Pro/TOOLKIT與VC++的減速器參數化設計系統二次開(kāi)發(fā)

　　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(guò)“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(kāi)發(fā)工具，創(chuàng )建了各主要零部件的參數化設計對話(huà)框，在此基礎上，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫方式成功開(kāi)發(fā)出了基于Pro/E的人機交互主界面，增強了減速器產(chǎn)品設計的靈活性，為減速器參數化通用設計平臺的實(shí)現奠定了基礎。

　　引言

　　隨著(zhù)CAD/CAE/CAM技術(shù)的飛速發(fā)展，三維造型、參數化設計和虛擬現實(shí)技術(shù)等新概念、新方法已滲透到工程設計領(lǐng)域，使傳統的結構設計模式正在發(fā)生深刻變化。減速器是一種典型的傳動(dòng)裝置，在機械、汽車(chē)、電子、航空航天等領(lǐng)域被廣泛應用。減速器結構復雜，研發(fā)過(guò)程涉及多個(gè)零部件的設計、制造及裝配，傳統方法只是一種針對固定結構尺寸的單一設計模式，一旦涉及到減速器的結構改進(jìn)或產(chǎn)品改型，這種固有的設計模式不僅會(huì )大量地增加成本和人工，而且不能在較短時(shí)間內響應市場(chǎng)要求，在一定程度上制約了企業(yè)利潤的增長(cháng)。為了使減速器的設計更具靈活性，更好的適應產(chǎn)品改型及市場(chǎng)要求，本文以Pro/E提供的二次開(kāi)發(fā)工具Pro/TOOLKIT為平臺，在Visual C++環(huán)境下進(jìn)行編程，成功開(kāi)發(fā)出了一套基于Pro/E的減速器參數化設計人機交互界面。

1、參數化設計基本思路

　　參數化設計是一種使用幾何參數快速構建和修改產(chǎn)品結構模型的方法。通過(guò)參數化設計技術(shù)，只要改變一個(gè)或多個(gè)重要參數就可以實(shí)現模型的更改和重建，與傳統設計方法相比，參數化設計最大的不同在于存儲了整個(gè)設計過(guò)程，能設計出一族而不是單一的產(chǎn)品模型。

　　Pro/E最早提出的全參數化設計(單一數據庫)理念一直沿用至今，同時(shí)也被多款三維設計軟件所借鑒，如UG、SolidWorks等。Pro/E具有十分強大的參數化設計功能，其主要特點(diǎn)是全數據相關(guān)、尺寸驅動(dòng)設計修改、全尺寸約束。對于單一零件實(shí)體，可通過(guò)修改一個(gè)或多個(gè)設計參數來(lái)實(shí)現模型的驅動(dòng);對于由多個(gè)零部件組成的機械系統，可通過(guò)設立關(guān)系式及編寫(xiě)程序對其進(jìn)行參數控制，從而實(shí)現對于裝配體的參數化設計。

圖1 參數化設計基本原理

　　如圖1所示，Pro/E參數化設計的基本原理是采用三維模型與程序控制相結合的方式，在已有零件三維模型(原始模型)基礎上，根據設計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計參數，同時(shí)建立模型參數數據庫，并在Relation命令下定義各參數的約束關(guān)系。模型的重建不是由程序控制的，而是通過(guò)人機交互方式生成。利用Pro/E提供的用戶(hù)化工具箱Pro/TOOLKIT開(kāi)發(fā)出可視化用戶(hù)界面，然后參數化程序對模型的設計參數進(jìn)行編程，通過(guò)交互對話(huà)框實(shí)現模型數據的檢索、修改和更新，最后生成新的模型。

2、二次開(kāi)發(fā)流程

　　2.1、參數化設計的實(shí)現

　　要實(shí)現模型的參數化驅動(dòng)，首先必須建立一個(gè)模型樣板，對其設置合理的參數，并對這些參數進(jìn)行命名和初始賦值，通過(guò)正確分析模型各參數之間的關(guān)聯(lián)性來(lái)定義參數驅動(dòng)關(guān)系，最后存模型作為參數化設計系統的原始模型。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，對其參數化設計基本過(guò)程及交互界面的二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行介紹。高速齒輪軸由軸和齒輪兩部分構成，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】與【關(guān)系】選項

　　對于軸的參數化設計主要包括各軸段的長(cháng)度L、直徑D、以及其他相關(guān)的特征參數，參數之間的相互約束關(guān)系是模型參數化驅動(dòng)的依據。對于軸上齒輪的參數化設計，需分析多個(gè)結構參數之間的關(guān)系，包括：齒數、模數、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、頂隙系數和齒寬等，根據這些參數之間的關(guān)系來(lái)區分設計模型的主動(dòng)驅動(dòng)參數和從動(dòng)驅動(dòng)參數。齒輪軸的模型樣板建立完成后，通過(guò)Pro/E的參數選項對其設置約束參數并賦予初值，主動(dòng)驅動(dòng)參數設定為在交互界面上需要輸入的參數，從動(dòng)驅動(dòng)參數與主動(dòng)驅動(dòng)參數之間的約束可通過(guò)關(guān)系選項來(lái)定義，如圖3所示。

　　2.2、交互界面二次開(kāi)發(fā)

　　選用Visual Studio 2008為編譯平臺，通過(guò)Pro/TOOLKIT與Visual C++9.0開(kāi)發(fā)齒輪軸的交互界面。Visual Studio 2008是目前最流行的Windows平臺應用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以用它來(lái)開(kāi)發(fā)多種Windows下的軟件項目[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雜、執行速度慢，所以本文采用同步模式進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)設計。在同步模式下，Pro/TOOLKIT必須與Pro/E系統同步運行，同步模式又包含兩種運行模式：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(hù)編寫(xiě)的C程序編譯成一個(gè)DLL文件，使Pro/TOOLKIT和Pro/E在同一進(jìn)程中運行，通過(guò)直接調用函數實(shí)現信息交換。多進(jìn)程模式是將用戶(hù)的C程序編譯成一個(gè)可執行文件，Pro/TOOLKIT和Pro/E運行在各自的進(jìn)程中，兩者之間的信息交換是由消息系統來(lái)完成的。由于DLL模式的運行度快，函數調用及信息交換方便，因此本文選用同步模式下的動(dòng)態(tài)鏈接模式。

圖4 參數化設計交互界面

　　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輸入不同的數值，從而控制軸和齒輪的結構參數，如齒數、模數、軸段長(cháng)度和直徑等，參數設置完成后點(diǎn)“確定”按鈕就可更新數據，生成新的齒輪軸模型。

3、人機交互主界面

　　完成各主要零部件的參數化設計及交互界面設計后，可將其集成到一個(gè)主界面上統一管理。本文采用“自下而上(Down-Top Design)”的設計模式，首先建立減速器各主要零部件的參數化模型，實(shí)現單個(gè)零部件的參數化尺寸驅動(dòng)，在此基礎上對其進(jìn)行裝配設計，裝配完成的減速器整機模型如圖5所示。建模過(guò)程考慮了標準齒輪的正確嚙合條件及連續傳動(dòng)條件，由此保證了各零部件參數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 減速器整機模型(Pro/E環(huán)境下)

圖6 減速器參數化設計系統主界面

　　開(kāi)發(fā)完成的減速器參數化設計系統主界面如圖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(guò)單一數據庫相互關(guān)聯(lián)。當要更改減速器某個(gè)零部件的結構參數時(shí)，只需雙擊主界面上的位圖按鈕就會(huì )彈出相應的參數化設計對話(huà)框，例如圖6中的標準件軸承，雙擊打開(kāi)軸承參數化設計對話(huà)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系統會(huì )自動(dòng)更新數據庫重建軸承模型，與此同時(shí)減速器系統也會(huì )自動(dòng)更改與軸承參數相關(guān)聯(lián)的結構尺寸，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(lèi)似的參數化設計與關(guān)聯(lián)性設計功能，鑒于篇幅不再熬述。通過(guò)人機交互主界面可以方便、快捷地對減速器多個(gè)結構參數進(jìn)行同步修改，大大提高了工作效率與設計質(zhì)量，為減速器的系列化設計與結構改進(jìn)提供了支持，同時(shí)也為同類(lèi)產(chǎn)品的參數化設計系統二次開(kāi)發(fā)積累了經(jīng)驗。

4、結束語(yǔ)

　　本文將Pro/E的參數化技術(shù)應用于減速器設計，通過(guò)Pro/TOOLKIT工具箱與Visual C++9.0編譯平臺實(shí)現了減速器參數化設計系統的二次開(kāi)發(fā)，成功創(chuàng )建了基于Pro/E的人機交互主界面，簡(jiǎn)化了減速器的設計流程，可方便、快捷的設計出用戶(hù)所要求的減速器類(lèi)型，大大減少了重復性設計工作。本系統運行穩定，可滿(mǎn)足減速器零件庫快速建模及產(chǎn)品系列化設計要求，為減速器參數化通用設計平臺的實(shí)現奠定了基礎。同時(shí)，對其他機械產(chǎn)品的參數化設計與通用平臺開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)參考。