【正文】 70 1 基于 UG 的二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)齒輪 參數(shù)化設(shè)計(jì) 學(xué)生： 江風(fēng) 指導(dǎo)教師： 王祥 機(jī)械與材料學(xué)院 摘要 ： 漸開線 齒輪是機(jī)械傳動(dòng)中 的 常用零件 ,由于齒形輪廓復(fù)雜 ,其參數(shù)化設(shè)計(jì)困難 。 本課題基于 Unigrphics 二次 開發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用其 UG/Open API 開發(fā)工具和 VC++ 開發(fā)環(huán)境對(duì)漸開線 齒輪三維參數(shù)化造型系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 在 研究了 Unigrphics 與 應(yīng)用程序 的 接口UG/Open API 的 基礎(chǔ) 上， 引入?yún)?shù)化 建模 的思想， 基于 UG 構(gòu)建了 漸開線 齒輪的三維參數(shù)化造型系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有 友 好的 用戶 界面 ，能方便地進(jìn)行齒輪的三維參數(shù)化建模 。 Abstract: Helical gear is a part in mechanical drives in mon use,while because of its plex tooth profile, it is difficult to conduct parameterized this paper, the 3D parametric modeling system for helical gear is researched using the UG/Open API and VC++ based on Unigrphics secondary development. By researching the interfaceUG/Open API between the Unigrphics and application procedures, the 3D parametric modeling system for typical gear is constructed based on Unigrphics and the concept of parametric modeling. This system has friendly user interface, can conveniently construct 3D parametric model of helical gear. 關(guān)鍵詞 ： 齒輪 ； 參數(shù)化建模 ； 二次開發(fā) ； Unigrphics Keywords: Gear。 Parametric modeling。 Secondary developing。 Unigrphics 70 2 前言 日益激烈的市場競爭 ,迫切要求企業(yè)具備快速響應(yīng)市場的能力 ,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中 ,零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的有效途徑。 U G是市場上優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)軟件 ,它是集 CAD/ CAE/CAM于一體的軟件集成系統(tǒng) ,其功能覆蓋了整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程 ,即從概念設(shè)計(jì)、功能工程、分析到 制造的過程。但是沒有一個(gè) CAD系統(tǒng)能夠完全滿足用戶的各種需求 ,因此主流的 CAD軟件都提供二次開發(fā)工具和用戶定制功能。目前 ,關(guān)于 CAD應(yīng)用的 UG二次開發(fā)方面的研究逐漸推廣開 來 ,UGS 公司提供了一個(gè)開放的二次開發(fā)平臺(tái) ,軟件用戶或者第三方開發(fā)商在其基礎(chǔ)上進(jìn)行客戶化的開發(fā) ,如上海同捷數(shù)字化技術(shù)有限公司開發(fā)的 Gear Engineering Wizard 等。 UG 軟件是現(xiàn)在市場上比較成熟的三維建模軟件 , 但是對(duì)于復(fù)雜的零件來說 , UG 本身因功能復(fù)雜，往往在生產(chǎn)中操作顯得繁瑣，加上許多企業(yè)對(duì)其的應(yīng)用一般只限于若 干應(yīng)用模塊，不需要全部的功能，企業(yè)也有許多通用件、常用件、標(biāo)準(zhǔn)件，也不必每次都進(jìn)行重復(fù)的設(shè)計(jì)操作 ， 單純的使用軟件本身所帶的工具已經(jīng)無法滿足客戶的需求 , 如漸開線的繪制就很難達(dá)到精確繪制的目的。 考慮到這些， UG 專門提供了多種二次開發(fā)工 具，供企業(yè)根據(jù)自身特點(diǎn)，開發(fā)用戶自定義模塊 。 目前 , 國內(nèi)外有不少學(xué)者對(duì) UG平臺(tái)下齒輪參數(shù)化建模進(jìn)行了研究 , 但通常采用的方法是表達(dá)式生成法和創(chuàng)建模板零件。本文提出了一種在 , 采用自身的編程語言 UG/Open API, 調(diào)用 UG造型函數(shù)來實(shí)現(xiàn)漸開線的繪制 , 達(dá)到 提高設(shè)計(jì)效率的目的。 目前 , 常用的利用 UG二次開發(fā)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法分為圖形交互設(shè)計(jì)和編程方法兩種。圖形交互設(shè)計(jì)是指在現(xiàn)有的參數(shù)化 CAD系統(tǒng)環(huán)境下 , 通過交互操作來完成產(chǎn)品的參數(shù)化模型設(shè)計(jì) , 是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可缺少的方法。編程方法是指在現(xiàn)有的 CAD系統(tǒng)基礎(chǔ)上 , 利用二次開發(fā)接口、高級(jí)語言和數(shù)據(jù)庫等相關(guān)技術(shù) , 來定義產(chǎn)品的參數(shù)化模型 , 并支持對(duì)參數(shù)化模型的建立、管理和使用 , 它是一種高級(jí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。本文將采用編程的方法實(shí)現(xiàn)齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)。利用 UG/Open API、 UIStyler 和 MenuScript進(jìn)行菜單和界面設(shè)計(jì) , 使用戶有一個(gè)良好直觀的操作環(huán)境 , 通過 VC++ 建立齒輪的人機(jī)交互界面 。 本文根據(jù)上述基本情況，針對(duì)漸開線齒輪進(jìn)行參數(shù)化建模，并利用 UG二次開發(fā)工具UG/Open API、 UIStyler 和 MenuScript對(duì)其進(jìn)行對(duì)話框的設(shè)計(jì)和菜單文件的添加，以達(dá)到本課題所要求的基于 UG的二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)齒輪 的 參數(shù)化設(shè)計(jì) 的目的。 70 3 1 緒 論 Unigraphics 簡介與發(fā)展現(xiàn)狀 Unigraphics(簡稱 UG)是美國 Unigraphics Solutions公司五大主 要產(chǎn)品 (UG， Parasolid，iMAN， Solid Edge， ProductVision)之一，以 CAD/CAE/CAM一體化而著稱。其主要具有如下優(yōu)勢(shì) : (1)可以為機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)以及電器設(shè)計(jì)單位提供一套完整的設(shè)計(jì)、分析和制造方案。 (2)UG是一個(gè)完全的參數(shù)化軟件，為零部件的系列化建模、裝配和分析提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)支持。 (3)可以管理 CAD數(shù)據(jù)以及整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期中所有相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)逆向工程和并行工程等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。 (4)可以完成包括自由曲面在內(nèi)的復(fù)雜模型的創(chuàng)建，同時(shí)在圖形顯示方面運(yùn)用了區(qū)域化 管理方式，節(jié)約系統(tǒng)資源。 (5)具有強(qiáng)大的裝配功能，并在裝配模塊中運(yùn)用了引用集的設(shè)計(jì)思想，為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源提出了行之有效的解決方案，可以極大地提高設(shè)計(jì)效率。 UG軟件自 1990年進(jìn)入中國市場，經(jīng)過十余年的發(fā)展，目前國內(nèi)用戶已近千家。國內(nèi)許多大型企業(yè)、公司均采用 UG作為其產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的支撐軟件。國內(nèi)外關(guān)于 UG應(yīng)用包括兩種類型，一是直接利用 UG軟件進(jìn)行產(chǎn)品的建模、分析、制造，二是在 UG平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)。具體應(yīng)用有以下幾類。 1 開發(fā)用戶自定義模塊進(jìn)行快速建模 UG現(xiàn)有的建模功能完全能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零件的建模要求， 快速建模的目的是提高建模速度以縮短產(chǎn)品的整個(gè)研制周期。快速建模通常是針對(duì)某一復(fù)雜零件。這類零件的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)參數(shù)多，各參數(shù)滿足一定的函數(shù)關(guān)系，從設(shè)計(jì)參數(shù)向結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)化需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。通常的設(shè)計(jì)方法是 :首先根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算出結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后用 UG軟件建模。這種方法的缺點(diǎn)是 :模型生成速度慢且不易修改設(shè)計(jì)。一旦調(diào)整某一設(shè)計(jì)參數(shù)，則牽一動(dòng)全身，模型所有結(jié)構(gòu)參數(shù)均可能改變 。建模就得從頭開始。如果利用 UG/Open API或UG/Open GRIP創(chuàng)立用戶程序，使設(shè)計(jì)計(jì)算和 UG建模集成在一起，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、建模的自動(dòng)化，則 建模速度將大大提高，改動(dòng)設(shè)計(jì)也十分方便，非常適合系列化零件的建模設(shè)計(jì)。有些模型的生成是以實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，則可通過用戶程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理，最后建立模型。 2 建立用戶參數(shù)圖庫 70 4 UG 軟件沒有標(biāo)準(zhǔn)零件庫，更沒有具體行業(yè)的專用零件庫，而具體行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)總是經(jīng)常會(huì)用到標(biāo)準(zhǔn)件、相似件。若每次設(shè)計(jì)對(duì)每一零件均從頭開始建模，則要做許多重復(fù)性的工作。建立用戶參數(shù)圖庫即是把常用的標(biāo)準(zhǔn)件、結(jié)構(gòu)相似件建成特征庫，使用時(shí)只需輸入確定參數(shù)，直接調(diào)用，提高建模速度。 3 建模與分析的用戶集成 UG 軟件本身帶有建模和分析 模塊，若要對(duì)模型進(jìn)行分析，通常先在建模模塊中建立模型，然后切換到分析模塊中進(jìn)行分析，如果模型需要不斷改變，則設(shè)計(jì)過程要在建模與分析模塊之間反復(fù)切換。并且分析過程是固定的標(biāo)準(zhǔn)過程，用戶無法提取計(jì)算過程數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化控制，用戶的特殊要求沒有途徑實(shí)現(xiàn)。利用 UG/Open API或 UG/Open GRIP 可以實(shí)現(xiàn)建模與分析的用戶集成，也可實(shí)現(xiàn)分析過程的用戶化。 4 CAD/CAPP/CAM集成 UG 軟件不含零件的工藝設(shè)計(jì)功能。在 CAD/CAPP/CAM 集成系統(tǒng)中，利用UG/Modeling和 UG/Manufacturings功能實(shí)現(xiàn)零件建模和刀具軌跡生成，再利用 UG/Open API 功能增加工藝特征定義。 CAPP系統(tǒng)則利用 UG/Open API功能讀取 UG模型數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝過程決策處理。集成系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)完成必要數(shù)據(jù)的傳遞及工藝規(guī)程的保存、發(fā)送，為生產(chǎn)現(xiàn)場提供工藝準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。 5 UG的專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng) (Expert System)是問題求解的智能軟件系統(tǒng) 。在某一專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，把有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成計(jì)算機(jī)能夠接受和處理的符號(hào)形式，采用專家的推理方法和控制策略 。解決該領(lǐng)域中只有專家才能解決的問題并達(dá)到專家級(jí)水 平。 基于 UG的專家系統(tǒng)研究，利用 UG/Open API和 UG/Open GRIP編程，針對(duì)具體零件或簡單系統(tǒng)，建立知識(shí)庫、推理機(jī)、解釋系統(tǒng)等專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，把專家系統(tǒng)和 UG 結(jié)合起來，在建模、分析、制造過程中隨時(shí)得到專家級(jí)的指導(dǎo) .提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量 。 本課題的研究 目的 與意義 本課題的研究目的 齒輪作為最重要的基礎(chǔ)傳動(dòng)部件被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石化、煤炭、水電等行業(yè)。在齒輪設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中 ,需要大量的分析、繪圖工作 ,采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可徹底改變過去依靠手工繪圖時(shí)的效率低、易出錯(cuò)等局 面 ,使齒輪設(shè)計(jì)人員借助計(jì)算機(jī) CAD/CAM技術(shù) 可迅速、高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的確定、比較、分析和繪圖 ， 為生產(chǎn)企業(yè)以高技術(shù)、高質(zhì)量、低成本占領(lǐng)市場提供技術(shù)保障。 Unigraphics是當(dāng)今世界上最流行的三維 CAD軟件之一，其功能十分強(qiáng)大，具有很多70 5 模塊可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、模具、汽車、造船、通用機(jī)械、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和電子工業(yè)等行業(yè)。 同眾多的 CAD軟件一樣，它也具備二次開發(fā)功能，UG的二次開發(fā)工具有兩個(gè)模塊，分別是 UG/OPEN GRIP和 UG/OPEN API。 但是由于在 UG 中 建模 過程比較復(fù)雜，特別是像齒輪零件特征較多，外型輪廓復(fù)雜，要想快速的建立模型比較困難 ， 需要用戶對(duì) UG 的功能十分熟悉。由于齒輪 的 結(jié)構(gòu)型式是固定的，不同的型號(hào)之間可能只有細(xì)微的差別，因此，可以建立參數(shù)化模型，通過改變其參數(shù)，派生出外型相同的不同尺寸要求的零件。 因此本課題 將 基于 UG 軟件 ，利用 UG 提供的二次開發(fā)包 UG/Open API 和 VC++ 編程， 建立一種 齒輪零件 快速 參數(shù)化建模 系統(tǒng) ， 能夠 方 便改變模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)友好的參數(shù)化交 互 界面， 充分發(fā)揮計(jì)算機(jī) 繪圖的準(zhǔn)確 和快速性 ，同時(shí)發(fā)揮 本系統(tǒng)的專業(yè)性， 提高效率， 減少重復(fù)性 勞動(dòng)。 本課題的研究意義 本 課題 主要針對(duì)漸開線圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)而進(jìn)行的 ， 可 顯著 地提高設(shè)計(jì)的精度和效率。 漸開線齒輪是各種機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中常用的零件 ， 在設(shè)計(jì)制造中工程設(shè)計(jì)人員經(jīng)常需要對(duì)齒輪齒形進(jìn)行精確的造型。由于其復(fù)雜性 ,有一些軟件 (如 SolidWorks， AutoCAD）沒有提供齒形的精確造型功能。 UG 作為通用三維 CAD/CAM 系統(tǒng)在功能上完全能夠滿足機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求 ， 但是在系統(tǒng)操作的人性化和易用性方面并非完全盡人意。為此 ，本文應(yīng)用了 UG 的開發(fā)工具的開發(fā)接口 ,開發(fā)了基于 UG 的漸開線齒輪參數(shù)化 設(shè)計(jì)系統(tǒng) ，來解決齒輪精確造型方面的難題。系統(tǒng)的開發(fā)具有如下意義 ： （ 1） 保證了齒形造型的精確性。 （ 2） 造型速度快 ， 避免了手工造型的復(fù)雜繁瑣過程。 （ 3）為后續(xù)的齒輪 CAE、 CAM等提供了精確的三維實(shí)體。 （ 4） 對(duì) UG 二次開發(fā)的有益探索。 UG 二次開發(fā)的基本思路與方法 UG 二次 開發(fā)的基本思路 本 系統(tǒng)開發(fā) 的基本 思路 是，在 UG 中建立齒輪零件的三維參數(shù)化模型，在 UG 自身提供的 UG/Open API 的編程接口基礎(chǔ)上，利用 VC++編寫的 UG/Open API 程序，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)得到當(dāng)前模型參數(shù)變量，并且根據(jù)用 戶界面輸入的參數(shù)，更新當(dāng)前模型，得到一個(gè)新的派生模型。 UG 二次 開發(fā)的 工具和 基本方法 1） UG二次開發(fā)工具 70 6 UG本身因功能復(fù)雜，往往在生產(chǎn)中操作顯得繁瑣，加上許多企業(yè)對(duì)其的應(yīng)用一般只限于若干應(yīng)用模塊，不需要全部的功能，企業(yè)也有許多通用件、常用件、標(biāo)準(zhǔn)件，也不必每次都進(jìn)行重復(fù)的設(shè)計(jì)操作?？紤]到這些， UG專門提供了多種二次開發(fā)工具，供企業(yè)根據(jù)自身特點(diǎn)，開發(fā)用戶自定義模塊。用戶自定義特征是 UG提供的造型特征之一，其 可提供一個(gè)三維實(shí)體的若干特征，形成一個(gè)特征集，并入庫，這個(gè)庫是依賴于 UG而存在的。 UDF 是 UG實(shí)現(xiàn)參數(shù)化快速設(shè)計(jì)與零件建庫的一個(gè)重要模塊。適合于不太復(fù)雜的零件，特別是不同零件之間有部分特征類似，只是尺寸、組合或位置不同的場合。其突出的是特征的自由導(dǎo)出，與調(diào)入的重新組合，故在變參變結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)