第32卷第6期 2012年O6月 西安工业大学学报 V0l_32 No.6 Journal of Xi’an Technological University JurL 2012 文章编号:1673—9965(2012)06—460—05 Visual LISP导航模式的奥利康锥 齿轮OBGD—CAD系统 姚慧 ,周强 ,曲欣 ,曹岩 (1.西安工业大学机电工程学院,西安710032;2.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心,北京100190) 摘要: 针对机械制造领域中的奥利康锥齿轮传动设计问题,提出以Visual LISP为开发环 境,采用导航模式及模块化设计方法,实现奥利康锥齿轮OBGD—CAD系统的开发.利用对话 框控制语言构建符合工程操作习惯的人机界面,采用Visual LISP开发传动设计流程控制、设 计算法和参数化绘图等模块,采用数字化方式处理设计参数形成参数库,并实现AutoCAD环 境下系统对参数库的调用.该系统界面操作简捷,逐步引导设计人员完成奥利康锥齿轮的设 计、计算、校核和参数化绘图,有助于形成奥利康锥齿轮传动的标准设计流程及符合国家制图 标准的齿轮结构图. 关键词: 奥利康锥齿轮;参数化设计;二次开发;CAD;Visual LISP 中图号:TP391.72 文献标志码:A 奥利康锥齿轮采用等高齿[1],齿线是长幅外摆 线,因而在加工这类锥齿轮时便于机床调整.它承 载能力高,运转平稳;轴向力大,且随转相变化,广 泛用于汽车制造业.在机械制造领域中常遇到奥利 统.为便于系统管理和扩展,文中采用模块化设计 方法,将整体系统划分为若干个既又相互联系 的模块,关键模块包括:用户管理界面模块、算法模 块、设计数据库和参数化绘图模块,系统的整体框 架如图1所示. 用户管理界面模块 设 计 流 程 控 制 模 块 康锥齿轮传动设计问题,若依靠传统设计方式,需 查阅大量设计手册,不仅工作繁琐、效率低且易出 错.目前国内外关于外齿轮类零件参数化设计的研 究多是参数化绘图,并且多集中在直齿轮和斜齿圆 柱、圆锥齿轮方面[2],对于弧齿、摆线齿锥齿轮的研 一旦 簦婆 ..j 矍簦 算法模块 设计参数 数据库 、、 ——._/ 究也大多集中在齿形功能和制造方面,对于其参数 设计研究较少_3 ],对奥利康锥齿轮的智能参数化 j 设计结果 数据库 设计几乎是空白[6].因此研究并开发符合机械行业 设计习惯的奥利康锥齿轮CAD系统非常必要. 参数化绘图模块 图1系统整体框架 1 系统设计 奥利康锥齿轮OBGD—CAD系统的目的是将 该类齿轮的传动设计从设计计算、强度校核到结构 图绘制这一设计流程形成一个智能参数化设计系 Fig.1 Overall framework of the system 1.1用户管理界面模块 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,由设 *收稿日期:2011—11一i5 l金资助:陕西省13115科技创新I程项目(201OFVCP-O5) 作者简介:姚慧(1977~),女,西安工业大学讲师,主要研究方向为C D/CAM、先进制造技术.E-mail:50725350@qq.corn 第6期 姚慧等:Visual LISP的导航模式的奥利康锥齿轮0BG】)_CAD系统461 计流程控制模块中的对话框驱动程序来控制用户 界面的使用方式和用户界面的管理,该设计流程控 制模块程序采用Visual LISP开发.它是连接设计 与校核、设计数据库、参数化绘图等模块的桥梁,用 以引导和提示用户确定设计初始条件,检索设计参 数,调用设计计算和强度校核算法程序等.文中采 用DCL对话框语言来设计用户管理界面,并根据 奥利康锥齿轮的传动设计流程,在各界面窗体之间 建立了顺序或主子关系,用户管理界面程序为 chubusj:dialog{ label=“奥利康锥齿轮初步设计”; spacer;//设计参数模块 :row{:column{:boxed_column{label=“设 计参数”; :edit—box{ label=“输入功率P(训):”; key=“srgl0”; 一edit—width=10;}//fixed_width=true; :edit_box{label=“传动比i:”...・ 1.2算法模块和设计数据库 本文系统所设计的算法模块包含多个子模块, 其中设计算法模块和强度校核算法模块为关键模 块.根据《机械设计手册》_7],设计算法模块中初步 设计计算依据为 d。l≥1636/ ( HP) (1) 式中:d 为小端分度圆直径;K为载荷系数; T1为小轮转矩; 齿数比; r为估算时的许用接触 应力. 强度校核算法模块中齿面接触疲劳强度校核 计算依据公式为 一√ zM_eZHZE ZK ≤O'Hp (2) 式中:盯 齿面接触强度;K 为使用系数;Kv为动 载系数;Kn。为齿向载荷分布系数;K 为端面载 荷系数;F 为中点分度圆切向力; 中点分度圆 直径;lbm为齿中部接触线的投影长度;ZH为节点 区域系数;Z ̄卜B为中点区域系数;ZE为弹性系数; Z日为螺旋角系数;ZK为锥齿轮系数;Zts为载荷分 配系数, 齿根弯曲强度校核计算依据公式为 卯 yE ≤ (3) 明Hm 式中:O"F为齿根弯曲强度;KFB—KHB;KF0一KHa; 为复合齿形系数;yE为重合度系数;yK为锥齿 轮系数;y 载荷分配系数;6为齿宽;m 为中点法 面模数. 此外,通过对传动设计流程和设计方法进行抽 象提取,算法模块形成了专门的设计与校核算法. 算法模块采用Visual LISP程序开发实现,该模块 部分程序为 …(defun cbjsl(/a01); ,i,nl, l瞄_1,O"1 ,O'FE1, O'FE12,tl,志,户‰,de101 (setq P(atof(get_tile“srgl~0”))) (setq i(atof(gettile“cdb__O”))) (setq 1(atof(get_tile“xclzs”))) (setq jddj7(atof(get_tile“jdcd”))) (setq shcb(atof(get_tile“aqxs0”))) (setq k(atof(get_tile“zhxsO”))) (setq O"1 (atof(get_tile“xcljcO”))) (setq O"1m(atof(get_tile“dcljcO”))) (setq O'FE1(atof(get_tile“xclwqO”))) (setq (atof(get_tile“dclwqO”))) //开始初步设计计算 (setq tl(*95.5(/P,n1))) (setq Pahp(/G1 shcb)) (setq a01(/(*k,t1)(*i(expt Pahp 2)))) (setq de101(*1636(expt aol(float(/1.0 3.0))))) (set_tile“t1”(rtos t1));… 由于奥利康锥齿轮传动设计过程中涉及大量 的设计参数,且设计完成后输出的结果数据也众 多,对此本系统设计了专门的数据库.由于参数表 现形式各异,通过分类,针对具体类型设计专门形 式的子数据库进行存储,图、表形式的参数以幻灯 片文件(.sld)格式保存其矢量图,从而形成幻灯片 文件库,这类文件可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;数值或字符形式的参数依据其复杂程 度,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;对于设计结果数据除采用专 门的文本格式存储外,还专门生成可视化的数据列 表.通过分类存储,设计参数和设计结晕数据实现 有效管理,且各数据库都可根据需要进行扩充. 462 西安工业大学学报 第32卷 1.3参数化绘图模块 参数化绘图是将要绘制的奥利康锥齿轮二维 工程图形与齿轮设计所输出的几何参数相关联,由 几何参数产生的约束条件来确定工程图形的几何 形状,从而生成齿轮零件图形I7].该模块的核心是 数学模型建立、绘图环境设置及绘制几何图形,它 们分别都由系统中专门设计的子模块来完成.该参 数化绘图模块程序设计流程如图2所示.参数化绘 图模块根据算法模块生成的外部参数报表,确定绘 图的主要几何参数,再根据数学模型建立辅助参数 与主要参数之间的约束关系,绘图环境子模块完成 图层、线型、绘图比例等绘图环境设置,在此基础上 由绘图子模块通过调用AutoCAD的绘图、修改等 命令完成齿轮结构图程绘制和尺寸标注. 参 选 确 建 设 绘 屏幕 数 择 定 \/_ 置 制 输出 化 锥 锥 锥 绘 锥 奥利 绘 齿 齿 齿 图 齿 图 轮 轮 轮 环 轮 康锥 结 参 数 境 齿轮 构 数 学 图形 类 模 型 型 参l数l I数学 I模型 绘图l报l表I I子模 I环境l I绘 I图 块 I l块 图2参数化绘图程序流程 Fig.2 Parametric drawing program flow 2 OBGD—CAD系统实现方式 本文奥利康锥齿轮传动OBGD-CAD系统实 现方式如图3所示.综合考虑开式和闭式两种齿轮 传动方式,在初步设计部分系统提供了齿面接触强 度设计和齿根弯曲强度设计两种方法供选择.当系 统接到设计任务时,系统界面将引导工程设计人员 确定设计初始条件,通过数据库检索设计参数,调 用设计算法和校核算法程序完成奥利康锥齿轮的 设计,将设计结果输出到数据库,并将锥齿轮的几 何参数数据形成与锥齿轮参数化绘图相关联的外 部参数报表,参数化绘图部分根据外部参数报表提 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 数化方法实现齿轮结构图的绘制. 确定设计初始条件 交互式输入 (功率、传功比等) 图、表的数字化 设计数据的数据库管理 设计过程的抽象 初步设计计算 确定基本几何参数 输入参数的确定 输出参数的确定 齿面接触强度校核 的抽象提取 齿面接触强度校核 强度校核参数 校核结果 === 匾 l Y 齿根弯曲强度校核 的抽象提取 L一 堕<■ 二二_= 兰二_二= 二' 强度校校核核结参果 数 锥齿轮几何参数报表 基于Visual LISP的 参数化绘图 图3系统实现方式 Fig.3 Flow chart of the system 3系统功能及运行 以设计某6级精度的奥利康锥齿轮传动为例 说明系统功能.在小齿轮转速为 一960 r/min,小 轮输入功率为尸一1.4 kw,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3.2 m.采用100号中级压齿轮润滑 油,齿轮长期工作.启动AutoCAD2004软件,进入 系统界面,加载程序,输入命令“alk”,运行系统程 序,首先进人锥齿轮传动初步设计界面,完成初步 设计计算,如图4所示.单击“继续”按钮,进入详细 设计界面,根据初步设计计算结果进行锥齿轮几何 参数计算,同时调用数据库检索设计参数,进行齿 面接触强度校核和齿根弯曲强度校核,如图5(a) 所示.若校核合格,系统可生成设计结果报告并存 储设计结果数据,如图5(b)所示,根据设计结果中 的几何参数数据,系统调用绘图模块,通过变量赋 值,进行尺寸驱动生成奥利康锥齿轮工程图. 464 西安工业大学学报 第32卷 Spiral Bevel Gear[D].Changchun:Changchun University of Science and Technology,2005. System[J].Machinery Design&Manufacture.2002 (2):13.(in Chinese) (in Chinese) -161 李海涛,魏文军.摆线齿锥齿轮齿面接触区的计算机 [4] 雷勇涛,杨兆建.齿轮CAD/CAM参数化加工软件设 辅助分析EJ].中国农业大学学报,2004,9(5):45. LI Hai—tao.WEI Wen-jtill Computer Aided Analysis for Contact Pattern of Prolate Epicycloids Bevel and 计fJ].机械设计,2007,24(3):57. LEI Yong-tao,YANG Zhao-jian.Software Design for Parameterized Processing of Gear CAD/CAM EJ]. Journal of Machine Design,2007,24(3):57. (in Chinese) Hypoid Gears[J].Journal of China Agricultural University,2004,9(5):45.(in Chinese) E73 机械设计手册编委会.机械设计手册[M-I.北京:机 械工业出版社,2004. The Compilation Committee of Machine Design E51 任东锋.“非零”传动弧齿锥齿轮CAD参数化绘图方 法EJ3.机械设计与制造,2002(2):13. REN Dong—feng.The Methods in the Parametric esiDgn of Nonzero Spiral Bevel Gear CAD Graphic Manua1.Machine Desin ganualMEM].Beijing:China Machine Press,2O04.(in Chinese) Oerlikon Bevel Gear OBGD—CAD System Using Navigation Patterns Based on Visual LISP YAO Hui ,ZHOUQiang。,QUXin ,CAO Yan (1.School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710032,Chia;n 2.Patent Examiatnion ooperatCion Center of Office,SIPO,Beiig,neiBjig n100190,Chia)n Abstract: For the Oerlikon beve1 gear drive design in the machinery manufacturing field,using navigation patterns and module programming,an Oerlikon bevel gear transmission OBGD—CAD system iS developed with the development tools of Visual LISP.The man-machine interface iS developed using dialog control language familiar to engineers.The transmission design process control module,design algorithm module,parametric drawing module and other modules are developed by Visual LISP program.Design parameters are digitalized to establish parameter databases.The interface between AutoCAD and the parameter databases iS developed to call the data in the parameter databases from AutoCAD.The system is easy to use and the designer is guided to accomplish its design,calculation, check and parametric drawing step by step.Consequently,the Oerlikon bevel gear design flow is standardized and its design efficiency and quality can be improved. Key words: Oerlikon bevel gear;parametric design;secondary development;CAD;visual LISP (责任编辑、校对魏明明)