基于Solid Edge齿轮轴参数化设计系统研究

潘秀石，倪俊芳

（1.苏州经贸职业技术学院 机电系，江苏 苏州 215009；2.苏州大学 机电学院，江苏 苏州 215021）

在机械传动中经常用到齿轮轴.虽然齿轮轴种类繁多，但是从设计结构上看一般都是由一个齿轮和若干段轴颈组成，轴颈上可能还有些局部结构，如键槽、倒角等，零件外形相对固定.在进行齿轮轴的数字化设计过程中，采用参数化设计方法，可以通过参数来控制齿轮参数和各段轴颈尺寸，快速建立各齿轮轴的数字化模型，从而提高设计齿轮轴的效率.本文采用Visual Basic对Solid Edge进行开发，利用参数驱动Solid Edge软件快速生成所需的齿轮轴模型.

1 VB开发Solid Edge的基本原理

Solid Edge支持ActiveX Automation技术.基于该技术，用户通过编写VB应用程序从Solid Edge内部或外部操纵Solid Edge，使其能将计算、数据处理和图形绘制等功能进行综合处理，实现软件的参数化、自动化及智能化.在此过程中，Solid Edge为服务程序（Server），VB开发出来的用户程序为客户程序（Client），客户程序和Solid edge通过ActiveX Automation的方法和属性以Client和Server的方式工作.Solid Edge提供了根对象Application，用户程序可通过此对象访问或操作其下级对象.VB程序要获得Solid Edge对象，必须在VB的IDE环境下应用Solid Edge安装时产生的类型库[1].

2 三维参数化模型的设计技术

VB开发基于Solid Edge的三维参数化模型主要有两种方法：一是利用用户程序编辑模型中变量的方式.在现存的Solid Edge模型中设置合理的零件变量及关系，通过用户程序修改模型的中变量值，从而可以生成所需规格的零件模型.这种方法程序设计简单，通用性好，适合开发零件形状相同或相近的程序系统.二是完全用程序调用Solid Edge提供的各级对象、方法和属性，完成对零件建模中的轮廓绘制、特征创建、模型编辑等操作，实现零件的参数化设计.这种方法编程比较复杂，但可实现较为复杂形体的设计[2].本文采用第二种技术方法开发齿轮轴设计系统.

3 齿轮轴设计

3.1 齿轮渐开线

为了方便绘制齿轮齿槽的渐开线，在Solid Edge中建立如图1所示的坐标系，利用渐开线的直角方程进行计算.在图1中，齿轮的轴心O1，齿轮轮齿对称线为X轴，轴心O1为坐标系的原点，则渐开线上任意点Ks的直角坐标方程如下：

x=rkcos δky=rksin δk

δk=δ-(θk- θ) δ= π/(2z)

θk=invαk=tan αk- αkθ=inv(π/9)=tan(π/9)- π/9

式中x，y为渐开线上任意一点的直角坐标值，rk为渐开线上任意点处圆的半径.

图中ra、rb、rf、r分别为渐开线齿廓的齿顶圆半径、基圆半径、齿根圆半径及分度圆半径.

图1 齿轮渐开线直角坐标图

3.2 齿轮轴实体模型的生成过程

齿轮轴按照结构一般可以分为两种：①仅齿轮一侧有轴颈，即齿轮位于轴的一端；②齿轮两侧都有轴颈，即齿轮位于轴的中部.因此，齿轮轴实体模型的生成最多可以分为三个步骤：①创建齿轮；②创建齿轮一侧的轴颈；③创建齿轮另一侧的轴颈.在VB中设计如图2和图3所示的界面，供用户输入齿轮参数和齿轮轴轴颈参数.

图2 齿轮轴齿轮参数界面

图3 齿轮轴轴颈参数界面

3.2.1 齿轮实体模型的生成过程

生成齿轮实体的具体步骤如下：1）先在定义好的参考面上根据用户在系统界面上输入的齿轮参数，以齿轮中心为圆心、齿顶圆半径为半径，在以齿轮宽度为高度，利用程序生成一个圆柱体；2）根据用户需求决定齿坯是否进行倒角（用Chamfers对象的AddEqualSetback方法[3]）；3）利用渐开线方程计算出齿轮齿槽上一系列点的坐标，通过直线将它们连接起来，形成一个齿轮齿槽的齿形，再结合齿顶圆和齿根圆在齿槽段的圆弧形成一个封闭的齿槽轮廓；4）对这个齿槽在圆柱齿坯上进行切除（用ExtrudedCutouts对象的AddFinite方法[4]）操作，可得到一个齿槽特征；5）以用户输入的齿轮齿数为参数，对第四步的齿槽用Add（Circle Pattern）方法进行圆形阵列操作，切除其余的齿轮齿槽.流程图如图4所示.

在由程序生成渐开线齿廓时，采用直线逼近渐开线的方法绘制渐开线齿廓.在系统中定义了一个变量nE，将渐开线分成了nE-1份，并且通过渐开线直角坐标方程计算出这nE-1条直线的nE个端点的坐标，再通过直线的AddBy2Points方法绘制直线.在使用系统生成齿轮轴时nE选择越大，渐开线越精确，系统生成齿轮时也就越慢[5].

3.2.2 齿轮轴上轴颈实体模型的生成过程

齿轮轴轴颈的轴颈数量虽然各异，但是轴颈的结构形状却是有规律的.一般情况而言，轴颈的形状都是由圆柱或圆锥组成，在圆柱或圆锥上再加上一些辅助特征，如倒角、倒圆、键槽等[6-7].根据轴颈的这一特点，用户程序可在获得每一段轴颈的几何参数和轴上辅助特征的数据后，控制Solid Edge逐个生成每个轴颈[8].

齿轮轴一侧轴颈的生成步骤如下：1）通过参考面的AddParallelByDistance方法创建参考面，偏置距离为“轴颈长度（i-1）+齿轮厚度”.2）在创建的参考面中应用绘制圆的AddByCenterRadius方法创建轴颈圆轮廓，圆心坐标为（0，0）.3）通过AddFiniteExtrudedProtrusion方法及用户输入的轴颈长度生成所需要的轴颈.4）根据用户需求判断是否要对刚生成的轴颈添加倒角、倒圆及键槽等特征.5）判断此侧面的轴颈生成是否完成.流程图如图5所示，此段中的变量i为系统记录生成轴颈的顺序.齿轮轴另外一端轴颈生成方法类似[8].

图4 齿轮生成流程图

图5 轴颈生成流程图

4 实例应用

以图6所示齿轮轴为例介绍系统的应用方法.经分析，该轴组成为：1段直齿圆柱齿轮，齿轮模数2，齿数25；左侧两段圆柱叠加，这两段圆柱左侧端面上均有2×45°倒角；右侧三段圆柱叠加，轴颈右侧均有2×45°倒角，在第三段轴上还添加了键槽.因此可以获得以下数据：

齿轮参数：模数2，齿数25，齿宽84，齿轮倒角 3×45°；左侧轴颈参数：①、d：40，l：15，倒角 2×45°，②、d：32，l：21，倒角 2×45°；右侧轴颈参数：①、d：40，l：15，倒角 2×45°，②、d：32，l：21，倒角 2×45°，③、d：28，l：60，倒角 2×45°，键槽长 L：32，轴向定位l2：24，周向定位：0°.

将这些数据按系统提示输入系统后即可生成所需要的齿轮轴.需要说明的是在系统中输入键槽参数时，系统会自动从数据库中调取键槽的必要数据并且应用于零件数据模型.

图6 齿轮轴

5 结论

通过对齿轮轴参数化设计系统的分析与开发可以得出该系统具有以下特点：

（1）系统可快速、高精度地完成直齿圆柱齿轮轴数字模型的设计，设计过程可靠，设计效率高.

（2）在使用本系统设计齿轮轴时，不要求设计者具有较高的设计水平，因此系统具有适用普遍性.

（3）采用数字化设计齿轮轴，可以进行各项零件数据的存储，该数据可作为知识库直接应用于后续设计过程.

[1]李世国.开发Solid Edge三维参数化造型模块的方法及应用[J].机械设计与制造，2003（1）：25-27.

[2]王小强，熊鹰，肖世德.基于Solid Edge的模具标准件三维参数化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2008（6）：39-41.

[3]曾红，张志华，陈静，等.Solid Edge高级应用教程[M].北京：化学工业出版社，2008：40-44，52-53.

[4]李启炎.Solid Edge二次开发高级指南[M].上海：同济大学出版社，2000：123，159.

[5]王之煦，许杏根.简明机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1997：189-191.

[6]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].7版.北京：高等教育出版社，2001：353-355.

[7]王真富.Visual Basic程序设计教程[M].北京：地质出版社，2007：146-171.

[8]潘秀石，倪俊芳.基于Solid Edge轴参数化设计系统研究[J].苏州大学学报，2012（3）：21-25.

[9]胡仁喜.Solid EdgeV16中文版机械设计高级应用实例[M].北京：机械工业出版社，2005：228-244.

[10]赵立宏，陈从桂，陈艾华.Solid edge中圆柱齿轮的建模与运动仿真[J].机械设计与制造，2003（1）：64-65.