基于Web 服務(wù)的機械傳動齒輪參數(shù)化設(shè)計研究

徐春宇

（江蘇省泗陽中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 宿遷 223700）

1 背景

齒輪是工業(yè)機械的重要基礎(chǔ)裝置，也是我國工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，齒輪的設(shè)計與發(fā)展水平可以在一定程度上體現(xiàn)國家的工業(yè)化水平。齒輪傳動在國防軍工、工程機械、風力發(fā)電、礦山機械、汽車、農(nóng)機、航空等機械裝備制造領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。漸開線齒輪作為齒輪中的一種，是機械中常用的部件，是由漸開線和過渡線組成，因其具有工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比高、使用壽命長等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。

齒輪的設(shè)計與建模是齒輪制造的基礎(chǔ)，但由于在齒輪的圖紙繪制過程中不可避免需要進行多次反復(fù)的修改與訂正，以促進對零件形狀加工的優(yōu)化。但由于齒輪的設(shè)計比較復(fù)雜，且齒輪各個參數(shù)之間相互約束，使得齒輪的三維建模過程十分的繁瑣。伴隨著數(shù)字化時代的到來，基于Web的計算機輔助設(shè)計成為機械領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢。

2 基于Web服務(wù)的機械傳動齒輪參數(shù)化設(shè)計思路

齒輪是機械傳動裝置中的重要組成部分，所以齒輪設(shè)計的好壞直接關(guān)系機械傳動裝置的工作效率和使用壽命，同時也關(guān)系著齒輪制造企業(yè)能否在激烈的市場競爭中以最低的成本和最短的時間獲得最大化的經(jīng)濟利潤。齒輪的設(shè)計是一項相當繁瑣的工作，而齒輪的再設(shè)計就是一件風險較高的事情，在設(shè)計過程中的一點誤差或錯誤都可能會影響齒輪的性能，甚至可能會造成不可估量的損失。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在機械設(shè)計領(lǐng)域中，對于零部件的設(shè)計與加工，有40%是直接重用現(xiàn)有的零部件，還有40%的零部件是對現(xiàn)有程序進行參數(shù)修改后而得到。因此，重用設(shè)計不失為提高再設(shè)計效率和質(zhì)量的一條有效途徑。

計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)為重用設(shè)計提供了平臺與技術(shù)支持，現(xiàn)階段基于計算機技術(shù)的重用設(shè)計主要包括實例和參數(shù)重用設(shè)計2種類型，在實例的重用設(shè)計中可以同時實現(xiàn)對加工工藝、特征及參數(shù)的重用；而參數(shù)重用設(shè)計則只能對參數(shù)進行修改。由于在機械領(lǐng)域中，往往客戶所需的產(chǎn)品與實例之間有著較大的差距，此時就需要對實例進行參數(shù)的修改，因此，在本文的設(shè)計中是將2種類型的重用設(shè)計融合在一起進行運用。對于齒輪的重用設(shè)計可以表示一個發(fā)現(xiàn)問題、獲取知識和解決問題的過程。

近年來，為了將更多精力投放到核心技術(shù)的研發(fā)中，部分企業(yè)的零部件生產(chǎn)與加工往往會選擇直接由齒輪供貨商來提供，為了確定供貨商所提供零部件是否滿足其要求，企業(yè)需要全面、詳細且便捷地了解零部件的相關(guān)資料與信息。而基于Web服務(wù)的零部件數(shù)據(jù)庫，則為企業(yè)和供貨商提供了一個良好的產(chǎn)品資源分享和信息交流的平臺，這樣有利于加快零部件的開發(fā)速度、縮短開發(fā)周期。此外，由于企業(yè)不同用戶對于齒輪產(chǎn)品的需求也存在顯著差異，為了能夠帶給客戶個性化的體驗和專業(yè)的服務(wù)，可以讓客戶提前通過基于Web服務(wù)的數(shù)據(jù)庫根據(jù)自身需求，尋找是否有符合要求的齒輪種類，若有，則可以直接定制；若沒有，可以查找到比較相似或相近的齒輪種類，通過改變齒輪的參數(shù)來達到所需產(chǎn)品的要求。由此可見，基于Web服務(wù)的零部件數(shù)據(jù)庫設(shè)計，無論是對于企業(yè)，還是對于客戶而言，可以促進他們之間的友好合作，而且也減少了因各種因素導(dǎo)致的誤差，極大程度地縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間。因此，基于這一優(yōu)勢，筆者提出了一種基于Web服務(wù)的機械傳動齒輪參數(shù)化設(shè)計重用的方案（如圖1）。

圖1 漸開線齒輪

圖2 基于Web的機械傳動齒輪參數(shù)化設(shè)計框架

其中，該框架主要包括以下3個部分：

（1）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)庫主要用于存儲齒輪的參數(shù)、螺旋角、壓力角、模數(shù)和材料等相關(guān)信息；三維CAD模型庫中以齒輪族的形式存放多個相似的齒輪模型；二維CAD模型庫用于存儲三維CAD模型庫中齒輪模型對應(yīng)的三向視圖。

（2）邏輯層：該模塊主要實現(xiàn)2個功能，一是對用戶的權(quán)限進行處理，并顯示不同的Web頁面，以滿足不同權(quán)限用戶的需求；二是根據(jù)用戶提交的零件參數(shù)信息進行三維建模，在建模完成后返回到Web以供用戶使用。

（3）功能層：在該模塊中將用戶分為游客和普通用戶，游客在Web頁面上只具備檢索和瀏覽功能；而普通用戶可以實現(xiàn)對零件信息的檢索、瀏覽以及三維建模、修改、下載等功能。

3 基于Web服務(wù)的機械傳動齒輪參數(shù)化設(shè)計功能實現(xiàn)

3.1 機械傳動齒輪二次開發(fā)方案的選擇

UG作為當前世界上最為先進、面向制造行業(yè)的一種CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng),能夠為產(chǎn)品的設(shè)計、分析、仿真及程序生成等一系列過程提供有力支撐和服務(wù)。且UG編程以三維模型為基礎(chǔ)，具有強大、可靠的刀具軌跡生成方法，此外，當主模型需要更改設(shè)計時，只要根據(jù)編程重新計算即可，大大降低了開發(fā)成本和周期，在機械加工過程中具有十分廣泛的應(yīng)用。因此，基于以上優(yōu)勢，在本文的設(shè)計中，選擇在UG軟件中，利用C#創(chuàng)建齒輪參數(shù)的對話框，建立參數(shù)表達式，構(gòu)建齒輪的特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫，繪制三維模型，這樣操作的簡單、直觀、便捷，最為重要地是可以避免在運行程序過程中因多次調(diào)用程序而產(chǎn)生的錯誤。

3.2 機械傳動齒輪參數(shù)化的設(shè)計

（1）齒輪數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。齒輪作為機械裝置中的基礎(chǔ)零件，在設(shè)計時涉及齒距、齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高、齒根高、中心距、齒厚、螺旋角等諸多參數(shù)，然而，在實際加工中，為了提高齒輪的加工精度，對于不同用途，齒輪庫給出了不同的標準，所以事實上很多參數(shù)已經(jīng)標準化，比如模數(shù)、螺旋角等。為了便于加工人員和用戶進行操作，在設(shè)計時，本文通過建立一個齒輪數(shù)據(jù)庫，用于齒輪的相關(guān)參數(shù)信息，這樣在進行三維建模時，就可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息，從而可以減少人工多次輸入造成的錯誤。

（2）齒輪數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計。由于齒輪的類型比較多，為了便于管理，在設(shè)計過程中建立一個齒輪數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。E-R模型作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計中的一種常用結(jié)構(gòu)，可以將實體及其屬性很好的對應(yīng)起來，且操作簡單、容易理解，因此，齒輪數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是建立在E-R模型結(jié)構(gòu)上，其中包含的實體主要有齒輪、齒輪供應(yīng)商、齒輪參數(shù)、齒輪二維圖、齒輪三維圖、用戶等。當用戶在網(wǎng)頁對話框上輸入齒輪參數(shù)時，就能快速地從數(shù)據(jù)庫中找到滿足用戶需求的相關(guān)信息，這也是本文設(shè)計的主要目的。

3.3 基于Web齒輪參數(shù)化界面的設(shè)計

在Web界面上，客戶在登錄后可以在線搜索和瀏覽齒輪零件的屬性信息，如果在已搜索到的結(jié)果中，未找到適合自己需求的，可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的齒輪參數(shù)，如果仍然無法滿足要求，用戶還可以自行修改參數(shù)，從而更好地滿足了用戶的個性化需求。在用戶輸入?yún)?shù)后，系統(tǒng)就會自動計算出齒輪其它的相關(guān)參數(shù)信息，從而以確定齒輪的尺寸大小和加工精度。接著系統(tǒng)調(diào)動UG程序，根據(jù)參數(shù)重新制作齒輪三維CAD模型，并顯示在用戶界面上，便于用戶觀察和確認。同時，用戶在瀏覽三維模型的過程中，還可以調(diào)動其相關(guān)的二維CAD模型，如果不滿意可以繼續(xù)修改參數(shù)，直到符合客戶要求就可以保存為新模型。在保存同時，這個新模型也被存儲到齒輪模型數(shù)據(jù)庫中，在下次使用時直接調(diào)動即可。這樣，齒輪模型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會不斷被更新，模型數(shù)量也隨之增多，對于用戶而言，查詢和計算的時間也會縮短，有效提高了齒輪設(shè)計和加工的效率。

4 結(jié)語

本文提出了一種基礎(chǔ)Web服務(wù)的機械傳動齒輪參數(shù)化設(shè)計方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對參數(shù)的在線快速輸入與修改，可以避免因多次反復(fù)修改帶來的誤差和錯誤，極大程度提高了參數(shù)輸入的可靠性與準確度，有利于優(yōu)化機械零件的設(shè)計，而且設(shè)計人員利用互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)對齒輪的協(xié)同開發(fā)與設(shè)計，這樣能為處于不同地理位置的設(shè)計人員提供便捷的合作與交流平臺，有效縮短了齒輪設(shè)計的開發(fā)周期，有利于降低齒輪設(shè)計成本，提高齒輪設(shè)計的效率和準確性。