典型传动机械零件参数化设计系统方法研究

李金佩，姚慧，白瑀，张国安



典型传动机械零件参数化设计系统方法研究

李金佩1，姚慧1，白瑀1，张国安2

（1.西安工业大学 机电工程学院，陕西 西安 710000；2. 轻工业西安机械设计研究院，陕西 西安 710086）

在典型机械传动零件设计生产过程中，种类繁多相应的使零件的生产成本和时间增多。为了提高产品的质量和工厂的效率，针对典型机械传动零件这一领域，在以往单一类型的传动类零件参数化设计系统基础上，将典型的机械传动零件进行系列化、标准化归类，在现有的零件参数化设计系统基础上实现一种更加适应现代零件智能化设计的方法。并且分析了目前具有代表性的不同种类机械零件的设计方法的特点和目前实际应用中的限制因素，指出了目前该系统需要改进和完善的具体技术方法，使该参数化设计计算系统更加的适应目前产品设计的需求，从而更好地服务用户。

参数化设计；二次开发；典型传动机械零件；模块化

典型传动机械零件在传统的制造过程中需要查阅设计手册，进行大量的计算得出参数，然后再进行设计、校核、绘图。从设计到最终投产成型，期间需要一个漫长的过程，这样会提高生产成本，误差率也会随之上升。针对这些典型的传动件，系列化、标准化就为参数化带来了极大的可能性和迫切性，这意味着生产成本的极大缩减和工厂利润空间的上升。

因此，在原有单一的机械传动零件类型基础上开发一套整合后的典型传动机械零件参数化设计系统具有重要的意义。对传动系统中典型传动件的参数化绘图和计算的实现实际上是在目前已经存在的一些CAD软件的二次开发，通过计算机辅助设计来完成建模、计算、分析、仿真、绘图等设计任务[1]。

1 典型传动机械零件参数化设计计算的系统开发方法及框架

典型传动件的参数化设计主要由设计计算系统和参数化绘图系统共同组成，并且实现了两部分的有效连接，采用编程语言开发软件菜单的接口程序，实现和目标软件的控制和信息调用，将传统的人工设计计算所需要的图表和数据信息统一整合，并以模块化的形式存储起来，形成一系列的图库、数据库信息，通过语言编程使在系统运行过程中以人机交互的形式输入设计所需参数，程序通过对数据库的调用，将所需数据以幻灯片，图表等形式呈现在用户面前，指导用户更好地完成典型传动件的设计。这种采用可编辑对话框的功能实现人机交互界面的运行方法，体现了现代设计的智能化发展。

1.1 系统开发方法

典型传动机械零件参数化设计计算与绘图系统根据以往人工的设计习惯和设计流程，通过程序调用对话框的形式实现人机交互，以最新《机械设计手册》和典型传动件设计相关资料为依据[2]，形成一套一体化的设计系统。该系统弥补了之前CAD软件侧重于绘图从而没有完成整个过程的不足，通过程序设计计算的结果数据库运用接口程序，不仅实现了AutoCAD软件二维图形绘制，也可采用VB API进行参数化齿轮库设计。

该设计计算系统是在Visual Basic 6.0集成编程环境下，根据标准化设计计算原理，将设计计算公式和定理原则嵌入到程序当中，通过对子程序的调用完成对典型传动机械零件系统的设计计算。所得设计参数通过AutoCAD ActiveX Automation接口对软件进行编程，从而完成部装图的参数化绘制以及总装图的绘制[3]。该系统体现了集设计计算、数据管理、图形绘制于一体的参数化、智能化设计系统。其中，ActiveX Automation作为面向对象的编程接口，可以根据用户需求访问数据库的绘图对象，指导用户完成绘图工作。

以往的系统开发方法中，对典型传动机械零件参数化设计计算都不同于最初的交互式计算机辅助设计，实现了真正的参数化绘图与计算。现在所要开发的典型传动机械零件参数化设计计算系统，通过将单一的设计类型系统共同点进行提取，并在此基础上针对系统开发方法中难以统一的技术建立分支，使彼此相互依存又相互独立，在系统运行过程中可以根据用户的实际需求调取设计传动件类型的设计方法、计算规则以及设计准则。典型传动机械零件设计系统由设计子系统、绘图子系统、设计数据库等几个主要系统构成[4]。对典型传动机械零件参数化系统开发整体而言，不论以何种形式的开发方法，都需要一个开发平台、开发环境以及开发语言的支撑，以人机交互的形式呈现在用户面前，从而完成产品的设计和研发。

1.2 系统整体框架

典型传动机械零件参数化设计系统整体框架构成以模块化的形式实现，系统功能的体现靠模块之间的联系。意味着系统之后的功能升级只需在原有的基础上增加想要实现其他功能的模块，并对一些新的设计要求和设计准则运用编程语言重新定义和赋值即可。系统的灵活性得到了很大的提高。

典型传动机械零件设计系统主要根据零件的失效形式[5]，按照相应的强度设计计算，由最初的设计参数输入到最终的绘图完成，除了传统的设计计算系统中用户管理模块、设计计算模块和参数化绘图等几个基本模块之外，在此基础上增加了专家系统模块和帮助系统，实现了系统的升级和人性化、智能化的特点。该系统本着系统化、实用化原则收集了大量专家领域在进行齿轮设计时遇到的知识和经验，用真人模拟的方式所编程的计算机程序辅导人们在决策过程中来解决遇到的实际问题，有着启发性、透明性特点，与其中的帮助系统相辅相成，在系统整体组成上形成了明显的优势。首次引进了人工神经网络在系统中应用的概念，用以模拟人类进行知识的表示与存储以及利用知识进行推理的行为[6]。人工神经网络系统以信息分布的方式存储于整个网络中，其高度的自学习能力可以对不完整的信息进行联想从而使信息完整准确，导出正确的的输出，该系统的整体框架如图1所示。

图1 典型传动机械零件参数化设计系统框架图

2 系统参数化绘图的实现与关键技术

参数化设计实际上就是所谓的尺寸驱动，调用系统提供的编程接口操作该模板，在产品设计的绘图过程中可以实现自动绘图功能[8]。在同类型的产品设计当中需要通过不同的关键参数来确定不同规格的产品，参数化即通过输入不同的参数来改变产品的结构尺寸，快速准确地自动生成工程图。对于约束较多且复杂的图形来说，分为主约束和次约束两种。由用户控制的能够独立变化的参数称为主约束，或主参数，由图形结构或主约束控制的称为次约束。对于主约束是不能简化的，对此约束的简化可以有图形特征联动和相关参数联动两种方式。

2.1 系统的参数化绘图

典型传动机械零件参数化绘图系统需要在对话框中输入相关传动件类型的结构参数，设计参数是通过程序调用将写入到程序当中的设计所需参数呈现给用户。用VB语言建立对话框，经过编程将输入对话框的参数赋值得到相应的变量，然后建立结构图和参数之间的关系，编写子程序计算齿轮轴各拐点的3D坐标[7]。在图形绘制过程中，系统通过调用命令来完成图层设置、图形修改、尺寸和公差标注，最后经过编写和调试输入齿轮轴绘图程序，完成参数化绘图，具体的参数化绘图流程如图2所示。

图2 典型传动机械零件参数化绘图流程

2.2 系统关键技术

根据不同的系统其关键技术也都各有差异，其最终目的都是为了保证设计合理的情况下提高系统的设计精度，避免重复的设计工作而浪费时间。典型传动机械零件参数化设计系统的关键技术主要体现在以下两个方面：

（1）初始参数设计可逆的实现。在系统的初始参数设计界面包括了所要设计传动件类型的初始设计参数，用户根据需要输入所要设计参数，由于初始设计参数有的不能够满足用户的设计要求，只能重新进行设计。该功能可以在初始参数设计界面反复更改设计参数，将旧的参数数据存入一个暂存器，最终的设计参数以用户最终点击确认按钮为准并进行赋值。

系统在根据初始设计参数设计出典型传动零件的具体尺寸后（如齿轮中心矩、模数、齿数等），用户可以根据需要更改满意的中心矩或其他尺寸，也可以选择标准值进行设计，这样的过程可以反复进行，直到用户满意为止。

（2）表格与线图处理方法。典型传动机械零件的设计中需要参考许多表数据以达到设计要求，将些表数据程序化，用多维数组检索方法进行表格处理；对于没有固定的公式的线图，需要通过拟合或插值的方法得到，而且这些图难易不一，因此处理好这些线图和图标将对设计的精度起到直接的影响。对于较为复杂的线图来讲，为了提高精确度该系统采用三次样条插值函数和MatrixVB进行处理，达到了较为理想的效果。

3 结束语

典型传动机械零件参数化设计系统在原有单一传动件类型的传动件基础上，将各系统内部子模块的共同点进行归纳和总结，主要包括计算方法、设计准则等，对于不同的技术模块重新建立分支，提出了一种典型传动件类型集合化的参数化设计方法。并引进了专家系统模块和帮助模块，为用户提供一种更加可靠和准确的意见和建议，避免了一些不必要的设计误区。不仅满足了用户对标准件的设计，而且可针对不同的需求，设计和制造满足客户需要的非标准零件，开辟了一种新的设计思维，使该系统的受众范围更加广泛。该系统有助于更好地指导设计流程，提高设计过程的精确化和用户的满意程度，并为进一步的模拟仿真、尺寸精度测量奠定了基础[9]，对今后典型传动机械零件的参数化设计系统网络化、集成化、智能化发展具有重要的作用。

[1]强增. 基于人工智能的齿轮CAD系统（GCAD）的研究与开发[D]. 西安：西安建筑科技大学，2003.

[2]姚慧，曹岩. 基于VBA和AutoCAD的向心关节轴承选型与校验CAD系统开发[C]. Applied Computing,Computer Science, and Computer Engineering（ACC 2011 V4），2011.

[3]黄忠敏. CHC型少齿差减速器参数化绘图系统开发[D]. 武汉：武汉理工大学，2012.

[4]孙孝文. 基于CAD软件的齿轮传动设计系统开发[J]. 科技广场，2001（32）：123-125.

[5]张新运. 基于Visual LISP和VBA的蜗杆传动CAD系统开发[J].西安工业大学学报，2009，29（5）：432-436.

[6]尹朝庆，尹皓. 人工智能与专家系统[M]. 北京：中国水利水电出版社，2002.

[7]杨涛. 连杆式少齿差减速机的CAD参数化设计[J]. 机械研究与应用，2016，29（3）：81-83.

[8]宋龙，马龙，等. 基于SolidWorks的曲柄压力机传动机构部件参数化技术研究[J]. 锻压技术，2015，40（2）：107-112.

[9]沈宇涵，宋爱平，等. 蜗杆传动参数化设计系统的研究[J]. 机械，2017，44（4）：54-59.

Parametric Design System of Typical Mechanical Transmission Parts

LI Jinpei1，YAO Hui1，BAI Yu1，ZHANG Guoan2

( 1.School of Mechatronic Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710000, China; 2.Light Industrial Xi'an Mechanic Design Research Institute, Xi'an 710086, China)

The variety of mechanical transmission parts increases the cost and time of design and production. In order to improve the final product quality and the manufacturing efficiency, this paper explores a new method to serialize and standardize the typical mechanical transmission parts. Based on the traditional single type parametric design system of mechanical transmission parts, the new method is more adaptable to the intelligent design of modern parts. In addition, this paper also analyzes the characteristics of the currently typical design methods for different types of mechanical parts, and examines the limitations when these methods are in practical applications. The paper provides specific technical solutions to the current system, aiming to develop a more adaptable parametric design calculation system so as to provide better service to the users.

parametric design；secondary development；typical mechanical transmission parts；modular

TP391

A

1006－0316 (2018) 04－0011－04

2017－10－19

陕西省工业科技攻关项目（2016GY－024）

李金佩（1992－），男，河南林州人，硕士研究生，主要研究方向为机械工程；姚慧（1977－），女，陕西耀县人，硕士，讲师，主要研究方向为机械设计；白瑀（1975－），男，河南项城人，副教授，主要研究方向为计算机辅助设计、计算机辅助制造。

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.003