基于SolidWorks齿轮CAD系统开发.doc

1. 引言 1.1课题研究背景和意义 齿轮传动是现代机械设备中应用最广泛的一种传动方式。与带传动、链传动等相比，齿轮传动具有效率高，使用寿命长、维护方便，传动比恒定、传动平稳等优点，在各种机械设备中广泛应用[1]。大到矿山机械的传动装置，小到汽车变速箱、甚至日常生活中使用的玩具汽车等小型机械，无不渗透着齿轮传动装置的应用。所以在一定意义上说，齿轮设计与制造系统技术标志着一个国家工业技术的水平[4]。 随着近代科学的迅速发展，对齿轮传动的设计和制造水平提出了更高的要求。发展趋势是向六高、二低、三化方向发展。六高是指、高承载能力、高传动效率、高精度、高速度高齿面硬度及高可靠性；二低，即低噪声、低成本；三化，即通用化标准化、多样化、[2]。从六十年代以来，很多工业技术发达的国家如德国、美国、日本等，在发展高精度、硬齿面齿轮，磨齿及齿轮修形方面取得了重大的成果。 随着改革开放进一步深入，国际交流的加强，国内齿轮制造企业需要提高在汽车、大型工程机械、大型成套设备等领域内齿轮的设计制造水平，成为摆在我们面前的一道艰巨的课题[3]。而当前我国齿轮技术的主要科研方向是：齿轮的热处理技术；高速大功率齿轮热弹变形的测量和修形技术的研究；电子计算机在齿轮技术中的应用研究；齿轮的损伤分析和损伤预报；齿轮装置的噪声控制技术的研究等[4]。这些研究方向都需要对齿轮传动进行精确的设计造型。 而随着计算机技术的发展，CAD技术已被越来越多企业重视，CAD软件已经在众多企业普及。然而由于设计人员素质等方面原因，在我国还有众多用户仅仅是将通过CAD软件作为绘图工具，使所绘图形便于保存或修改，并没有真正实现通过计算机进行辅助设计的目的，设计手段的本质仍是繁杂的手工设计。 但是由于传统的二维设计的局限性，新型的三维设计以其直观性强、方便修改、便于分析检验等方面的优点已逐步被国际上的众多大公司引用。近些年出现诸多优秀三维软件，如UG、SolidWorks、Proe等。但是因为商业软件所要兼顾通用性，并不会为解决某个具体的问题专门设计一些模块，因此在解决一些具体设计问题时，常常需要企业根据自身需求对通用CAD软件进行自主化的二次开发，以提高通用软件的设计效率和使用范围。通过对一些通用软件进行二次开发来实现某种特定的功用，已经成为当代CAD软件应用一种潮流和趋势[11]。 所以将CAD技术引入到齿轮传动设计中来，建立一个集参数化设计与三维特征建模于一身的齿轮传动CAD系统，是齿轮传动设计的发展趋势。 本课题以齿轮三维设计为突破口，以SolidWorks 2010作为支撑软件，把渐开线圆柱齿轮的几何参数设计和三维精确造型作为研究重点，开发了齿轮类零件三维设计专用模块系统。该系统能够较好地实现齿轮设计过程的自动化，避免设计人员通过手工查阅大量技术数据，也可避免三维造型过程中靠手工取点的繁琐及不精确性，能够让齿轮设计人员从繁琐、低效的手工设计工作中解放出来，并提高设计质量和效率[11]。 齿轮传动参数化设计与三维造型模块系统是现代CAD技术与齿轮设计相结合的产物，也是两者发展的必然趋势。本课题以常用渐开线圆柱齿轮传动为设计对象，将齿轮传动的参数设计及强度校核、三维实体造型等种功能集合在一起，适应了齿轮传动设计的发展趋势，从而具有非常实用价值。 1.2国内外研究动态 渐开线圆柱齿轮的设计已经历二百多年，设计理论非常成熟，设计资料也相当丰富。渐开线圆柱齿轮的主要参数已经标准化、系列化。因而现代工程技术对齿轮参数设计、三维造型等功能提出了更高要求。 为适应现代制造技术的需求，涌现出许多大型的的商业应用软件，但或多或少都存在一些不完善的地方。有些系统即使实现了齿轮三维造型，所建模型却也非常粗糙，难以精确地表达渐开线齿廓的几何特征；有的软件只具有几何参数设计而缺少三维造型功能；而有些软件不能充分注重设计者的设计需求，表现在为减少设计难度，齿轮的一些经验参数直接采用了系统默认值，当输入的唯一初始值的时候，却只能得到唯一的结果，这显然是不符合实际的设计需求。当然少数公司也开发了较为完善的专用齿轮设计软件，如美国Camnetics公司的GearTrax插件，可以建立光滑的渐开线齿廓，直观、简单、功能强大，自动变位量更新功能，比较适合生产实际的需要，价格却很高，如果仅为设计齿轮购买价格昂贵的专用软件对中小企业负担很重，但是该插件所建的齿廓为抛物线线型，从而得到的造型曲线并不精确。 因此应用小型CAD软件对齿轮进行自身化、参数化造型设计已成为各个领域齿轮设计者的迫切需求。 1.3 三维CAD齿轮参数化设计系统的发展现状 1.3.1 三维CAD软件齿轮参数设计情况 虽然目前有关齿轮设计的资料比较完善，理论已相当成熟，但其设计过程仍然比较繁琐。考虑到齿轮设计这种情况，国内外许多大型商业软件也逐渐开始在