基于尺寸數據鏈接全局變量的參數化設計

閆旭輝，武文革

(1.臨汾職業技術學院 機電系，山西 臨汾 041000；2.中北大學 機械工程學院，山西 太原 030051)

0 引言

目前，在產品設計領域通常都將設計、計算、數據管理、模擬仿真等與信息化有機地結合，利用計算機輔助設計軟件直接大幅提升“智能制造”的自動化水平。這種模式徹底顛覆了過去在傳統圖板上繪圖，再由圖樣到產品模型的設計過程[1]。

SolidWorks作為一款當前常用的三維CAD軟件，它開放性的體系結構特點，除了具有強大的建模、裝配、評估、有多種軟件接口等功能外，還可利用其尺寸鏈接全局變量、鏈接方程式功能實現三維模型的參數化設計開發[2]。利用它的這一功能能夠不使用插件，僅利用變量及方程式就進行參數化設計，并且相較于插件提高了設計精度。

齒輪是廣泛用于機器或部件中的傳動零件，直齒圓柱齒輪是其中最為常用的，本文以漸開線標準直齒圓柱齒輪為例，通過分析漸開線生成過程對其進行參數化設計，輸入不同的參數，得到不同的模型。該設計方法不僅可以減少系列零件設計時間，有效提升設計開發效率，而且為建立個性化的零件庫提供了思路。

1 設計思路

參數化設計過程是根據設計對象設置符合約束關系的約束條件，約束條件對應唯一確定約束參數。參數改變則設計的對象也會隨之發生改變，即可生成新的模型。其中的參數主要針對定義尺寸數據，為保證目標對象全程可控，應遵循如下要求：所有數據互相關聯，約束所有尺寸，要關于特征。參數化設計流程如圖1所示。

2 定義齒輪參數

2.1 齒輪的參數

齒輪的基本參數m(模數)、z(齒數)確定以后，可計算出標準直齒圓柱齒輪各部分的基本尺寸。工程圖樣中所示的尺寸如果沒有特殊說明，其單位均為毫米[3]。同一漸開線齒廓在不同的圓周上有不同的壓力角，通常所說的齒輪壓力角是指分度圓上的壓力角，用α表示。我國標準規定分度圓上的壓力角為標準壓力角，其標準值α=20°[4]。

圖1 參數化設計流程

在這里設定一齒輪m=3 mm，z=24，齒輪的寬度為10 mm，那么齒輪各部分的尺寸即可利用公式計算確定。

2.2 定義參數及變量

在SolidWorks中選擇“工具”→“方程式”，系統打開人機交互的“方程式、整體變量及尺寸”對話框，在對話框中，利用方程式定義全局變量，圖2所示。

圖2中，b為齒輪的寬度，對應數值“10”；d為分度圓直徑，對應方程式“d=m*z”；db為基圓的直徑，對應方程式“db=d*cos(20)”；da為齒頂圓的直徑，對應方程式“da=d+2 m”；df為齒根圓的直徑，對應方程式“df=d-2.5 m”；s為齒厚，對應方程式“s=m*pi/2”；pi即“π”。輸入完成后單擊“確定”。

圖2 輸入全局變量

參數定義完成，對話框收起。這些數據也可以鏈接至外部文件實現數據傳遞。利用如圖2所示對話框中的“輸入…”、“輸出…”按鈕，均可打開相應對話框，將定義好的方程式輸出到其他文件或將其他文件中定義好的方程式輸入到當前文件。SolidWorks具有許多文件格式的交互接口，如可輸入輸出Excel文件、多種CAD格式文件等，將其他軟件作為它的設計開發工具。

3 參數化設計過程

3.1 繪制基圓

任意確定一個基準面開始作圖，繪一個圓(基圓)，確定圓尺寸時輸入“=”→“全局變量”→“db”，尺寸鏈接全局變量，即將基圓的直徑標注為“∑= db”，db=d*cos(20)=67.657 9。設定基圓如圖3所示。

圖3 設定基圓

3.2 繪制漸開線齒廓

目前機械傳動中的齒輪有漸開線、擺線、圓弧齒廓，其中應用最多的是漸開線齒廓。齒輪滾動時，發生線沿基圓滾過的長度等于基圓上被滾過的圓弧長度；漸開線上任意點的法線必與基圓相切[5]。利用漸開線齒廓的這一特點來繪制齒廓。依據如上所述的對應相等，將90°對應圓周作三等份，即在基圓90°圓周上取三個等分點，過三個點作與之相應長度的發生線。三段發生線的長度分別是：

基圓周長的四分之一 是“∑=1/4*pi*db” 即53.138 4”；

基圓周長的六分之一 是“∑=1/6*pi*db” 即35.425 6；

基圓周長的十二分之一 是“∑=1/12*pi*db”即17.712 8。

確定發生線的長度后，將發生線的頂點依次進行連接，由于各點位置是確定的，連接后曲線段自動完全定義，即形成了齒輪單齒的單邊齒廓。

要得到齒輪單齒的對邊齒廓，任作一條鏡像線，鏡像單邊齒廓可得到對邊齒廓但尚未定義，繪制分度圓，修剪只留確定齒厚的線段，給定線段尺寸即“∑=s”，s=4.712 39，則未定義齒廓在s值確定后被定義。

繪制齒根圓，齒根圓直徑“∑=df”，df=64.5，由此確定了齒根圓以及齒根的位置。

繪制齒頂圓，齒頂圓直徑“∑=da”，da=78，由此確定了齒頂圓以及齒頂的位置。

據發生線上的點連接繪制的齒廓是從基圓開始繪制到齒頂圓的，齒廓并不完整。為了得到完整的齒廓，還需要繪制由基圓到齒根圓的齒廓，這段齒廓可以利用壓力角作為鏡像線將已定義的齒廓兩兩鏡像后得到，齒輪的壓力角如圖4所示。

繪制好的草圖中包含基圓、齒頂圓、齒根圓、確定齒厚的分度圓局部、確定齒廓的四條曲線、若干輔助線。草圖中線條的完全定義在于草圖中確定的關系，直接在原圖中修改會造成關系丟失。為此新建一個基準面，將必需的線條轉換到新的草圖中，這些線條經過進一步修剪，只留下一個由五條曲線組成的齒廓和齒根圓。

3.3 特征造型

對齒根圓和單個齒廓進行特征拉伸，拉伸的厚度是設計齒輪時設定的齒輪寬度對應的值10，再將拉伸后的厚度設定為全局變量“∑=b”，拉伸后得到厚度為10的立體，并建立鏈接關系，設定齒寬如圖5所示。對單個輪齒進行360°環形陣列，陣列數是齒數對應的值24，再將陣列后的齒數設定為全局變量“∑=z”，建立鏈接關系，得到齒輪的實體造型，齒數是24。

圖4 壓力角 圖5 設定齒寬

3.4 方程式生成

齒輪造型完成，打開“方程式、整體變量及尺寸”對話框，其“方程式”列表中自動生成對應的方程式，如圖6所示，這樣就生成了在整個過程中設定的所有約束關系。

4 參數化實現

重新給定一齒輪參數：m=1 mm，z=40，b=20 mm ，將這三個值依次輸入圖2的全局變量對應位置，與之發生關聯的數據都會隨著新值的輸入而重新計算，點擊“確定”后系統模型自動重建，即自動執行參數化設計全過程后，繪圖區得到一個與原齒輪不同的具有特定齒數、模數、齒寬的新的齒輪造型。如輸入參數錯誤，則系統報錯、跳出，需分析確定條件后重新輸入。

5 結語

工業產品的參數化設計開發主要得益于軟件開放性的體系結構，SolidWorks是目前工業設計領域使用較為廣泛的計算機輔助設計軟件之一，本文以漸開線標準直齒圓柱齒輪為對象，利用齒廓漸開線設計繪制了由基圓到齒頂圓的齒廓，利用壓力角設計繪制由齒根到基圓的過渡曲線齒廓，生成三維造型后通過修改參數，關聯生成不同規格的齒輪模型，改善了傳統的漸開線齒輪設計手段。使用這一方法能夠快速生成相同系列不同規格的齒輪零件，對現階段運用三維CAD軟件推進參數化設計開發系列工業產品有一定的實際意義。

圖6 生成“方程式”