shí)，各數(shù)據(jù)庫(kù)都具有可擴(kuò)充性，可用于其他傳動(dòng)系統(tǒng)。5. 系統(tǒng)運(yùn)行啟動(dòng)AutoCAD2004軟件，進(jìn)入系統(tǒng)界面，以設(shè)計(jì)某6級(jí)精度的奧利康錐齒輪傳動(dòng)為例說(shuō)明系統(tǒng)的使用情況。已知：小齒輪轉(zhuǎn)速為n1=960 r/min,小輪輸入功率為P=1.4KW，要求傳動(dòng)比為2.95，兩軸交角為90，小輪懸臂支承，大輪跨支，小輪采用20CrMnMo經(jīng)滲碳淬火，齒面硬度56-62HRC，大輪采用42CrMo調(diào)質(zhì)，齒面硬度250-300HBS。齒面粗糙度都為3.2m。采用100號(hào)中級(jí)壓齒輪潤(rùn)滑油，齒輪長(zhǎng)期工作。輸入命令“alk”，運(yùn)行系統(tǒng)程序，進(jìn)入錐齒輪傳動(dòng)初步設(shè)計(jì)界面，完成初步設(shè)計(jì)計(jì)算，如圖4所示。圖4 奧

14、利康錐齒輪初步設(shè)計(jì)界面單擊“繼續(xù)”按鈕，進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)界面，如圖5所示，在該界面中可選取設(shè)計(jì)參數(shù)，完成錐齒輪的幾何參數(shù)計(jì)算、齒面接觸強(qiáng)度校核和齒根彎曲強(qiáng)度校核。圖5 奧利康錐齒輪詳細(xì)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核界面若校核合格，單擊“查看結(jié)果”按鈕，可生成設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)告并存儲(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖6所示。單擊“繪制零件圖”按鈕，可生成錐齒輪的零件剖視圖，如圖7所示。圖6 奧利康錐齒輪設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)告界面圖7 齒輪零件剖視圖6. 結(jié)論CAD發(fā)展的方向是開放性、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化?；赑ro/ENGINEER平臺(tái)進(jìn)行符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的二次開發(fā)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要從符合工程技術(shù)人員的習(xí)慣、提高標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)的效率

15、和質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)使用方便的角度出發(fā)，開發(fā)了常用鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和方便實(shí)用的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了其與Pro/ENGINEER的集成，從而可以更方便調(diào)用鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，減少了重復(fù)性勞動(dòng)，提高了標(biāo)準(zhǔn)化程度。系統(tǒng)中模型數(shù)據(jù)都來(lái)自于最新版的機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，模型數(shù)據(jù)可靠，因此該標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)系統(tǒng)可以看作是一個(gè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件電子手冊(cè)，顯示直觀、逼真，用戶界面友好、美觀大方，可視化程度高。具有Windows操作經(jīng)驗(yàn)的用戶即可方便地使用該系統(tǒng)。所采用的建庫(kù)方法具有推廣性，專門應(yīng)用領(lǐng)域的用戶可用來(lái)擴(kuò)充所需的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和通用件庫(kù)，提高開發(fā)效率和質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的擴(kuò)充和標(biāo)準(zhǔn)件的裝配設(shè)計(jì)上，尚需所做進(jìn)一步的深入工作。參考文獻(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004王鴻鈞，熊偉，蘇艷萍. 應(yīng)用Auto lisp 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)圓錐齒輪參數(shù)化自動(dòng)繪圖J.機(jī)械傳動(dòng),2007,31(2):5457倪洪啟，趙