摆线齿锥齿轮计算机辅助设计及加工仿真

PAGE54绪论1.1摆线齿锥齿轮概述螺旋锥齿轮用于两相交轴或交错轴之间的传动，具有传动性能优良，承载能力高等优良特性，是锥齿轮技术发展的主要齿制。螺旋锥齿轮按齿线类型可分为弧齿和长幅外摆线等高齿（简称摆线齿）两种。摆线齿锥齿轮，根据铣齿机的不同，一般分为Oerlikon制（简称“奥”制）和Klingelnberg制（简称“克”制）。格利森弧齿螺旋锥齿轮技术发展比较完善，广泛采用硬齿面磨齿技术，齿轮的加工精度高，承载能力强，在工程中应用较广。该种齿制的螺旋锥齿轮在我国也已经有了比较深入的研究和广泛的应用。奥利康摆线锥齿轮采用刀倾铣齿法，铣齿调整和计算十分复杂，在一定程度上限制了它的推广。“克”制和“奥”制两种齿制的共同特点是都采用等高齿和采用连续分度双面法铣齿。两种齿制的主要差别在于，“奥”制用刀倾法控制齿面接触区；“克”制铣齿机上无刀倾机构，利用内外切双层可调刀盘，调整外切与内切刀片回转中心的偏距来控制两齿面接触区。大传动比“奥”制锥齿轮可用半展成法加工，效率高，多用于汽车行业；“克”制有大尺寸规格的铣齿机，可进行硬齿面刮削，多用于重型机械行业。克林贝格摆线齿螺旋锥齿轮的法向齿廓为近似的平面渐开线，其齿线为延伸外摆线。大端与小端的齿高相等，即齿轮的顶锥角、分锥角和根锥角都相等。其基本齿廓[1]见表1.1。表1.1克林根贝尔格摇线齿螺旋锥齿轮基本齿廓齿线种类齿制基准齿形参数变位方式齿高种类αnha*c*βm摆线齿Cyclo-Palloid20°10.25由刀盘确定径向+切向变位等高齿PAGE54除轴交角Σ=90°的螺旋锥齿轮外，克林根贝尔格铣齿机还能加工轴交角Σ≠90°的螺旋锥齿轮和轴线偏置一定距离的准双曲面螺旋锥齿轮。但几何计算方法不同。本文主要研究锥齿轮副两轴线相交且轴交角Σ=90°的螺旋锥齿轮制造。1.2摆线齿锥齿轮的国内外研究现状1.2.1摆线齿锥齿轮的国外研究发展PAGE54螺旋锥齿轮理论最初是由美国格利森公司的科学家E.Wild-haber及M.L.Baxter等人提出。E.Wildhaber用立体几何方法导出了螺旋锥齿轮齿面法曲率的计算公式，引入极限压力角和极限齿线曲率的概念，给出了轮坯设计的方法[2]。M.L.Baxter提出了准双曲面齿轮的参考几何体系，进一步完善了准双曲面齿轮界面分析的数学模型[3]。芝加哥大学F.L.Litvin教授一直致力于格利森锥齿轮设备和加工方法为基础的新的弧齿锥齿轮共扼齿面形成方法的研究[4-5]。文献[6-7]以微分几何为基础，研究齿轮的几何学、运动学，形成完较为系统权威的齿轮啮合理论。F.L.Litvin提出的局部综合法[8]，其主要思路是预先规定啮合要求，依次计算大轮机床设置参数和满足小轮参考点二阶参数要求的全部机床和刀具参数。这种研究近似啮合的方法，其目的是要在指定的接触点邻域内达到最佳的啮合质量。文献[9-10]详细论述的端面铣齿螺旋锥齿轮的计算机辅助设计方法。文献[11]对摆线齿锥齿轮的啮合接触，应力分析方面作了计算机仿真模拟。在齿面接触区分析及有限元分析等齿轮理论分析方面，文献[12]就小模数齿轮疲劳裂纹生长作了有限元模拟分析；文献[13]做了失配螺旋锥齿轮齿面接触区分析（TCA）的计算机模拟。所有的金属切削机床中，曲齿锥齿轮加工机床的结构最为复杂，目前只有美国的格里森、瑞士的奥利康和德国的克林贝格公司拥有比较权威的技术，前者生产弧齿锥齿轮，后两者生产摆线齿锥齿轮。这两种齿制的锥齿轮成为螺旋锥齿轮发展的两个方向[14]。到目前为止，世界上应用最多的曲齿锥齿轮加工机床主要产自这三大公司。其中在大型和硬齿面曲齿锥齿轮加工机床中，克林根贝格锥齿轮占有优势地位。克林贝格公司最先采用“Palloid”锥齿轮加工方法，此法是利用锥形滚刀与工件间的连续滚切齿，属于连续分度切齿法，切出的齿轮轮齿等高，纵向齿线为延伸外摆线。由于这种方法采用的锥形滚刀机构比较复杂，有制造和刃磨困难等缺点，其应用受到了限制。为了改进Palloid法，Klingelnberg公司于20世纪60年代推出了一种新的齿制Cyclo-Palloid（摆线-准渐开线）锥齿轮，其轮齿等高，纵向齿线为延伸外摆线，齿廓方向为渐开线。相应的设计制造出加工这种齿制锥齿轮的AMK系列加工机床，此系列的机床不仅能实现软齿面加工，而且还可以进行硬齿面刮削加工。硬齿面刮削加工方法，是采用大功率强力刮削加工，故称为高功率齿轮（HighPowerGear）加工法，简称HPG加工法[15]PAGE54。HPG加工法是在锥齿轮经过粗切和表面淬火之后进行，可用加工软齿面的同一机床，但需要将切削刀具更换为硬齿面专用的HPG刀具。这种刀具刀柄和刀头分开制造，用夹持器夹紧在刀盘上，这样不仅可以覆盖较大的模数范围，而且还能比较经济和容易的更换硬质合金刀片。采用硬齿面刮削方法加工齿轮时，考虑硬刮削加工余量，应将齿面的淬硬层适当加厚，以保证HPG加工后的齿轮表面仍有足够的硬度和硬化层深度。经过HPG法加工，可以消除热处理变形，提高齿面硬度、齿轮精度、轮齿表面质量和齿轮的承载能力，并使齿轮副的接触区处在比较理想的位置，从而提高齿面接触强度。克林贝格系列机床中，AMK-635、AMK-852、AMK-855和AMK-1602机床都可以用于硬齿面刮削加工。FK41C型铣齿机加工的最小模数可达mn=0.2mm，可用于加工小模数摆线齿锥齿轮。AMK型铣齿机最大加工模数=35mm，最大加工直径为2000mm，特别适合于重型齿轮的硬齿面刮削。由于刀轴不倾斜，刀具齿形角便于标准化，这对于单件和小批量生产十分有利。随着数控加工（CNC）技术的发展和应用，齿轮加工机床正向着柔性化、智能化方向发展，克林贝格公司开发了KNC系列全自动数控铣齿机，加工模数范围mn=0.5mm～13mm，最大加工直径为1.2.2摆线齿锥齿轮的国内研究现状及其应用情况近年来克林贝格螺旋锥齿轮正受到齿轮界越来越多的关注[16]，我国学者也开展了不少的基础研究工作。张文祥最早从理论上研究了克林根贝格锥齿轮的根切问题[16]；冯忆艰推导了克林根贝格锥齿轮的齿面方程[17]，并描绘了齿面啮合的运动接触情况[18]；曾韬在文章中论述了端面滚齿法在克林根贝格锥齿轮中的应用[19]；东北大学陈良玉、刘志峰对克林根贝格摆线齿锥齿轮轮齿几何、接触分析和运动优化做了分析[20]。中国农业大学董学朱对摆线齿锥齿轮连续分类法铣齿原理进行了系统研究[21]，提出了一种展成克林根贝尔格锥齿轮精确的切齿调整计算新方法[22]。文献[23]也提出了克林根贝格摆线齿锥齿轮几何设计的新方法；文献[24]从新的角度研究了克林根贝格锥齿轮铣齿机的工作原理。在企业实际生产应用方面，先后有南京高速齿轮箱厂、沈阳矿山机机械厂、北京发电设备总厂、首钢机械厂、西北煤机厂、唐山冶金机械厂、淮南煤矿机械厂等厂家引进了AMK系列克林根贝尔格公司生产的铣齿机和铣刀盘及其配套的检验机等设备及相关技术资料[25]，主要用在发电设备、矿山机械，例如发电厂的磨煤机，钢厂轧钢机掘进机。目前国内没有还无法生产摆线齿锥齿轮铣齿机，但是在配套的铣齿刀具上哈尔滨第一工具厂已经自主研发的“克林贝格制摆线等高齿弧齿锥齿轮铣刀”已经批量生产，现已经完全可以代替进口，为克林贝格制锥齿轮的加工设备的国产化创造了有利条件。PAGE541.3课题的研究意义和主要研究内容我国目前已有许多企业引进了加工这种摆线锥齿轮的AMK系列铣齿机和硬齿面刮削加工技术。与格利森弧齿螺旋锥齿轮相比克林贝格摆线齿螺旋锥齿轮具有一些鲜明的特点：采用连续切削法和双层刀盘，避免了跳齿分度，提高了生产率，也有利于提高加工精度；采用硬齿面刮削法可不用磨削加工而生产硬齿面齿轮以提高承载能力，简化了生产工艺；可在同一机床上实现粗精切加工从而有利于节省设备投资。由于克林贝格摆线齿螺旋锥齿轮具有承载能力高和投资省的优点，所以在重矿、冶金石油机械等大型机械中采用这种螺旋锥齿轮具有良好的技术优势和经济性。这些研究成果对于改变国内企业主要依靠引进机床附带软件进行齿轮设计及切齿调整计算的现状、提高机床的使用效益具有重要意义。克林贝格摆线齿螺旋锥齿轮齿形较为复杂，齿面为空间曲面，需要专用的铣齿机加工，设计工作主要依靠随机附带的计算软件完成，使设计过程和数据结果不具有直观性，在一定程度上对齿轮的前期设计工作造成了一定的局限，给实际应用带来了不便。又由于其几何设计及切齿调整计算过程繁复、计算过程计算量大，而且个别参数需要反复计算，有时当某个参数选择不当会造成全部数据推翻重新计算的情况，所以纯粹的手动计算也相当的费时。针对这些情况在克林贝格摆线锥齿轮的计算机辅助设计方面国内的研究工作者也已经作了不少工作，但多数是对其设计过程中某个独立的部分进行CAD设计，如仅实现对齿形和齿面的设计和仿真，缺乏建立在软件工程基础上的CAD系统整体的研究开发，真正能将克林贝格摆线锥齿轮整个设计计算过程、参数化绘图及实体仿真过程完全由计算机辅助实现并相互衔接的软件并不多见。鉴于此，本课题将克林贝格摆线锥齿轮作为研究对象，依照克林贝格摆线锥齿轮设计和制造的基本理论，利用面向对象的编程方法，编制了克林贝格摆线锥齿轮的几何参数计算、强度校核计算、受力分析、切齿调整卡计算、齿轮图形参数化绘制及齿轮实体的参数化建模等程序模块，最终目的是形成一套完善、可靠、实用的摆线锥齿轮计算机辅助设计计算、绘图及仿真系统。该计算机辅助设计系统对缩短克林贝格摆线锥齿轮的设计周期，提高设计效率具有实际的意义。通过分析克林贝格摆线锥齿轮铣齿原理和几何设计及制造的基本理论，并整理其强度校核计算方法，利用面向对象的编程方法，以VisualBasic6.0作为开发语言，编制了克林贝格摆线锥齿轮计算机辅助几何参数计算模块，结合专门的摆线锥齿轮数据库编制了其受力分析及强度检验计算模块，在此基础上实现其切齿调整卡的计算，并实现数据的保存和输出。进一步以AutoCAD2006PAGE54作为软件的图形系统开发平台，利用ActiveXAutomation技术，编制了齿轮二维图形的参数化绘制和实体的参数化建模仿真模块，最终形成一套可靠、实用、方便的摆线锥齿轮计算机辅助设计与仿真的软件系统。在国内各种专业书刊及文献上也是鲜有论述，而且各厂家只是单纯地利用一些引进的技术资料进行生产加工。我们知道，鼓形齿设计最初的出发点是要保证轮齿在最大倾角的情况下，相互啮合的轮齿表面相切而不相交，即不发生边缘点接触，并尽可能减少棱边接触。在经过了上述的近似之后，还能否满足设计要求就很难确定了。而且即使在推出齿面方程和齿面之间的接触线方程的情况下。仅仅靠理论计算来分析它的啮合性能、接触区中心所在齿线方向的位置、啮合齿面之间鼓形量的大小等一方面比较繁琐，另一方面也很难把理论分析的结果反映到实际的齿轮副上，不能够直观地表达出理论分析所得出的结论。只有当齿轮副加工出来之后，经过试验分析才能真正明确，而且加工过程中需要反复试切、对滚、修正，因此，增加了加工的成本和时间。而在目前计算机硬件技术已发展到相当高的水平，其性能价格比也为一般企业或设计单位都可以使用。在此情况下，若能充分利用计算机的快速计算和图形显示功能，研制出Klingelnberg螺旋锥齿轮建模软件，那将可以在很大程度上提高企业的经济效益，在这种假设下，提出了本课题的研究。本课题拟从Klingelnberg螺旋锥齿轮的加工原理即平面产形轮原理出发[7]，结合实际的加工过程利用计算机模拟加工，分别加工出大、小齿轮，再看它们的啮合情况。本课题研究的主要目标是：在设计人员理论上完成了齿轮的设计参数、刀盘的基本参数、刀位参数的前提下，利用Klingelnberg螺旋锥齿轮的计算机加工程序，自动虚拟加工出一对齿轮副，并模拟它们在实际工况下的啮合状态，从而可以全方位地观察到未来齿轮副的啮合情况。例如：接触区的中心位置，两齿轮副是否发生干涉，鼓形量的大小等。通过模拟加工程序，可以省去其加工过程中对实物的反复试切，达到省时、省事、经济的目的；也可为以后其它方面的分析，如齿轮传动过程中的受力分析、接触区的变形情况等提供条件。PAGE542摆线齿锥齿轮传统设计流程2.1摆线齿锥齿轮铣齿机2.1.1铣齿机型号与特点克林贝格AMK系列和KNC系列铣齿机，都用连续分度双面铣齿展成法加工摆线齿螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮。刀轴不倾斜。其中某些型号的铣齿机可用于硬齿面刮削。除铣齿机外，克林贝格制还有WNC-30和WNC-40型全数控磨齿机，配有双磨头，可以用不同尺寸的砂轮磨削轮齿的凹面和凸面。为了满足不同精度等级、多种规格尺寸、软硬齿面等摆线齿螺旋锥齿轮的加工需要，克林贝格公司推出了多种型号的切齿机床，有AMK250、AMK400、AMK635、AMK855、AMK1602等。AMK系列铣齿机床加工模数范围为mn=1-35mm，最大加工外径为2000mm所有AMK系列机床都具有短而刚性好的齿轮传动链，双蜗杆驱动的分度机构，高精度的分度元件以及较大的输入功率。该系列的机床可以非常经济的加工螺旋角为零度的自对中面式离合器，并且具有较高的加工效率。AMK铣齿机上可用整体或双层刀盘加工软齿面，其中AMK-635、AMK-852、AMK-855和AMK-1602等型号铣齿机可用于硬齿面刮削加工。KNC型铣齿机是全自动数控铣齿机，与机床相联的微机可以计算齿轮的几何参数以及刀具和铣齿工艺参数；通过操作位置的显示器进行齿面接触区的修正；可以自动换刀和装卸工件。KNC型铣齿机的生产率高，同时具有较大的柔性，可以与其他加工和测量设备联网。2.2.2铣齿机调整参数如图2-1所示为KNC-40、KNC-60型全自动铣齿机的9个主要参数，由微机控制。AMK型铣齿机没有微机控制系统，需要人工调整这9个参数，确定轮坯与刀具的相对位置和相对运动。9个参数大致可以分成5组：PAGE54（1）刀盘和轮坯的相对运动 AMK型铣齿机，按刀齿组数和被加工齿轮齿数确定由刀盘到轮坯传动链中分度交换齿轮比T，保证刀盘转过一组齿时，冠轮和轮坯各转过一个齿，实现连续分度。（2）摇台位置及展成进给A 用展成法铣齿时，摇台转动，需要确定展成起始和终止摇台角；AMK型铣齿机，通过调整差动交换齿轮比WK，将摇台转动按一定的关系附加到冠轮和轮坯上，形成展成运动；摇台的转动为展成进给运动。粗铣无展成切入铣齿时，需要确定切入摇台角。（3）切入进给X 调X控制切入深度，对于模数较大的齿轮，一般先锁住摇台，用切入进给连续分度铣齿法开槽，然后再用展成法精铣。（4）刀盘位置 调偏心盘V的角度τ确定刀位Ex，即内刀盘轴线至摇台轴线的距离；调E确定刀盘安装角M，从而确定外刀盘与刀盘回转中心的偏距。（5）轮坯位置 调确定轮坯安装角M内δ；调确定轮位；调Z确定垂直轮位。2.3.3铣齿刀具克林贝格制铣刀盘可分为：整体尖齿刀盘、mn=0.2～1.5mm的镶有圆盘刀齿的镶齿双层刀盘、双层万能刀盘和硬齿面刮削刀盘。加工左旋齿轮时，用逆时针回转的左旋刀盘；加工右旋齿轮式时，用顺时针回转的右旋刀盘。双层万能刀盘左旋刀齿结构如图2-2所示。整体由内切刀盘和外切刀盘两部分组成，内切刀盘上安装有内切刃刀片，用来切削齿轮的凸齿面，外切刀盘上安装有外切刃刀片，用来切削齿轮的凹齿面。内切刀片和外切刀片间隔安装，相邻刀片间的平均等分角度为180°/z0，这类刀盘组数有z0=4或5，通常z0=5。上层内刀盘1上装有精切内刀（简称内刀，代号为Az0L0）和粗切中内刀（简称中内刀，代号为Bz0L/r0/m0）；下层外刀盘2上刀（简称中外刀，代号为Cz0L/r0/m0）（简称外刀，代号为Dz0L/r0/m0）。A、B、C和D表示刀齿在刀盘上的位置；z0为刀齿组数；r0为名义刀0为刀齿模数；L表示左旋刀齿，R表示右旋刀齿。左旋刀逆时针回转，刀齿按D、、B和A顺序逆时针排列。右旋刀顺时针回转，刀齿按C、D、A、B顺序顺时针排列。加工左旋齿轮时，用逆时针回转的左旋刀盘；加工右旋齿轮时，用顺时针回转的右旋刀盘。在安装时内刀盘固定在铣齿机主轴上，外刀盘通过十字滑块与铣齿机主轴联接。外刀盘既可以与内刀盘同步回转，又可以调整回转轴心与内刀盘回转轴心的偏距，从而使内切刀盘和外切刀盘的发生圆半径不同，使齿轮副的啮合呈鼓形齿接触，并可根据需要调整偏距的大小来改变鼓形修正量，从而达到调整修正齿面接触区的目的。PAGE542.2摆线齿锥齿轮啮合理论及其切齿原理2.2.1齿轮传动啮合理论分析齿轮传动有平行轴传动、相交轴传动和相错轴传动，各种传动形式中，准双曲面齿轮传动是最一般的传动形式。所以可由准共轭条件，可确定分锥面几何参数，得到齿轮传动基本公式。对于摆线锥齿轮，为了得到最佳的啮合性能，将参考点M设在节锥面上齿宽中点处，结合参考点和齿轮啮合传动的基本公式可以进一步推导其它几何参数的计算式。2.2.摆线锥齿轮相配两轮都用冠轮展成加工，称为全展成法。克林贝格铣齿机的刀轴的一点形成的轨迹为延伸外摆线，即产形轮的齿线，通常因为产形轮的90°而简称为冠轮，以下文中都称为冠轮。被加工齿轮的齿面是与对应小齿轮1与大齿轮2的冠轮啮合的共轭齿面。不能倾斜，以冠轮用全展成法加工相配两齿轮。处于啮合位置时，为保证齿面在参考点M共轭（两齿面在点M相切，且传动比为理论值），其两隐形假想冠轮无相对运动、轴线重合，分度平面重合，且与被加工两齿轮的分锥面相切。展成过程中，展成小齿轮1和大齿轮2的两i=z2/z1冠轮的产形面固定地相切于过参考点M的一条直线。展成的齿面理论上为点接触共轭齿面，无运动误差。实际加工中刀具代替处于啮合的冠轮的轮齿，在与齿坯的相对运动过程中展成被加工齿轮的齿面，如图2-5所示。冠轮上下两面(产形面)的齿线旋向不同，具有左(右)旋齿线的产形面与被加工的右(左)旋齿轮啮合。被加工齿轮的节锥面在冠轮的节平面上作无滑动的滚动，且展成加工时被加工齿轮的节锥面与啮合时的节锥面完全一致。加工中，摇台垂直于被加工齿轮的节锥母线，又垂直于根锥母线，加工出等高齿锥齿轮。当刀盘旋转时，齿坯作连续分度回转，刀盘上相邻的每组刀片依次切出齿坯上相邻的齿槽。2.2.3PAGE54在刀盘上的刀刃所形成的轨迹，为直纹面，利用直纹面的性质，可以推导出冠轮的建立如图2-6所示的右旋直角静坐标系Oijk加工克林贝格摆线锥齿轮时，冠轮的齿面是刀盘相对于摇台转动过程中，安装齿面方程。（1）冠轮右旋凸齿面方程冠轮右旋凸齿面是右旋刀盘上的外切刀刃在切齿过程中产生的，它展成左旋齿轮的凹齿面，其齿面形成过程中的刀盘及冠轮的位置关所示，齿面方程可根据加工时摇台与刀盘的相对运动导出。即摇台的回转中心在冠轮分度平面（与摇台回转平面平行）上的投影，为刀盘回转中心的投影。kvp与摇台轴线重合，vjp通过参考点M。根据被切齿轮的几何尺寸计算刀位，使刀盘中心偏离摇台的回转中心的距离为。当刀盘上的外切刀刃在参考点（3）冠轮左旋凸齿面方程冠轮左旋凸齿面是左旋刀盘上的外切刀刃在切齿过程中产生的，它展成右旋齿轮的凹齿面。（4）冠轮右旋凹齿面方程冠轮右旋凹齿面是右旋刀盘上的内切刀刃在切齿过程中产生的，它展成左旋齿轮的凸齿面。由冠轮的齿面方程和冠轮与被加工齿轮的共轭啮合关系可以进一步推导得到被加工齿轮的齿面方程。2.2.在克林贝格螺旋锥齿轮实际的加工过程中，对每一个齿轮的切齿均分两步完成，第一步完成齿轮轮坯的齿深切削，在齿向形成一长幅外摆线，这一过程中机床有如下的三个运动：(1)摇台不转动，刀盘绕自身的轴线旋转，同时刀盘的轴线也绕摇台的回转中心旋转；(2)摇台的轴向进给运动，安装在摇台上的刀盘也随之作轴向进给运动；(3)齿轮轮坯绕自身轴线的旋转运动；第二步对轮齿进行修形，包络出齿轮的齿廓曲线，即在齿廓上形成渐开线。这一过程机床有四个运动，与形成齿深切削运动不同的是，此时摇台也绕自身的轴线旋转。分两步加工轮齿的原因之一是考虑刀具及机床所能承受的载荷，这样可以在一定程度上延长刀具和机床的使用寿命。克林贝格制摆线锥齿轮有以下特点：(1)轮齿等高，沿分度锥母线齿高不变，齿轮副啮合不存在对角接触；(2)基本齿廓齿顶高系数(3)冠轮齿线是长幅外摆线；(4)采用了两分式万能刀盘，可以方便的通过调整刀盘上内外刀之间的偏距，实现齿轮副啮合的鼓形修正。PAGE543总体研究方案3.1机械计算机辅助设计软件的开发流程国际和国内知名的CAD/CAM软件Pro/Engineer，UG，SolidWorks，I-DEAS等都是商品化的通用平台，基本上是覆盖了整个制造行业，但专业针对性差，基本上不能满足各种各样具体产品的设计与分析需要，在实际工程设计中难以达到理想效果，几乎不能真正实现灵活高效的特点。因此，引进国外先进的通用造型软件进行二次开发无疑是一种必要而又有效的手段。二次开发就是以开放性好的商品化、通用化的CAD系统为平台，研制开发符合国家标准、适合企业实际应用的用户化、专业化、集成化软件。AutoCAD是一个非常好的通用计算机辅助设计绘图系统，但每一行业和专业都有自的行业和专业标准，许多单位也有自己的技术规格和企业标准，每个设计工程师和绘图员更有各自独特的工作方式和习惯。因而AutoCAD不可能完全满足每个用户的具体而特定的要求。以AutoCAD为支撑软件运用CAD软件开发技术进行定制和二次开发，能使AutoCAD可以更加符合用户的需求，更方便、更规范、更专业的实现设计和绘图中的应用。总的来说，在开放性好的优秀商用软件上运用CAD开发技术进行二次开发，是提升CAD应用水平的重要手段，开发适用CAD软件的有效途径。3.1.1计算机辅助机械设计软件的设计方法3.1.2计算机辅助机械设计软件开发的过程与主要设计步骤3.2常用锥齿轮设计软件介绍(齿轮传动CAD系统研究与开发，张晓伟)(1)逐步向专业型CAD软件发展一方面，在AutoCAD等国外通用CAD软件平台上出现了众多面向各行业的二次开发软件，典型的有国内的大恒CAD、天正CAD等。另一方面，产生了不少主要适用于机械行业的CAD软件，独立开发的有开目CAD、天喻CAD等。这些软件主要提供绘图、标准、图形库、输出等功能，也有板金下料等辅助功能。(3)提供参数化设计功能目前，国内的CAD系统，不同程度的提供了参数化设计功能，但大多数CAD软件只能进行单视图图形的参数化。PAGE54(4)提供工程图形库和建库工具为了降低机械产品的制造成本，在设计中要大量选用标准件。由于在各行业中使用的标准件不尽相同，所以，CAD软件还应提供标准件的建库工具。目前，原始的建库方法是编程方式，利用CAD系统提供的命令语言(如AutoLisp语言)，编写标准件的定义程序，该方法是对用户的计算机水平要求较高，而且建库过程十分繁琐。目前较为先进的建库方法是交互绘图，然后直接进行参数化的建库方式。该方法由用户交互输入零件图形数据，然后由CAD系统进行参数化设计完成建库工作.这种方式对CAD系统的功能要求较高，只有少数CAD系统提供这一功能。(5)提供图纸管理和查询功能在用CAD软件绘制了大量图纸后，如何进行图纸的管理，方便的调用和查询所需的图纸是十分重要的。目前许多CAD软件都不同程度的提供了图纸管理模块。基本的功能包括根据图纸的名称、图号等参数和图纸的幻灯片等进行搜索和图纸的调用，还提供了根据零件类别、材料进行分类和查询统计的功能。(6)方便装配图的设计为方便装配图的设计，许多软件都提供了由零件图拼装成装配图的功能，有的软件还可同时编辑多张图纸。一些先进的CAD系统还可以自动生成零件明细表和整个产品的BOM表，并可生成DXF文件，与数据库软件集成。锥齿轮设计软件属于工程CAD专业软件，主要是一些大型齿轮厂自主开发的内部使用齿轮CAD软件，这些企业开发的CAD软件实用性较强，但都是作为该企业的核心技术加以保密。流通较广的商业锥齿轮设计软件中，郑州机械研究所研制的齿轮传动CAD集成系统（ZGCAD）中和北京英科宇软件开发中心的齿轮设计系统的锥齿轮传动优化设计系统模块中均包含用于克林根贝尔格等高齿锥齿轮设计计算的内容，其中齿轮的绘图模块都是许是选用的AutoCADR14版的绘图支撑平台。3.3总体研究方案3.3.1摆线齿锥齿轮CAD系统开发平台（VB6.0&AutoCAD）VisualBasic是日前开发Windows应用程序最为迅速、简捷的程序设计语言，具有功能强大、易于掌握的特点，能够直接用它进行Word、Excel和AutoCAD一次开发。全世界近千万的专业和非专业程序设计人员正在用VisualBasic开发各种类型的软件。VisualBasic是Windows操作系统下广泛使用的一种程序开发工具软件，具有功PAGE54能强大、易于掌握的特点。它提供了基于对象的可视化程序开发工具，用户无需编写大量代码去描述界面的外观，就能够以迅速、简捷的方法开发设计Windows环境下的各类应用程序，是一种可视化、面向对象和采用事件驱动的方式，利用Windows环境下丰富的图形界面的程序设计语言。是目前最简单、最容易使用的Windows应用程序开发语言，主要有以下特点。（1）可视化编程设计工具VisualBasic提供了可视化设计工具，把Windows界面设计的复杂性”封装”起来，开发人员不必为开发界面设计而编写大量程序代码，只需按设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，在屏幕上画出各种部件，即图形对象，并设置这些图形对象的属性。VisualBasic自动产生界面设计代码，程序设计人员只需编写实现程序功能的那部分代码，从而可以大大提高程序设计的效率。(1)真正的面向对象编程，使开发人员在维护系统运行时只需要修改很少的代码，同时也加快了系统开发的速度。(2)可视化的编程方法以及向导的功能，使开发人员几乎不用加入太多代码就可以开发出标准的Windows程序。(3)VisualBasic提供了丰富的数据类型、众多的内部函数和结构化的程序设计语言，简单易学。(4)事件驱动是非常适合图形界面的编程方式。(5)在VisualBasic集成开发环境中，用户可以设计界面、编写代码、调试程序，直至把应用程序编译成可执行文件，在Windows中运行，使用户在友好的开发环境中工作。(6)数据访问特性允许对包括MicrosoftSQLServer和其他企业数据库在内的大部分数据库格式建立数据库和前端应用程序。(7)通过ActiveX技术可以使用其他程序提供的功能。（2）面向对象的程序设计VisualBasic支持面向对象的程序设计。其应用面向对向的程序设计方法（OOP），把程序和数据封装起来作为一个对象，并为每个对象赋予应有的属性，使对象成为实在的东西。在设计对象时，不必编写建立和描述每个对象的程序代码，而是用VisualBasic工具，在界面上自动生成对象的程序代码，并封装起来。每个对象以图形的方式显示在对象上，都是可视的。（3）结构化程序设计语言VisualBasic具有高级语言的结构，接近自然语言和人类的思维方式，结构清晰，简单易学，再加上面向对象的方法，因此是更出色的结构化程序设计语言。（4）事件驱动编程机制VisualBasic通过对象来执行对象的操作。一个对象可能会产生多个事件，每个事件都可以通过一段程序来响应，来实现指定的操作。这样的应用程序代码较短，使得程序易于编写又易于维护，提高了程序的设计效率。PAGE54（5）访问数据库VisualBasic具有很强的数据库管理功能。利用数据控件和数据管理窗口，可以直接建立或处理MicrosoftAccess格式的数据库，并提供了强大的数据存储和检索功能。用VisualBasic进行AutoCAD二次开发，是AutoCADR14以后的种新技术，我们可以用VisualBasic语言编程，将AutoCAD当成自己VisualBasic程序中的一个图形窗口，对其进行打开、绘图、编辑、打印、关闭等操作，十分方便。用VisualBasic进行AutoCAD二次开发，不仅简单易学、功能强大，还能实现仅用AutoCAD不能或不易实现的功能和效果，例如进行三维动画模拟、图形参数化设计等。用VisualBasic进行AutoCAD二次开发，不论是用于理论研究，实现自己的设想，还是用十工程设计，升发面向实际工程问题的软件，均是十分有效的手段和方法。AutoCAD工程图形处理软件，自1982年由美国Autodesk公司开发面世以来，以其完善的绘图功能、良好的用户界面、易学易用的特点，受到了广大工程技术人员的普遍欢迎，目前用户遍及全世界150多个国家和地区。AutoCAD及其图形格式己成为一种事实上的国际工业标准。AutoCAD之所以得到广泛应用，一个重要原因还在于它开放的结构体系，即用户可以根据自己的需要，对其进行一次开发。齿轮传动CAD系统开发平台（张效伟2005）AutoCAD是美国Autodesk公司开发的计算机辅助绘图、设计系统，因其强大的功能，使用上的便利，以及良好的开放性，是世界上最为流行通用的CAD平台。自AutoCADR14开始，操作界面完全Windows化进一步完善了面向对象的技术，把它作为自身的内核技术，并作为二次开发的主要技术。在软件开发中，编程环境就是开发活动的舞台，编程环境选择的好坏直接关系着软件设计工作的效率、软件质量甚至软件编制工作的成败和软件的使用效果。而且程序的可读性、可靠性、可维护性和效率，软件的设计乃至分析，都要受到所用编程语言的制约，所以编程语言在程序设计中处于中心地位。在软件制作过程中，首先要选用一种合适的编程语言。3.3.2摆线齿锥齿轮CAD系统开发工具介绍(方志高2005)锥齿轮CAD系统PAGE54AutoCAD是Autodesk公司的主导产品。Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。目前在CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，也是全球规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。Autodesk公司的软件产品己被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及Web网的数据开发等重大领域。AutoCAD是当今最流行的二。维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。尤其AutoCAD提供多种二次开发的工具。在许多实际应用领域(如机械、建筑、电子)中，一些软件开发商在AutoCAD的基础上已开发出许多符合实际应用的软件。它具有开放的体系结构，是一个极灵活的可编程的绘图系统，是目前在Windows操作系统下应用最广泛的通用计算机辅助设计软件包，且具有开放灵活的风格，向用户提供了AutoLisp、C++（ARX）、VB（ActiveXAutomation）多种开发工具，用以定制和开发AutoCAD。（1）AutoLisp/VisualLISP开发工具Autolisp是最早的二次开发工具，它是嵌入在AutoCAD内部，是解释型API，以解释方式运行，运行速度相对较慢，另外源代码裸露，安全性差。但移植性最好，一个Autolisp程序可在所有的AutoCAD平台运行，此外使用方便灵活，学习起来较容易，被广大的工程技人员把掌握。而且从1986年引入AutoLISP以来，全球大量计算机软件开发商和用户已经使用AutoLISP撰写出数以万计的实用套装系统和应用程序。为了充分利用AutoL工SP语言优势，AutoCAD自AutoCADR14起又提供了一种新的LISP编程Z具—VisualLISP，它是一种面向对象的开发环境，是编译型API，与Autolisp完全兼容，能提供Autolisp所有的功能，是AutoLISP的扩展和延伸。AutoLisp语言AutoLisp语言是开发AutoCAD应用程序的主要开发工具之一。它继承了LISP语言的语法、传统约定和基本函数与数据类型，并扩充了强大的图形处理功能，语法简洁、表达能力强、函数种类多、程序控制结构灵活，即能完成常用的科学计算和数据分析，又能调用几乎全部的AutoCAD命令，具有强大的图形处理能力，是AutoCAD早期版本的主要开发工具。在AutoCAD的二次开发工具中，它是唯一的一种解释型语言。AutoLisp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。特点：AutoLisp是嵌入在AutoCAD内的解释型过程语言，所以执行速度较编译型程序慢；具有可移植性，可以运行在多种支持平台上；缺乏很好的保护机制，源程序保密性差；需要学习特定的LISP语言。AutoLisp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）ADS开发工具它是AutoCAD开发系统(AutoCADDevelopmentPAGE54System)的简称。ADS的编程。界面可使用户用C语言来实现AutoCAD的用户化，既可运行第三方开发的ADS应用程序，也可以编写自己的ADS应用程序。与AutoLisp相比，ADS程序的优越性如下：(1)具备错综复杂的综合大规模处理能力；(2)由于是编译开发环境，可以检查程序设计语言的逻辑错误，且执行速度快；程序源代码的可读性好于Lisp；(3)引入C高级语言后，ADS也同样具有面向对象的功能，程序层次分明。清晰可读从而使软件的可维护性得到提高；(4)经过良好封装，ADS的程序代码。许多时候比AutoLisp更简洁；(5)ADS的程序能够减少程序出错的概率。但同样C语言的介入也会产生许多问题。如C语言比Lisp语言复杂得多，难以在短时间内掌握；ADS程序的隐藏错误会导致AutoCAD乃至操作系统崩溃；由于是编译运行，不易见到代码的效果；C语言的ADS程序一般比AutoLisp程序的源代码要繁冗。由此可见，ADS开发者必须先对C/C++语言编程技术及AutoCAD功能有较深入的了解。随着AutoCAD技术的发展，ADS已经被ObjectARX技术所取代。(3)VBA开发工具所谓VBA就是VisualBasicforApplication的简称。由于它是一个引入对象的程序设计环境，为用户提供类似VisualBasic(VB)语言所拥有的功能，所以后续潜力无穷。一般说来VBA和VB的主要差异类似AutoLisp和Lisp间的差异，即VBA可以执行存取AutoCAD环境的所有资源。此外，VBA可以整合其他具用VBA能力的应用程序，这使AutoCAD可以成为其他应用程序(Word或Excel)的AutoCAD控制器。从运作上来看，VBA通过AutoCADActiveXAutomation接口将信息传送给AutoCAD.而AutoCADVBA也允许VBA环境与AutoCAD同时执行并通过ActiveXAutomation接口提供AutoCAD程序。如此，AutoCAD，ActiveXAutoCAD与VBA结合方式，提供极强大的接口，不仅可以操作AutoCAD内部对象，更可以在其他的应用程序之间传送或接收数据。与AutoL工SP相比，VBA在进程内运行速度比AutoLISP/VisualLisp应用程序快，更适合于开发用户界面占主体的应用软件。(4)ObjectARX开发工具ObjectARX是一种用来开发AutoCAD应用程序的编译语言编程环境。它使用面向对象的C++应用程序开发机制，以动态链接库形式和AutoCAD运行在相同的地址空间并且直接操作AutoCAD数据结构和代码，可直接访问AutoCAD的图形数据库和图形系统；可以定义类似于AutoCAD内置命令的自定义命令；使用用户可以用MFC库来创建标准Windows风格的图形用户界面；用户还可以根据扩展的ARX协议机制动态地扩展AutoCAD功能。此外还可以运用ObjectARX库和其他AutoCAD编程接口(比如AutoLISP或VBA)结合使用，从而可以跨API集成。与其它几种开发工具相比，ARX应用程序更加高效、更能充分利用AutoCAD开发的体系结构。但由于ARX复杂繁锁，必需掌握VC语言，所以使用ARX开发工具的工程技术人员并不多。PAGE54ARXARX(AutoCADRun-timeExtension)是AutoCADR13之后推出的一个以C++语言为基础的面向对象的开发环境和应用程序接口。ARX应用程序实质上为Windows动态链库(DLL)程序，与AutoCAD共享地址空间，直接调用AutoCAD的核心函数。ARX提供了一系列用于定义新类的宏，在ARX应用程序的运行期间ARX提供了对AutoCAD现有类的扩充功能，ARX库可以和ADS编程接口及AutoLisp应用程序接口联合使用。AutoLisp、ADS、ARX都是AutoCAD提供的内嵌式编程语言。Autolisp和ADS都是通过内部进程通讯IPC来和AutoCAD通讯的，它们与AutoCAD是相互分离的过程。而ARX以DLL形式与AutoCAD共享地址空间，因此，与前两者相比，其速度更快、运行更稳定、更简单。(5)ActiveXAutomation开发工具ActiveXAutomation是微软公司基于COM(组件对象模型)体系结构开发的一项技术，是AutoCAD的新编程接口。他提供了我们可以从AutoCAD内部或外部，以程序的方式来定义AutoCAD的结构。其方式是开放AutoCAD对象给”外部世界”。开放这些对象后，就可以使用许多不同的程序语言(如VisualBasic，C++，Delphi和Java)来存取对象。ActiveX对象模型是ActiveX技术的基础，每一个对象就代表AutoCAD的一个元素。AutoGAD是以层结构来组织对象的，其顶层对象就是Application，下面是Preferences与Document。然后再透过对Preferences对象的操作，我们可以在执行VBA”编辑视窗”功能后，设定所需要的值。Document对象包含：ModelSpace，PaperSpace，Blocks，Layers，Plot与Utility等对象。最底层的对象是点、线、圆、图块等AutoCAD能画出的图形。可见在AutoCAD中使用ActiveX接口具有两个优点，一是更多编程环境可以编程访问AutoCAD图形；二是与其他windows应用程序共享数据变得更加容易。ActiveXAutomation技术Autodesk公司把ActiveXAutomation技术引入AutoCAD软件中，完全是顺应编程环境发展的需要。ActiveXAutomation技术的完全面向对象化编程的特点，使其开发环境具备了强大的开发能力和简单易用的优良特点，开发工具的选择也具有很大的灵活性。所以，利用ActiveXAutomation技术，是极具潜力的一种开发手段。3.3.3摆线齿锥齿轮CAD系统总体架构本课题利用面向对象的编程技术、COM技术、数据库相关技术实现以VB6.0为主的多平台CAD系统开发，完成了直齿及锥齿轮CAD系统。该系统从锥齿轮设计、强度校核、切齿调整、设计报告到参数化绘图和三维实体仿真PAGE54等一系列工作全由计算机完成，此外该系统具有良好的扩展能力，在实际应用中提高设计效率，具有一定的使用价值和应用前景。由于摆线锥齿轮参数多，设计和切齿调整计算公式繁复，且齿轮轮体结构复杂，类型多样，所以要开发一个真正通用的摆线锥齿轮CAD软件，编制程序的工作量将非常大。本软件系统不可能在短时间内开发完成，需要开发者在持续、分阶段的研究过程中，根据当前和未来的CAD软件发展趋势，分阶段、有任务的完成各个阶段的软件开发，为最终实现摆线CAD软件的商品化不断的增添和完善有关内容。为达到这一要求，应保证CAD系统是一开放的、扩充性好的和可继承的系统。根据软件工程学的思想，采取结构化、模块化的设计方法，即将系统按不同的功能，划分成几大模块来分别设计，各个模块之间联系密切，又互相独立，能够体现各自的特色，而且便于维护和增加新内容。软件的最终目标，是利用计算机完成克林贝格摆线锥齿轮的轮坯几何设计和切齿调整计算，并进一步在对AutoCAD二次开发的基础上自动生成齿轮的零件简图及实体模型，从而在整体上提高摆线锥齿轮的设计效率和质量。根据对摆线锥齿轮的切齿原理、几何设计及切齿调整算法的分析，确定软件的主要功能模块如下：（1）几何参数计算模块完成几何参数的计算；（2）强度校核计算模块完成齿轮副强度校核；（3）切齿调整计算模块完成机床切齿调整卡的计算；（4）参数化平面图绘制模块实现齿轮零件图的绘制；（5）参数化实体仿真模块实现齿轮实体建模仿真；（6）设计结果输出模块实现计算数据的保存、打印等功能。PAGE544摆线齿锥齿轮CAD仿真软件系统开发图4-2克制锥齿轮计算机辅助设计系统流程图4.1摆线齿锥齿轮CAD系统的界面设计用户界面又称为人机交互界面，用来实现用户和计算机之间的通信，是控制计算机或者用户和计算机之间数据传送的系统部件。设计良好的界面能够引导用户自己完成相应的操作，起到向导的作用。摆线齿锥齿轮CAD系统的开发综合考虑了实际工程需要和齿轮专业技术人员用户的的特点，这类用户具有对计算机常用软件特别CAD设计软件的相当的使用经验，参考主流Window应用程序界面的设计方案，结合VisualBasic6.0在界面设计方面的优越表现，软件系统中所有的窗体界面均在VisualBasic6.0的环境下生成，为标准的Windows界面。在二维绘图和三维仿真模块采用AutoCAD主窗体内嵌为主程序子窗体的方式，不单独在AutoCAD中定制菜单和窗口，以保持界面的统一。此外，界面设计还应遵守的一些原则：软件系统的整体性软件启动封面设计（Splash）软件框架设计软件面板设计（2）视觉效果简单、重点突出（3）规范性（1）一致性使界面保持了一致的视觉和操作风格。（2）减少操作步骤尽量做到操作简便，减少敲击键盘或点击鼠标的次数。（3）减少人脑的记忆负担需要用户记忆的信息采用设置缺省值或查询数据库的方法组织。（4）引导功能为用户完成设计工作的操作提供清晰、明确的引导信息。（5）纠错功能自动判断用户输入的数据是否合理，如果不合理给出相应的提示。克林根贝格螺旋锥齿轮建模软件要成为一个可以在广大工程设计人员中推广的软件，必须是一个可以独立运行的应用程序，而在AutoCAD2000中虽然可以用内嵌在其内部的VBA进行开发。用户界面是应用程序的一个最重要的组成部分，它是计算机向用户提供人机交互环境的重要因素，良好的人机界面能为用户提供舒适的PAGE54工作环境，使用户可以花较少的时间完成所需的工作，达到事半功倍的效果。由于系统是面向广大设计人员的，界面是否友好，直接关系到设计的效率和软件的推广使用。因此克林根贝格螺旋锥齿轮建模软件采用的界面设计简单、直观、全面，力求层次少而清晰。最大限度地减少了用户的参数输入量，提高了计算机辅助水平和设计的自动化程度。该主界面上的控件代码实现的最基本的功能就是初始化主界面上的各参数，即程序运行时可以在主界面上输入或选择所需的参数，程序代码中不仅实现了参数的输入功能，还实现了参数的检验功能。因为每一种AMK系列的机床对应于刀盘的头数及刀盘的半径是有限制的，而且每一种刀盘的半径对应于一定模数范围的刀具。如图4.7所示机床型号、刀盘半径以及模数的关系图，比如讲AMK852系列的加工机床可以有两种刀盘头数可供选择，本建模软件的初始值选择的是5头。而这种系列的加工机床对应的刀盘半径有r=135、170、210、260四种，且r=135的刀盘所对应加工出来的齿轮模数范围为mm。这些检验条件均加入了参数输入主界面代码中，以便用户在输入参数错误时能及时给予提示说明出错的原因以及正确输入值的范围，图4.8所示即为其中的一个出错提示框。这样可以检查设计人员设计参数的正确性，从而提高运用克林根贝格螺旋锥齿轮建模软件的效率。运行程序时单击”开始绘图”按钮，系统首先把参数输入主界面上的数据分别赋给不同的对象变量，以便系统可以把设计人员设计的数据传递给后续的绘图程序，实现绘图的参数化。再添加调用”主程序”模块的代码，即单击”开始绘图”按钮时执行该模块的程序。当单击”取消”按钮则退出建模软件。图一系统启动画面图二系统主窗体系统主界面如图所示，在主界面中设置了”文件”、”视图”、”设计”、”绘图”、”帮助”5个菜单项和”几何设计”、”强度校核”、”铣齿调整”、”二维图纸”、”三维仿真”、”结果保存”、”关于”和”退出”等八个快捷工具栏，要完成设计计算可以点击相应的快捷按钮，也可以直接在”设计”菜单栏中选择相应的功能菜单，操作简便。软件界面的设计总体上分为三大部分：参数输入部分、参数检验部分、结果输出部分。界面的设计之中贯穿了整个软件的设计思想，体现了整个软件设计的流程。在整个设计过程中根据系统要求和软件规范，设计良好的人机交互界面。有效地利用对话框，使设计人员可以交互地输入或以下拉框的形式选择各种必要的参数，同时提示、引导、帮助设计人员选定各个参数并分析输出结果。并且应对输入的错误或非法数值有一定的排错纠正功能。图5-3是软件的启动界面，图片采用本校的校徽、主体楼做为背景图片，点击”进入”将进入软件的主体界面。PAGE54进入主界面后自动弹出”几何计算原始参数”输入界面，如图5-4所示。主界面上分别有”原始参数输入”、”查看结果”、”检验结果”等菜单，每个菜单下还有多个子菜单，体现了整个软件的基本功能。全部输入框用程序限定只能输入数字、小数点及退格键，当遗漏或者没有完整输入时会跳出提示框来提示您完整地填写参数。”齿宽系数”、”参考点法向模数系数”下都有输入合法数值的范围，输入不在范围内的数据同样会得到相应的提示。同时，当您选中同组单选中的一个时，另外一个单选所属的输入框会自动转成不可用，减少了用户的非法输入。底端的五个按钮中虽然有的是不可用，但等到执行相应的计算后会转成可用。当点击”计算模数”后(图5-5)，右边原本不可用的”齿侧间隙系数”和”铣床型号”都转成可用，同时显示计算模数的结果，并根据所计算得到的模数动态加载相应的齿侧间隙和铣床型号，”计算参数”按钮也同时变亮。继续点击”计算参数”，当所有的验证都通过后，”显示结果”和”继续输入其他相关参数”同时变亮，继续计算其他参数。4.2摆线齿锥齿轮设计计算部分4.2螺旋锥齿轮主动轮安装形式可分为悬臂式和骑马式两种：（1）悬臂式安装悬臂式安装的/J、轮两个轴承之间的距离最少应等子2倍的悬臂长度悬臂长度是指前轴承中心到小轮齿面宽中点之间的距离.小轮要有足够的刚性，在重负荷下变形要小.悬臂式安装一般用在扭矩较小的场合如小客车及链型载重汽车上.齿轮刚性好的载重汽车中也有应用。（2）骑马式安装当壳体中的空间允许时，应当设计成骑马式安装，的布置可以减小在负荷作用下小轮的变形.骑马式安装小轮必须有前轴颈，设计小轮前轴颈时应考虑到铣齿刀具和工件的干涉，骑马式安装设置得当，则可以提高齿轮承载能。要设计一对摆线锥齿轮，首先遇到的问题就是基本参数的选择。在锥齿轮设计中，齿形参数可谓其最重要的参数。而且这些参数的选取和检验等都有其严格的参数设计规范。软件中参数的输入均采用对话框的形式。用户可以任意输入，但软件可以判别所输入的参数是否合法。以基本几何参数计算对话框中轴交角参数输入为例：轴交角的值程序中可接受的首先必须是数字，而且要求是在0～180之间的。可利用ASCII码来控制其输入。在轴交角参数输入文本框控件的KeyPresss和LostFocus方法中编制。当输入不合理的参数是，程序会给出相应的提示。如图4-4所示。PAGE54在软件中主要检验输入的参数是否合理，而不加过于苛刻的限制，否则将影响软件的适用范围。参数经检验合理后通过变量传递到后续的模块中。齿轮几何参数计算模块又可分为如下几个小模块：初始参数输入模块、确定模数和齿宽及基本几何参数计算模块、刀盘参数选择模块、迭代求解变位系数模块、齿形系数计算模块、几何参数可行性检验计算模块。由于这些模块中的参数并不是按照先后顺序设计的，而是经过交互反复试算后得到。在模块设计过程中，充分考虑各种情况安排各个参数的计算顺序，使用户与计算机交互的完成参数的计算。几何参数计算及检验模块的流程如图4-5所示。（1）刀盘参数选择模块在刀盘参数选择模块设计时，将各型号机床的刀盘参数整理在一个数据库中，通过程序判断选择刀盘参数。刀盘参数的确定包括三个步骤，铣齿机型号的确定，刀盘半径的确定和刀齿模数的确定。铣齿机型号可以通过点击程序提供的铣齿机型号组合框来选择。当选定铣齿机型号后，程序会自动加载其对应的刀盘半径的值到刀盘半径组合框中，使用者可以通过鼠标点击选择合适的刀盘半径值，当铣齿机型号确定后，再进一步结合被加工齿轮的参考点法向模数确定刀齿的模数。数据库采用比较常用的Access小型数据库，通过结构化查询语言SQL来浏览选择数据。数据库操作的部分程序如下：当铣齿机的型号，刀盘半径和刀齿组数确定后，则确定了一个刀盘，也确定了刀盘所能加工的模数范围。程序会自动检验被加工齿轮的模数是否在刀盘的可加工模数范围内，若不在此范围，会给出相应的提示，若在此范围内，则根据刀齿模数与被加工齿轮参考点法向模数相近的原则，自动选定刀齿模数，这样所有刀盘参数就确定了。刀盘参数确定后，需进一步检验所选定的参数是否合理，既是否能够实现所设计齿轮的加工。当程序检验到参数选择不合理时，会根据不同的情况给出相应的提示如图4-6和图4-7所示。出现如图4-6所示提示的原因是在选择刀盘半径确定刀齿模数时，相应的刀盘半径所对应的刀齿模数不能包涵被加工齿轮的模数，即无法实现加工，这时可按照提示增大刀盘半径重试即可。出现如图4-7所示提示的原因是在参数检验过程中，发生了刀盘干涉，可根据提示增大刀盘半径重新计算。另外考虑到加工的经济性和得到最佳的齿形，在选择刀盘半径时也由第3章公式（3-1）限定了一定的范围，所以在选择过程程序有可能会给出刀盘过大的提示。刀盘参数最终确定后，程序自动调用其它模块完成几何参数的计算。PAGE54（2）变位系数迭代计算模块在第3章中已经讨论了摆线锥齿轮切向变位系数和高变位系数的选择计算方法，本节根据其算法编制相应的迭代计算程序。程序会根据所设计齿轮的参数判断是否需要变位，高变位系数是根据齿轮相配两齿轮齿顶和齿根滑动率绝对值之和相等的准则进行判断计算的，当程序经过计算判断需要变位时，给定一个高变位系数的初值，进一步利用牛顿迭代法计算高变位系数的终值，并计算不发生根切的最小高变位系数，结合最小高变位系数最终确定。切向变位系数是在高变位系数确定后进一步详细计算的。依据齿形系数相等的原则经过多次迭代计算得到。变位系数计算程序的流程图如图4-8所示。（1）克林根贝格锥齿轮的基本参数克林根贝格锥齿轮几何参数计算的原始参数见，程序界面。这些参数是锥齿轮进行尺寸计算的必要参数，都在程序的参数输入界面上体现了出来。对于高变位系数X1和切向变位系数Xt1的计算将在下面详细介绍。表5-1几何参数计算的原始参数（2）高变位系数和切向变位系数的计算高变位系数的计算要通过迭代计算锥齿轮参考点法面当量齿轮的滑动率来得到，锥齿轮参考点法面当量齿轮的滑动率公式如下所示：表5-2锥齿轮参考点法面当量齿轮的滑动率计算公式其中：βm为参考点螺旋角；αn为法向压力角；ha*为齿顶高系数克林根贝格锥齿轮高变位系数的准则是：相配两齿轮齿顶和齿根滑动率绝对值之和相等，即ηa1+|ηf2|=ηa2+|ηf1|按照公式进行迭代计算。因为公式计算并不能做到绝对的相等，我们设定一个条件，设ζ1k=ηa1+|ηf2|，ζ2k=ηa2+|ηf1|，当|ζ1k-ζ2k|<0.001的时候跳出迭代，得到X1的值。当经过迭代得到X1后，还要进行小轮根切校核，由得到小轮小端法面当量齿轮齿数eq\o(\s\up5(-0.070),\s\do5(-0.210))eq\o(\s\up5(-0.070),\s\do5(-0.210))EQ\0(\s\up5(u),\s\do5(d)：其中：βi为小端螺旋角于是小轮最小高变位系数为：其中：mni为小端法向模数；Δδ为分锥角修正量PAGE54当X1min≤X1时，X1保持不变，当X1min>X1时，取X1=X1min。克制锥齿轮以大小两齿轮的齿形系数相等为条件，通过迭代计算初切向变位系数Xt1值，具体公式表(5-3)所示。表5-3摆线齿轮齿形系数计算正像上面所说的那样，高变位系数和切向变位系数是通过一系列的公式进行迭代，满足条件后跳出迭代，最终求得值。通常是由用户输入初值，程序根据这个值进行迭代。我们分别设定Δζk=|ζ1k-ζ2k|，ΔYFa=|YFa1-YFa2|。（3）克林根贝格锥齿轮部分检验根据刀盘无干涉条件和判断是否干涉，如有刀盘干涉则跳出提示信息(图5-13)，并显示、、r0+ha0tanαn的具体值，重新选择名义半径r0的刀盘，进行重新计算。当小轮小端法面当量齿轮齿顶厚sai1<0.3mn，认为小轮齿顶变尖，需要在小轮顶锥面小端倒坡，切去齿顶变尖的部分，形成双顶锥面。对于倒坡宽度bk的求解，首先要用迭代的方法求出倒坡后小轮小端顶圆直径dvak，dvak的初值选用sai1=0.3mn时小轮小端法面当量齿轮的顶圆直径dvak=dvani1-2mnK，其中，j为迭代次数，当j＝1时，Kj=0，dvak=dvani1当j>1时，由图5-15得到(5-6)迭代求解dvak值时，要求Δsai1=sak-0.3mn>0或|Δsai1|>10-3。然后在根据表计算最后的倒坡宽度。在小端齿顶倒坡后程序会显示倒坡条件中的参数值，确认倒坡的条件。4.2齿轮强度校核模块的设计克林贝格摆线锥齿轮强度校核计算涉及到的公式、工况、系数等情况特别复杂，若凭人工计算，查图表获得各个系数相当的费时，本文编制了强度计算模块来完成齿轮强度的检验计算。程序中整理了强度计算过程中用到的材料、应力、硬度及其它的系数信息，设计了不同的数据表存放于一个Access数据库中，方便程序调用。尺轮材料的疲劳极限、硬度信息一般以图表的形式给出，程序中采用试验齿轮在失效概率为1%时的接触疲劳极限和弯曲疲劳极限对齿轮的PAGE54强度进行校核。在这一试验条件下得到的材料的硬度与应力的关系呈线性关系，如图4-9所示，所以比较容易将其数据化，以此图为例说明图表数据化的过程。取如图4-9所示取值线上的两个点，标明其HBS-σFlim坐标，见表4-1。利用两点建立一个直线方程，当材料确定，材料硬度确定时，就可以方便的确定极限应力的值。当然数据库中的数据不能简单的以这种方式存放，必须结合相应的材料信息和将常用齿轮的材料及热处理方式进行分类，整理存放在数据库中，结合其它的要求和计算公式完成强度检验计算。程序中采用以MicrosoftJet引擎为基础的数据访问对象DAO（DataAccessObject）方式访问数据库，数据的提取和选择通过结构化查询语言SQL完成。另外齿轮的工况设置尽量以选项的形式给出，需要输入的数据给出一个默认值给用户提供引导的功能，如图4-11所示。同样齿轮强度检验模块也包括几个小模块：齿轮副的受力分析模块，完成轮齿的受力分析并记录数据；齿轮材料选择模块，确定齿轮的材料，便于进一步的强度检验计算；齿轮工作要求确定模块，确定齿轮的工况，以便确定强度检验检验计算过程中的各个系数；精度等级确定模块，确定齿面的精度等级；齿面接触强度校核模块，进行齿面强度检验计算；齿根弯曲强度校核模块，齿根弯曲强度检验计算。我国颁布过GB1062－1988锥齿轮承载能力计算方法和GB1136－1989锥齿轮胶合承载能力计算方法。对于直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的承载能力计算，以美国格利森法为基础的AGMA标准仍被广泛应用。“奥”制摆线锥齿轮和准双曲面齿轮则利用CDS软件计算，该软件采用了NicmannG.的强度计算法。克林根贝格公司制定了摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮强度计算标准KN3030。用这4种方法计算同一对锥齿轮的承载能力，得到的结果一般是不同的。为使各种齿轮的锥齿轮和准双曲面齿轮有可比性，国际标准化组织于2000年提出ISO/FDIS10300锥齿轮承载能力计算标准修订草案。本系统采用ISO/FDIS10300的B1法，对摆线齿锥齿轮进行接触强度和抗弯强度校核。这种计算方法与GB10062-1988和KN3030接近，但比前者新颖，比后者完善。其程序流程图如5-13所示。图5-13克制齿轮强度校核流程图强度校核原始参数的输入界面如图5-7所示，根据齿轮的设计要求在参数输入的界面上对最小安全系数参考值，包括许用接触强度最小安全系数和许用抗弯最小安全系数进行选择(图5-14)。图5-14最小安全系数参考值界面PAGE54(5-7)其中：σHlim为试验齿轮的接触疲劳极限；ZNT为接触疲劳寿命系数；ZX为尺寸系数；ZL为润滑剂系数系数；ZV为速度系数；ZR为粗糙度系数；ZW为工作硬化系数；σHO为齿面计算接触应力基本值；KA为使用系数；KV为动载系数；KHβ为接触强度计算的齿向载荷分布系数；KHα为接触强度计算的齿间载荷分布系数；求得接触强度计算安全系数，由公式(5-8)其中：σFlim为试验齿轮的弯曲疲劳极限；YST为试验齿轮应力修正系数；YNT为弯曲疲劳寿命系数；YδrelT为相对齿根圆角敏感系数；YrelT为相对齿根表面状况系数；YX为尺寸系数；σFO为齿根应力基本值；KFβ为弯曲强度计算的齿向载荷分布系数；KFα为弯曲强度计算的齿间载荷分布系数；求得弯曲强度计算安全系数，并分别和相应的最小安全系数进行比较，如果大于相应的最小安全系数，那么强度校核合格，否则重新调整几何参数或者直到能符合齿轮的设计要求。PAGE544.2切齿调整计算参考文献[2]的计算方法进行。该模块直接调用参数计算模块中计算得到的齿轮几何参数，再在如图4-13所示的切齿调整对话界面中输入相关的刀盘尺寸和机床的基本参数，程序会自动完成刀位偏心角、刀盘安装角、偏心距调整量、展成起始摇台角、展成终止摇台角、轮坯安装角、分度及差动交换齿轮比等切齿调整参数的计算，并记录输出计算数据。克林根贝格锥齿轮加工特点克林根贝格公司推行的AMK系列机床和刀具系统，专门用来加工克林根贝格螺旋锥齿轮。就其加工设备和加工方法而言，克林根贝格制螺旋齿轮的主要加工特点如下：(1)连续分度法加工，精度高，效率高；(2)采用平面产形轮原理加工，避免了对角接触，机床的调整及调整计算方便；(3)刀盘的规格及数量小，覆盖范围大；(4)鼓型齿接触，接触区修正方便及有较大的接触区修正能力；(5)可以进行硬齿面强力刮削，提高齿轮精度及表面光洁度；(6)无接触区扩散。克林根贝格公司现在又研究了九轴的CNC控制螺旋锥齿轮加工机床，由驱动电机直接带动执行元件，消除了由于传动链长而增加的中间环节误差，大大提高了机床的加工精度和制造柔性，可以说是万能机床，它可通过CNC技术得到想要切削的任意齿制的齿轮副。克林根贝格锥齿轮主要机床参数及计算流程克林根贝格AMK系列铣齿机，都用连续分度双面铣齿展成加工摆线齿锥齿轮。刀轴不倾斜。其中某些型号铣齿机可用于硬齿面刮削。由于AMK铣齿机缺微机控制系统，需要由人工调整九个主要参数，确定齿坯与刀具的相对位置和相对运动。九个参数大致可以分成五组：(1)刀盘和轮坯的相对运动AMK型铣齿机，按刀位组数和被加齿轮数确定由刀盘到轮坯传动链中分度交换齿轮比，保证刀盘转过一组齿时，冠轮和轮坯各转过一个齿，实现连续分度。(2)摇台位置及展成进给PAGE54用展成法铣齿时，摇台转动，需要确定展成起始和终止的摇台角；AMK型铣齿机，通过调整差动交换齿轮比，将摇台转动按一定的关系附加到冠轮和齿坯上，形成展成运动；摇台的转动为展成进给运动。粗铣无展成切入铣齿时，需要确定切入摇台角。(3)切入进给调切入进给控制切入深度。对于模数较大的齿轮，一般先锁住摇台，用切入进给连续分度铣齿法开槽，然后再用展成法精铣。(4)刀位位置调偏心盘的角度确定刀位，即内刀盘轴线至摇台轴线的距离；调外刀盘偏心距确定刀盘安装角，从而确定外刀盘与内刀盘回转中心的偏距。(5)轮坯位置调轮坯安装角控制台去确定轮坯安装角；调刀位控制台确定轮位；调垂直轮位确定垂直轮位。机床调整参数计算流程图如下所示：图5-15机床调整参数计算流程图4.3摆线齿锥齿轮CAD二维图纸设计（单列一章）4.4摆线齿锥齿轮实体仿真的实现（单列一章）4.5设计结果的显示、打印和输出采用MSHFlexGrid控件和RichTextBox控件实现数据的显示，并可以将设计数据保存为Excel文件和纯文本文件。4.6数据库系统VB具有面向对象化关系型数据库的创建和管理能力，可以有效地实现对数据库的操作。软件采用以MicrosoftJet引擎为基础的数据访问对象DAO（DataAccessObject）方式管理访问数据库。数据库中存放了齿轮设计计算过程中用到各型号刀盘的参数、经验数据、精度等级等数据以及数据化了的材料、应力、硬度等图表信息，数据的查询和获取主要利用结构化查询语言SQL来实现。4.7程序的封装和发布问题PAGE545摆线齿锥齿轮CAD图形系统设计过程5.1锥齿轮软件设计模块与AutoCAD绘图平台的通信5.1.1AutoCAD与ActiveXAutomationAutoCAD作为一种具有高度开放结构的CAD平台软件，它提供了强大的二次开发环境。从AutoCADR14版开始，AutoCAD引入了ActiveXAutomation技术。AutoCAD的ActiveX自动化是微软制定的一种实现程序间通信、调用的软件复用规范。由于ActiveX技术是一种完全面向对象的技术，所以许多面向对象化编程的语言和应用程序，可以通过ActiveX与AutoCAD进行通信，并操纵AutoCAD的许多功能。Automation技术允许一个应用程序操纵在另一个应用程序中实现的对象，从而可以被操纵。操纵程序被称为客户，而被操纵程序称为服务器，被操纵的对象是Active对象。ActiveXAutomation由客户程序和服务器程序组成，客户程序是操纵者与控制者，服务器程序是被控制者，它包含了一系列的暴露对象。只要服务器程序提供一定的接口，可以使任何对象实现自动化。对象包含了一些外部接口，它们被称为方法与属性。方法是自动化对象的一些函数，它们是提供给客户程序的外部公共成员函数。属性是一个对象的一些命名特征，即对象的一些公有数据域。Automation服务器和客户之间数据传递的安全机制比较复杂，它一般使用Variant类型传递数据，它支持许多标准数据类型。AutoCADActiveXAutomation提供了一种程序化的机制来操纵AutoCAD，这种操作既可以是在AutoCAD内部，也可以是来自AutoCAD外部的。图形象地表示出AutoCAD将一些Objects(对象)裸露在AutoCADApplication程序的外部，以便于其他程序访问。用户可以使用AutoCAD自带的VBA编辑器来访问，也可以通过Java，C++，VisualBasic，Delphi等访问，甚至还可以用WordVBA、ExcelVBA来访问。5.1.2VisualBasicVisualBasic与AutoCAD的连接使用的是COM技术。AutoCAD作为服务程序，其暴露给客户程序VB的对象、属性和方法保存在类型库中，库文件名为acad.tlb，位于AutoCAD的目录中。VisualBasic在使用AutoCAD应用程序对象之前，要先引用它的类型库。引用的方法是在VB编程界面的引用对话框中选择AutoCAD2006ObjectLibrary。如果该项没有列出，单击”浏览”PAGE54，在打开的文件对话框中选择acad.tlb文件（位于AutoCAD2006安装目录下）即可。在完成对类型库的引用后，需进一步完成VisualBasic与AutoCAD的连接。所以要同时用到GetObject函数或CreateObject函数来获得ActiveX对象，然后使用Set语句将对象赋给对象变量，在程序代码中使用定义的对象变量就可以引用该对象。实现VisualBasic与AutoCAD之间连接的程序代码如下：PrivateSubLinkAutoCAD()OnErrorResumeNext'获得正在运行的AutoCAD应用程序对象SetAcadApp=GetObject(,"AutoCAD.Application.16")IfErrThenErr.Clear'创建一个新的AutoCAD应用程序对象SetAcadApp=CreateObject("AutoCAD.Application.16")IfErrThenMsgBoxErr.DescriptionExitSub