以直齒圓柱齒輪二級減速器為研究對象，在Pro/E平臺上通過“自下而上”的模式建立其模型樣板。在Visual Studio 2008編譯環(huán)境下，以Pro/TOOLKIT和Visual C++9.0作為二次開發(fā)工具，創(chuàng)建了各主要零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)對話框，在此基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫方式成功開發(fā)出了基于Pro/E的人機(jī)交互主界面，增強(qiáng)了減速器產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性，為減速器參數(shù)化通用設(shè)計(jì)平臺的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

　　引言

　　隨著CAD/CAE/CAM技術(shù)的飛速發(fā)展，三維造型、參數(shù)化設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新概念、新方法已滲透到工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，使傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式正在發(fā)生深刻變化。減速器是一種典型的傳動(dòng)裝置，在機(jī)械、汽車、電子、航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研發(fā)過程涉及多個(gè)零部件的設(shè)計(jì)、制造及裝配，傳統(tǒng)方法只是一種針對固定結(jié)構(gòu)尺寸的單一設(shè)計(jì)模式，一旦涉及到減速器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)或產(chǎn)品改型，這種固有的設(shè)計(jì)模式不僅會大量地增加成本和人工，而且不能在較短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)市場要求，在一定程度上制約了企業(yè)利潤的增長。為了使減速器的設(shè)計(jì)更具靈活性，更好的適應(yīng)產(chǎn)品改型及市場要求，本文以Pro/E提供的二次開發(fā)工具Pro/TOOLKIT為平臺，在Visual C++環(huán)境下進(jìn)行編程，成功開發(fā)出了一套基于Pro/E的減速器參數(shù)化設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。

1、參數(shù)化設(shè)計(jì)基本思路

　　參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種使用幾何參數(shù)快速構(gòu)建和修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型的方法。通過參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，只要改變一個(gè)或多個(gè)重要參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)模型的更改和重建，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，參數(shù)化設(shè)計(jì)最大的不同在于存儲了整個(gè)設(shè)計(jì)過程，能設(shè)計(jì)出一族而不是單一的產(chǎn)品模型。

　　Pro/E最早提出的全參數(shù)化設(shè)計(jì)(單一數(shù)據(jù)庫)理念一直沿用至今，同時(shí)也被多款三維設(shè)計(jì)軟件所借鑒，如UG、SolidWorks等。Pro/E具有十分強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，其主要特點(diǎn)是全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改、全尺寸約束。對于單一零件實(shí)體，可通過修改一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)模型的驅(qū)動(dòng);對于由多個(gè)零部件組成的機(jī)械系統(tǒng)，可通過設(shè)立關(guān)系式及編寫程序?qū)ζ溥M(jìn)行參數(shù)控制，從而實(shí)現(xiàn)對于裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)基本原理

　　如圖1所示，Pro/E參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本原理是采用三維模型與程序控制相結(jié)合的方式，在已有零件三維模型(原始模型)基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立一組可以完全控制零件實(shí)體形狀及幾何尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)建立模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并在Relation命令下定義各參數(shù)的約束關(guān)系。模型的重建不是由程序控制的，而是通過人機(jī)交互方式生成。利用Pro/E提供的用戶化工具箱Pro/TOOLKIT開發(fā)出可視化用戶界面，然后參數(shù)化程序?qū)δＰ偷脑O(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行編程，通過交互對話框?qū)崿F(xiàn)模型數(shù)據(jù)的檢索、修改和更新，最后生成新的模型。

2、二次開發(fā)流程

　　2.1、參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

　　要實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，首先必須建立一個(gè)模型樣板，對其設(shè)置合理的參數(shù)，并對這些參數(shù)進(jìn)行命名和初始賦值，通過正確分析模型各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性來定義參數(shù)驅(qū)動(dòng)關(guān)系，最后存模型作為參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原始模型。直齒圓柱齒輪二級減速器包含多個(gè)零部件，限于篇幅，本文僅以高速齒輪軸為例，對其參數(shù)化設(shè)計(jì)基本過程及交互界面的二次開發(fā)進(jìn)行介紹。高速齒輪軸由軸和齒輪兩部分構(gòu)成，其模型樣板如圖2所示。

圖2 高速齒輪軸模型樣板

圖3 【參數(shù)】與【關(guān)系】選項(xiàng)

　　對于軸的參數(shù)化設(shè)計(jì)主要包括各軸段的長度L、直徑D、以及其他相關(guān)的特征參數(shù)，參數(shù)之間的相互約束關(guān)系是模型參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的依據(jù)。對于軸上齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，需分析多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，包括：齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、分度圓直徑、基圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)和齒寬等，根據(jù)這些參數(shù)之間的關(guān)系來區(qū)分設(shè)計(jì)模型的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)和從動(dòng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)。齒輪軸的模型樣板建立完成后，通過Pro/E的參數(shù)選項(xiàng)對其設(shè)置約束參數(shù)并賦予初值，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)定為在交互界面上需要輸入的參數(shù)，從動(dòng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)與主動(dòng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)之間的約束可通過關(guān)系選項(xiàng)來定義，如圖3所示。

　　2.2、交互界面二次開發(fā)

　　選用Visual Studio 2008為編譯平臺，通過Pro/TOOLKIT與Visual C++9.0開發(fā)齒輪軸的交互界面。Visual Studio 2008是目前最流行的Windows平臺應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，可以用它來開發(fā)多種Windows下的軟件項(xiàng)目[6]。Pro/TOOLKIT模塊有兩種工作模式：同步模式和異步模式。由于異步模式代碼復(fù)雜、執(zhí)行速度慢，所以本文采用同步模式進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)。在同步模式下，Pro/TOOLKIT必須與Pro/E系統(tǒng)同步運(yùn)行，同步模式又包含兩種運(yùn)行模式：動(dòng)態(tài)鏈接模式(DLL Mode)與多進(jìn)程模式(Multiprocess Mode)。動(dòng)態(tài)鏈接模式是將用戶編寫的C程序編譯成一個(gè)DLL文件，使Pro/TOOLKIT和Pro/E在同一進(jìn)程中運(yùn)行，通過直接調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)信息交換。多進(jìn)程模式是將用戶的C程序編譯成一個(gè)可執(zhí)行文件，Pro/TOOLKIT和Pro/E運(yùn)行在各自的進(jìn)程中，兩者之間的信息交換是由消息系統(tǒng)來完成的。由于DLL模式的運(yùn)行度快，函數(shù)調(diào)用及信息交換方便，因此本文選用同步模式下的動(dòng)態(tài)鏈接模式。

圖4 參數(shù)化設(shè)計(jì)交互界面

　　低速軸及中間軸的交互界面如圖4所示，每個(gè)組合框控件都可以在定義范圍內(nèi)輸入不同的數(shù)值，從而控制軸和齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、軸段長度和直徑等，參數(shù)設(shè)置完成后點(diǎn)“確定”按鈕就可更新數(shù)據(jù)，生成新的齒輪軸模型。

3、人機(jī)交互主界面

　　完成各主要零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)及交互界面設(shè)計(jì)后，可將其集成到一個(gè)主界面上統(tǒng)一管理。本文采用“自下而上(Down-Top Design)”的設(shè)計(jì)模式，首先建立減速器各主要零部件的參數(shù)化模型，實(shí)現(xiàn)單個(gè)零部件的參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，裝配完成的減速器整機(jī)模型如圖5所示。建模過程考慮了標(biāo)準(zhǔn)齒輪的正確嚙合條件及連續(xù)傳動(dòng)條件，由此保證了各零部件參數(shù)改變后減速器的傳動(dòng)關(guān)系及裝配關(guān)系隨之更新，避免了模型在重建時(shí)發(fā)生干涉及碰撞。

圖5 減速器整機(jī)模型(Pro/E環(huán)境下)

圖6 減速器參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面

　　開發(fā)完成的減速器參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面如圖6所示，共包括11個(gè)主要零部件：低速齒輪軸、中間軸、高速軸、傳動(dòng)齒輪(3個(gè))、端蓋、密封圈、軸承、箱體座和箱體蓋，各零部件之間通過單一數(shù)據(jù)庫相互關(guān)聯(lián)。當(dāng)要更改減速器某個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，只需雙擊主界面上的位圖按鈕就會彈出相應(yīng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)對話框，例如圖6中的標(biāo)準(zhǔn)件軸承，雙擊打開軸承參數(shù)化設(shè)計(jì)對話框，對于高速軸、中間軸及低速軸可選擇不同的軸承型號，每個(gè)型號的徑向尺寸d1、d2、d3、d4及軸向尺寸b1、b2、b3均不相同，點(diǎn)確定后Pro/E系統(tǒng)會自動(dòng)更新數(shù)據(jù)庫重建軸承模型，與此同時(shí)減速器系統(tǒng)也會自動(dòng)更改與軸承參數(shù)相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)尺寸，如軸頸、密封圈及箱體壁上的孔直徑等。其余10個(gè)零部件也具有類似的參數(shù)化設(shè)計(jì)與關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)功能，鑒于篇幅不再熬述。通過人機(jī)交互主界面可以方便、快捷地對減速器多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行同步修改，大大提高了工作效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量，為減速器的系列化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了支持，同時(shí)也為同類產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次開發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

4、結(jié)束語

　　本文將Pro/E的參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用于減速器設(shè)計(jì)，通過Pro/TOOLKIT工具箱與Visual C++9.0編譯平臺實(shí)現(xiàn)了減速器參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的二次開發(fā)，成功創(chuàng)建了基于Pro/E的人機(jī)交互主界面，簡化了減速器的設(shè)計(jì)流程，可方便、快捷的設(shè)計(jì)出用戶所要求的減速器類型，大大減少了重復(fù)性設(shè)計(jì)工作。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足減速器零件庫快速建模及產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)要求，為減速器參數(shù)化通用設(shè)計(jì)平臺的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，對其他機(jī)械產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)與通用平臺開發(fā)提供了技術(shù)參考。