孫太良

（ 軟控股份有限公司，山東 青島 266042 ）

基于Creo二次開發(fā)的外嚙合圓柱齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫太良

（ 軟控股份有限公司，山東 青島 266042 ）

針對外嚙合圓柱齒輪設(shè)計(jì)過程中繁瑣的參數(shù)計(jì)算優(yōu)化，在Creo上對其進(jìn)行參數(shù)化建模與二次開發(fā)。以Creo的參數(shù)關(guān)系驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化技術(shù)為支撐，創(chuàng)建外嚙合圓柱齒輪參數(shù)化模型，實(shí)現(xiàn)了模型的參數(shù)驅(qū)動(dòng)與控制。通過VS2012、Pro/ToolKit建立可視化開發(fā)環(huán)境,開發(fā)了針對齒輪的頂切根切、滑動(dòng)率、干涉檢查等參數(shù)化交互設(shè)計(jì)界面。

齒輪設(shè)計(jì)；參數(shù)；建模；優(yōu)化

0 引言

Creo是應(yīng)用于三維設(shè)計(jì)的主流軟件之一，其強(qiáng)大的參數(shù)關(guān)系驅(qū)動(dòng)，支持精確控制參數(shù)化建模。在機(jī)械設(shè)計(jì)尤其是齒輪設(shè)計(jì)中涉及較多的計(jì)算和查表，變位系數(shù)和中心距等參數(shù)需經(jīng)多次優(yōu)化。在Creo中，關(guān)系式為順序全部執(zhí)行，每次執(zhí)行均需花費(fèi)較多時(shí)間，由于不適合較多次數(shù)的優(yōu)化，參數(shù)優(yōu)化增量可能較大，或跳過最優(yōu)值致使優(yōu)化失敗。由此反映出僅使用Creo關(guān)系進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)，存在的諸如優(yōu)化內(nèi)容有限、精度低、速度慢、界面不友好等問題。基于Creo二次開發(fā)的程序，可實(shí)現(xiàn)快速、高精度、友好界面、進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算優(yōu)化驗(yàn)證等優(yōu)點(diǎn)。本文以此為對象，探討其實(shí)現(xiàn)方法。

1 概述

建立參數(shù)化驅(qū)動(dòng)模型，對各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化，復(fù)制模板模型，將計(jì)算優(yōu)化后的參數(shù)值賦值給模型進(jìn)行裝配，自動(dòng)生成工程圖。程序流程見圖1。

圖1 程序流程

2 齒輪參數(shù)

2.1 三維模型與工程圖

Creo具有強(qiáng)大的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)功能。本文中主要參數(shù)為模數(shù)、設(shè)計(jì)齒輪齒數(shù)、配對齒輪齒數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)、變位系數(shù)、螺旋角、設(shè)計(jì)齒輪中心距、旋向、齒寬、齒輪孔直徑、I級精度、II級精度等，其余所有齒輪形狀與工程圖各參數(shù)均以此主要參數(shù)計(jì)算得出。部分參數(shù)計(jì)算在Creo的關(guān)系中進(jìn)行，應(yīng)注意到：Creo關(guān)系中支持強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算功能，其中的三角函數(shù)單位為°，而C++中則以弧度為單位，二者應(yīng)進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換。

創(chuàng)建工程圖，放置模型并對其進(jìn)行標(biāo)注，采用參數(shù)方式填寫以便修改參數(shù)值后可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新。圖2所示為參數(shù)化模型及工程圖。

圖2 參數(shù)化模型與工程圖

2.2 二次開發(fā)工程及計(jì)算

2.2.1 確定開發(fā)環(huán)境并建立工程

基于C語言的Pro/ToolKit是一款最強(qiáng)大的二次開發(fā)工具，且執(zhí)行效率高，開發(fā)資料多?？紤]到交互界面，故選擇微軟公司VS平臺，Creo3.0對應(yīng)VS2012版本。

2.2.2 創(chuàng)建交互界面

建立對話框，將各參數(shù)輸入以下拉列表或單選呈現(xiàn)，優(yōu)化界面中的控件擺放。開發(fā)界面如圖3所示。

2.2.3 獲取輸入?yún)?shù)后對輸入?yún)?shù)進(jìn)行校驗(yàn)

為防止輸入數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，導(dǎo)致死循環(huán)等錯(cuò)誤，需進(jìn)行校驗(yàn)，避免不必要的軟件崩潰、數(shù)據(jù)丟失等情況發(fā)生。

2.2.4 頂切調(diào)整

計(jì)算設(shè)計(jì)齒輪齒頂厚與配對齒輪齒頂厚，如某一個(gè)齒輪的齒頂厚為負(fù)值，則調(diào)整變位系數(shù)，直至齒頂厚均為正值。

2.2.5 根切優(yōu)化

計(jì)算齒輪不根切的最小變位系數(shù)，如小于最小變位系數(shù)則應(yīng)及時(shí)調(diào)整，重新計(jì)算，直至變位系數(shù)大于最小變位系數(shù)。

2.2.6 按照滑動(dòng)率對變位系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

兩個(gè)齒輪的接觸點(diǎn)或可相對滑動(dòng)，而滑動(dòng)摩擦降低齒輪壽命，故應(yīng)減少其相對滑動(dòng)。滑動(dòng)率優(yōu)化亦指根據(jù)滑動(dòng)率優(yōu)化變位系數(shù)，主要有兩種方法，一種是哈工大法，一種是美國AGMA法。兩種方法計(jì)算得到的滑動(dòng)率定義并不一致。通常，哈工大法為正值，AGMA法為負(fù)值，但是經(jīng)這兩種方法得到的變位系數(shù)優(yōu)化結(jié)果均相同。

2.2.7 按照滑動(dòng)率目標(biāo)值對齒輪進(jìn)行優(yōu)化

為控制齒輪接觸點(diǎn)滑動(dòng)率的范圍，根據(jù)目標(biāo)滑動(dòng)率對設(shè)計(jì)齒輪中心距進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)輸入?yún)?shù)對滑動(dòng)率進(jìn)行優(yōu)化得出滑動(dòng)率，與目標(biāo)值進(jìn)行比較，依照比較結(jié)果調(diào)整中心距，再進(jìn)行滑動(dòng)率優(yōu)化，再比較結(jié)果，如此迭代，直到優(yōu)化后的滑動(dòng)率達(dá)到目標(biāo)滑動(dòng)率的精度允許范圍。

2.2.8 結(jié)束條件與增量大小控制

滑動(dòng)率優(yōu)化結(jié)束條件即兩齒輪滑動(dòng)率差值大小，應(yīng)與變位系數(shù)調(diào)整增量相適應(yīng)，如差值要求較小而增量較大，易跳過正確值而導(dǎo)致優(yōu)化失敗。

滑動(dòng)率目標(biāo)值優(yōu)化的結(jié)束條件即目標(biāo)滑動(dòng)率與計(jì)算滑動(dòng)率的差值大小，與設(shè)計(jì)中心距的調(diào)整增量相適應(yīng)，如差值要求較小而增量較大，易跳過正確值導(dǎo)致優(yōu)化失敗。

如調(diào)整量過大而增量過小，導(dǎo)致較大的計(jì)算量，尤其是在滑動(dòng)率目標(biāo)值優(yōu)化時(shí)計(jì)算量更大，故不宜采用固定的增量值。增量值應(yīng)逐級遞減，可在目標(biāo)值減計(jì)算值的差值正負(fù)號變化時(shí)，將增量值減少為原來的十分之一。

2.2.9 檢查

計(jì)算齒輪根切、頂切、干涉、公法線可測量性等情況，如存有問題應(yīng)再修改。

圖3 二次開發(fā)交互界面

3 交互方式

與Creo進(jìn)行交互可分為三種方式。

1）將模板模型與模板工程圖復(fù)制到工作目錄下的指定文件名。將優(yōu)化后的參數(shù)結(jié)果賦值給模型，更新模型與工程圖，也可以直接進(jìn)行裝配到當(dāng)前裝配體。同步復(fù)制工程圖時(shí)應(yīng)設(shè)置Creo配置參數(shù)：rename_drawings_with_object both

由于參數(shù)賦值代碼較長，可自定義一個(gè)函數(shù)，示例如下：ProError SetMdlParam(ProMdl promdl,CStringparamname,ProParamvalueType paramtype,CString paramvalue);

2）將計(jì)算結(jié)果輸出為參數(shù)文件，更新模型時(shí)讀取參數(shù)文件進(jìn)行更新，也可單向輸出齒輪詳細(xì)參數(shù)的報(bào)表以供查閱。

3）直接讀取齒輪模型參數(shù)并初始化對話框，優(yōu)化參數(shù)后賦值給齒輪模型，更新模型。

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，三維設(shè)計(jì)成為主流，以Creo參數(shù)化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過Pro/ToolKit與VS進(jìn)行交互式的外嚙合圓柱齒輪設(shè)計(jì)優(yōu)化，各種參數(shù)優(yōu)化計(jì)算幾乎瞬間完成，且達(dá)到高精度預(yù)期目標(biāo)，較好地提高齒輪設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，也為其他零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了思路與技術(shù)支持。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊化工版（第五版）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[2]符廣益.PROE環(huán)境中圓柱齒輪精確建模和工程圖自動(dòng)生成[J].電動(dòng)工具,2013(1).

[3]符廣益.Creo工程圖幾何公差值和主參數(shù)、公差等級的關(guān)聯(lián)[J].電動(dòng)工具,2014(4).

[4]王知行.漸開線齒輪變位系數(shù)選擇的新方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1978(z1).

[5]杜雪松,林騰蛟,李潤方等.AGMA按均衡滑動(dòng)率原則選擇齒輪變位系數(shù)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(8).

OptimizedDesign of External Cylindrical Gear based on Add-on Development of Creo

Sun Tailiang
(MESNAC co., ltd., Qingdao 266042, Shandong)

The parametric modeling and add-ondevelopment of Creo is carried out in order to optimizing the parameter calculation in the design process of externalcylindrical gears. Based on parametric technology driven by Creo parameter relationship, parametric model of external cylindrical gear is created, and parameter drive and control of the model are realized. The establishment of visual development environment through VS2012, Pro/ToolKit is developed for the parametric interactive design interface focusing on no sharpening the top gear, no top cut, sliding ratioand interference checking.

Design of the gear; Parameter; Modeling; Optimization

TM02

A

1674-2796（2017）05-0014-03

2017-05-11

孫太良（1988—）男，大學(xué)本科，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)及維護(hù)工作。