基 于 U G N X 的 直 齒 圓 錐 齒 輪 參 數(shù) 化 系 統(tǒng) 開 發(fā)*周 卿 趙 韓 張 冰 戰(zhàn) 吳 振 華( 合 肥 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 械 與 汽 車 工 程 學(xué) 院 , 合 肥 2 3 0 0 0 9 )T h e s y s t e m d e v e l o p m e n t o f s t r a i g h t b e v e l g e a r p a r a m e t r i c b a s e d o n U G N XZ H O U Q i n g , Z H A O H a n , Z H A N G B i n g - z h a n W U Z h e n - h u a( D e p t . o f M e c h a n i c a l a n d A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g , H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , H e f e i 2 3 0 0 0 9 , C h i n a )文 章 編 號 : 1 0 0 1 - 3 9 9 7( 2 0 0 8 ) 0 7 - 0 1 9 1 - 0 3【 摘 要 】 介 紹 了 利 用 U G / O P E N A P I 開 發(fā) 直 齒 圓 錐 齒 輪 參 數(shù) 化 系 統(tǒng) 的 方 法 。 通 過 V i s u a l C + + 可以 獲 取 參 數(shù) 并 編 制 齒 面 接 觸 強(qiáng) 度 、 齒 根 彎 曲 強(qiáng) 度 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 的 應(yīng) 用 程 序 , 同 時(shí) 建 立 以 圓 錐 齒 輪 材 料 、 特征 參 數(shù) 為 中 心 的 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) 。 借 助 U G / N X 提 供 的 二 次 開 發(fā) 工 具 U G / O P E N A P I 開 發(fā) 接 口 程 序 , 并建 立 實(shí) 體 模 型 , 最 終 在 U G N X 環(huán) 境 下 實(shí) 現(xiàn) 圓 錐 齒 輪 三 維 建 模 的 參 數(shù) 化 。關(guān) 鍵 詞 : 圓 錐 齒 輪 參 數(shù) 化 ; 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) ; U G / O P E N A P I ; 接 口 程 序【 A b s t r a c t 】 I t i n t r o d u c e d a m e t h o d t h a t e x p l o i t e d s t a n d a r d b e v e l g e a r p a r a m e t r i c s y s t e m w i t h U G /O P E N A P I . U s i n g V i s u a l C + + , t h e a p p l i c a t i o n p r o c e d u r e w a s e x p l o i t e d t o g e t d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r s , t oC h e c k t h e t o o t h c o n t a c t s t r e n g t h a n d t o o t h r o o t b e n d i n g s t r e n g t h , t o e s t a b l i s h a d a t a b a s e s y s t e m a b o u t b e v e lg e a r m a t e r i a l a n d c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s . D e p e n d i n g o n t h e m e t h o d o f U G / O P E N A P I w h i c h i s q u a d r a t -i c s e x p l o i t a t i o n t o o l o f f e r e d b y U G N X , t h e A P I p r o g r a m w a s a c h i e v e d , a n d t h e m o d e l s w e r e e s t a b l i s h e d t or e a l i z e t h e b e v e l g e a r 3 D p a r a m e t r i c m o d e l .K e y w o r d s : B e v e l g e a r p a r a m e t r i c ; D a t a b a s e s y s t e m ; U G / O P E N A P I ; A P I p r o g r a m! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !* 來 稿 日 期 : 2 0 0 7 - 1 0 - 2 5 * 基 金 項(xiàng) 目 : 國 家 科 技 攻 關(guān) 項(xiàng) 目 ( 2 0 0 5 B A 2 0 1 A 8 3 - 0 1 ) , 合 肥 制 造 業(yè) 信 息 化 專 項(xiàng) 支 持 ( 2 0 0 4 - 2 0 0 5 )中 圖 分 類 號 : T H 1 6 , T P 3 9 1 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 : A1 引 言目 前 用 于 三 維 建 模 的 軟 件 很 多 , 如 S o l i d E d g e , U G , P r o / E , S o l i d -w o r k 等 。 其 中 U n i g r a p h i c s( 簡 稱 U G ) 是 美 國 U G S 公 司 推 出 的 一款 先 進(jìn) 的 集 C A D / C A E / C A M 于 一 體 的 三 維 工 程 軟 件 , 其 具 有 強(qiáng)大 的 設(shè) 計(jì) 、 分 析 、 制 造 和 產(chǎn) 品 數(shù) 據(jù) 管 理 功 能 。圓 錐 齒 輪 作 為 通 用 的 傳 動(dòng) 元 件 廣 泛 的 應(yīng) 用 于 機(jī) 械 行 業(yè) 。 本系 統(tǒng) 以 U n i g r a p h i c s 軟 件 為 平 臺 , 研 究 了 使 用 U G / O P E N A P I 來創(chuàng) 建 參 數(shù) 直 接 驅(qū) 動(dòng) 的 直 齒 圓 錐 齒 輪 三 維 實(shí) 體 的 建 模 程 序 。 開 發(fā)的 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) 功 能 齊 全 , 可 以 方 便 的 查 閱 大 量 的 圖 表 , 尤 其 是 系 統(tǒng)的 計(jì) 算 功 能 和 參 數(shù) 化 繪 圖 模 塊 , 使 用 戶 在 設(shè) 計(jì) 圓 錐 齒 輪 傳 動(dòng) 時(shí)既 直 觀 又 快 捷 , 大 大 提 高 了 用 戶 設(shè) 計(jì) 效 率 。2 系 統(tǒng) 開 發(fā) 的 關(guān) 鍵 技 術(shù)2 . 1 U G / O P E N A P IU G / O P E N A P I 模 塊 是 U G / N X 提 供 的 一 個(gè) 二 次 開 發(fā) 語 言 模塊 , 具 有 與 外 部 高 級 語 言 的 開 發(fā) 接 口 。 它 提 供 的 功 能 全 部 以 標(biāo)準(zhǔn) C 語 言 頭 文 件 ( * . h 文 件 ) 的 形 式 保 存 在 U G / N X 安 裝 目 錄 下的 U G O P E N 目 錄 中 , 不 同 的 頭 文 件 包 含 了 不 同 的 功 能 。編 制 U G / O P E N A P I 程 序 涉 及 U G / N X 提 供 的 頭 文 件 ( * .h 文件 ) 、 庫 文 件 ( * .l i b 文 件 ) 和 V C + + 編 程 環(huán) 境 , 因 此 需 要 設(shè) 置 U G 應(yīng) 用開 發(fā) 環(huán) 境 。 U G / O P E N A P I 程 序 能 在 I n t e r n a l 和 E x t e r n a l 兩 種 不 同的 環(huán) 境 ( 依 賴 于 程 序 的 連 接 方 式 ) 下 運(yùn) 行 。 I n t e r n a l 開 發(fā) 模 式 下 的程 序 只 能 在 U n i g r a p h i c s 的 界 面 環(huán) 境 下 運(yùn) 行 。 在 運(yùn) 行 這 些 程 序時(shí) , 它 們 以 * . d l l 的 方 式 被 加 載 到 U n i g r a p h i c s 的 運(yùn) 行 空 間 中 。 而E x t e r n a 開 發(fā) 模 式 可 以 以 * . e x e 的 方 式 在 操 作 系 統(tǒng) 下 直 接 運(yùn) 行 ,不 在 U n i g r a p h i c s 環(huán) 境 中 作 為 U n i g r a p h i c s 的 子 進(jìn) 程 運(yùn) 行 。 本 文 使用 的 是 I n t e r n a l 模 式 , 并 利 用 U G / O P E N M e n u S c r i p t 定 制 的 菜 單來 調(diào) 用 。U G / O P E N A P I 使 用 u f u s r 作 為 程 序 運(yùn) 行 的 開 始 入 口 點(diǎn) 。 執(zhí)行 程 序 時(shí) U G / N X 將 程 序 裝 入 內(nèi) 存 并 搜 索 u f u s r 函 數(shù) , 執(zhí) 行 完 程序 后 再 回 到 U G / N X 。2 . 2 U G / O P E N M e n u S c r i p tU G / O P E N M e n u S c r i p t 是 U G / N X 的 輔 助 模 塊 , 主 要 用 于 制 作用 戶 菜 單 。 菜 單 腳 本 文 件 是 以 * . m e n 為 擴(kuò) 展 名 的 文 本 文 件 。U G / O P E N M e n u S c r i p t 提 供 一 套 用 于 定 義 U n i g r a p h i c 菜 單 的 腳 本語 言 , 開 發(fā) 者 可 以 使 用 該 腳 本 語 言 定 義 和 修 改 菜 單 及 菜 單 響 應(yīng)的 行 為 。在 * . m e n 文 件 中 指 明 了 菜 單 的 形 式 、 菜 單 目 錄 的 名 稱 以 及所 調(diào) 用 的 程 序 路 徑 和 名 稱 。 但 是 要 使 用 用 戶 定 義 的 菜 單 及 其 調(diào)用 的 程 序 被 U G / N X 識 別 , 則 必 須 進(jìn) 行 U G / N X 環(huán) 境 變 量 的 設(shè) 置和 系 統(tǒng) 目 錄 的 建 立 。 U G / N X 常 用 的 環(huán) 境 變 量 都 記 錄 在 U G / N X安 裝 目 錄 下 的 u g i i _ e n v . d a t 文 件 中 。 U G / N X 啟 動(dòng) 時(shí) 先 會 載 入 這 個(gè)文 件 , 再 調(diào) 用 用 戶 定 義 的 菜 單 文 件 。 建 立 的 菜 單 腳 本 文 件 必 須放 在 S t a r t u p 文 件 夾 下 。M a c h i n e r y D e s i g n & M a n u f a c t u r e機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 與 制 造第 7 期2 0 0 8 年 7 月1 9 1- -2 . 3 U G / O P E N U I S t y l e rU G / O P E N U I S t y l e r 也 是 U G / N X 提 供 的 專 用 模 塊 。 主 要 用 于對 話 框 的 制 作 和 U G / N X 的 參 數(shù) 化 設(shè) 計(jì) 。 使 用 U G / O P E N U I S t y l e r的 編 輯 工 具 可 以 生 成 包 含 文 字 說 明 ( L a b e l s ) 、 數(shù) 據(jù) 或 文 字 輸 入( T e x t F i e l d ) 、 可 選 按 鈕 ( O p t i o n M e n u s ) 等 要 素 的 對 話 框 。 編 輯 完 成后 生 成 一 個(gè) 對 話 框 模 板 文 件 ( * . t e m p l a t e . c ) 、 一 個(gè) 對 話 框 頭 文 件 ( * .h ) 和 一 個(gè) 對 話 框 資 源 文 件 ( * . d l g ) 。 其 中 對 話 框 資 源 文 件 、 頭 文 件與 U G / O P E N A P I 結(jié) 合 , 編 譯 成 動(dòng) 態(tài) 連 接 文 件 ( * . d l l) 。 需 要 注 意 的是 對 話 框 資 源 文 件 必 須 放 在 用 戶 目 錄 下 的 A p p l i c a t i o n 目 錄 中 。2 . 4 漸 開 線 齒 廓 曲 線 的 生 成在 U G / N X 的 M o d e l i n g 狀 態(tài) 下 , 為 了 生 成 漸 開 線 , 需 要 建 立漸 開 線 的 參 數(shù) 方 程 。 設(shè) 參 數(shù) 方 程 的 參 數(shù) 為 t , 為 基 圓 直 徑 , 則 范圍 內(nèi) 的 漸 開 線 方 程 為 :!= 9 0 t ;s = db14t ;xt=12 db c o s !+ s s i n !;yt=12 db s i n !- s c o s !;zi= 0采 用 的 是 樣 條 曲 線 擬 合 漸 開 線 的 方 法 , 即 首 先 根 據(jù) 漸 開 線公 式 計(jì) 算 出 漸 開 線 輪 廓 曲 線 上 若 干 個(gè) 點(diǎn) 在 工 作 坐 標(biāo) 系 下 的 三 維坐 標(biāo) , 然 后 繪 制 通 過 以 上 點(diǎn) 的 樣 條 曲 線 , 利 用 樣 條 曲 線 來 代 替 漸開 線 。 在 擬 合 過 程 中 , 擬 合 點(diǎn) 越 多 , 所 得 的 樣 條 曲 線 就 越 逼 近 漸開 線 。 對 于 制 作 輪 齒 來 說 , 展 角 必 須 從 0 開 始 , 到 6 0 已 經(jīng) 足夠 使 用 。 在 這 一 范 圍 內(nèi) , 所 編 制 的 程 序 等 角 設(shè) 定 了 2 0 個(gè) 點(diǎn) 以 上 ,即 可 充 分 滿 足 擬 合 精 度 要 求 。 但 需 要 注 意 的 是 : 由 于 在 擬 合 漸 開線 前 , 工 作 坐 標(biāo) 系 已 經(jīng) 發(fā) 生 了 移 動(dòng) 和 旋 轉(zhuǎn) , 所 以 必 須 將 這 些 在 絕對 坐 標(biāo) 系 下 的 點(diǎn) 切 換 到 新 的 工 作 坐 標(biāo) 系 下 。 具 體 實(shí) 現(xiàn) 方 法 如 下 :( 1 ) 根 據(jù) 漸 開 線 方 程 , 在 基 圓 和 齒 頂 圓 之 間 , 從 基 圓 開 始 半徑 每 增 加 0 . 0 2 5 m m 就 計(jì) 算 一 個(gè) 點(diǎn) 的 三 維 坐 標(biāo) , 一 直 到 半 徑 大 于等 于 齒 頂 圓 半 徑 為 止 。 在 本 文 中 為 了 使 齒 廓 曲 線 封 閉 , 在 齒 頂圓 以 外 , 額 外 地 計(jì) 算 了 一 個(gè) 點(diǎn) 。( 2 ) 從 基 圓 上 的 點(diǎn) 開 始 , 每 計(jì) 算 出 兩 個(gè) 點(diǎn) 就 用 一 條 弧 線 連 起來 , 這 樣 將 會 獲 得 一 系 列 的 弧 線 段 并 將 所 獲 得 的 所 有 弧 線 擬 合成 一 條 樣 條 曲 線 。( 3 ) 為 了 獲 得 另 一 側(cè) 的 齒 廓 曲 線 , 從 分 度 圓 和 漸 開 線 的 交 點(diǎn)發(fā) 出 一 條 通 過 原 點(diǎn) 的 直 線 。 由 于 在 分 度 圓 上 一 個(gè) 齒 的 包 角 為1 8 0 / z , 將 直 線 繞 垂 直 于 齒 廓 曲 線 所 在 的 面 的 一 個(gè) 軸 旋 轉(zhuǎn) 復(fù) 制9 0 / z , 然 后 以 此 直 線 作 為 鏡 像 直 線 , 來 建 立 另 一 側(cè) 的 漸 開 線 。( 4 ) 為 了 實(shí) 現(xiàn) 實(shí) 體 減 的 操 作 , 必 須 將 兩 條 漸 封 閉 。 在 靠 近 齒頂 端 , 用 一 條 直 線 將 兩 條 漸 開 線 的 端 點(diǎn) 連 接 起 來 ; 而 靠 近 齒 根 圓端 , 由 于 基 圓 內(nèi) 的 部 分 不 影響 齒 輪 的 嚙 合 , 故 可 用 一 條過 兩 條 漸 開 線 另 一 端 點(diǎn) 并且 和 齒 根 圓 相 切 的 原 弧 來代 替 , 從 而 形 成 封 閉 曲 線 ,如 圖 1 所 示 。2 . 5 強(qiáng) 度 校 核在 使 用 本 文 所 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) 時(shí) , 用 戶 首 先 進(jìn) 行 齒 輪 類 型 的 初 步選 擇 , 系 統(tǒng) 根 據(jù) 用 戶 的 初 步 選 型 調(diào) 用 不 同 的 強(qiáng) 度 校 核 子 模 塊 , 在強(qiáng) 度 校 核 前 首 先 根 據(jù) 齒 輪 的 工 作 要 求 、 工 作 環(huán) 境 選 擇 齒 輪 的 材料 和 精 度 等 級 , 而 后 系 統(tǒng) 按 齒 面 接 觸 疲 勞 強(qiáng) 度 和 齒 根 彎 曲 疲 勞強(qiáng) 度 兩 項(xiàng) 準(zhǔn) 則 進(jìn) 行 計(jì) 算 和 校 核 , 最 終 定 出 齒 輪 的 模 數(shù) m 、 齒 數(shù) z等 基 本 參 數(shù) , 具 體 流 程 圖 , 如 圖 2 所 示 。圖 2 直 齒 圓 錐 齒 強(qiáng) 度 校 核 流 程 圖本 軟 件 系 統(tǒng) 采 用 了 向 導(dǎo) 型 設(shè) 計(jì) 界 面 , 使 用 方 便 、 清 晰 , 其 中 齒面 接 觸 強(qiáng) 度 驗(yàn) 算 界 面 和 齒 根 彎 曲 強(qiáng) 度 校 核 界 面 , 如 圖 3 、 4 所 示 。2 . 6 數(shù) 據(jù) 存 儲無 論 是 初 步 選 型 、 強(qiáng) 度 校 核 還 是 三 維 建 模 都 需 要 從 相 應(yīng) 的數(shù) 據(jù) 庫 中 讀 取 數(shù) 據(jù) 。 所 闡 述 的 系 統(tǒng) 根 據(jù) 企 業(yè) 需 求 和 建 庫 的 規(guī) 范 ,采 用 A D O ( A c t i v e X D a t a O b j e c t s ) 方 式 建 立 和 管 理 數(shù) 據(jù) 庫 , A D O是 M i c r o s o f t 提 出 的 應(yīng) 用 程 序 接 口 , 用 以 實(shí) 現(xiàn) 訪 問 數(shù) 據(jù) 庫 中 的 數(shù)據(jù) 。 數(shù) 據(jù) 庫 采 用 W i n d o w s 平 臺 的 通 用 的 關(guān) 系 型 數(shù) 據(jù) 庫 S Q LS e r v e r 2 0 0 0 數(shù) 據(jù) 文 件 , 它 支 持 多 用 戶 操 作 、 網(wǎng) 絡(luò) 應(yīng) 用 、 分 布 式 事務(wù) 處 理 等 功 能 , 能 夠 方 便 的 完 成 對 數(shù) 據(jù) 的 各 項(xiàng) 操 作 。 在 編 制 的程 序 的 過 程 中 , 所 建 立 的 數(shù) 據(jù) 庫 存 儲 了 圓 錐 齒 輪 進(jìn) 行 強(qiáng) 度 校 核所 需 的 中 間 參 數(shù) 以 及 三 維 建 模 時(shí) 所 需 的 尺 寸 驅(qū) 動(dòng) 參 數(shù) 。圖 3 齒 面 接 觸 強(qiáng) 度 驗(yàn) 算 界 面圖 1 新 工 作 坐 標(biāo) 系 下 的 齒 廓 曲 線第 7 期周 卿 等 : 基 于 U G N X 的 直 齒 圓 錐 齒 輪 參 數(shù) 化 系 統(tǒng) 開 發(fā)*1 9 2- -圖 4 齒 根 彎 曲 強(qiáng) 度 校 核 界 面3 系 統(tǒng) 的 總 體 設(shè) 計(jì)3 . 1 系 統(tǒng) 功 能 模 塊本 文 所 開 發(fā) 的 系 統(tǒng) 可 分 為 : 功 能 嵌 入 , 強(qiáng) 度 校 核 , 數(shù) 據(jù) 存 儲和 三 維 建 模 四 個(gè) 模 塊 。 系 統(tǒng) 的 功 能 嵌 入 模 塊 實(shí) 現(xiàn) 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) 對 應(yīng)的 菜 單 項(xiàng) 和 按 鈕 項(xiàng) 響 應(yīng) ; 強(qiáng) 度 校 核 模 塊 實(shí) 現(xiàn) 圓 錐 齒 的 強(qiáng) 度 計(jì) 算和 校 核 過 程 ; 數(shù) 據(jù) 存 儲 模 塊 對 圓 錐 齒 的 校 核 參 數(shù) 和 尺 寸 參 數(shù) 進(jìn)行 相 應(yīng) 的 操 作 管 理 ; 建 模 模 塊 調(diào) 出 尺 寸 參 數(shù) 并 建 立 圓 錐 齒 的 三維 零 件 模 型 , 如 圖 5 所 示 。圖 5 系 統(tǒng) 模 塊 工 作 流 程 圖3 . 2 系 統(tǒng) 工 作 流 程本 文 所 編 制 系 統(tǒng) 的 工 作 流 程 為 : 通 過 嵌 入 方 式 在 U G 軟 件中 加 載 已 經(jīng) 開 發(fā) 好 的 圓 錐 齒 輪 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) , 當(dāng) 用 戶 點(diǎn) 擊 二 次 開 發(fā)的 菜 單 項(xiàng) 或 工 具 條 上 的 命 令 圖 標(biāo) 時(shí) , 進(jìn) 入 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) 的 強(qiáng) 度 校 核模 塊 , 零 件 在 強(qiáng) 度 校 核 時(shí) 由 程 序 自 動(dòng) 根 據(jù) 用 戶 輸 入 的 初 始 條 件裝 載 相 應(yīng) 的 數(shù) 據(jù) , 同 時(shí) 提 供 建 模 尺 寸 參 數(shù) , 進(jìn) 入 三 維 建 模 模 塊 ,該 模 塊 在 接 收 到 參 數(shù) 信 息 后 , 自 動(dòng) 繪 制 圓 錐 齒 的 三 維 模 型 , 具 體工 作 流 程 , 如 圖 6 所 示 。圖 6 系 統(tǒng) 工 作 流 程 圖4 圓 錐 齒 輪 的 參 數(shù) 化 設(shè) 計(jì)利 用 U G 軟 件 進(jìn) 行 圓 錐 齒 輪 三 維 造 型 設(shè) 計(jì) 的 步 驟 如 下 :( 1 ) 根 據(jù) 設(shè) 計(jì) 要 求 確 定 齒 輪 的 基 本 參 數(shù) , 包 括 模 數(shù) 、 分 度 圓壓 力 角 、 軸 孔 徑 等 。( 2 ) 依 據(jù) 分 度 圓 錐 角 !、 分 度 圓 直 徑 d 、 錐 距 R 、 齒 寬 b 、 齒 根圓 錐 角 f、 齒 頂 圓 錐 角 a、 齒 根 高 hf, 齒 頂 高 ha等 幾 何 尺 寸 創(chuàng) 建齒 輪 的 初 始 毛 坯 , 并 且 在 背 錐 面 上 建 立 一 個(gè) 基 準(zhǔn) 面 , 并 將 X Y 的平 面 坐 標(biāo) 系 通 過 移 動(dòng) 和 旋 轉(zhuǎn) 放 到 該 基 準(zhǔn) 面 上 。( 3 ) 在 新 的 工 作 坐 標(biāo) 系 下 , 將 計(jì) 算 出 來 的 各 個(gè) 點(diǎn) 擬 合 出 圓 錐齒 輪 大 端 面 的 齒 廓 曲 線 , 如 圖 7 所 示 。圖 7 圓 錐 齒 輪 大 端 面 齒 廓 曲 線( 4 ) 由 于 圓 錐 齒 輪 大 小 端 齒 形 不 同 , 故 還 需 將 大 端 的 齒 廓 曲線 按 比 例 縮 小 , 然 后 平 移 至 小 端 。 最 后 通 過 放 樣 生 成 圓 錐 齒 輪的 一 個(gè) 齒 槽