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Visual LISP 环境下奥利康锥齿轮参数化系统的研究 姚 慧  曹 岩  陈江波 （西安工业大学 机电工程学院 西安 710032） 摘要： 关键词：奥利康锥齿轮；参数化设计；Visual LISP 1.引言 摆线齿锥齿轮分为“奥”制和“克”制两种[1][2]，奥利康锥齿轮采用等高齿，齿线是长幅外摆线，加工时机床调整方便，计算简单，且承载能力高，运转平稳，对安装误差和变形不敏感；轴向力大，且随转相变化，广泛用于汽车制造业，如小汽车、小货车及其制造业，因此奥利康锥齿轮传动设计是经常会遇到的工作，如果仅依靠传统设计方式，不仅工作繁琐、效率低而且出错率比较高，因此研究并开发一种符合工程设计习惯的计算机辅助设计系统非常必要。 目前，国内外关于外齿轮类零件参数化CAD设计研究主要集中在参数化绘图方面，并且也多集中在直齿轮和斜齿圆柱、圆锥齿轮方面[8][9]，对于弧齿、摆线齿锥齿轮的研究也大多集中在齿形功能和制造方面[10] [11]，对于其参数设计研究较少[12]，对奥利康锥齿轮的智能参数化设计几乎是空白[13]。 本文针对奥利康锥齿轮的设计流程，在Visual LISP开发环境下采用模块化设计，开发了设计流程控制模块、算法模块、几何参数信息模块和参数化绘图模块，并通过与快捷、友好的用户界面链接，实现从传动设计与校核，输出几何参数报表到绘制齿轮结构图的设计过程，从而大大缩短设计周期、提高设计效率。 2.奥利康锥齿轮传动设计过程分析及其CAD系统实现方式 锥齿轮的失效形式主要表现为点蚀、胶合、磨损、塑性和断齿变形等，由于锥齿轮大小端面参数不同和轴相交的特点，也会出现小端压溃、干涉、大端断轴、小端轮缘裂开等特殊情况。通常对于闭式锥齿轮传动，先进行齿面接触强度设计再进行齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的校核，对于不重要的传动情况可省略强度校核；对于开式锥齿轮传动，往往只按弯曲强度进行初步设计，必要时进行齿根弯曲强度校核。考虑上述两种情况，本文中奥利康锥齿轮传动设计过程及其CAD系统实现方式如图1所示。为了同时满足开式和闭式两种传动情况，本文系统中初步设计部分包括齿面接触强度设计和齿根弯曲强度设计两种方法选择，并分别进行抽象提取形成特定的算法，采用Visual LISP程序开发实现。另外，初步设计和强度校核过程都分别涉及大量图、表类型的参数，对于这些参数进行数字化处理，形成特定的参数库，且此参数库具有可扩充性。对于设计结果、校核结果和锥齿轮的几何参数则由专门的设计数据库来管理，并最终形成报表输出。参数化绘图部分根据设计数据库中提供的锥齿轮几何参数信息，利用Visual LISP程序能够调用绘图命令的特点，采用基于尺寸驱动的参数化方法实现绘图过程，它是一个相对独立的设计模块可独立使用。整个设计流程由Visual LISP程序开发的设计流程控制程序来实现设计进度的控制和设计信息的反馈。 图1 奥利康锥齿轮传动设计及其系统实现 3.奥利康锥齿轮系统框架及关键模块 针对奥利康锥齿轮传动设计流程的特点，本系统采用模块化设计方法，研究并开发了用户管理界面模块、算法模块、参数信息模块和参数化绘图模块，各个模块之间既独立又相互联系，如图2所示。 图2 系统框架及模块结构 3.1 用户管理界面模块 系统用户管理界面模块包括用户界面的组成和管理两部分，用户管理界面是由若干窗体组成，它是连接设计与校核、参数信息、参数化绘图的桥梁。当系统接到设计任务后，用户界面将提示用户确定设计初始条件，在设计参数库中检索关键参数，并将处理后的参数赋予对应的设计变量，调用相关设计算法和校核算法程序完成奥利康锥齿轮的设计并输出设计结果即设计数据信息，设计数据信息中的几何参数信息形成与锥齿轮参数化绘图相联系的外部参数报表，提示用户进行参数化绘图并调用参数化绘图程序，根据几何参数报表中的参数信息进行尺寸驱动完成绘图过程，生成所设计的奥利康锥齿轮结构图。本文采用DCL对话框来开发用户管理界面。 3.2 算法模块和参数信息模块 算法模块和参数信息模块分别由两个子模块组成，如图2所示，根据《机械设计手册》和用户设计任务的初始条件，设计算法模块与用户可实现实时交互，引导用户选择具体的初步设计方式，然后，针对用户选择的初步设计方式，该模块通过交互方式从设计参数信息模块所包含的符合该设计方式的设计参数库中获得满足设计任务的设计参数，完成初步设计，确定奥利康锥齿轮的基本几何参数，进而通过设计算法模块中的几何尺寸算法完成奥利康锥齿轮的几何尺寸计算，输出几何参数信息到设计数据信息模块中对应的数据库中，同时还形成几何参数报表用于参数化绘图。对于齿轮强度校核则由强度校核算法模块中所包含的齿面接触强度和齿根弯曲强度算法来实现，并且强度校核过程也与参数信息模块发生数据的传输。算法模块主要基于Visual LISP开发实现，参数信息模块基于SLD文件、DCL对话框的多类控件和Visual LISP程序开发。 3.3 参数化绘图模块 本文的参数化绘图是将要绘制的奥利康锥齿轮工程图图形与一组参数相关联，由这组参数产生的约束条件来确定其几何形状，从而生成齿轮零件图形。该模块的核心部分为：数学模型子模块、绘图环境子模块和绘图子模块等。该模块程序设计流程如图3所示。首先该程序模块根据设计数据信息模块提供的锥齿轮几何参数信息，初步确定绘图的主要参数，再由数学模型子模块提供的算法建立起辅助参数与主要参数之间的约束关系。设置绘图环境，涉及：图层、线型、线宽、绘图比例等，这些由绘图环境子模块程序来实现。在建立好绘图环境的基础上，由绘图子模块来完成绘图过程，包括：利用相对极坐标找寻相关点的相对坐标位置、利用求交点函数和求两点距离函数找寻特殊点位置、调用AutoCAD绘图命令进行绘图、运用选择集对所绘图形进行操作等，完成锥齿轮图形的绘制。 图3 参数化绘图程序流程图 4. 系统开发关键技术 4.1 用户管理界面的设计 AutoCAD常用的二次开发工具有：Object-ARX、VB/VBA、ADS、Auto LISP/Visual LISP、Dot NET等，本文是在Visual LISP环境下开发实现的。对于用户管理界面本文应用AutoCAD的PDB（可编程对话框）管理功能来编写，形成DCL文件，这种文件是典型的ASCII文件。本文的用户管理界面由多个不同的对话框组成，根据奥利康锥齿轮传动设计流程的特点，各对话框界面之间或是顺序关系，或是主子关系。每个完整的用户界面的创建包括：定义对话框的外观与内容和编写驱动程序以控制对话框的行为。每个对话框界面由位于其中的单选按钮、乒乓开关和编辑框等控件[12]组成，它们在程序中按树形结构进行组织，树的根节点是对话框本身，树的节点是位于对话框中的各个控件，而控件类型都由PDB功能预先定义，并将其保存在\ acad\support\base.dcl文件中。对于对话框使用方式的控制完全由它的驱动程序（利用Visual LISP编写的程序）所决定。本文系统的DCL文件由三部分组成：引用其他DCL文件，由include命令实现；典型控件及行、列组合控件的定义；对话框定义。 4.2 驱动程序的设计 由于Visual LISP是可视化的LISP语言开发环境，不仅擅长描述人机交互操作过程，而且能进行通常的科学计算和数据分析。因此，本文采用Visual LISP程序来控制对话框的行为、实现传动设计计算与校核分析，具体控制过程为： 按指定路径加载DCL文件，显示用户界面， 初始化和定义对话框界面中控件的行为并激活用户界面。本文系统中，初始化和定义控件行为主要为：设定文本编辑框初始数据；定义按钮控件的单击动作以嵌套显示对话框界面；对图像控件加载预定义的SLD文件以显示经数字化处理后的图、表类型的设计参数信息。 激活对话框之后，就可进行人机对话，以交互方式按控件定义的行为操作该设计系统。 完成传动设计，驱动程序退出用户界面并卸载DCL文件，退出设计系统。 4.3 参数信息的管理 在齿轮传动设计过程中涉及大量的设计参数，且参数表达形式不统一。本文系统中对设计参数按其具体表达形式的不同进行分类，形成不同的参数库，共同组成设计参数信息模块。其中，对于图、表形式的参数以幻灯片文件（.sld）格式保存其矢量图，SLD文件是图形区显示的快照，不是图形文件，大量的SLD文件形成幻灯片文件库，通过驱动程序将库中指定的参数曲线显示在用户界面中指定的图像控件所限定的范围内。对于数值或字符形式的参数依据其复杂程度，或以指定文本文件（.txt）中特定的格式进行存储，形成文本数据库，或采用对话框文件的下拉列表、单选按钮、编辑框和文本等控件形式表达。对于设计结果数据除用指定的文本文件存储外，还专门生成可视化的数据列表。通过对设计参数和设计结果数据进行分类，形成有效管理，实现设计数据的快速传递，同时，各数据库都具有可扩充性 ，可用于其他传动系统。 5. 系统运行 启动AutoCAD2004软件，进入系统界面，以设计某6级精度的奥利康锥齿轮传动为例说明系统的使用情况。已知：小齿轮转速为n1=960 r/min,小轮输入功率为P=1.4KW，要求传动比为2.95，两轴交角为90°，小轮悬臂支承，大轮跨支，小轮采用20CrMnMo经渗碳淬火，齿面硬度56-62HRC，大轮采用42CrMo调质，齿面硬度250-300HBS。齿面粗糙度都为3.2μm。采用100号中级压齿轮润滑油，齿轮长期工作。输入命令“alk”，运行系统程序，进入锥齿轮传动初步设计界面，完成初步设计计算，如图4所示。 图4 奥利康锥齿轮初步设计界面 单击“继续”按钮，进入详细设计界面，如图5所示，在该界面中可选取设计参数，完成锥齿轮的几何参数计算、齿面接触强度校核和齿根弯曲强度校核。 图5 奥利康锥齿轮详细设计与强度校核界面 若校核合格，单击“查看结果”按钮，可生成设计结果并存储设计结果数据，如图6所示。单击“绘制零件图”按钮，可生成锥齿轮的零件剖视图，如图7所示。 图6 奥利康锥齿轮设计结果报告界面 图7 齿轮零件剖视图 6. 结论 CAD发展的方向是开放性、集成化、智能化、网络化和标准化。基于Pro/ENGINEER平台进行符合我国标准的标准件库的二次开发。在系统设计中，主要从符合工程技术人员的习惯、提高标准件设计的效率和质量、标准件库使用方便的角度出发，开发了常用铆连接标准件库和方便实用的人机界面，实现了其与Pro/ENGINEER的集成，从而可以更方便调用铆连接标准件进行产品设计，减少了重复性劳动，提高了标准化程度。 系统中模型数据都来自于最新版的《机械设计手册》，模型数据可靠，因此该标准件库系统可以看作是一个机械标准件电子手册，显示直观、逼真，用户界面友好、美观大方，可视化程度高。具有Windows操作经验的用户即可方便地使用该系统。 所采用的建库方法具有推广性，专门应用领域的用户可用来扩充所需的标准件库和通用件库，提高开发效率和质量。在标准件库的扩充和标准件的装配设计上，尚需所做进一步的深入工作。 参考文献 机械设计手册编委会. 机械设计手册（新版）[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004 王鸿钧，熊伟，苏艳萍. 应用Auto lisp 语言实现圆锥齿轮参数化自动绘图[J].机械传动,2007,31(2):54~57 倪洪启，赵艳春，罗鹏，张金萍，白金兰. 基于AutoCAD的圆柱齿轮参数化设计[J].重型机械科技,2004(3):13~15 王鸿钧，苏艳萍，熊伟. 基于AutoCAD齿轮零件的参数化设计[J].煤矿机械,2006,27(7):96~98 王永辉,胡青泥,李红彩. AutoCAD二次开发方法的研究[J].计算机系统应用,2007,(3):94~96,100 倪洪启,赵艳春,罗鹏,张金萍,白金兰.基于AutoCAD的圆柱齿轮参数化设计.重型机械科技，2004(4):13~15 06JK274---陕西省教育厅专项科研