CN110598325B - 齿轮的三维自动化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种齿轮的三维自动化设计方法，包括如下步骤：(1)根据要求首先拟定几套可行的齿轮画法的方案，然后选定一套最优的方案，并根据此最优方案在solidworks中手动的把齿轮的三维模型画出来；(2)将步骤(1)solidworks中齿轮的三维建模过程用代码表示出来，代码在VS中进行编译运行，形成solidworks插件；(3)打开Solidworks，插入在VS中做好的插件，输入相应的设计数据，solidworks自动完成齿轮的三维造型；(4)用3D打印的方式制作出齿轮实体。本发明基于SOLIDWORKS开发平台，进行齿轮参数化实体模型设计的过程，应用其工具包开发了齿轮参数化设计系统，通过创建的对话框修改齿轮参数，可以得到相应的渐开线齿轮，从而满足设计要求，最后用3D技术制作出来实体，完成齿轮的设计。
Description
技术领域
本发明机械设计技术领域，具体涉及一种齿轮的三维自动化设计方法。
背景技术
齿轮在很多机械上都有使用，而且使用的频率很高，对于这些使用频繁的工件来说，如果每次都要从头设计计算，设计师不得不在大量的重复性的工作上花很多时间，工作量大且没有意义，从而缺乏时间和精力去做一些有创新性的工作，导致产品质量不合格率高，开发时间长，市场竞争力弱等缺点，因此二次开发应运而生。齿轮种类较多，不同类别的齿轮绘制方法不同，常规齿轮设计过程烦琐，工作量大且设计结果不可靠。
减速器是各类机械设备中广泛应用的传动装置，减速器设计的优劣直接影响机械设备的传动性能，而齿轮是减速器的核心部件，由最近几年的发展来看，三维设计运用的越来越多，齿轮的三维造型已成为设计者工作中的一项普通任务。在实际的工程应用中，三维实体建模对齿轮的受力分析、工作状态分析、运动的各方面分析都至关重要。齿轮的三维建模非常麻烦，因为这其中会用到很多的公式和建模技术，尤其是锥齿轮、斜齿轮造型过程更麻烦，齿轮的参数化设计有很大的实际意义。
渐开线齿轮由于具有多种优点而广泛应用于各种通用机械中，但因其齿廓形状和轮体结构复杂多变而成为三维造型技术的难点。
SolidWorks是一个基于参数和特征两方面的三维实体建模软件，在几何关系和逻辑关系不冲突的情况下，实现了使用单个全关联数据库快速重建模型。SolidWorks二次开发接口有能力让用户在其本身开发的代码中实现自己想要的功能，从而得以实现参数化设计的目的。
渐开线齿轮因具有多种优点而被大量的应用在各种机械上，但是齿轮的齿廓多种多样，渐开线齿轮的绘制很复杂，传统的设计方法工作量大、精度低且齿轮的寿命短。因此齿轮的建模存在一定的难度。但是solidworks功能非常强大，可以降低齿轮建模的难度，为大家带来便利。solidworks功能很多，且接受二次开发。易于学习易于使用，操作简单是solidworks的优点，这也使得solidworks成为了大家首选的三维建模软件。solidworks不仅仅提供很多便捷的功能而且还提供多种解决方案，以便使用者选择最适合自己的解决方案。
参数化设计((parametric design)的特点是模型的尺寸和大小会随着参数的改变而改变，从而达到更改设计方案的目的，这对设计者来说简单快捷，大幅提升工作效率。参数化设计的核心是约束建模，设计者首先绘制草图，然后再用尺寸来约束这些草图的大小和形状，从而达到精确建模的目的。
参数化设计最大的优点是设计者设计好的插件会根据设置好的配合要求和参数自动建模，简单方便快捷。当我们要更改模型时只需更改关键的参数即可绘制出来符合要求的模型，其他几何关系不变。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种齿轮的三维自动化设计方法，是一种基于solidworks开发平台，c#为开发工具，对齿轮进行参数化设计的方法，设计出来的插件可以安装在solidworks中，使用者只需打开插件，在相应的对话框中输入齿轮的相关参数就可以快速绘制出来符合要求的齿轮，精度高，使用寿命长。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种齿轮的三维自动化设计方法，包括如下步骤：
(1)根据要求首先拟定几套可行的齿轮画法的方案，然后选定一套最优的方案，并根据此最优方案在solidworks中手动的把齿轮的三维模型画出来；
(2)将步骤(1)solidworks中齿轮的三维建模过程用代码表示出来，代码在VS中进行编译运行，形成solidworks插件；
(3)打开Solidworks，插入在VS中做好的插件，输入相应的设计数据，solidworks自动完成齿轮的三维造型；
(4)用3D打印的方式制作出齿轮实体。
其中，步骤(1)包括如下步骤：
(1-1)齿轮的特征描述
(1-1-1)定义齿轮的基本参数：齿轮的齿数z、齿轮的模数m、齿轮的压力角anglec、齿轮的齿宽k、齿轮的齿顶高系数hn、齿轮的顶隙系数cn、齿轮的变位系数xn、齿轮的轴孔直径dz；
(1-1-2)齿轮参数间的计算关系
齿轮的齿顶高：ha＝m×(hn+xn)
齿轮的齿根高：hf＝m×(hn+cn-xn)
分度圆直径：d＝m×c
基圆直径：db＝d×cos(alpha)
齿顶圆直径：da＝d+2×m×(hn+xn)
齿根圆：df＝d-2×m×(hn+xn)；
(1-1-3)齿轮的强度校核
齿轮的强度校核包括两个方面：
a、闭式软齿面齿轮以齿面接触疲劳强度为主，齿根弯曲疲劳强度为辅；
计算公式：
按齿宽中点当量直齿圆柱齿轮计算，并取齿宽0.85b，则：
以齿轮大端参数代替齿宽中点当量直齿圆柱齿轮参数，代入整理得：
校核式：
对于a＝20°的标准齿轮ZH＝2.5，故
设计式：
b、闭式硬齿面齿轮以齿根弯曲疲劳强度为主，齿面接触疲劳强度为辅；
计算公式：
按齿宽中点当量直齿圆柱齿轮计算，代入大端参数整理得：
设计式：
校核式：
(1-1-4)建立渐开线方程
x＝r×(cos(θ)+θ×sin(θ))
y＝r×(sin(θ)-θ×cos(θ))；
(1-2)在solidworks中建立齿轮的三维模型
(1-2-1)打开solidworks软件，新建零件工程类型文件；
(1-2-2)绘制草图，将前视基准面选为草图平面；
(1-2-3)由已知条件求得相关数据，在草图平面内绘制四个同心圆，分别为分度圆、齿顶圆、齿根圆、基圆；
(1-2-4)在solidworks中选择参数方程模式，输入参数方程，绘制渐开线；
(1-2-5)单击确定，solidworks中自动画出一条渐开线；
(1-2-6)过渐开线与分度圆的交点做一条辅助线；
(1-2-7)旋转辅助线，旋转角度为360/25/4＝3.6°；
(1-2-8)以旋转后的辅助线为对称轴镜像渐开线，得到另一条渐开线；
(1-2-9)连接圆点和两条渐开线的起点；
(1-2-10)修剪后得到一个完整的轮齿齿廓；
(1-2-11)拉伸该轮齿，得到一个轮齿实体；
(1-2-12)阵列该轮齿实体，得到完整的齿廓；
(1-2-13)在齿轮的一个面上新建一个草图，画出轴和键槽的草图；
(1-2-14)退出草图，拉伸切除后得到一个完整的渐开线圆柱直齿轮。
其中，步骤(2)包括如下步骤：
(2-1)根据齿轮设计给定的原始参数，将齿轮的原始参数进行初步分类命名；
(2-2)利用solidworks的宏录制功能录制出来相应功能的函数；
(2-3)在VS中进行相应的编程来实现齿轮的渐开线和齿廓的绘制、参数化设计，形成solidworks插件。
其中，所述步骤(2-3)包括如下步骤：
(2-3-1)设置编程环境；
(2-3-2)以管理员身份来运行VS软件，然后新建项目，选择c#语言中SwCSharpAddin选项重新命名建立一个项目；
(2-3-3)为solidworks新建一个零件工程文件；
(2-3-4)在SwCSharpAddin项目资源管理器中打开SwAddin.cs文件，在显示的代码中找到UI Callbacks并展开，在里面添加代码为solidworks新建一个零件工程文件；
(2-3-5)绘制草图；
(2-3-6)将手动绘图过程用程序来代替，利用参数方程方法输入渐开线参数方程，自动生成一个齿的一条渐开线；
(2-3-7)用镜像指令SketchMirror()；镜像得到一个齿的另外一条渐开线；
(2-3-8)用CreateLine()；指令画直线，连接两渐开线的起点和圆心；
(2-3-9)用SketchTrim命令修剪出一个轮齿齿廓；
(2-3-10)修剪完成后使用拉伸指令FeatureExtrusion2()；拉伸得到一个轮齿实体；
(2-3-11)使用FeatureCircularPattern5命令，阵列该轮齿实体得到预期齿数的齿轮；
(2-3-12)使用拉伸切除命令FeatureCut4切出来轮毂；
(2-3-13)设计插件的窗口；
(2-3-14)把绘图的关键参数参数化。
进一步，所述步骤(2-3-1)包括硬件环境和软件环境，所述软件环境包括solidworks软件的安装、solidworks API二次开发接口的安装、Visual Studio的安装，具体为：首先安装Microsoft Visual Studio，SolidWorks软件，在安装solidworks时，在apisdk目录下找到SolidWorks API SDK进行安装；然后在Microsoft Visual Studio新建项目的C#模板中发现“SwCSharpAddin”模板，通过该模板即可创建SolidWorks的动态链接库；在UI-Callback文件夹中写入相应的程序后编译成解决方案；在solidworks插件库中生成相应的插件，在SolidWorks软件中加载出来该插件，打开插件输入相应的参数即可实现相应的功能。
其中，(2-3-13)包括如下步骤：
(2-3-13-1)在VS中为插件添加窗体；
(2-3-13-2)在窗口中添加控件，包括标签文本、输入框、按钮、单选按钮；
(2-3-13-3)建立窗体设计的四大模块：第一块为初步设计，包括齿轮的传动类型、精度等级、材料的选择、热处理方式、齿宽系数；第二块为许用应力的确定，包括大小齿轮的接触疲劳极限、大小齿轮的弯曲疲劳极限、应力修正系数、疲劳寿命系数、接触应力和弯曲应力的最小安全系数、计算得到的大小齿轮的接触应力和弯曲应力；第三块为参数设计，包括初选小齿轮节圆直径、传动比、中心距、模数、齿数、工作宽度、参数总览；第四块为齿轮的校核，包括大小齿轮的齿形系数和应力修正系数；
(2-3-13-4)创建窗口类；
(2-3-13-5)为窗口类添加控件成员变量。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1、本发明不仅很大程度上提升了产品的设计进度和质量，也使减速器齿轮的设计模式得到根本改变，大大的减少了设计人员的工作量，那些需要重复做的简单的工作都可以不再由设计人员来操作，把设计的重点集中在总体方案的考虑上，从而节约宝贵的时间，提高设计的效率和质量。
2、本发明的齿轮参数化设计的插件完成后，当齿轮建模时，只需改变齿轮的一些重要数据，如齿宽、齿数、压力角、模数等，软件就可以自动将所需图形绘制出来，从而提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明中渐开线生成图；
图2为本发明中在solidworks软件里新建零件工程类型文件的示意图；
图3为本发明中在solidworks软件里建立草图平面的示意图；
图4为本发明中在solidworks软件里绘制出分度圆、齿顶圆、齿根圆、基圆的示意图；
图5为本发明中在solidworks软件里画出一条渐开线的示意图；
图6为本发明中在solidworks软件里画出辅助线的示意图；
图7为本发明中在solidworks软件里旋转辅助线后的示意图；
图8为本发明中在solidworks软件里连接圆点和两条渐开线的起点的示意图；
图9为本发明中在solidworks软件里修剪得到一个轮齿齿廓的示意图；
图10为本发明中在solidworks软件里拉伸得到一个轮齿实体的示意图；
图11为本发明中在solidworks软件里绘制轴和键槽的草图的示意图；
图12为本发明中在solidworks软件里得到完成的渐开线圆柱直齿轮的示意图；
图13为本发明的设计路线图；
图14为本发明在VS中为插件添加窗体的示意图一；
图15为本发明在VS中为插件添加窗体的示意图二；
图16为本发明中最终窗体示意图；
图17为本发明中采用插件后得到的一个完整的齿的示意图；
图18为本发明中采用插件建模后的齿轮成品示意图；
图19为本发明中对于渐开线与圆心的连线错误时的示意图；
图20为本发明中3D打印后的齿轮实体示意图；
图21为本发明中转配后的减速器的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
使用solidworks进行齿轮参数化造型具有如下意义：
(1)在高本版的solidworks中有方程式驱动的曲线这一功能，开发者只需将齿轮的渐开线方程输入相应的对话框中，即可画出相应的渐开线，并且可以提高渐开线齿轮的精确性；
(2)如果想要绘出不同的齿轮轮廓，只需在对话框中修改方程式的参数，solidworks即可绘制出来符合要求的齿轮，方便快捷，节省时间；
(3)给齿轮在机械设计、制造及CAE方面带来很大方便。
本发明提供一种齿轮三维自动化设计方法，设计过程中需解决如下问题：
1、渐开线的绘制是本发明需要解决的首要问题，因为齿轮轮廓是由渐开线形成的齿廓，齿轮的啮合即是渐开线的啮合，绘制出符合要求的渐开线是画出齿轮的前提，然而渐开线的绘制又是齿轮设计的难点，因此本发明针对该设计的难点提出参数化设计的思想，来简化齿轮的设计，从而减少齿轮设计的工作量，提高工作效率。
2、齿轮的强度校核也是齿轮设计的一大方面，其强度校核分软齿面齿轮的强度校核和硬齿面齿轮的强度校核，设计准则包括如下两个方面：
a、闭式软齿面齿轮以齿面接触疲劳强度为主，齿根弯曲疲劳强度为辅；
b、闭式硬齿面齿轮以齿根弯曲疲劳强度为主，齿面接触疲劳强度为辅。
3、本发明设计的系统应该可以由已知条件计算出齿轮的基本参数，例如齿数和模数，从而确定齿轮的具体形状和尺寸，再到自动化绘图，这也是本次设计的重点和亮点，这一步是实现参数化的关键，只有系统可以自动计算出来参数，后面的绘图过程才有意义。
4、本发明需要解决的最后一个问题是齿轮的制作，我们组所有成员所做的工作最后是要配合起来的，组装起来就是一个完整的减速器，我们选择制作的方式为3D打印，因为我们的目的是为了展示我们的设计过程以及设计的结果，并不需要减速器真正的承重，所以3D打印出来的减速器完全符合要求，并且利用这次3D打印的机会我们还可以学习一下3D打印的相关知识。
本发明提供一种齿轮三维自动化设计方法包括如下步骤：
(1)根据要求首先拟定几套可行的齿轮画法的方案，然后选定一套最优的方案，并根据此最优方案在solidworks中手动的把齿轮的三维模型画出来；
步骤(1)包括如下步骤：
(1-1)齿轮的特征描述
(1-1-1)定义齿轮的基本参数：齿轮的齿数z、齿轮的模数m、齿轮的压力角anglec、齿轮的齿宽k、齿轮的齿顶高系数hn、齿轮的顶隙系数cn、齿轮的变位系数xn、齿轮的轴孔直径dz；
(1-1-2)齿轮参数间的计算关系
齿轮的齿顶高：ha＝m×(hn+xn)
齿轮的齿根高：hf＝m×(hn+cn-xn)
分度圆直径：d＝m×c
基圆直径：db＝d×cos(alpha)
齿顶圆直径：da＝d+2×m×(hn+xn)
齿根圆：df＝d-2×m×(hn+xn)；
(1-1-3)齿轮的强度校核
齿轮的强度校核包括两个方面：
a、闭式软齿面齿轮以齿面接触疲劳强度为主，齿根弯曲疲劳强度为辅；
计算公式：
按齿宽中点当量直齿圆柱齿轮计算，并取齿宽0.85b，则：
以齿轮大端参数代替齿宽中点当量直齿圆柱齿轮参数，代入整理得：
校核式：
对于a＝20°的标准齿轮ZH＝2.5，故
设计式：
b、闭式硬齿面齿轮以齿根弯曲疲劳强度为主，齿面接触疲劳强度为辅；
计算公式：
按齿宽中点当量直齿圆柱齿轮计算，代入大端参数整理得：
设计式：
校核式：
(1-1-4)选择画齿轮渐开线的方法为方程式驱动曲线的方法，如图1所示为渐开线生成图，渐开线的方程式为：
x＝r×(cos(θ)+θ×sin(θ))
y＝r×(sin(θ)-θ×cos(θ))；
(1-2)在solidworks中建立齿轮的三维模型
要进行齿轮零部件的三维自动化建模就必须先对其手动建模过程很了解，因为自动化建模的过程即是把手动建模的过程用程序表达出来。下面我们以表1的参数为例来绘制一个齿轮。
表1齿轮的基本参数
具体步骤为：
(1-2-1)打开solidworks软件，新建零件工程类型文件，如图2所示；
(1-2-2)绘制草图，将前视基准面选为草图平面，如图3所示；
(1-2-3)由已知条件求得相关数据，在草图平面内绘制四个同心圆，分别为分度圆、齿顶圆、齿根圆、基圆，如图4所示；
(1-2-4)在solidworks中选择参数方程模式，输入参数方程，绘制渐开线；
(1-2-5)单击确定，solidworks中自动画出一条渐开线，如图5所示；
(1-2-6)过渐开线与分度圆的交点做一条辅助线，如图6所示；
(1-2-7)旋转辅助线，旋转角度为360/25/4＝3.6°，如图7所示；
(1-2-8)以旋转后的辅助线为对称轴镜像渐开线，得到另一条渐开线；
(1-2-9)连接圆点和两条渐开线的起点，如图8所示；
(1-2-10)修剪后得到一个完整的轮齿齿廓，如图9所示；
(1-2-11)拉伸该轮齿，得到一个轮齿实体；如图10所示；
(1-2-12)阵列该轮齿实体，得到完整的齿廓；
(1-2-13)在齿轮的一个面上新建一个草图，画出轴和键槽的草图，如图11所示；
(1-2-14)退出草图，拉伸切除后得到一个完整的渐开线圆柱直齿轮，如图12所示。
(2)将步骤(1)solidworks中齿轮的三维建模过程用代码表示出来，代码在VS中进行编译运行，形成solidworks插件，设计路线如图13所示；
步骤(2)包括如下步骤：
(2-1)根据齿轮设计给定的原始参数，将齿轮的原始参数进行初步分类命名；
(2-2)利用solidworks的宏录制功能录制出来相应功能的函数；
(2-3)在VS中进行相应的编程来实现齿轮的渐开线和齿廓的绘制、参数化设计，形成solidworks插件。
所述步骤(2-3)包括如下步骤：
(2-3-1)设置编程环境，包括硬件环境和软件环境，硬件方面需要配置高一点的计算机，Intel或AMD处理器，至少要4G的运行内存，5G以上的存储空间。Win7或者win10系统。软件环境包括solidworks软件的安装、solidworks API二次开发接口的安装、VisualStudio的安装，具体为：首先安装Microsoft Visual Studio，SolidWorks2017软件，在安装solidworks时，在apisdk目录下找到SolidWorks API SDK进行安装；然后在MicrosoftVisual Studio新建项目的C#模板中发现“SwCSharpAddin”模板，通过该模板即可创建SolidWorks的动态链接库；在UI-Callback文件夹中写入相应的程序后编译成解决方案；在solidworks插件库中生成相应的插件，添加该插件后，就可以在SolidWorks软件中加载出来该插件，打开插件输入相应的参数即可实现相应的功能。
(2-3-2)以管理员身份来运行VS软件，然后新建项目，选择c#语言中SwCSharpAddin选项重新命名建立一个项目；
(2-3-3)为solidworks新建一个零件工程文件；
(2-3-4)在SwCSharpAddin项目资源管理器中打开SwAddin.cs文件，在显示的代码中找到UI Callbacks并展开，在里面添加代码为solidworks新建一个零件工程文件；
(2-3-5)绘制草图；
(2-3-6)将手动绘图过程用程序来代替，利用参数方程方法输入渐开线参数方程，自动生成一个齿的一条渐开线；
(2-3-7)用镜像指令SketchMirror()；镜像得到一个齿的另外一条渐开线；
(2-3-8)用CreateLine()；指令画直线，连接两渐开线的起点和圆心；
(2-3-9)用SketchTrim命令修剪出一个轮齿齿廓；
(2-3-10)修剪完成后使用拉伸指令FeatureExtrusion2()；拉伸得到一个轮齿实体；
(2-3-11)使用FeatureCircularPattern5命令，阵列该轮齿实体得到预期齿数的齿轮；
(2-3-12)使用拉伸切除命令FeatureCut4切出来轮毂；
(2-3-13)创建插件的窗口：在Windows应用程序中窗口处于很重要的位置，很多功能需要通过Windows完成，因此窗口在Windows应用程序中不可或缺，并且是用户与程序交互的重要途径。通过窗口，用户可以使用“完成”按钮或更复杂的数据输入/输出表以及强大的插件创建简单的消息窗口。
窗口的创建主要包括以下项目：
(2-3-13-1)在VS中为插件添加窗体，在新建解决方案下右键-添加-新建项-windows窗体即可，步骤如图14和图15所示。
(2-3-13-2)在窗口中添加控件，包括标签文本、输入框、按钮、单选按钮等；这些按钮的添加非常的简单快捷，打开视图-工具箱-公共控件，拖动label和textbox到指定区域，textbox为输入数值的对话框，lable为解释textbox的标签，button为一个按钮，可以设置为确定或者取消，单击对话框-右键-属性，即可改该按钮的名称。在每个textbox内输入的数值即为该变量的默认数值，当运行程序时，程序会自动获取textbox内每个变量的数值，然后用该数值画图，当改动数值后模型的尺寸也随之改变，即达到参数化的目的。
(2-3-13-3)建立窗体设计的四大模块：第一块为初步设计，包括齿轮的传动类型、精度等级、材料的选择、热处理方式、齿宽系数；第二块为许用应力的确定，包括大小齿轮的接触疲劳极限、大小齿轮的弯曲疲劳极限、应力修正系数、疲劳寿命系数、接触应力和弯曲应力的最小安全系数、计算得到的大小齿轮的接触应力和弯曲应力；第三块为参数设计，包括初选小齿轮节圆直径、传动比、中心距、模数、齿数、工作宽度、参数总览；第四块为齿轮的校核，包括大小齿轮的齿形系数和应力修正系数，当点击校核按钮后，还会显示出来该齿轮是否符合强度要求。
(2-3-13-4)创建窗口类(每个对话框必须要和一个对话框类或其派生类相连才能发生作用)；
(2-3-13-5)为窗口类添加控件成员变量。
(2-3-14)把绘图的关键参数参数化。
(3)打开Solidworks，插入在VS中做好的插件，输入相应的设计数据，solidworks自动完成齿轮的三维造型；
随着设计做的越来越全面，本发明可实现的功能也越来越多，窗体的内容也越来越丰富，如图16所示的窗体为设计的最终样式，当选定热处理方式，材料，和齿轮的应力后程序会自动计算出来符合条件的齿轮的模数，如果计算出来的模数和实际需要的有差距，那么我们可以修订校正，当模数和齿数都设置好以后，我们可以单击校正按钮，系统立刻会把两个齿轮的参数计算出来，并且会显示是否符合应力要求。如果符合要求，设计人员只需单击“绘图”按钮，solidworks就会很快画出符合要求的模型。
(4)用3D打印的方式制作出齿轮实体，打印后的齿轮实体如图20所示，装配后的减速器如图21所示。
下面详细介绍本发明中应用程序的创建：
一、程序结构
一个好的程序是由很多函数组成的，它们分别承担不同的功能，使整个程序看起来清晰有条理，当需要修改某些语句时可方便找到它的位置。表2列举了齿轮绘制所要用到的一些重要函数。
表2程序函数表
二、齿轮建模程序中的全局变量
用C#编制图形时，图形的原始尺寸参数所对应的代号是编程语言中的主要变量，根据图形的几何形状即可确定研究点之间的坐标关系，再由具体的算法写出点与点之间的代数关系式即可定义具体的点坐标。如表3列出了铁心上轭建模中的全部变量名称、变量类型及每个变量名称对应图形中的初始参数。
表3定义变量表
三、程序中应用的算法
在用C#编写齿轮建模程序，是通过方程式卡驱动的曲线来绘制一条渐开线，然后镜像该渐开线，修剪得到一个完整的齿，最后阵列得到所有的齿。其中旋转得角度和点得坐标得计算是难点，具体算法如下：
1.定义需要的基本参数
2.分别找到齿顶圆，齿根圆，分度圆与渐开线的交点，以便后面画线；
根据公式：
x＝rx(cos(θ)+θ×sin(θ))
y＝r×(sin(θ)-θ×cos(θ))
当r分别为齿顶圆ra、分度圆r、基圆rb且θ为对应的角度时x和y就是相应的交点坐标。
3.画过分度圆与渐开线交点的辅助线，L1；
4.画基圆和齿顶圆；
5.画渐开线方程；
6.旋转辅助线；
7.以旋转后的辅助线为中心镜像渐开线；
8.删除多余的圆弧；
9.绘制齿根过渡曲线；
10.删除多余的线条得到一个完整的齿；如图17所示.
11.删除多余的线条；
12.拉伸得到一个体；
13.阵列得到其余的齿；
14.绘制轮毂的草图；
15.拉伸切除得到轴径孔。
建模后的齿轮成品图如图18所示。
四、齿轮自动化建模过程的问题分析
1、齿轮画法的选择
齿轮的画法有很多种，例如：a、分别计算出来渐开线和齿顶圆齿根圆基圆的交点后描点画样条曲线；b、打开工具-草图绘制实体-方程式驱动的曲线的指令输入渐开线的方程；c、用渐开线方程每隔几个数计算出一个点，把计算出来的点生成txt文件，再导入solidworks中，模拟出来一条渐开线；d、分别计算出轮齿在齿顶圆分度圆基圆处的齿厚，以竖直线为中心线把计算出来的齿厚的点对称分布，再用样条曲线把点连起来即是一个齿廓外形。本发明选择的是方程式驱动的曲线的方法来绘制出轮廓，因为这是最简单且精度较高的方法，是研究参数化设计的首选方法。只需要调出方程式驱动的曲线指令，并输入正确的方程式即可画出渐开线，省去了其他方法中复杂的计算点坐标的过程了。当画出来一条渐开线后怎么生成一个完整的齿轮也有很多办法，本发明选择的是先拉伸出来一个齿，然后阵列出来所有的齿，因为这样做不容易出错。
2、画齿轮草图的过程中遇到的问题
在齿轮自动建模的过程中遇到过很多的问题，因为整个过程是通过代码在后台进行操作的。其中最大的问题是在好多solidworks的命令写进代码后再执行solidworks却不能实现预期功能，例如：镜像指令doc.SketchMirror()；当镜像对象和镜像中心线都是直线时，软件就分不清哪条是镜像对象线哪条是中心线，后来本发明的发明人在solidworks的API帮助主题里面搜索SketchMirror关键词，搜索结果如下：
Remarks
If the entity to mirror is:
a sketch segment,then use a selection mark of 1
a centerline,then use a selection mark of 2
由这句话本发明人知道镜像对象线把mark改为1，中心线把mark改为2。
boolstatus＝doc.Extension.SelectByID2("Spline2","SKETCHSEGMENT",x,y,0,true,1,null,0)；
boolstatus＝doc.Extension.SelectByID2("Line1","SKETCHSEGMENT",0,0,0,true,2,null,0)；这个问题解决了，但是新的问题随之又来了，即使线选择对了但还是镜像不成功，查了很多资料也请教了大家，可是这个问题始终没能解决，然后本发明人换了一种方法，计算点坐标，用creatline命令画出需要的直线才总算解决了这个问题。
3、在实体阵列的过程中遇到的问题
在阵列的时候，选择方向的选项框里总是选择不上方向！在API帮助里面搜索SelectByRay，搜索结果如下：System.bool SelectByRay(
System.double WorldX,
System.double WorldY,
System.double WorldZ,
System.double RayVecX,
System.double RayVecY,
System.double RayVecZ,
System.double RayRadius,
System.int TypeWanted,
System.bool Append,
System.int Mark,
System.int Option
由这句话发明人了解到选择方向时要输入向量，输入向量也就要找到线上的两个点坐标，可是这条线是一个圆弧，这上面的两个点求起来非常复杂，经过很多次的尝试，偶然间发现其实并不需要精确的坐标，只要在要阵列的体内随便找一点即可完成阵列，在程序里面输入了圆点坐标(0，0，0)，阵列成功。
五、程序驱动中算法难点
算法在solidworks二次开发中起着非常重要的作用。相应的算法能够精确各个点的位置关系，从而画出准确的图形。在本设计中算法也是用的特别多，例如渐开线与齿顶圆、分度圆、基圆等的交点需要用到算法，旋转中心线时旋转的角度需要用到算法，连接渐开线与圆心时也需要用到算法计算出来点的坐标等等。可以说算法贯穿在整个设计的过程，如果有一个算法有误，一个点的坐标有误那么后面的工作都将白费。
如图19所示，本发明人在画渐开线与圆心的连线时，当起始点的坐标找的不对时这条线就是错误的，这条线位置不对那么这个齿形就不封闭，不封闭的草图是无法拉伸的，这也就意味着后面的工作无法进行，所以算法在设计过程中非常重要。
在C#中存在很多数值计算的函数，如任一数学函数的求值，方程的求解，线性方程的求解，插值方法，数值积分等。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种齿轮的三维自动化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据要求首先拟定几套可行的齿轮画法的方案，然后选定一套最优的方案，并根据此最优方案在solidworks中手动的把齿轮的三维模型画出来；
（2）将步骤（1）solidworks中齿轮的三维建模过程用代码表示出来，代码在VS中进行编译运行，形成solidworks插件；
（3）打开Solidworks，插入在VS中做好的插件，输入相应的设计数据，solidworks自动完成齿轮的三维造型；
（4）用3D打印的方式制作出齿轮实体；
具体的，步骤（2）包括如下步骤：
（2-1）根据齿轮设计给定的原始参数，将齿轮的原始参数进行初步分类命名；
（2-2）利用solidworks的宏录制功能录制出来相应功能的函数；
（2-3）在VS中进行相应的编程来实现齿轮的渐开线的绘制、参数化设计和齿廓的绘制、参数化设计，形成solidworks插件；
具体的，所述步骤（2-3）包括如下步骤：
（2-3-1）设置编程环境；
（2-3-2）以管理员身份来运行VS软件，然后新建项目，选择c#语言中SwCSharpAddin选项重新命名建立一个项目；
（2-3-3）为solidworks新建一个零件工程文件；
（2-3-4）在SwCSharpAddin项目资源管理器中打开SwAddin.cs文件，在显示的代码中找到UI Callbacks并展开，在里面添加代码为solidworks新建一个零件工程文件；
（2-3-5）绘制草图；
（2-3-6）将手动绘图过程用程序来代替，利用参数方程方法输入渐开线参数方程，自动生成一个齿的一条渐开线；
（2-3-7）用镜像指令SketchMirror()镜像得到一个齿的另外一条渐开线；
（2-3-8）用CreateLine ()指令画直线，连接两渐开线的起点和圆心；
（2-3-9）用SketchTrim命令修剪出一个轮齿齿廓；
（2-3-10）修剪完成后使用拉伸指令FeatureExtrusion2()拉伸得到一个轮齿实体；
（2-3-11）使用FeatureCircularPattern5命令，阵列该轮齿实体得到预期齿数的齿轮；
（2-3-12）使用拉伸切除命令FeatureCut4切出来轮毂；
（2-3-13）设计插件的窗口；
（2-3-14）把绘图的关键参数参数化；
具体的，所述步骤（2-3-1）包括硬件环境和软件环境，所述软件环境包括solidworks软件的安装、solidworks API二次开发接口的安装、Visual Studio的安装，具体为：首先安装Microsoft Visual Studio，SolidWorks软件，在安装solidworks时，在 apisdk目录下找到SolidWorks API SDK进行安装；然后在 Microsoft Visual Studio新建项目的C#模板中发现“SwCSharpAddin”模板，通过该模板即可创建SolidWorks的动态链接库；在UI-Callback文件夹中写入相应的程序后编译成解决方案；在solidworks插件库中生成相应的插件，在SolidWorks软件中加载出来该插件，打开插件输入相应的参数即可实现相应的功能；
具体的，（2-3-13）包括如下步骤：
（2-3-13-1）在VS中为插件添加窗体；
（2-3-13-2）在窗口中添加控件，包括标签文本、输入框、按钮、单选按钮；
（2-3-13-3）建立窗体设计的四大模块：第一块为初步设计，包括齿轮的传动类型、精度等级、材料的选择、热处理方式、齿宽系数；第二块为许用应力的确定，包括大小齿轮的接触疲劳极限、大小齿轮的弯曲疲劳极限、应力修正系数、疲劳寿命系数、接触应力和弯曲应力的最小安全系数、计算得到的大小齿轮的接触应力和弯曲应力；第三块为参数设计，包括初选小齿轮节圆直径、传动比、中心距、模数、齿数、工作宽度、参数总览；第四块为齿轮的校核，包括大小齿轮的齿形系数和应力修正系数；
（2-3-13-4）创建窗口类；
（2-3-13-5）为窗口类添加控件成员变量。
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