基于UG二次開發的漸開線花鍵軸參數化建模

盧嘉錚　王瀚藝

【摘 要】漸開線花鍵軸作為一種重要的傳動部件，被廣泛用作較大載荷和對定心精度要求較高的機械傳動結構。而在花鍵軸的設計過程中，需要進行多次強度校核和尺寸修改，瑣碎、重復的建模極大地影響了設計效率。因此本文采用參數化設計方法，基于商用CAD軟件UG的二次開發功能，結合MFC，編寫客戶化菜單和對話框，實現漸開線花鍵軸的快速建模以供實際工程設計需求。參考漸開線齒輪的加工的過程，先建立軸的模型，再生成漸開線齒廓，最后進行布爾差操作模擬切削加工，得到完整漸開線花鍵軸三維實體模型，并可生成不同齒廓的模型，能進行多次參數變動后的漸開線花鍵軸快速建模，滿足實際工程優化設計中反復修改模型的需要。本文的工作展示了參數化設計的有效性和高效率，且在花鍵軸的實際設計過程中有一定參考價值。

【關鍵詞】漸開線花鍵軸；參數化設計；UG二次開發；MFC

中圖分類號： TG333 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）04-0001-004

Parametric 3D Modeling of Involute Splined ShaftBased on UG Secondary Development

LU Jia-zheng WANG Han-yi

（School of Aeronautical Engineering， Civil Aviation Flight University of China，Guanghan，Sichuan 618307）

【Abstract】The involute spline shaft is widely used in mechanical structure which is bearing a heavy load and requiring high precision of centering accuracy on account of its prominent advantages as an important part of torque and motion transmission. In the design of an involute spline shaft， a balance should be struck between strength checking and dimension modifying， thus leading to great repetitive modeling work， which reduces the efficiency of the design. Thus， based on secondary development of commercial CAD software UG， combined with MFC， a customized menu and a dialog in accordance with parametric modeling method were built， to meet the demand of quick modification of involute spline shaft. Referring to the manufacturing process of the involute gear， we model the shaft first， then involute tooth profiles， finally get the aimed involute spline shaft 3-D solid model through subtract-bool operation. Besides， series of spline shafts can be modeled and quick modified， satisfying the needs of repetitive modeling work of optimal designs. This paper demonstrates the high efficiency and effectiveness of parametric modeling method， provides certain instructions for the spline shaft designing as well.

【Key words】Involute Splined Shaft； Parametric Design； Secondary development of UG0 引言

花鍵聯接，如圖1，是在平鍵聯接的基礎上發展而形成的一種鍵聯接方式，其齒面接觸好，啟動時承載能力好，強度高，精度高，互換性好，刀具經濟，因此，其在載荷較大和定心精度要求較高的各類機械結構聯接中被廣泛應用[1]-[2]。但其造型較為復雜，尤其是齒形的建造較為困難，建模需耗費相當多的時間，且尺寸改動時涉及較多參數，建模效率低下。另外，完整的機械優化設計，根據經驗從初步設計出發，經過多次循環反復的強度校核、結構修正等大量計算，最終得到最優設計結果，如圖2所示。其海量的重復性建模工作會大大降低工作效率，而利用成熟的CAD技術可解決上述問題，如UG、ProE等商業軟件提供的二次開發和參數化建模功能可避免GUI建模，降低時間成本，為后續因強度校核等而需要進行的協調設計提供便利。

20世紀70年代末及80年代初，英國劍橋大學的R.C.Hillyard和美國MIT的D.C.Gossard等率先將參數化造型技術應用于CAD系統中[3]。白劍鋒等人[4]利用UG軟件的參數設置、建立表達式實現齒輪的完全參數化設計，提出了漸開線斜齒輪參數化控制自動造型的方法。馬鐵林等人[5]優化設計變量與機翼氣動計算網格的中間參數變量用于描述機翼氣動網格變形情況，并建立結構有限元網格與優化設計變量的空間變化關系，提出一種機翼氣動與結構分析模型參數化建模方法。陳卓等人[6]應用VB匯編語言，開發了花鍵強度計算系統軟件，找到了對花鍵強度產生影響的主要尺寸參數，并提出了提高花鍵強度的方法。本文基于成熟的漸開線花鍵軸設計思想，引入參數化設計，實現程序自動快速建模，以滿足工程設計的需求，降低設計過程中由于反復修改尺寸而帶來的重復建模工作量。

1 外花鍵軸參數化模型

1.1 參數化建模思路

參照漸開線齒廓的加工方法，本文采用“去除材料”的方式生成花鍵基本齒廓，再由基本齒廓模型旋轉陣列得到完整的外花鍵。理論上，漸開線起于基圓，而實際加工時，由于花鍵刀具具體結構的限制，漸開線齒廓從小徑處生成，因此建模也應遵循上述規律。

建模步驟如下：1）用戶根據需求輸入漸開線花鍵軸的模數m、齒數z、壓力角α、齒根類型等參數；2）在軸端面上，生成漸開線花鍵軸的大徑Dee、小徑Die、基圓半徑Db和分度圓直徑D；3）在大徑和小徑之間生成漸開線齒廓關鍵點，連接關鍵點得到漸開線齒廓線；4）將關鍵點經過旋轉復制得到新的點，生成漸開線花鍵的z個凹槽齒廓（被去除部分）；5）根據齒寬對去除部分進行拉伸操作，分別與軸體進行布爾差；6）根據齒根類型選擇對應的齒根圓弧，并對花鍵齒廓實體進行倒圓角操作，即得到完整的漸開線花鍵軸模型。

1.2 主要參數

一般而言，漸開線花鍵按其三種齒形角和兩種齒根類型規定了四種齒廓：30°平齒根、30°圓齒根、37.5°圓齒根和45°圓齒根[7]，工業標準GB/T3478.1-2008規范了漸開線花鍵的各類參數，本文受時間限制，僅考慮外花鍵相關設計。

本文模型將被用于強度校核等計算，計算要求幾何模型盡量簡潔，另一方面考慮到需要快速建模，因此對花鍵軸部分細微結構進行了簡化。建模主要參數如表1所列：

1.3 關鍵特征

本文采用圓弧代替漸開線的簡易畫法。雖然在實際的加工過程和齒輪嚙合過程中，無法用圓弧代替漸開線，但對于CAE分析，特別是有限元計算而言，本文所涉及花鍵齒的絕對高度僅為數毫米，在這個尺寸下，由于前處理要對幾何模型進行離散，單元形狀對邊界的模擬并不足夠精確，且結構強度分析對如此細微差別的形狀并不敏感，兩者都為均勻弧線，不存在應力集中的情況，圓弧和漸開線齒廓在強度分析中能得到幾乎相同的結果，因此采用圓弧代替漸開線。漸開線花鍵的簡易畫法如下：

（1）根據模數m，齒數z、壓力角α，畫出基圓Db，大徑Dee、小徑Die；

（2）多邊形內接于分度圓D（邊數=2z）；

（3）由圓心O向多邊形的任一角點A引直線OA；

（4）以OA中點B為圓心，AB為半徑畫圓，交基圓于C；

（5）以C為圓心，AC為半徑畫圓，如圖4、5所示，與大徑、小徑相交部分為所需圓弧。

（6）完整花鍵齒廓圖如圖6。

根據上述方法，畫出壓力角為37.5°的圓弧齒廓并與漸開線齒廓線進行比較，見圖7。由對比圖可看出，簡化畫法得到的圓弧與漸開線差別極小，一定條件下可以滿足工程實際。

2 程序實現

基于MFC對話框，選用Visual Studio2010作為開發環境。利用UG提供的二次開發功能，編程擴展系統功能實現本文中創建花鍵軸模型的特定需求，采用動態鏈接庫技術，把創建模型時用到的相應的Open C文件，編譯生成DLL文件，供NX進程加載。

2.1 程序界面

根據上一章提到的建模所需參數，設計如圖8所示的對話框，作為人機交互界面。

本文采用菜單調用的方式運行動態鏈接庫。圖9為UG用戶菜單，使用者可通過點擊菜單，調出對話框，進行模型的創建。菜單代碼布局放入.men文件中，另外應在主程序中加入調用菜單的命令。

程序經過編寫和調試后，最終實現了在UG中快速生成漸開線花鍵軸，如圖10所示。

程序中添加了15種模數、四種基本齒廓類型（由30°、37.5°和45度以及圓齒根和平齒根兩種齒根類型組成），下圖為四種基本齒廓的實體模型：

（a） 30°平齒根（b） 30°圓齒根（c）37.5°圓齒根（d）45°圓齒根

2.2 程序關鍵代碼

UG二次開發中，許多特征函數的特定輸入變量為字符型變量，例如表2為程序中所使用的創建拉伸體特征函數UF_MODL_create_extruded的回轉角度輸入變量說明：

雖然拉伸長度是數值，但是在函數定義中卻作為字符變量而非float變量進行輸入。在程序中，諸如拉伸長度一類的變量是通過計算而來，所以被定義為float變量，現為了將其值作為變量輸入到拉伸特征函數UF_MODL_create_extruded中使用，必須進行變量類型的轉換。

C語言中的sprintf可以執行字符串格式化命令，其主要功能是把格式化的數據寫入某個字符串中。本漸開線花鍵軸的建模程序中，正利用sprintf將double或者int型變量轉換為char型變量，進而作為二次開發函數輸入值進行使用。值得注意的是，在C++語言中，應盡量使用sprintf_s代替sprintf，前者對緩沖區的大小進行了安全處理，是后者的安全版本。下面例子是本文程序中對sprintf_s的使用：

char c_Len[20]；

sprintf_s（c_Len，"%f"，Lenth）；//將float變量轉換為char變量，用于拉伸特征函數

程序關鍵代碼還有：用戶菜單和交互界面和計算代替漸開線圓弧的子函數。

1）菜單的格式和標題由.men文件定義（菜單執行動作必須與.cpp文件中的執行命令保持一致）：

2）計算代替漸開線的圓弧，關鍵在于求得齒廓圓弧的兩個端點與該圓弧上其他任意一點，代碼如下：

//計算得到漸開線簡化算法中，最后圓C與齒頂圓齒根圓的交點坐標

3 總結

本文采用參數化設計方法，利用UG的二次開發功能，結合MFC，編寫客戶化菜單和對話框，實現漸開線花鍵軸的快速建模以供實際工程設計需求。得到完整漸開線花鍵軸三維實體模型，并可生成不同齒廓的模型，能進行多次參數變動后的漸開線花鍵軸快速建模，滿足實際工程優化設計中反復修改模型的需要。本文的工作展示了參數化設計的有效性和高效率，且在花鍵軸的實際設計過程中有一定參考價值。

由于本人的學術水平和精力有限，暫不能完成后續有價值的研究工作，望有興趣的讀者進一步完善：

（1）補充花鍵種類，自定義軸向和花鍵生成方向；

（2）集成模型的參數化設計、強度校核、修形、壽命評估以及優化設計分析功能；

（3）融合知識驅動，搭建“智慧型”設計平臺，更好地服務于工程實際。

【參考文獻】

[1]明翠新.鍵與花鍵[M].北京：中國計劃（下轉第79頁）（上接第4頁）出版社，2004：2，156，215—218.

[2]機械設計基礎/胡家秀.機械設計基礎[M]北京：機械工藝設計出版社，2001.5.

[3]莫蓉，常智勇.計算機輔助幾何造型技術—第2版[M]北京：科學教育出版社，2009.

[4]白劍鋒，賀靠團，黃永玲，等.UG在漸開線斜齒輪參數化設計中的應用[J].機械設計與制造，2006（7）：1001-3997.

[5]馬鐵林，馬東立，張朔.分析模型參數化建模在飛機多學科優化設計中的應用[J].航空學報，2008，29（6）：1000-6893.

[6]陳卓，朱如鵬.航空發動機漸開線花鍵強度分析[J].機械工程與自動化，2009（155）：1672-6413.

[7]中國第二重型機械集團公司，等. GB/T 3478—2008圓柱直齒漸開線花鍵（米制模數 齒側配合）[S].中國國家標準化管理委員會，2008： 2008-09-2.