基于SolidWorks的蜗轮蜗杆参数化设计

基于 SolidWorks 的蜗轮蜗杆参数化设计 郭 帅，师帅兵，韩 雪 (西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100) 摘 要: 针对农业机械中常用的蜗轮蜗杆曲面复杂，在 SolidWorks 中三维建模效率低下的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，建立其数学模 型，通过录制宏、编辑宏的方法，获得参数化设计的源程序，使用 VB 编程语言添加窗体，对获得的源程序进行修 改，实现了对 SolidWorks 的二次开发，并利用 Microsoft Visual Studio 制作绘图插件，实现了输入蜗轮蜗杆的基本参 数，输出其三维模型的功能。同时，简化了蜗轮蜗杆的三维建模步骤，提高了设计效率，为现代农业机械的三维 参数化设计提供了依据。 关键词:SolidWorks;蜗轮;蜗杆;参数化 中图分类号:TP391． 9 文献标识码:A 文章编号:1003 －188X(2011)03 －0066 －04 0 引言 蜗轮蜗杆传动主要用于传递交错轴之间的回转 运动，其机构紧凑、工作平稳、无噪声、冲击振动小、单 级传动比大，越来越多地应用于农业机械之中。 例如，拖拉机球面蜗杆转向器保证了轮式拖拉机 直线行驶的稳定性、转向灵活性并延长了转向器的使 用寿命。温室卷帘机的减速机则多采用双蜗轮蜗杆 立体交叉结构，结构体积小，传动扭矩大，减速比大， 自锁性好。手扶拖拉机扶手调节装置中蜗轮蜗杆机 构，实现了扶手高度的稳定和连续可调，克服了常用 扶手调整结构易打滑和调节间距过大的缺点。 在现代农业机械的研制过程中，越来越多地采用 三维建模和模块化的设计，提高了设计效率，也为之 后的有限元 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、动力学分析等奠定了基础。蜗轮蜗 杆的曲面复杂，精度要求较高，在 SolidWorks中的建模 过程复杂、繁琐，效率低下。为此，本文利用 Solid- Works2009 的二次开发功能，建立数学模型，对蜗轮蜗 杆进行参数化设计。 1 蜗轮蜗杆的建模原理 以最常见的阿基米德圆柱蜗杆为例，讨论其建模 原理。通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面称为 中间平面，阿基米德蜗杆和蜗轮在中间平面上是直齿 收稿日期:2010 － 04 － 29 基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2009JM3018) 作者简介:郭 帅(1985 －) ，男，河北万全人，硕士研究生，(E － mail) guoshuai_7@ 126． com。 通讯作者:师帅兵(1956 －) ，男，陕西永寿人，教授，硕士生导师。 条与渐开线齿轮的啮合，而垂直于蜗杆轴线的剖切平 面和蜗杆齿廓交线的端面齿廓为阿基米德螺旋线。 1． 1 蜗杆的建模原理 阿基米德蜗杆螺旋面的形成与螺纹的形成相同， 是一等腰梯形齿廓绕阿基米德螺旋线扫描切除而成。 其齿廓的数学模型如图 1 所示。 图 1 蜗杆数学模型 各顶点的坐标为 X1 = px /4 + tanα(da1 － d1)/2，Y1 = da1 /2 X2 = px /4 － tanα(d1 － df1)/2，Y2 = df1 /2 X3 = － X2 = tanα(d1 － df1)/2 － px /4，Y3 = Y2 = df1 /2 X4 = － X1 = － px /4 － tanα(da1 － d1)/2，Y4 = Y1 = da1 /2 其中，α 是齿形角(一般为 20°) ，da1是齿顶圆直 径，d1 是分度圆直径，df1是齿根圆直径，px 是轴向齿 距，z1 蜗杆头数。 蜗杆的建模步骤如下: 1)以齿顶圆为轮廓拉伸基体得到蜗杆胚体，拉伸 ·66· 2011 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 长度即为蜗杆长度 L。 2)建立阿基米德螺旋线。螺旋线的基圆是蜗杆 的分度圆，其高度为蜗杆的长度，螺距为蜗杆的导程， 且导程 pz = z1px。 3)以图 1 所示数学模型建立蜗杆切除齿廓。 4)以该切除齿廓为轮廓，阿基米德螺旋线为引导 曲线，扫描切除得到蜗杆三维模型。 5)如果是多头蜗杆，则需进行圆周阵列。阵列轴 为蜗杆中心轴，阵列对象为“扫描—切除”特征，其三 维模型如图 2 所示。 图 2 双头蜗杆三维模型 1． 2 蜗轮的建模原理 阿基米德蜗杆和蜗轮在中间平面上是直齿条与 渐开线齿轮的啮合，故首先确定中间平面的蜗轮齿 廓。由于 SolidWorks没有绘制渐开线的功能，因此需 计算渐开线上若干点的坐标值，并以此绘制样条曲线 近似代替渐开线。其数学模型如图 3 所示。 图 3 蜗轮数学模型 渐开线参数方程如下 X(rk)= rk sin(φ + θk) Y(rk)= rk cos(φ + θk) X＇ = － X(rk) Y＇ = d1 /2 + d2 /2 + Y(rk) θk = tanαk － αk αk = arccos (rb / rk) φ = π /2z2 － tanα + α 其中，d1，d2 分别是蜗杆、蜗轮的分度圆直径，且 df2 /2≤ rk≤ da2 /2。 蜗轮的建模步骤如下: 1)拉伸基体获得蜗轮胚体; 2)利用直角坐标系下的渐开线方程生成若干个不 同角度对应的点，用样条曲线拟合得到同一齿槽中对 称的两条渐开线(也可获得一侧渐开线后镜像) ，进而 确定渐开线、喉圆和齿根圆所围成的齿廓; 3)以该齿廓为轮廓，新建基准面上的阿基米德螺 旋线为引导曲线，扫描切除得到单个齿槽; 4)使用圆周阵列，阵列“扫描—切除”特征，即可得 到蜗轮的造型; 5)最后进行倒角、圆角、键槽等相关处理，即可得 到完整的蜗轮三维模型，如图 4 所示。 图 4 蜗轮三维模型 2 参数化设计过程 参数化设计是 CAD 技术在实际应用中提出的课 题，它不仅可使 CAD 系统具有交互式绘图功能，还具 有自动绘图的功能。利用参数化设计手段开发的专 用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的 绘图工作中解脱出来，大大提高设计速度，并减少信 息的存储量。 SolidWorks提供了大量的应用程序编程接口(API 函数)和 VB，VC + +等编程语言，二次开发的手段灵 活多样。其特有的宏操作，可以记录鼠标点击、菜单 选择和键盘操作，并在后台使用 VB 语言自动记录操 作过程，省去了查找 API 函数和确定其参数的过程， 但也会记录一些不必要的操作过程，生成冗余的代 码。故本文使用 VB 语言，采用录制宏→编辑宏的方 法，对蜗轮蜗杆进行参数化设计，并制作基于 Solid- Works的插件。 ·76· 2011 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 2． 1 录制宏 打开 SolidWorks2009 程序，新建零件→点击工具 / 宏 /录制→开始按照前面的建模步骤建立三维模型→ 建模完毕→点击工具 /宏 /停止→保存宏。 在三维建模过程中，要用到拉伸基体、插入螺旋 线、插入线段、扫描切除和圆周阵列等特征，在新建宏 操作下进行三维建模，SolidWorks 在后台用 VB 语言 记录该过程，其记录的冗余语言，在编辑宏中进行删 除和优化。 2． 2 编辑宏 点击工具 /宏 /编辑，开始编辑录制好的宏。删除 冗余的代码，注释必要的代码，调试剩余的代码;经调 试成功后，添加窗体，对窗体中的按钮进行必要的编 程，形成完整的人机界面，如图 5 所示。 图 5 蜗轮蜗杆设计插件人机界面 在编辑宏的过程中，需要定义变量，对 API 函数 的部分参数进行修改，从而实现参数化设计。其中， 生成多头蜗杆的关键程序如下: boolstatus = Part． SetUserPreferenceToggle(swUser- PreferenceToggle_e． swDisplayTemporaryAxes，True)bool- status = Part． Extension． SelectByID2(“切除 －扫描 1”， “BODYFEATURE”，0，0，0，False，4，Nothing，0)bool- status = Part． Extension． SelectByID2(“”，“AXIS”，0，0， 0，True，1，Nothing，0) Part． FeatureManager． FeatureCircularPattern2 z1， 2* 3． 14159265358988 / z1，False，“NULL”，False 程序的部分截图如图 6 所示。 2． 3 制作插件 下载并安装 Microsoft Visual Studio 和 SolidWorks API SDK，使用 Visual Basic． NET 创建新的 SolidWorks Add － In，利用编辑好的宏，编译 Add － In，并添加引 用，添加 SolidWorks2009 类型库、常量类型库等，最后 生成 Add － In 程序(* ． dll)或(* ． exe)文件，本文选 择生成(* ． dll)文件。 图 6 部分程序截图 2． 4 加载插件 在 SolidWorks中加载类型为 Add － Ins(* ． dll)的 文件，单击菜单栏工具 /插件，选中该插件，并可自定 义工具栏，如图 7 所示。也可以利用 A P I 提供的增 加单项功能函数如 frame． addmenu，frame． addmen- utem，sldworks． addmenu，sldworks． addmen － uitem 等， 在 Solidworks 的装配界面中添加一个菜单项。 图 7 蜗轮蜗杆插件 2． 5 后续部分 在制作和加载插件之后，可进行工程图的参数化 设计。2D 工程图纸直接用来指导生产，它是蜗轮蜗 杆参数化设计的最终体现。在 SolidWorks 中，模型与 工程图双向驱动，模型改变后，在图纸管理器中设定 图幅以及图纸比例，可以自动生成相应的工程图，各 种剖视图、公差标注、尺寸标注、注释输入等均符合国 标要求。在零部件模型中建立相应的属性，如零件名 称、图号、数目、质量、材料、备注要求等，并且在 Excel 文件中建立了 BOM 表模板，即可在装配图中自动生 成材料明细表。 在参数化设计之后，应注意到参数化模型的存储 以及系统的数据安全等问题，这在大型的产品参数化 设计中有重要意义。 ·86· 2011 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 3 结论 本文研究了农业机械中常用的蜗轮蜗杆的参数 化设计，使用 Visual Basic 语言对 Solidworks 进行二次 开发，最后生成基于 SolidWorks的蜗轮蜗杆设计插件， 实现了输入基本参数，输出三维模型的功能。同时， 简化了蜗轮蜗杆的三维建模步骤，提高了设计效率， 节约了成本，为现代农业机械的三维参数化设计提供 了依据。 参考文献: ［1］ 王少怀．机械设计师 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 (中册) ［K］． 北京:电子工业出 版社，2009:681 － 733． ［2］ 叶修梓，陈超祥． SolidWorks 高级教程:二次开发与 API ［M］．北京:机械工业出版社，2009． ［3］ 孙桓，陈作模． 机械原理［M］． 北京:高等教育出版社， 2001:341 － 347． ［4］ 邱宣怀．机械设计［M］．北京:高等教育出版社，1997:257 － 278． Parametric for Worm and Worm Wheel Based on SolidWorks Guo Shuai，Shi Shuaibing，Han Xue (College of Mechanical and Electric Engineering，Northwest A＆ F University，Yangling 712100，China) Abstract:Worm and worm wheel is commonly used in agricultural machinery，it has complex surface and is poor effi- ciency to be modeled under SolidWorks，this text establishes the mathematical model of worm and worm wheel，modify the source program obtained by recording and editing macro，which helps to achieve secondary development of Solid- Works． By using Microsoft Visual Studio production to manufacture add － ins，the function that output three － dimensional model by inputting the basic parameters of the organ is also achieved． The research results simplify the 3D modeling steps，improves the design efficiency and provides basis for three － dimensional parametric design of modern agricultural machinery． Key words:SolidWorks;worm;worm wheel;parametric (上接第 65 页) Abstract ID:1003 －188X(2011)03 －0062 － EA Research on Agricultural Machinery Purchase Subsidy Effectiveness of Implementation in Hunan Province Li Junzheng，Sun Songlin，Xie Fangping (Engineering College，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China) Abstract:Agricultural machinery purchase subsidy for the promotion of agricultural development is of great significance． This paper analyzed the effectiveness of implementation of agricultural machinery subsidy policy which started from year2004 and agricultural comprehensive development in Hunan Province． The research concentrates on the total agricul- tural equipment power and changing trend of typical agricultural equipments and farming level of mechanization and eco- nomical structural level of mechanization and that influences upon agricultural farming production，mainly by the means of the numeric statistics and correlativity analysis and linear regression analysis． The results show that the implementation of agricultural machinery subsidy policy promoted the farmers＇ purchasing enthusiasm and increased the production capacity of agricultural and the overall level of production of agricultural mechanization and improved the agricultural production conditions and structure of farming mechanization． Key words:agricultural machinery;purchase subsidy;effectiveness ·96· 2011 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期