基于AutoLISP语言的普通圆柱蜗杆传动的辅助设计

1、PAGE PAGE 37基于AutoLISP语言的普通圆柱蜗杆传动的辅助设计摘 要计算机辅助设计（Computer Aided Design，简写CAD）技术经过几十年的发展，已经变得相当成熟。针对各个行业的不同特点，已经开发出符合不同企业特点的应用软件，并且得到广泛的应用。其中，美国Autodesk公司的AutoCAD是最为出色的一种软件，它是一个通用的绘图平台，它适用于多种领域和行业，其最具吸引力的特色是给用户提供了二次开发的环境。本设计应用 AutoCAD 内嵌的 AutoLISP和 DCL语言分别编写了设计、绘图程序和人机交流的对话框，探讨了实现蜗杆传动参数化设计方法。以普通圆柱蜗杆传

2、动为例，编写了蜗杆传动参数化设计程序，并详细阐述了其实现过程。实际应用证明：蜗杆传动参数化设计方法可以大大减少工程设计人员的劳动强度。关键词：CAD技术；参数化；蜗杆传动；设计模式AbstractAfter several decades development, CAD technology has become very sophisticated. According to various characteristics in different industries, the application software in accordance with different chara

3、cteristics of enterprises has been developed and used widely. Among these soft wares, AutoCAD of the Autodesk in America is one of the most excellent. It is a general drawing platform and can be used in many kinds of fields and industries; the most attractive feature of it is to provide users with a

4、n environment for secondary development. Use the Auto LISP and DCL language embedded in AutoCAD, the drawing program and the interface between human and machine have been compiled and designed separately, the parameterized designing method to realize worm drive was also researched. Take ordinary cyl

5、indrical worm-drive as an example, the designing program of worm-drive parameterization was compiled; also the implemented process has been elaborated in details. It has been demonstrated by practical use that the parametrization designing method of worm-drive could reduce the repeated working of en

6、gineering staff out and away.Key word: CAD technology；parametrization； worm drive； design pattern目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc199746941 引 言 PAGEREF _Toc199746941 h 1 HYPERLINK l _Toc199746942 第一章 CAD技术的简介 PAGEREF _Toc199746942 h 2 HYPERLINK l _Toc199746943 1.1 CAD技术介绍 PAGEREF _Toc199746943 h

7、2 HYPERLINK l _Toc199746944 1.1.1 概念 PAGEREF _Toc199746944 h 2 HYPERLINK l _Toc199746945 1.1.2 CAD环境中设计过程模式的演变 PAGEREF _Toc199746945 h 2 HYPERLINK l _Toc199746946 1.1.3 CAD方法与技术研究的前沿方向 PAGEREF _Toc199746946 h 4 HYPERLINK l _Toc199746947 1.2 AutoCAD二次开发工具简介 PAGEREF _Toc199746947 h 6 HYPERLINK l _Toc1

8、99746948 1.2.1 AutoCAD介绍 PAGEREF _Toc199746948 h 6 HYPERLINK l _Toc199746949 1.2.2 AutoCAD常用的二次开发工具介绍 PAGEREF _Toc199746949 h 6 HYPERLINK l _Toc199746950 第二章 普通圆柱蜗杆传动设计 PAGEREF _Toc199746950 h 9 HYPERLINK l _Toc199746951 2.1 蜗杆传动 PAGEREF _Toc199746951 h 9 HYPERLINK l _Toc199746952 2.1.1 蜗杆传动的特点 PAGE

9、REF _Toc199746952 h 9 HYPERLINK l _Toc199746953 2.1.2 蜗杆的类型 PAGEREF _Toc199746953 h 9 HYPERLINK l _Toc199746954 2.2 蜗杆的设计 PAGEREF _Toc199746954 h 10 HYPERLINK l _Toc199746955 2.2.1 失效形式、设计准则及常用材料 PAGEREF _Toc199746955 h 10 HYPERLINK l _Toc199746956 2.2.2 蜗杆传动的受力分析 PAGEREF _Toc199746956 h 11 HYPERLIN

10、K l _Toc199746957 2.2.3 蜗杆传动的强度计算 PAGEREF _Toc199746957 h 11 HYPERLINK l _Toc199746958 2.2.4 蜗杆传动的刚度计算 PAGEREF _Toc199746958 h 13 HYPERLINK l _Toc199746959 2.2.5 蜗杆传动的结构设计 PAGEREF _Toc199746959 h 14 HYPERLINK l _Toc199746960 2.3 本次设计设计步骤 PAGEREF _Toc199746960 h 14 HYPERLINK l _Toc199746961 2.4 普通圆柱蜗

11、杆传动的程序设计 PAGEREF _Toc199746961 h 16 HYPERLINK l _Toc199746962 2.4.1 选择开发工具 PAGEREF _Toc199746962 h 16 HYPERLINK l _Toc199746963 2.4.2 设计思路 PAGEREF _Toc199746963 h 17 HYPERLINK l _Toc199746964 2.4.3 Visual LISP程序的使用说明 PAGEREF _Toc199746964 h 17 HYPERLINK l _Toc199746965 结 论 PAGEREF _Toc199746965 h 23

12、 HYPERLINK l _Toc199746966 参考文献 PAGEREF _Toc199746966 h 24 HYPERLINK l _Toc199746967 附 录 PAGEREF _Toc199746967 h 25 HYPERLINK l _Toc199746968 附录1：调用程序流程图 PAGEREF _Toc199746968 h 25 HYPERLINK l _Toc199746969 附录2：调用DCL流程图 PAGEREF _Toc199746969 h 26 HYPERLINK l _Toc199746970 附录3：普通圆柱蜗杆传动辅助设计主程序 PAGEREF

13、 _Toc199746970 h 27 HYPERLINK l _Toc199746971 附录4：DCL对话框程序 PAGEREF _Toc199746971 h 31 HYPERLINK l _Toc199746972 谢 辞 PAGEREF _Toc199746972 h 35需要全套程序等资料联系，QQ：1047713170引 言自从第一次工业革命开始，每次技术革命都与当前的最先进的科学技术紧密地联系在一起。现在，当今世界发展最快而且最有前途的技术是计算机技术，几乎所有的行业都把运用计算机技术作为其发展方向。纵观机械行业的发展，每次革命都在很大的程度上减轻了劳动者的劳动强度，把劳动者从

14、繁重的体力劳动中解脱出来来提高生产效率。正是由于这些原因，机械行业中先进的技术（例如：CAD、CAM、CAPP等等）被广泛的运用到生产中。因而，怎样运用计算机解决实际生产的问题是当前机械行业工作者的一项最迫切的工作。利用计算机进行辅助设计已经发展了几十年，各项技术已经相当成熟了，运用计算机进行设计的各个技术难题基本上得到了解决。在研究普通圆柱蜗杆的问题中，前人已经运用其他的计算机语言进行设计，也取得了很大的成果。利用各种计算机语言进行辅助设计对促进计算机技术运用和整个机械行业的发展有着不同寻常的意义。设计人员在设计中所面临的一个困难就是需要重复地进行计算和校核，这给设计效率和效益带来了极大的障

15、碍。随着计算机辅助设计技术的推广，许多重复繁琐的工作就可以借助于计算机来完成。本次设计就是借助于计算机实现普通圆柱蜗杆传动的计算机辅助设计。本次设计以AutoCAD2006为平台，运用该软件支持的Auto LISP 语言和DCL对话框设计语言进行设计。本程序由两部分组成，第一部分是设计校核部分，即根据蜗杆初始参数的设定，设计出蜗杆蜗轮，检验设计的蜗杆是否合格，如果合格，可以选择取消或者进入第二部分绘图部分，第二部分绘图部分的作用是应用设计的蜗轮蜗杆传动副的蜗杆在校核合格后的各种参数在AutoCAD中绘出蜗杆传动的装配图。由于本人能力及其时间等原因，本次设计肯定存在很多需要完善的地方，需在今后的

16、工作中加以完善充实。第一章 CAD技术的简介在现代社会，计算机技术的应用越来越广泛，本次设计是基于计算机技术的CAD技术的一次简单应用，下面就简要的介绍一下CAD技术及本次设计所采用的AutoCAD软件及其常用的二次开发工具。1.1 CAD技术介绍1.1.1 概念 在广义上，计算机辅助设计（CAD）指的是计算机在解决设计问题中的应用，是设计人员借助于计算机进行设计的方法。即在设计过程中，以计算机为工具，帮助设计人员进行设计的一切实用技术的总和，称为计算机辅助设计（CAD）。从计算机科学的角度看，计算机辅助设计是一个关于产品信息的产生、处理、交换和管理的过程。其特点是将人的智慧、经验、计算机科学

17、与专业技术和计算机的高速运算能力、巨大的存储能力和逻辑判断能力有机的结合起来。计算机辅助设计系统由硬件系统和软件系统构成，一般以工程数据库、形库为支撑，包括交互图形设计和几何造型、计算分析、工程绘图、结构分析、优化设计和工程数据管理等功能模块。作为现代计算机技术的一个重要组成部分，它是促进科研成果的开发和转化、促进传统工业和学科的更新和改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上的竞争力，加强国民经济发展和国防现代化的一项关键性技术；是进一步向计算机集成制（CIM）发展的重要技术基础。技术的发展趋势主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面。1.1.2 CAD环境中设计过程模式的演变设计

18、就本身而言，可以从不同角度进行多方位的理解：从方法学的角度看，设计是按给定的目标和在部分地相互矛盾的条件下的求优过程；从组织学角度看，设计是创造价值过程中的主要部分，是对毛坯进行精制的过程和对产品品质提高的过程的主要部分；设计类型可以分为以下几种： = 1 * GB3 新设计：按照一个系统（装置、设备、机器或部件）的相同的、有变化的或是新的任务书的要求，制定一个新的解的原理。 = 2 * GB3 适应性设计：使一个已有的系统（解的原理保持不变），适应于一个有改变的任务书，以克服原有系统的明显的局限性，这时常常必须对个别部件或零件进行新设计。 = 3 * GB3 变型设计：在预先选定的系统范围内

19、做尺寸和布置方式的变型，功能和解的原理保持不变，也不出现例如材料、应力和工艺方面的新问题。设计工作也同样没有新问题，解的原理和所做设计均保持不变，只有个别零件尺寸有所改变。产品设计自从20世纪60年代形成系统化设计方法以来，为探求设计的本质与规律，形象地表达设计过程，抽象化和模式化一直是设计方法学研究的重点。在计算机辅助设计技术广为采用以前，人们通过对机械产品设计过程的阶段划分和层次化表达，提出了框图化的过程描述方法和条目化的设计导则。CAD技术在机械产品设计中的应用，特别是现代设计与制造技术的不断涌现，不仅大大提高了设计师进行产品设计的能力，而且深刻地改变了产品设计过程的模式，使产品信息建模

20、技术与产品设计过程结合得更加紧密，更能反映产品设计的本质和特点。 = 1 * GB2 第一种模式（20世纪6070年代）将设计过程分为需求分析、功能设计、原理设计和技术设计等四个阶段。在这一时期，机械产品设计和信息描述主要靠人工完成，计算机辅助技术的应用局限于工程设计图的层次，对概念设计的辅助很有限，制造过程也主要是基于传统的“制造装配实样实验批量生产”的流程。 = 2 * GB2 第二种模式（20世纪8090年代）将设计过程分为需求分析、概念设计、结构设计和详细设计等四个阶段，是CAD技术与产品设计相结合的结果。其中详细设计是在CAD系统支持下确定产品各类参数的过程。随着计算机图形学特别是三

21、维CAD系统的迅速发展，产品设计开始在很大程度上依赖于计算机的辅助。在这一时期，一些新的制造模式如计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）等得到了深入研究并逐步应用于生产实践。 = 3 * GB2 第三种模式（20世纪90年代后期）将设计过程分为需求分析、概念设计、和详细设计等三个阶段，产品的结构设计工作主要由计算机自动完成。进入90年代以来，由于真实感显示、多媒体、虚拟现实（VR）等技术的发展以及CAD系统的逐步完善和广泛应用，使得设计过程更加紧凑、简洁，各阶段的目标更为明确，概念设计与详细设计的结合更加紧密，从概念到实体的转换更加方便。概念设计的目的在于实现产品创新，而详细设计则是

22、面向装配和制造阶段进行设计概念与设计方案的详细化、精确化。在这一时期，虚拟现实技术不仅应用于设计过程的各个环节，而且也应用于产品的装配、检测和评价上，如虚拟产品模型（virtual product model）、虚拟装配（virtual assembly）等，同时出现了一些新的制造模式，如DMU (digital mock-up)、AM(agile manufacturing)等。 = 4 * GB2 第四种模式（21世纪初期）将概念设计与详细设计阶段进一步集成，使之几乎并行进行。设计师提出产品设计意图和创新思路，CAD系统自动完成设计概念的实体化工作。到了这一时期，产品的制造模式将发生根本性

23、的变化，基本上达到虚拟现实制造甚至敏捷制造的水平，设计过程高度集成化。机械产品设计的本质和内在规律将逐步被揭示，先进的CAD系统将为设计师提供一个数字化、集成化、协同化、智能化、网络化的产品开发环境。1.1.3 CAD方法与技术研究的前沿方向 1. 概念设计从概念设计包含的内容来看，广义上的概念设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程，包含功能设计、原理设计、装配设计和初步的结构设计，另外还包括最近发展起来的人机工程设计以及对概念设计的各个环节进行协调和管理的概念设计管理；从概念设计的本质来看，概念设计是人性化的设计，是用户全程参与概念设计、设计师超越用户导向的产品创新设计；从概

24、念设计流程来看，概念设计不仅与需求分析、详细设计紧密相连，其内部的各个环节也相互依赖，互为驱动，因此概念设计是一个相当复杂的过程。其有以下特征： = 1 * GB3 创新性 = 2 * GB3 多样性 = 3 * GB3 层次性 = 4 * GB3 残缺性。实现计算机辅助概念设计的关键技术是产品信息建模和推理技术。2. 敏捷设计在当前市场产品质量和成本逐渐趋同的时候，快速响应多变的市场需求成为当前企业竞争的焦点，符合市场的新产品抢先上市是扩大市场占有率的主要手段。因此，快速、敏捷设计是制造业竞争全球化和激烈化对产品开发提出的必然要求。其关键支撑技术包括以下几种： = 1 * GB3 反求设计

25、= 2 * GB3 可重用设计 = 3 * GB3 变形设计。3. 智能设计设计知识的处理与运用已经成为许多现代CAD设计系统所面临的一个共性的热点问题。 = 1 * GB3 设计知识求解：20世纪80年代末至90年代初，以人工神经网络、模糊逻辑、遗传算法为代表的新一代智能技术受到极大关注，这三种技术相互渗透，取长补短，形成所谓“计算智能”，给智能设计的发展注入了新的活力。专家系统、神经网络、遗传和进化算法各有其局限性，于是出现了神经网络、遗传算法和专家系统结合起来的混合系统。其中，专家系统用来处理基于规则和事实的知识，进行逻辑推理，神经网络用来处理不充分、容易变化的知识，进行联想和形象思维的

26、模拟，并辅助专家系统进行知识获取、表示及推理等。混合系统使智能CAD发展到了一个新的高度。 = 2 * GB3 设计知识推理：常用于智能设计的推理技术主要有：基于规则的推理，基于实例的推理，基于原型的推理和定性推理等。 = 3 * GB3 设计知识获取和管理：知识供应是指将知识从知识源输送到知识用户的整个过程，主要包括知识获取、传递及管理、运用等阶段。4. 虚拟设计基于虚拟现实技术的虚拟设计能在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现产品从概念设计到投入使用的全过程。其目标不仅是对物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而且是对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段的实施方案进行仿真、预测、评价

27、和优化，从而避免设计缺陷，缩短周期，降低成本。根据零件形状设计是否在虚拟环境中进行，可以将虚拟设计技术分为虚拟造型与虚拟样机两类。虚拟造型以虚拟环境中直接创建、修改和管理CAD模型，包括虚拟实体造型、虚拟曲面造型与虚拟特征造型；虚拟样机研究与应用包括虚拟样机可视化、虚拟装配、人机因素分析等多个领域，虚拟环境中，在设计人员对CAD系统设计好的模型进行分析与评估的同时，非设计人员也可参与提出改进意见。5. 协同设计计算机网络技术的快速发展为协同设计技术的发展和应用提供了先决条件。一个协同设计系统必须提供一个环境，让两个或更多个不同地点的设计工程师，通过此系统，照常通过一般CAD的使用，达到协同的操

28、作。现有研究工作大体上可分CAX/DFX工具的分布集成、异步协同设计、同步协同设计、协同装配设计等1.2 AutoCAD二次开发工具简介1.2.1 AutoCAD介绍美国Autodesk公司的AutoCAD是一个通用的绘图平台，它适用于多种领域和行业，其最具吸引力的特色是给用户提供了二次开发的环境。AutoCAD具备强大的用户定制功能，提供多种方式以便用户按照自己的思路去解决问题。AutoCAD开放的平台使用户不仅可以用Visual LISP、VBA、ARX等语言开发适合特定行业使用的大型CAD产品，也可以利用其自定义功能设计小型的参数化图库，还能使用各种编程工具生成DXF格式文件与AutoC

29、AD交互。1.2.2 AutoCAD常用的二次开发工具介绍1. Visual LISP程序设计语言LISP语言是早期的人工智能语言之一，为更好地开发AutoCAD，自从AutoCAD2.18版以后均内嵌了Auto LISP程序，是一种能对AutoCAD进行二次开发的语言。Visual LISP语言最典型的应用之一是实现参数化绘图程序设计，包括尺寸驱动程序和鼠标拖动程序等。另一个典型应用就是驱动AutoCAD提供PDB模块构成DCL(Dialog control language)文件创建自己的对话框。Visual LISP的优点： = 1 * GB3 语言规则十分简单，易学易用。 = 2 *

30、GB3 直接针对AutoCAD，易于交互。 = 3 * GB3 解释执行，立竿见影。Visual LISP的缺点： = 1 * GB3 功能单一，综合处理能力差。 = 2 * GB3 解释执行，程序运行速度慢。 = 3 * GB3 缺乏很好的保护机制，源程序保密性差。 = 4 * GB3 LISP用表来描述一切，并不能很好地反映现实世界和过程，跟人的思维方式也不一致。 = 5 * GB3 不能直接访问硬件设备、进行二进制文件的读写。Visual LISP的这些特点，使其仅适合于有能力的终端用户完成一些自己的开发任务。2. VBA程序设计语言VBA（Visual basic for Applic

31、ation）通过AutoCADActiveX Automation接口将消息发送到AutoCAD。允许VBA环境与AutoCAD同时运行，并通过ActiveX Automation接口对AutoCAD进行编程控制。它是一个引入了对象的设计环境，为用户提供类似Visual basic（VB）语言所拥有的功能，VBA可以执行并存取AutoCAD环境的所有资源，适合编写中型的数据库类的CAD软件。VBA的优点： = 1 * GB3 可以很容易地使用Windows系统资源，使AutoCAD能较好地与其他Windows下的应用软件交互。 = 2 * GB3 VBA对话框设计能力比DCL好得多，多图档环境

32、下的应用程序也比Visual LISP提供了更多的支持。VBA的缺点： = 1 * GB3 程序设计比较复杂，设计语言不太容易掌握。 = 2 * GB3 在设计模拟类的程序设计中，VBA明显不如Auto LISP顺利。 = 3 * GB3 不能像Visual LISP那样随心所欲地使用AutoCAD命令，只能像脚本文件的模式一样以字串AutoCAD命令行发送一串响应，这个字串的内容只能在自己的程序中生成和进行数据转换。 = 4 * GB3 VBA是以对象作为数据处理的基本单元，在Visual LISP中堪称特色的CAGD程序设计技术，在VBA中无法实现。3. ARX程序设计语言Object A

33、RX是开发AutoCAD应用程序的编译语言编程环境。Object ARX编程环境包括许多动态链接库（DLL），它们和AutoCAD运行在统一地址空间，并直接操作AutoCAD内核数据结构和代码。这些库利用AutoCAD的开放式体系结构，提供对AutoCAD数据库结构、图形系统和AutoCAD几何图形引擎的直接访问权限，以扩展AutoCAD在运行时的分类和功能。另外，也可以使用DLL来创建新命令，这些新命令的操作方式与AutoCAD的基本命令操作方式相同。Object ARX库可以与其他AutoCAD编程接口结合使用，从而启用跨CPI集成，适合编写大型的CAD集成软件。ARX的优点：ARX是使用

34、Visual C+作为基本程序设计语言，无论其效率、数据处理和软硬件的控制能力都是最好的，是唯一针对多图档环境的程序设计方法。ARX的缺点： = 1 * GB3 很难借用AutoCAD强大的CAGD功能和交互操作的技巧。 = 2 * GB3 对程序设计者的要求（计算机专业知识、软件专业知识等）较高，程序运行风险也较高。 = 3 * GB3 编程技巧不太容易通过一般的交流得到，不适合在专业设计工程师中普及。本次设计我选择了Auto LISP作为开发语言，并使用对Auto LISP具有向下兼容的Visual LISP作为开发工具来完成本次设计。Visual LISP的主要工具和环境包括以下五个方面

35、： = 1 * GB2 Visual LISP采用加载即编译技术，实现了与Auto LISP完全兼容的功能。 = 2 * GB2 Visual LISP可支持Auto LISPP与DCL色彩编码以及其他Auto LISP语法的全屏幕文本编辑器，方便用户输入Auto LISP原始程序，并通过色彩编码对原始程序的不同部分加以颜色区分，以增强Auto LISP原始程序的可读性。 = 3 * GB2 Visual LISP支持多种检查器。 = 4 * GB2 将Visual LISP的动态调整功能用于调整Auto LISP源程序，它可以在一个窗口单一执行Auto LISP的源代码，而在AutoCAD窗

36、口中同时显示程序代码所执行的效果。 = 5 * GB2 Visual LISP先进的原始程序编辑器可以将Auto LISP的源程序编译成二进制文件，将改善程序的执行速度和安全性。本次设计在消化学习AutoLISP语言的基础上，参考前届同学设计的相关内容，找到了本次设计最重要的切入点，初步完成了普通圆柱蜗杆传动的计算机辅助设计。第二章 普通圆柱蜗杆传动设计传动设计部分内容是本次设计的最难，也是最重要的内容，它从根本上决定了本次设计的研究方向和最终结果。本章内容主要是介绍蜗杆传动的相关知识及Visual LISP环境下的二次开发。2.1 蜗杆传动2.1.1 蜗杆传动的特点蜗杆传动是在空间交错的两轴

37、间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意角，常用的为90度。蜗杆传动有以下特点：当使用单头蜗杆时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过一个齿距，因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般可达到580的传动比；在特殊机构中，传动比可达到300；若只传动运动，传动比可达1000。由于传动比大，零件数目少，所以结构很紧凑。在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和螺旋齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。蜗杆传动在啮合处有相对滑动，摩擦损失较大，效率低；同时由于摩擦损失较大，常

38、需耗用有色金属制造蜗轮，以便与钢制配对组成减摩性较好的滑动摩擦副。2.1.2 蜗杆的类型1. 传统蜗杆类型可分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动，锥蜗杆传动圆柱蜗杆传动又可分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类，其主要特点是：效率高，一般可达90%以上；体积小；质量小；结构紧凑。广泛应用于冶金、矿山、建筑、化工、起重等机械设备的减速器中。环面蜗杆传动：其特点是：承载能力高，约为阿基米德蜗杆传动的24倍；效率高达85%90%；需要较高的制造和安装精度。锥蜗杆传动：其特点是：同时接触的点数多，重合度大；传动范围大（一般为10360）；承载能力和效率高；侧隙便于控制和调整；能做离合器使用；可节约有色金

39、属；制造安装简便，工艺性好；传动不对称。2. 新型的蜗杆传动端面蜗轮副传动与传统蜗杆蜗轮传动不同之处在于：其蜗轮轮齿均匀分布于蜗轮端面的圆周上，类似于锥蜗轮的轮齿分布，只不过端面蜗轮齿圆弧中点处法线与蜗轮轴线平行。由于端面蜗轮轮齿位于蜗轮端面上，因此蜗杆的位置也在蜗轮的一端。具有以下特点：重合度大；可作离合器使用；传动平稳；传动精度高。2.2 蜗杆的设计2.2.1 失效形式、设计准则及常用材料蜗杆传动的失效形式有点蚀、齿根折断、齿面胶合及过度磨损等，由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，所以失效经常发生在蜗轮轮齿上。因此，一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算。由于蜗杆

40、和蜗轮齿面间有较大的相对滑动，从而增加了产生胶合和磨损失效的可能性。因此，蜗杆传动的承载能力往往受到抗胶合能力的限制。在开式传动中多发生齿面磨损和轮齿折断，故应以保证齿根弯曲疲劳强度作为开式传动的主要设计准则。在闭式传动中多发生齿面胶合或点蚀而失效，通常按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行校核，此外，由于散热问题，还应作热平衡核算。由蜗杆传动的失效形式可知，蜗杆、蜗轮的材料不仅要求具有足够的强度，更重要的是具有良好的磨合和耐磨性能。蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr，并经渗碳淬火，也可用40、45钢或40Cr并经淬火。这样可以提高表面硬度，增加耐磨

41、性。通常要求蜗杆淬火后的硬度为40-55HRC，经氮化处理后的硬度为55-62HRC。一般不太重要的低速中载的蜗杆，可采用40或45钢，并经调质处理，硬度为220-300HBS。常用的蜗轮材料为铸造锡青铜、铸造铝铁青铜及铸铁等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用于滑动速度大于3 m/s的重要传动；铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差些，但价格便宜，一般用于滑动速度小于4 m/s的传动；如果滑动速度不高，对效率要求也不高时，可采用灰铸铁。为防止变形，常对蜗轮进行时效处理。2.2.2 蜗杆传动的受力分析蜗杆传动的受力分析和斜齿圆柱齿轮传动相似。在进行蜗杆传动的受力分析时，通常不考虑摩擦力的影响。在确定各个力的

42、方向时，尤其需注意蜗杆所受轴向力的方向确定。因为轴向力的方向是由螺旋线的旋向和蜗杆的转向来决定的。需要说明的是左（右）旋蜗杆所受轴向力的方向可用左（右）手法则确定。所谓的左（右）手法则是指：用左（右）手握拳时以四指所示的方向表示蜗杆的回转方向，则拇指伸直时所指的方向就表示蜗杆所受轴向力的方向。2.2.3 蜗杆传动的强度计算1.蜗轮齿面接触疲劳强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度计算的原始公式来源于赫兹公式，经过转换可得到蜗轮齿面接触疲劳强度的验算公式为： （2-1）其中：材料的弹性影响系数接触系数，从图11-14中查得。 载荷系数，其中为使用系数，查表11-5；为齿向载荷分布系数，当蜗杆传动在平稳载荷

43、下工作时，可取=1；当载荷变化较大，或有冲击、振动时，可取=1.31.6；为动载系数，值可取定如下：对于精确制造，且蜗轮圆周速度时，取=1.01.1；时，取=1.11.2； 分别为蜗轮齿面的接触应力和许用接触应力。当蜗轮材料为灰铸铁或高强度青铜（）时，蜗杆传动的承载能力主要取决于齿面胶合强度。但因目前尚无完善的胶合强度计算公式，故采用接触疲劳强度计算是一种条件性计算，在查取蜗轮齿面的许用接触应力时，要考虑相对滑动速度的大小。由于胶合不属于疲劳失效，的值与应力循环次数无关，可从表11-6中查出许用接触应力的值。若蜗轮材料为强度极限的锡青铜，因蜗轮的主要为接触疲劳失效，故应先从表11-7中查出蜗轮

44、的基本许用应力，再按照算出许用接触应力的值。上面为接触强度的寿命系数，。其中，应力循环次数，此处为蜗轮转速，单位为；为工作寿命，单位为h；j为蜗轮每转一转，每个轮齿啮合的次数。从（2-1）中可得到按接触疲劳强度条件设计计算公式为2.蜗轮齿面接触疲劳强度计算蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况，多发生在蜗轮轮齿较多或开式传动中。因此，对闭式蜗杆传动通常只作弯曲强度的校核计算，但这种计算是必须进行的。因为校核蜗轮轮齿的弯曲强度决不只是为了判别断裂的可能性，对那些承受重载的动力蜗杆副，蜗轮轮齿的弯曲变形量还是直接影响到蜗杆副的运动平稳性精度。由于蜗轮轮齿的齿形比较复杂，要精确计算齿根的弯曲应力是比较困

45、难的，所以常用的齿根弯曲疲劳强度计算方法就带有很大的条件性。通常是把蜗轮近似地当作斜齿圆柱齿轮来考虑，可得到公式： （2-2）其中：蜗轮齿根弯曲应力。蜗轮的齿形系数，可由蜗轮的当量齿数及蜗杆的变位系数从图11-19中查得。蜗轮的许用弯曲应力。，其中为计入齿根应力校正系数后蜗轮的基本许用应力，由表11-8中选取；为接触强度的寿命系数，。式（2-2）为蜗轮弯曲疲劳强度的校核公式，经整理后可得到蜗轮轮齿按弯曲疲劳强度条件设计的公式为2.2.4 蜗杆传动的刚度计算蜗杆受力后如产生过大的变形，就会造成轮齿上的载荷集中，影响蜗杆与蜗轮的正确啮合，所以蜗杆还须进行刚度校核。校核蜗杆的刚度时，通常是把蜗杆螺旋

46、部分看做以蜗杆齿根圆直径为直径的轴段，主要是校核蜗杆的弯曲刚度，其最大挠度可按下式作近似计算，并得其刚度条件为：，其中：蜗杆所受的圆周力；蜗杆所受的径向力；蜗杆材料的弹性模量；蜗杆危险截面的惯性矩，单位为，其中为蜗杆齿根圆直径，单位为；蜗杆两端支撑间的跨距，单位为，初步计算时可取，为蜗轮分度圆直径；许用最大挠度，此处为蜗杆分度圆直径，单位为。2.2.5 蜗杆传动的结构设计蜗杆的结构设计与蜗杆的几何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求、使用场所及经济性等因素有关。进行蜗杆的结构设计时，必须综合地考虑上述各方面的因素。通常是先按轴线间距离、夹角大小，选定合适的结构形式，然后再根据荐用的经验数据，进

47、行结构设计。2.3 本次设计设计步骤选择蜗杆传动类型根据GB/T100851988的推荐，选择蜗杆类型。选择蜗杆、蜗轮的材料确定蜗杆的材料和热处理方式。确定蜗轮的材料。确定蜗杆的头数，并确定传动效率。按齿面接触疲劳强度进行设计由设计计算公式（11-12）进行计算： 确定公式中各计算数值：确定作用在蜗轮上的转矩 确定载荷系数 ，其中为载荷分布不均系数，为使用系数为动载荷系数确定弹性影响系数根据蜗轮和蜗杆的材料来确定确定接触系数根据初始假设的蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值，从图11-18中查出。确定许用接触应力根据蜗轮、蜗杆的材料，蜗轮的铸造方法，从表11-6，11-7中查出许用接触应力或基本许

48、用接触应力。当查出的是基本许用接触应力时，根据下列步骤求出许用接触应力： = 1 * GB3 求出应力循环次数： = 2 * GB3 求出寿命系数： = 3 * GB3 求出许用接触应力： 计算中心距蜗杆蜗轮的主要参数与几何尺寸的计算蜗杆的参数 根据中心距传动比，从表11-2中取模数；直径系数蜗杆轴向齿距：蜗杆分度圆直径：蜗杆齿顶圆直径：蜗杆齿根圆直径：导程角：蜗轮的参数： 查表11-2，查出蜗轮齿数；变位系数；验算传动比 蜗轮分度圆直径：蜗轮喉圆直径：蜗轮齿根圆直径：蜗轮咽喉母圆半径：校核齿根弯曲疲劳强度 由校核计算公式（11-13）进行计算：当量齿数根据变位系数 和当量齿数，从图11-19

49、中可查得齿形系数螺旋角系数：许用弯曲应力： , 从表11-8中查出基本许用弯曲应力寿命系数精度等级公差和表面粗糙度的确定（从略）热平衡核算（从略）2.4 普通圆柱蜗杆传动的程序设计2.4.1 选择开发工具本次设计开发是以AutoCAD2006为平台，利用其内嵌的Visual LISP语言为开发工具。因为Visual LISP语言是上文所述的几种语言中最简单的，可以在短时间内基本学会。另外，Visual LISP语言同AutoCAD有机的结合在一起，它可以调用几乎全部的AutoCAD命令，可以给本次设计带来很大的方便。还有一个原因就是前人已经利用其它语言编制了蜗杆传动辅助设计的程序。基于以上原因

50、，本次设计选用了Visual LISP语言为开发工具。2.4.2 设计思路普通圆柱蜗杆传动的视图相对来说比较单一，基本上可以用一个标准程序来完成。对于设计的一些基本参数可以通过人机交互的方式进行输入，通过标准的参数化设计函数自动完成一些基本图形参数的计算，再调用AutoCAD的一些基本命令，直到最后自动完成蜗杆传动的辅助设计绘图。本次设计的参数化设计函数包括普通圆柱蜗杆传动设计的函数、校核函数以及其他的一些常用的函数。普通圆柱蜗杆传动是蜗杆传动的一种，也是最简单的一种。要达到蜗杆传动的计算机辅助设计（而不仅仅是普通圆柱蜗杆传动设计），这之间还有很长一段距离。本次设计局限于时间和个人能力等原因，

51、就以最简单的蜗杆传动为例，以期能起到抛砖引玉的作用，希望能有后继者来完成这项任务。当然，这还包括完善此次普通圆柱蜗杆传动设计的各个环节。2.4.3 Visual LISP程序的使用说明1.程序运行过程框图如附录1所示，由该图我们就可以调试修改程序。本次设计的Visual LISP程序，由两个文件组成：wgcd.lsp和wgcd.dcl。在程序使用前，首先应将这两个文件共同保存在同一目录下，然后进入AutoCAD，选择“工具”“选项”“文件”“支持文件搜索路径”“添加”，选择保存目录的路径。（另一种简单的方法是将程序保存在AutoCAD2006/Support/下。）用户在使用时，首先对其进行加

52、载：进入AutoCAD,选择“工具” “AutoLISP” “加载应用程序（L）”，选择保存目录下的wgcd.lsp,单击“加载”按钮，显示加载成功，关闭“加载/卸载应用程序”对话框，在命令行键入woganchd命令，弹出“普通圆柱蜗杆传动设计计算初始值设定”对话框，按提示输入参数即可。 = 1 * GB2 加载 = 1 * GB3 进入AutoCAD后，如图1所示，选择“工具” “AutoLISP” “加载应用程序（L）”。 = 2 * GB3 在点击“加载”后，弹出“加载/卸载应用程序”对话框。在对话框中，浏览到wgcd.lsp程序并选择，点击“加载”按钮，对话框左下角出现“已成功加载wg

53、cd.lsp。”信息，加载成功。点击“关闭”按钮，关闭对话框。 = 2 * GB2 运行 = 1 * GB3 运行AUTOCAD主程序，在命令行提示键入woganchd命令，弹出“普通圆柱蜗杆传动设计计算初始值设定”对话框； 按照提示选择或输入蜗杆材料及其热处理、蜗轮材料、蜗杆硬度、蜗杆类型、蜗杆制造方法、蜗杆转速、传动比、预期寿命、工作特性等基本参数，当所有的参数输入完毕后，可点击“计算”按钮，开始计算； 注意：在此过程中，请注意检查参数输入是否完整，否则，在出现提示信息后程序运行中断； = 2 * GB3 正确输入参数后，点“计算”按钮后弹出“计算”对话框； = 3 * GB3 在“计算”

54、对话框中，计算出了蜗杆和蜗轮的中心矩，根据中心矩、蜗杆头数以及对话框中的文字提示选择标准模数，选择好模数后，点击“校核”按钮进行校核。如弹出如下对话框，则说明校核成功； = 4 * GB3 在校核成功对话框中，点击“确定”按钮，弹出“蜗杆传动的主要参数”对话框，显示通过计算所得蜗杆传动各项参数，并且询问是否需要根据计算所得的各项数据进行绘图，点击“取消”按钮可退出； = 5 * GB3 点击“绘图”按钮后，弹出“蜗杆绘图参数设定”对话框，上面的参数都是已经计算好的，处于不可编辑状态。在此对话框中，需要输入蜗轮上带键槽的内圆直径； = 6 * GB3 点击“选定图纸”按钮打开“选定图纸幅面”对话

55、框，选择图纸大小； = 7 * GB3 点击“填写标题栏”按钮，出现“标题栏”对话框，根据需要输入填写各项参数（至少一项）； = 8 * GB3 最后，在检查无误的情况下，点击“蜗杆绘图参数设定”对话框中的“确定”按钮，完成绘图； = 9 * GB3 至此，程序运行完毕。2. Visual LISP程序部分普通圆柱蜗杆传动计算机辅助设计主程序见附录2 。3DCL对话框程序部分DCL对话框程序部分见附录3 。至此，设计说明书正文部分结束。结 论本次设计以AutoCAD2006为平台，运用该软件支持的Auto LISP和DCL语言进行设计。本次设计，我在学习Auto LISP和DCL语言基础上，结

56、合所学知识完成了普通圆柱蜗杆传动的设计，把它编制成LISP程序和相对应的DCL程序。从本次设计中发现，实现机械设计计算机辅助设计的技术难点是对图、表的处理，这也是实现计算机辅助设计的关键。图、表的处理方法的选择直接决定着设计的成功与否或完善与否。在选择的时候，要选择满足当前局部的要求，更要满足总体设计的要求的方法。另外一个难点是实现各方面的合理有机地整合，它能让工程设计人员更有效地工作。在本次设计中，我遇到了很多问题，它们在不同程度上影响了设计的进程。例如：从头开始学习AutoLISP和DCL语言，考验了我的自学能力，在这段时间内，我从本质上认识了本次设计的任务，花费了大量的时间和精力；由于是

57、初次编程的原因，所犯的错误很多，让我在调试阶段不得不更加耐心地检查，用心寻找解决的办法，在寻找的过程中，我的知识能力在不断地增强，获得了很强的成就感；这次设计是我首次尝试的，再加上时间和能力有限，这其中肯定存在很多不足之处，例如：在对表GB/T100851988的处理不够完善；程序还不够简练，对话框的操作方便性还有待改善；这就需要在以后的工作和再学习的过程中完善改进。通过本次设计，使我充分体会到了计算机辅助设计的优越性。尽管前期的时间花费较多，但程序开发工作一旦完成，可以使设计人员摆脱繁重枯燥的计算和校核过程，通过所开发的程序进行参数化处理，将大大减少设计人员的工作量，提高工作效率。应用CAD

58、技术是现代制造业设计部门发展和前进的方向，大力发展此项技术将对机械行业的各个方面以及国民经济产生巨大的影响。本次设计过程中，克服了许多困难，使我的知识又提升了一步，使我更有信心面对未来工作中的困难和挑战。同时，我会在以后的工作中加强与CAD技术相关知识的学习，积极推广CAD技术在各方面的应用。参考文献1 谭建荣.CAD方法与技术M.北京：科学出版社，20052 金泰玉，卢龙，曹兴进. 直齿圆柱齿轮的计算机辅助设计J.现代制造工程，2005，（03）：1517 3 翟震.AutoCAD应用开发技术M. 北京：中国电力出版社，2007.94 牛晓明，陈刚.CAD技术中的参数化设计与应用J.机械研究

59、与应用,2002,(02):69705 蔡红梅.浅谈计算机辅助设计(CAD) J.科技与经济,内蒙古，2006，（05）：94956 H.Osman,M.Georgy,M.Ibrahim,A hybrid CAD-based construction site layout planning system using genetic algorithms, Automation in Construction 12 (6) (2003) 749764.7 魏修亭，谭建荣.面向单元化产品建模的图形处理方法的研究J.软件学报,1999，6（增刊）8 张晶莹 机械零部件的CAD参数化设计J.现代机械

60、，2003，（04）：66689 李学志，孙力红等. Visual LISP程序设计（AutoCAD 2006）M.北京：清华大学出版社，2006，11附 录附录1：调用程序流程图附录2：调用DCL流程图附录3：普通圆柱蜗杆传动辅助设计主程序；主程序及对话框数值初始化(defun c:woganchd () (setq p nil)；额定功率 (setq n1 nil)；蜗杆转速 (setq Lh nil)；预期寿命 (setq wglx nil) ；蜗杆类型 (setq v nil)；蜗轮转速 (setq hrc nil)；蜗杆HRC (setq a nil)；中心距 (setq dgztx