PAGE54緒論1.1擺線齒錐齒輪概述螺旋錐齒輪用于兩相交軸或交錯軸之間的傳動，具有傳動性能優良，承載能力高等優良特性，是錐齒輪技術發展的主要齒制。螺旋錐齒輪按齒線類型可分為弧齒和長幅外擺線等高齒（簡稱擺線齒）兩種。擺線齒錐齒輪，根據銑齒機的不同，一般分為Oerlikon制（簡稱“奧”制）和Klingelnberg制（簡稱“克”制）。格利森弧齒螺旋錐齒輪技術發展比較完善，廣泛采用硬齒面磨齒技術，齒輪的加工精度高，承載能力強，在工程中應用較廣。該種齒制的螺旋錐齒輪在我國也已經有了比較深入的研究和廣泛的應用。奧利康擺線錐齒輪采用刀傾銑齒法，銑齒調整和計算十分復雜，在一定程度上限制了它的推廣。“克”制和“奧”制兩種齒制的共同特點是都采用等高齒和采用連續分度雙面法銑齒。兩種齒制的主要差別在于，“奧”制用刀傾法控制齒面接觸區；“克”制銑齒機上無刀傾機構，利用內外切雙層可調刀盤，調整外切與內切刀片回轉中心的偏距來控制兩齒面接觸區。大傳動比“奧”制錐齒輪可用半展成法加工，效率高，多用于汽車行業；“克”制有大尺寸規格的銑齒機，可進行硬齒面刮削，多用于重型機械行業。克林貝格擺線齒螺旋錐齒輪的法向齒廓為近似的平面漸開線，其齒線為延伸外擺線。大端與小端的齒高相等，即齒輪的頂錐角、分錐角和根錐角都相等。其基本齒廓[1]見表1.1。表1.1克林根貝爾格搖線齒螺旋錐齒輪基本齒廓齒線種類齒制基準齒形參數變位方式齒高種類αnha*c*βm擺線齒Cyclo-Palloid20°10.25由刀盤確定徑向+切向變位等高齒PAGE54除軸交角Σ=90°的螺旋錐齒輪外，克林根貝爾格銑齒機還能加工軸交角Σ≠90°的螺旋錐齒輪和軸線偏置一定距離的準雙曲面螺旋錐齒輪。但幾何計算方法不同。本文主要研究錐齒輪副兩軸線相交且軸交角Σ=90°的螺旋錐齒輪制造。1.2擺線齒錐齒輪的國內外研究現狀1.2.1擺線齒錐齒輪的國外研究發展PAGE54螺旋錐齒輪理論最初是由美國格利森公司的科學家E.Wild-haber及M.L.Baxter等人提出。E.Wildhaber用立體幾何方法導出了螺旋錐齒輪齒面法曲率的計算公式，引入極限壓力角和極限齒線曲率的概念，給出了輪坯設計的方法[2]。M.L.Baxter提出了準雙曲面齒輪的參考幾何體系，進一步完善了準雙曲面齒輪界面分析的數學模型[3]。芝加哥大學F.L.Litvin教授一直致力于格利森錐齒輪設備和加工方法為基礎的新的弧齒錐齒輪共扼齒面形成方法的研究[4-5]。文獻[6-7]以微分幾何為基礎，研究齒輪的幾何學、運動學，形成完較為系統權威的齒輪嚙合理論。F.L.Litvin提出的局部綜合法[8]，其主要思路是預先規定嚙合要求，依次計算大輪機床設置參數和滿足小輪參考點二階參數要求的全部機床和刀具參數。這種研究近似嚙合的方法，其目的是要在指定的接觸點鄰域內達到最佳的嚙合質量。文獻[9-10]詳細論述的端面銑齒螺旋錐齒輪的計算機輔助設計方法。文獻[11]對擺線齒錐齒輪的嚙合接觸，應力分析方面作了計算機仿真模擬。在齒面接觸區分析及有限元分析等齒輪理論分析方面，文獻[12]就小模數齒輪疲勞裂紋生長作了有限元模擬分析；文獻[13]做了失配螺旋錐齒輪齒面接觸區分析（TCA）的計算機模擬。所有的金屬切削機床中，曲齒錐齒輪加工機床的結構最為復雜，目前只有美國的格里森、瑞士的奧利康和德國的克林貝格公司擁有比較權威的技術，前者生產弧齒錐齒輪，后兩者生產擺線齒錐齒輪。這兩種齒制的錐齒輪成為螺旋錐齒輪發展的兩個方向[14]。到目前為止，世界上應用最多的曲齒錐齒輪加工機床主要產自這三大公司。其中在大型和硬齒面曲齒錐齒輪加工機床中，克林根貝格錐齒輪占有優勢地位。克林貝格公司最先采用“Palloid”錐齒輪加工方法，此法是利用錐形滾刀與工件間的連續滾切齒，屬于連續分度切齒法，切出的齒輪輪齒等高，縱向齒線為延伸外擺線。由于這種方法采用的錐形滾刀機構比較復雜，有制造和刃磨困難等缺點，其應用受到了限制。為了改進Palloid法，Klingelnberg公司于20世紀60年代推出了一種新的齒制Cyclo-Palloid（擺線-準漸開線）錐齒輪，其輪齒等高，縱向齒線為延伸外擺線，齒廓方向為漸開線。相應的設計制造出加工這種齒制錐齒輪的AMK系列加工機床，此系列的機床不僅能實現軟齒面加工，而且還可以進行硬齒面刮削加工。硬齒面刮削加工方法，是采用大功率強力刮削加工，故稱為高功率齒輪（HighPowerGear）加工法，簡稱HPG加工法[15]PAGE54。HPG加工法是在錐齒輪經過粗切和表面淬火之后進行，可用加工軟齒面的同一機床，但需要將切削刀具更換為硬齒面專用的HPG刀具。這種刀具刀柄和刀頭分開制造，用夾持器夾緊在刀盤上，這樣不僅可以覆蓋較大的模數范圍，而且還能比較經濟和容易的更換硬質合金刀片。采用硬齒面刮削方法加工齒輪時，考慮硬刮削加工余量，應將齒面的淬硬層適當加厚，以保證HPG加工后的齒輪表面仍有足夠的硬度和硬化層深度。經過HPG法加工，可以消除熱處理變形，提高齒面硬度、齒輪精度、輪齒表面質量和齒輪的承載能力，并使齒輪副的接觸區處在比較理想的位置，從而提高齒面接觸強度。克林貝格系列機床中，AMK-635、AMK-852、AMK-855和AMK-1602機床都可以用于硬齒面刮削加工。FK41C型銑齒機加工的最小模數可達mn=0.2mm，可用于加工小模數擺線齒錐齒輪。AMK型銑齒機最大加工模數=35mm，最大加工直徑為2000mm，特別適合于重型齒輪的硬齒面刮削。由于刀軸不傾斜，刀具齒形角便于標準化，這對于單件和小批量生產十分有利。隨著數控加工（CNC）技術的發展和應用，齒輪加工機床正向著柔性化、智能化方向發展，克林貝格公司開發了KNC系列全自動數控銑齒機，加工模數范圍mn=0.5mm～13mm，最大加工直徑為1.2.2擺線齒錐齒輪的國內研究現狀及其應用情況近年來克林貝格螺旋錐齒輪正受到齒輪界越來越多的關注[16]，我國學者也開展了不少的基礎研究工作。張文祥最早從理論上研究了克林根貝格錐齒輪的根切問題[16]；馮憶艱推導了克林根貝格錐齒輪的齒面方程[17]，并描繪了齒面嚙合的運動接觸情況[18]；曾韜在文章中論述了端面滾齒法在克林根貝格錐齒輪中的應用[19]；東北大學陳良玉、劉志峰對克林根貝格擺線齒錐齒輪輪齒幾何、接觸分析和運動優化做了分析[20]。中國農業大學董學朱對擺線齒錐齒輪連續分類法銑齒原理進行了系統研究[21]，提出了一種展成克林根貝爾格錐齒輪精確的切齒調整計算新方法[22]。文獻[23]也提出了克林根貝格擺線齒錐齒輪幾何設計的新方法；文獻[24]從新的角度研究了克林根貝格錐齒輪銑齒機的工作原理。在企業實際生產應用方面，先后有南京高速齒輪箱廠、沈陽礦山機機械廠、北京發電設備總廠、首鋼機械廠、西北煤機廠、唐山冶金機械廠、淮南煤礦機械廠等廠家引進了AMK系列克林根貝爾格公司生產的銑齒機和銑刀盤及其配套的檢驗機等設備及相關技術資料[25]，主要用在發電設備、礦山機械，例如發電廠的磨煤機，鋼廠軋鋼機掘進機。目前國內沒有還無法生產擺線齒錐齒輪銑齒機，但是在配套的銑齒刀具上哈爾濱第一工具廠已經自主研發的“克林貝格制擺線等高齒弧齒錐齒輪銑刀”已經批量生產，現已經完全可以代替進口，為克林貝格制錐齒輪的加工設備的國產化創造了有利條件。PAGE541.3課題的研究意義和主要研究內容我國目前已有許多企業引進了加工這種擺線錐齒輪的AMK系列銑齒機和硬齒面刮削加工技術。與格利森弧齒螺旋錐齒輪相比克林貝格擺線齒螺旋錐齒輪具有一些鮮明的特點：采用連續切削法和雙層刀盤，避免了跳齒分度，提高了生產率，也有利于提高加工精度；采用硬齒面刮削法可不用磨削加工而生產硬齒面齒輪以提高承載能力，簡化了生產工藝；可在同一機床上實現粗精切加工從而有利于節省設備投資。由于克林貝格擺線齒螺旋錐齒輪具有承載能力高和投資省的優點，所以在重礦、冶金石油機械等大型機械中采用這種螺旋錐齒輪具有良好的技術優勢和經濟性。這些研究成果對于改變國內企業主要依靠引進機床附帶軟件進行齒輪設計及切齒調整計算的現狀、提高機床的使用效益具有重要意義。克林貝格擺線齒螺旋錐齒輪齒形較為復雜，齒面為空間曲面，需要專用的銑齒機加工，設計工作主要依靠隨機附帶的計算軟件完成，使設計過程和數據結果不具有直觀性，在一定程度上對齒輪的前期設計工作造成了一定的局限，給實際應用帶來了不便。又由于其幾何設計及切齒調整計算過程繁復、計算過程計算量大，而且個別參數需要反復計算，有時當某個參數選擇不當會造成全部數據推翻重新計算的情況，所以純粹的手動計算也相當的費時。針對這些情況在克林貝格擺線錐齒輪的計算機輔助設計方面國內的研究工作者也已經作了不少工作，但多數是對其設計過程中某個獨立的部分進行CAD設計，如僅實現對齒形和齒面的設計和仿真，缺乏建立在軟件工程基礎上的CAD系統整體的研究開發，真正能將克林貝格擺線錐齒輪整個設計計算過程、參數化繪圖及實體仿真過程完全由計算機輔助實現并相互銜接的軟件并不多見。鑒于此，本課題將克林貝格擺線錐齒輪作為研究對象，依照克林貝格擺線錐齒輪設計和制造的基本理論，利用面向對象的編程方法，編制了克林貝格擺線錐齒輪的幾何參數計算、強度校核計算、受力分析、切齒調整卡計算、齒輪圖形參數化繪制及齒輪實體的參數化建模等程序模塊，最終目的是形成一套完善、可靠、實用的擺線錐齒輪計算機輔助設計計算、繪圖及仿真系統。該計算機輔助設計系統對縮短克林貝格擺線錐齒輪的設計周期，提高設計效率具有實際的意義。通過分析克林貝格擺線錐齒輪銑齒原理和幾何設計及制造的基本理論，并整理其強度校核計算方法，利用面向對象的編程方法，以VisualBasic6.0作為開發語言，編制了克林貝格擺線錐齒輪計算機輔助幾何參數計算模塊，結合專門的擺線錐齒輪數據庫編制了其受力分析及強度檢驗計算模塊，在此基礎上實現其切齒調整卡的計算，并實現數據的保存和輸出。進一步以AutoCAD2006PAGE54作為軟件的圖形系統開發平臺，利用ActiveXAutomation技術，編制了齒輪二維圖形的參數化繪制和實體的參數化建模仿真模塊，最終形成一套可靠、實用、方便的擺線錐齒輪計算機輔助設計與仿真的軟件系統。在國內各種專業書刊及文獻上也是鮮有論述，而且各廠家只是單純地利用一些引進的技術資料進行生產加工。我們知道，鼓形齒設計最初的出發點是要保證輪齒在最大傾角的情況下，相互嚙合的輪齒表面相切而不相交，即不發生邊緣點接觸，并盡可能減少棱邊接觸。在經過了上述的近似之后，還能否滿足設計要求就很難確定了。而且即使在推出齒面方程和齒面之間的接觸線方程的情況下。僅僅靠理論計算來分析它的嚙合性能、接觸區中心所在齒線方向的位置、嚙合齒面之間鼓形量的大小等一方面比較繁瑣，另一方面也很難把理論分析的結果反映到實際的齒輪副上，不能夠直觀地表達出理論分析所得出的結論。只有當齒輪副加工出來之后，經過試驗分析才能真正明確，而且加工過程中需要反復試切、對滾、修正，因此，增加了加工的成本和時間。而在目前計算機硬件技術已發展到相當高的水平，其性能價格比也為一般企業或設計單位都可以使用。在此情況下，若能充分利用計算機的快速計算和圖形顯示功能，研制出Klingelnberg螺旋錐齒輪建模軟件，那將可以在很大程度上提高企業的經濟效益，在這種假設下，提出了本課題的研究。本課題擬從Klingelnberg螺旋錐齒輪的加工原理即平面產形輪原理出發[7]，結合實際的加工過程利用計算機模擬加工，分別加工出大、小齒輪，再看它們的嚙合情況。本課題研究的主要目標是：在設計人員理論上完成了齒輪的設計參數、刀盤的基本參數、刀位參數的前提下，利用Klingelnberg螺旋錐齒輪的計算機加工程序，自動虛擬加工出一對齒輪副，并模擬它們在實際工況下的嚙合狀態，從而可以全方位地觀察到未來齒輪副的嚙合情況。例如：接觸區的中心位置，兩齒輪副是否發生干涉，鼓形量的大小等。通過模擬加工程序，可以省去其加工過程中對實物的反復試切，達到省時、省事、經濟的目的；也可為以后其它方面的分析，如齒輪傳動過程中的受力分析、接觸區的變形情況等提供條件。PAGE542擺線齒錐齒輪傳統設計流程2.1擺線齒錐齒輪銑齒機2.1.1銑齒機型號與特點克林貝格AMK系列和KNC系列銑齒機，都用連續分度雙面銑齒展成法加工擺線齒螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪。刀軸不傾斜。其中某些型號的銑齒機可用于硬齒面刮削。除銑齒機外，克林貝格制還有WNC-30和WNC-40型全數控磨齒機，配有雙磨頭，可以用不同尺寸的砂輪磨削輪齒的凹面和凸面。為了滿足不同精度等級、多種規格尺寸、軟硬齒面等擺線齒螺旋錐齒輪的加工需要，克林貝格公司推出了多種型號的切齒機床，有AMK250、AMK400、AMK635、AMK855、AMK1602等。AMK系列銑齒機床加工模數范圍為mn=1-35mm，最大加工外徑為2000mm所有AMK系列機床都具有短而剛性好的齒輪傳動鏈，雙蝸桿驅動的分度機構，高精度的分度元件以及較大的輸入功率。該系列的機床可以非常經濟的加工螺旋角為零度的自對中面式離合器，并且具有較高的加工效率。AMK銑齒機上可用整體或雙層刀盤加工軟齒面，其中AMK-635、AMK-852、AMK-855和AMK-1602等型號銑齒機可用于硬齒面刮削加工。KNC型銑齒機是全自動數控銑齒機，與機床相聯的微機可以計算齒輪的幾何參數以及刀具和銑齒工藝參數；通過操作位置的顯示器進行齒面接觸區的修正；可以自動換刀和裝卸工件。KNC型銑齒機的生產率高，同時具有較大的柔性，可以與其他加工和測量設備聯網。2.2.2銑齒機調整參數如圖2-1所示為KNC-40、KNC-60型全自動銑齒機的9個主要參數，由微機控制。AMK型銑齒機沒有微機控制系統，需要人工調整這9個參數，確定輪坯與刀具的相對位置和相對運動。9個參數大致可以分成5組：PAGE54（1）刀盤和輪坯的相對運動 AMK型銑齒機，按刀齒組數和被加工齒輪齒數確定由刀盤到輪坯傳動鏈中分度交換齒輪比T，保證刀盤轉過一組齒時，冠輪和輪坯各轉過一個齒，實現連續分度。（2）搖臺位置及展成進給A 用展成法銑齒時，搖臺轉動，需要確定展成起始和終止搖臺角；AMK型銑齒機，通過調整差動交換齒輪比WK，將搖臺轉動按一定的關系附加到冠輪和輪坯上，形成展成運動；搖臺的轉動為展成進給運動。粗銑無展成切入銑齒時，需要確定切入搖臺角。（3）切入進給X 調X控制切入深度，對于模數較大的齒輪，一般先鎖住搖臺，用切入進給連續分度銑齒法開槽，然后再用展成法精銑。（4）刀盤位置 調偏心盤V的角度τ確定刀位Ex，即內刀盤軸線至搖臺軸線的距離；調E確定刀盤安裝角M，從而確定外刀盤與刀盤回轉中心的偏距。（5）輪坯位置 調確定輪坯安裝角M內δ；調確定輪位；調Z確定垂直輪位。2.3.3銑齒刀具克林貝格制銑刀盤可分為：整體尖齒刀盤、mn=0.2～1.5mm的鑲有圓盤刀齒的鑲齒雙層刀盤、雙層萬能刀盤和硬齒面刮削刀盤。加工左旋齒輪時，用逆時針回轉的左旋刀盤；加工右旋齒輪式時，用順時針回轉的右旋刀盤。雙層萬能刀盤左旋刀齒結構如圖2-2所示。整體由內切刀盤和外切刀盤兩部分組成，內切刀盤上安裝有內切刃刀片，用來切削齒輪的凸齒面，外切刀盤上安裝有外切刃刀片，用來切削齒輪的凹齒面。內切刀片和外切刀片間隔安裝，相鄰刀片間的平均等分角度為180°/z0，這類刀盤組數有z0=4或5，通常z0=5。上層內刀盤1上裝有精切內刀（簡稱內刀，代號為Az0L0）和粗切中內刀（簡稱中內刀，代號為Bz0L/r0/m0）；下層外刀盤2上刀（簡稱中外刀，代號為Cz0L/r0/m0）（簡稱外刀，代號為Dz0L/r0/m0）。A、B、C和D表示刀齒在刀盤上的位置；z0為刀齒組數；r0為名義刀0為刀齒模數；L表示左旋刀齒，R表示右旋刀齒。左旋刀逆時針回轉，刀齒按D、、B和A順序逆時針排列。右旋刀順時針回轉，刀齒按C、D、A、B順序順時針排列。加工左旋齒輪時，用逆時針回轉的左旋刀盤；加工右旋齒輪時，用順時針回轉的右旋刀盤。在安裝時內刀盤固定在銑齒機主軸上，外刀盤通過十字滑塊與銑齒機主軸聯接。外刀盤既可以與內刀盤同步回轉，又可以調整回轉軸心與內刀盤回轉軸心的偏距，從而使內切刀盤和外切刀盤的發生圓半徑不同，使齒輪副的嚙合呈鼓形齒接觸，并可根據需要調整偏距的大小來改變鼓形修正量，從而達到調整修正齒面接觸區的目的。PAGE542.2擺線齒錐齒輪嚙合理論及其切齒原理2.2.1齒輪傳動嚙合理論分析齒輪傳動有平行軸傳動、相交軸傳動和相錯軸傳動，各種傳動形式中，準雙曲面齒輪傳動是最一般的傳動形式。所以可由準共軛條件，可確定分錐面幾何參數，得到齒輪傳動基本公式。對于擺線錐齒輪，為了得到最佳的嚙合性能，將參考點M設在節錐面上齒寬中點處，結合參考點和齒輪嚙合傳動的基本公式可以進一步推導其它幾何參數的計算式。2.2.擺線錐齒輪相配兩輪都用冠輪展成加工，稱為全展成法。克林貝格銑齒機的刀軸的一點形成的軌跡為延伸外擺線，即產形輪的齒線，通常因為產形輪的90°而簡稱為冠輪，以下文中都稱為冠輪。被加工齒輪的齒面是與對應小齒輪1與大齒輪2的冠輪嚙合的共軛齒面。不能傾斜，以冠輪用全展成法加工相配兩齒輪。處于嚙合位置時，為保證齒面在參考點M共軛（兩齒面在點M相切，且傳動比為理論值），其兩隱形假想冠輪無相對運動、軸線重合，分度平面重合，且與被加工兩齒輪的分錐面相切。展成過程中，展成小齒輪1和大齒輪2的兩i=z2/z1冠輪的產形面固定地相切于過參考點M的一條直線。展成的齒面理論上為點接觸共軛齒面，無運動誤差。實際加工中刀具代替處于嚙合的冠輪的輪齒，在與齒坯的相對運動過程中展成被加工齒輪的齒面，如圖2-5所示。冠輪上下兩面(產形面)的齒線旋向不同，具有左(右)旋齒線的產形面與被加工的右(左)旋齒輪嚙合。被加工齒輪的節錐面在冠輪的節平面上作無滑動的滾動，且展成加工時被加工齒輪的節錐面與嚙合時的節錐面完全一致。加工中，搖臺垂直于被加工齒輪的節錐母線，又垂直于根錐母線，加工出等高齒錐齒輪。當刀盤旋轉時，齒坯作連續分度回轉，刀盤上相鄰的每組刀片依次切出齒坯上相鄰的齒槽。2.2.3PAGE54在刀盤上的刀刃所形成的軌跡，為直紋面，利用直紋面的性質，可以推導出冠輪的建立如圖2-6所示的右旋直角靜坐標系Oijk加工克林貝格擺線錐齒輪時，冠輪的齒面是刀盤相對于搖臺轉動過程中，安裝齒面方程。（1）冠輪右旋凸齒面方程冠輪右旋凸齒面是右旋刀盤上的外切刀刃在切齒過程中產生的，它展成左旋齒輪的凹齒面，其齒面形成過程中的刀盤及冠輪的位置關所示，齒面方程可根據加工時搖臺與刀盤的相對運動導出。即搖臺的回轉中心在冠輪分度平面（與搖臺回轉平面平行）上的投影，為刀盤回轉中心的投影。kvp與搖臺軸線重合，vjp通過參考點M。根據被切齒輪的幾何尺寸計算刀位，使刀盤中心偏離搖臺的回轉中心的距離為。當刀盤上的外切刀刃在參考點（3）冠輪左旋凸齒面方程冠輪左旋凸齒面是左旋刀盤上的外切刀刃在切齒過程中產生的，它展成右旋齒輪的凹齒面。（4）冠輪右旋凹齒面方程冠輪右旋凹齒面是右旋刀盤上的內切刀刃在切齒過程中產生的，它展成左旋齒輪的凸齒面。由冠輪的齒面方程和冠輪與被加工齒輪的共軛嚙合關系可以進一步推導得到被加工齒輪的齒面方程。2.2.在克林貝格螺旋錐齒輪實際的加工過程中，對每一個齒輪的切齒均分兩步完成，第一步完成齒輪輪坯的齒深切削，在齒向形成一長幅外擺線，這一過程中機床有如下的三個運動：(1)搖臺不轉動，刀盤繞自身的軸線旋轉，同時刀盤的軸線也繞搖臺的回轉中心旋轉；(2)搖臺的軸向進給運動，安裝在搖臺上的刀盤也隨之作軸向進給運動；(3)齒輪輪坯繞自身軸線的旋轉運動；第二步對輪齒進行修形，包絡出齒輪的齒廓曲線，即在齒廓上形成漸開線。這一過程機床有四個運動，與形成齒深切削運動不同的是，此時搖臺也繞自身的軸線旋轉。分兩步加工輪齒的原因之一是考慮刀具及機床所能承受的載荷，這樣可以在一定程度上延長刀具和機床的使用壽命。克林貝格制擺線錐齒輪有以下特點：(1)輪齒等高，沿分度錐母線齒高不變，齒輪副嚙合不存在對角接觸；(2)基本齒廓齒頂高系數(3)冠輪齒線是長幅外擺線；(4)采用了兩分式萬能刀盤，可以方便的通過調整刀盤上內外刀之間的偏距，實現齒輪副嚙合的鼓形修正。PAGE543總體研究方案3.1機械計算機輔助設計軟件的開發流程國際和國內知名的CAD/CAM軟件Pro/Engineer，UG，SolidWorks，I-DEAS等都是商品化的通用平臺，基本上是覆蓋了整個制造行業，但專業針對性差，基本上不能滿足各種各樣具體產品的設計與分析需要，在實際工程設計中難以達到理想效果，幾乎不能真正實現靈活高效的特點。因此，引進國外先進的通用造型軟件進行二次開發無疑是一種必要而又有效的手段。二次開發就是以開放性好的商品化、通用化的CAD系統為平臺，研制開發符合國家標準、適合企業實際應用的用戶化、專業化、集成化軟件。AutoCAD是一個非常好的通用計算機輔助設計繪圖系統，但每一行業和專業都有自的行業和專業標準，許多單位也有自己的技術規格和企業標準，每個設計工程師和繪圖員更有各自獨特的工作方式和習慣。因而AutoCAD不可能完全滿足每個用戶的具體而特定的要求。以AutoCAD為支撐軟件運用CAD軟件開發技術進行定制和二次開發，能使AutoCAD可以更加符合用戶的需求，更方便、更規范、更專業的實現設計和繪圖中的應用。總的來說，在開放性好的優秀商用軟件上運用CAD開發技術進行二次開發，是提升CAD應用水平的重要手段，開發適用CAD軟件的有效途徑。3.1.1計算機輔助機械設計軟件的設計方法3.1.2計算機輔助機械設計軟件開發的過程與主要設計步驟3.2常用錐齒輪設計軟件介紹(齒輪傳動CAD系統研究與開發，張曉偉)(1)逐步向專業型CAD軟件發展一方面，在AutoCAD等國外通用CAD軟件平臺上出現了眾多面向各行業的二次開發軟件，典型的有國內的大恒CAD、天正CAD等。另一方面，產生了不少主要適用于機械行業的CAD軟件，獨立開發的有開目CAD、天喻CAD等。這些軟件主要提供繪圖、標準、圖形庫、輸出等功能，也有板金下料等輔助功能。(3)提供參數化設計功能目前，國內的CAD系統，不同程度的提供了參數化設計功能，但大多數CAD軟件只能進行單視圖圖形的參數化。PAGE54(4)提供工程圖形庫和建庫工具為了降低機械產品的制造成本，在設計中要大量選用標準件。由于在各行業中使用的標準件不盡相同，所以，CAD軟件還應提供標準件的建庫工具。目前，原始的建庫方法是編程方式，利用CAD系統提供的命令語言(如AutoLisp語言)，編寫標準件的定義程序，該方法是對用戶的計算機水平要求較高，而且建庫過程十分繁瑣。目前較為先進的建庫方法是交互繪圖，然后直接進行參數化的建庫方式。該方法由用戶交互輸入零件圖形數據，然后由CAD系統進行參數化設計完成建庫工作.這種方式對CAD系統的功能要求較高，只有少數CAD系統提供這一功能。(5)提供圖紙管理和查詢功能在用CAD軟件繪制了大量圖紙后，如何進行圖紙的管理，方便的調用和查詢所需的圖紙是十分重要的。目前許多CAD軟件都不同程度的提供了圖紙管理模塊。基本的功能包括根據圖紙的名稱、圖號等參數和圖紙的幻燈片等進行搜索和圖紙的調用，還提供了根據零件類別、材料進行分類和查詢統計的功能。(6)方便裝配圖的設計為方便裝配圖的設計，許多軟件都提供了由零件圖拼裝成裝配圖的功能，有的軟件還可同時編輯多張圖紙。一些先進的CAD系統還可以自動生成零件明細表和整個產品的BOM表，并可生成DXF文件，與數據庫軟件集成。錐齒輪設計軟件屬于工程CAD專業軟件，主要是一些大型齒輪廠自主開發的內部使用齒輪CAD軟件，這些企業開發的CAD軟件實用性較強，但都是作為該企業的核心技術加以保密。流通較廣的商業錐齒輪設計軟件中，鄭州機械研究所研制的齒輪傳動CAD集成系統（ZGCAD）中和北京英科宇軟件開發中心的齒輪設計系統的錐齒輪傳動優化設計系統模塊中均包含用于克林根貝爾格等高齒錐齒輪設計計算的內容，其中齒輪的繪圖模塊都是許是選用的AutoCADR14版的繪圖支撐平臺。3.3總體研究方案3.3.1擺線齒錐齒輪CAD系統開發平臺（VB6.0&AutoCAD）VisualBasic是日前開發Windows應用程序最為迅速、簡捷的程序設計語言，具有功能強大、易于掌握的特點，能夠直接用它進行Word、Excel和AutoCAD一次開發。全世界近千萬的專業和非專業程序設計人員正在用VisualBasic開發各種類型的軟件。VisualBasic是Windows操作系統下廣泛使用的一種程序開發工具軟件，具有功PAGE54能強大、易于掌握的特點。它提供了基于對象的可視化程序開發工具，用戶無需編寫大量代碼去描述界面的外觀，就能夠以迅速、簡捷的方法開發設計Windows環境下的各類應用程序，是一種可視化、面向對象和采用事件驅動的方式，利用Windows環境下豐富的圖形界面的程序設計語言。是目前最簡單、最容易使用的Windows應用程序開發語言，主要有以下特點。（1）可視化編程設計工具VisualBasic提供了可視化設計工具，把Windows界面設計的復雜性”封裝”起來，開發人員不必為開發界面設計而編寫大量程序代碼，只需按設計要求的屏幕布局，用系統提供的工具，在屏幕上畫出各種部件，即圖形對象，并設置這些圖形對象的屬性。VisualBasic自動產生界面設計代碼，程序設計人員只需編寫實現程序功能的那部分代碼，從而可以大大提高程序設計的效率。(1)真正的面向對象編程，使開發人員在維護系統運行時只需要修改很少的代碼，同時也加快了系統開發的速度。(2)可視化的編程方法以及向導的功能，使開發人員幾乎不用加入太多代碼就可以開發出標準的Windows程序。(3)VisualBasic提供了豐富的數據類型、眾多的內部函數和結構化的程序設計語言，簡單易學。(4)事件驅動是非常適合圖形界面的編程方式。(5)在VisualBasic集成開發環境中，用戶可以設計界面、編寫代碼、調試程序，直至把應用程序編譯成可執行文件，在Windows中運行，使用戶在友好的開發環境中工作。(6)數據訪問特性允許對包括MicrosoftSQLServer和其他企業數據庫在內的大部分數據庫格式建立數據庫和前端應用程序。(7)通過ActiveX技術可以使用其他程序提供的功能。（2）面向對象的程序設計VisualBasic支持面向對象的程序設計。其應用面向對向的程序設計方法（OOP），把程序和數據封裝起來作為一個對象，并為每個對象賦予應有的屬性，使對象成為實在的東西。在設計對象時，不必編寫建立和描述每個對象的程序代碼，而是用VisualBasic工具，在界面上自動生成對象的程序代碼，并封裝起來。每個對象以圖形的方式顯示在對象上，都是可視的。（3）結構化程序設計語言VisualBasic具有高級語言的結構，接近自然語言和人類的思維方式，結構清晰，簡單易學，再加上面向對象的方法，因此是更出色的結構化程序設計語言。（4）事件驅動編程機制VisualBasic通過對象來執行對象的操作。一個對象可能會產生多個事件，每個事件都可以通過一段程序來響應，來實現指定的操作。這樣的應用程序代碼較短，使得程序易于編寫又易于維護，提高了程序的設計效率。PAGE54（5）訪問數據庫VisualBasic具有很強的數據庫管理功能。利用數據控件和數據管理窗口，可以直接建立或處理MicrosoftAccess格式的數據庫，并提供了強大的數據存儲和檢索功能。用VisualBasic進行AutoCAD二次開發，是AutoCADR14以后的種新技術，我們可以用VisualBasic語言編程，將AutoCAD當成自己VisualBasic程序中的一個圖形窗口，對其進行打開、繪圖、編輯、打印、關閉等操作，十分方便。用VisualBasic進行AutoCAD二次開發，不僅簡單易學、功能強大，還能實現僅用AutoCAD不能或不易實現的功能和效果，例如進行三維動畫模擬、圖形參數化設計等。用VisualBasic進行AutoCAD二次開發，不論是用于理論研究，實現自己的設想，還是用十工程設計，升發面向實際工程問題的軟件，均是十分有效的手段和方法。AutoCAD工程圖形處理軟件，自1982年由美國Autodesk公司開發面世以來，以其完善的繪圖功能、良好的用戶界面、易學易用的特點，受到了廣大工程技術人員的普遍歡迎，目前用戶遍及全世界150多個國家和地區。AutoCAD及其圖形格式己成為一種事實上的國際工業標準。AutoCAD之所以得到廣泛應用，一個重要原因還在于它開放的結構體系，即用戶可以根據自己的需要，對其進行一次開發。齒輪傳動CAD系統開發平臺（張效偉2005）AutoCAD是美國Autodesk公司開發的計算機輔助繪圖、設計系統，因其強大的功能，使用上的便利，以及良好的開放性，是世界上最為流行通用的CAD平臺。自AutoCADR14開始，操作界面完全Windows化進一步完善了面向對象的技術，把它作為自身的內核技術，并作為二次開發的主要技術。在軟件開發中，編程環境就是開發活動的舞臺，編程環境選擇的好壞直接關系著軟件設計工作的效率、軟件質量甚至軟件編制工作的成敗和軟件的使用效果。而且程序的可讀性、可靠性、可維護性和效率，軟件的設計乃至分析，都要受到所用編程語言的制約，所以編程語言在程序設計中處于中心地位。在軟件制作過程中，首先要選用一種合適的編程語言。3.3.2擺線齒錐齒輪CAD系統開發工具介紹(方志高2005)錐齒輪CAD系統PAGE54AutoCAD是Autodesk公司的主導產品。Autodesk公司是世界第四大PC軟件公司。目前在CAD/CAE/CAM工業領域內，該公司是擁有全球用戶量最多的軟件供應商，也是全球規模最大的基于PC平臺的CAD和動畫及可視化軟件企業。Autodesk公司的軟件產品己被廣泛地應用于機械設計、建筑設計、影視制作、視頻游戲開發以及Web網的數據開發等重大領域。AutoCAD是當今最流行的二。維繪圖軟件，它在二維繪圖領域擁有廣泛的用戶群。AutoCAD有強大的二維功能，如繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標注以及二次開發等功能，同時有部分三維功能。尤其AutoCAD提供多種二次開發的工具。在許多實際應用領域(如機械、建筑、電子)中，一些軟件開發商在AutoCAD的基礎上已開發出許多符合實際應用的軟件。它具有開放的體系結構，是一個極靈活的可編程的繪圖系統，是目前在Windows操作系統下應用最廣泛的通用計算機輔助設計軟件包，且具有開放靈活的風格，向用戶提供了AutoLisp、C++（ARX）、VB（ActiveXAutomation）多種開發工具，用以定制和開發AutoCAD。（1）AutoLisp/VisualLISP開發工具Autolisp是最早的二次開發工具，它是嵌入在AutoCAD內部，是解釋型API，以解釋方式運行，運行速度相對較慢，另外源代碼裸露，安全性差。但移植性最好，一個Autolisp程序可在所有的AutoCAD平臺運行，此外使用方便靈活，學習起來較容易，被廣大的工程技人員把掌握。而且從1986年引入AutoLISP以來，全球大量計算機軟件開發商和用戶已經使用AutoLISP撰寫出數以萬計的實用套裝系統和應用程序。為了充分利用AutoL工SP語言優勢，AutoCAD自AutoCADR14起又提供了一種新的LISP編程Z具—VisualLISP，它是一種面向對象的開發環境，是編譯型API，與Autolisp完全兼容，能提供Autolisp所有的功能，是AutoLISP的擴展和延伸。AutoLisp語言AutoLisp語言是開發AutoCAD應用程序的主要開發工具之一。它繼承了LISP語言的語法、傳統約定和基本函數與數據類型，并擴充了強大的圖形處理功能，語法簡潔、表達能力強、函數種類多、程序控制結構靈活，即能完成常用的科學計算和數據分析，又能調用幾乎全部的AutoCAD命令，具有強大的圖形處理能力，是AutoCAD早期版本的主要開發工具。在AutoCAD的二次開發工具中，它是唯一的一種解釋型語言。AutoLisp語言最典型的應用之一是實現參數化繪圖程序設計，包括尺寸驅動程序和鼠標拖動程序等。特點：AutoLisp是嵌入在AutoCAD內的解釋型過程語言，所以執行速度較編譯型程序慢；具有可移植性，可以運行在多種支持平臺上；缺乏很好的保護機制，源程序保密性差；需要學習特定的LISP語言。AutoLisp的這些特點，使其僅適合于有能力的終端用戶完成一些自己的開發任務。（2）ADS開發工具它是AutoCAD開發系統(AutoCADDevelopmentPAGE54System)的簡稱。ADS的編程。界面可使用戶用C語言來實現AutoCAD的用戶化，既可運行第三方開發的ADS應用程序，也可以編寫自己的ADS應用程序。與AutoLisp相比，ADS程序的優越性如下：(1)具備錯綜復雜的綜合大規模處理能力；(2)由于是編譯開發環境，可以檢查程序設計語言的邏輯錯誤，且執行速度快；程序源代碼的可讀性好于Lisp；(3)引入C高級語言后，ADS也同樣具有面向對象的功能，程序層次分明。清晰可讀從而使軟件的可維護性得到提高；(4)經過良好封裝，ADS的程序代碼。許多時候比AutoLisp更簡潔；(5)ADS的程序能夠減少程序出錯的概率。但同樣C語言的介入也會產生許多問題。如C語言比Lisp語言復雜得多，難以在短時間內掌握；ADS程序的隱藏錯誤會導致AutoCAD乃至操作系統崩潰；由于是編譯運行，不易見到代碼的效果；C語言的ADS程序一般比AutoLisp程序的源代碼要繁冗。由此可見，ADS開發者必須先對C/C++語言編程技術及AutoCAD功能有較深入的了解。隨著AutoCAD技術的發展，ADS已經被ObjectARX技術所取代。(3)VBA開發工具所謂VBA就是VisualBasicforApplication的簡稱。由于它是一個引入對象的程序設計環境，為用戶提供類似VisualBasic(VB)語言所擁有的功能，所以后續潛力無窮。一般說來VBA和VB的主要差異類似AutoLisp和Lisp間的差異，即VBA可以執行存取AutoCAD環境的所有資源。此外，VBA可以整合其他具用VBA能力的應用程序，這使AutoCAD可以成為其他應用程序(Word或Excel)的AutoCAD控制器。從運作上來看，VBA通過AutoCADActiveXAutomation接口將信息傳送給AutoCAD.而AutoCADVBA也允許VBA環境與AutoCAD同時執行并通過ActiveXAutomation接口提供AutoCAD程序。如此，AutoCAD，ActiveXAutoCAD與VBA結合方式，提供極強大的接口，不僅可以操作AutoCAD內部對象，更可以在其他的應用程序之間傳送或接收數據。與AutoL工SP相比，VBA在進程內運行速度比AutoLISP/VisualLisp應用程序快，更適合于開發用戶界面占主體的應用軟件。(4)ObjectARX開發工具ObjectARX是一種用來開發AutoCAD應用程序的編譯語言編程環境。它使用面向對象的C++應用程序開發機制，以動態鏈接庫形式和AutoCAD運行在相同的地址空間并且直接操作AutoCAD數據結構和代碼，可直接訪問AutoCAD的圖形數據庫和圖形系統；可以定義類似于AutoCAD內置命令的自定義命令；使用用戶可以用MFC庫來創建標準Windows風格的圖形用戶界面；用戶還可以根據擴展的ARX協議機制動態地擴展AutoCAD功能。此外還可以運用ObjectARX庫和其他AutoCAD編程接口(比如AutoLISP或VBA)結合使用，從而可以跨API集成。與其它幾種開發工具相比，ARX應用程序更加高效、更能充分利用AutoCAD開發的體系結構。但由于ARX復雜繁鎖，必需掌握VC語言，所以使用ARX開發工具的工程技術人員并不多。PAGE54ARXARX(AutoCADRun-timeExtension)是AutoCADR13之后推出的一個以C++語言為基礎的面向對象的開發環境和應用程序接口。ARX應用程序實質上為Windows動態鏈庫(DLL)程序，與AutoCAD共享地址空間，直接調用AutoCAD的核心函數。ARX提供了一系列用于定義新類的宏，在ARX應用程序的運行期間ARX提供了對AutoCAD現有類的擴充功能，ARX庫可以和ADS編程接口及AutoLisp應用程序接口聯合使用。AutoLisp、ADS、ARX都是AutoCAD提供的內嵌式編程語言。Autolisp和ADS都是通過內部進程通訊IPC來和AutoCAD通訊的，它們與AutoCAD是相互分離的過程。而ARX以DLL形式與AutoCAD共享地址空間，因此，與前兩者相比，其速度更快、運行更穩定、更簡單。(5)ActiveXAutomation開發工具ActiveXAutomation是微軟公司基于COM(組件對象模型)體系結構開發的一項技術，是AutoCAD的新編程接口。他提供了我們可以從AutoCAD內部或外部，以程序的方式來定義AutoCAD的結構。其方式是開放AutoCAD對象給”外部世界”。開放這些對象后，就可以使用許多不同的程序語言(如VisualBasic，C++，Delphi和Java)來存取對象。ActiveX對象模型是ActiveX技術的基礎，每一個對象就代表AutoCAD的一個元素。AutoGAD是以層結構來組織對象的，其頂層對象就是Application，下面是Preferences與Document。然后再透過對Preferences對象的操作，我們可以在執行VBA”編輯視窗”功能后，設定所需要的值。Document對象包含：ModelSpace，PaperSpace，Blocks，Layers，Plot與Utility等對象。最底層的對象是點、線、圓、圖塊等AutoCAD能畫出的圖形。可見在AutoCAD中使用ActiveX接口具有兩個優點，一是更多編程環境可以編程訪問AutoCAD圖形；二是與其他windows應用程序共享數據變得更加容易。ActiveXAutomation技術Autodesk公司把ActiveXAutomation技術引入AutoCAD軟件中，完全是順應編程環境發展的需要。ActiveXAutomation技術的完全面向對象化編程的特點，使其開發環境具備了強大的開發能力和簡單易用的優良特點，開發工具的選擇也具有很大的靈活性。所以，利用ActiveXAutomation技術，是極具潛力的一種開發手段。3.3.3擺線齒錐齒輪CAD系統總體架構本課題利用面向對象的編程技術、COM技術、數據庫相關技術實現以VB6.0為主的多平臺CAD系統開發，完成了直齒及錐齒輪CAD系統。該系統從錐齒輪設計、強度校核、切齒調整、設計報告到參數化繪圖和三維實體仿真PAGE54等一系列工作全由計算機完成，此外該系統具有良好的擴展能力，在實際應用中提高設計效率，具有一定的使用價值和應用前景。由于擺線錐齒輪參數多，設計和切齒調整計算公式繁復，且齒輪輪體結構復雜，類型多樣，所以要開發一個真正通用的擺線錐齒輪CAD軟件，編制程序的工作量將非常大。本軟件系統不可能在短時間內開發完成，需要開發者在持續、分階段的研究過程中，根據當前和未來的CAD軟件發展趨勢，分階段、有任務的完成各個階段的軟件開發，為最終實現擺線CAD軟件的商品化不斷的增添和完善有關內容。為達到這一要求，應保證CAD系統是一開放的、擴充性好的和可繼承的系統。根據軟件工程學的思想，采取結構化、模塊化的設計方法，即將系統按不同的功能，劃分成幾大模塊來分別設計，各個模塊之間聯系密切，又互相獨立，能夠體現各自的特色，而且便于維護和增加新內容。軟件的最終目標，是利用計算機完成克林貝格擺線錐齒輪的輪坯幾何設計和切齒調整計算，并進一步在對AutoCAD二次開發的基礎上自動生成齒輪的零件簡圖及實體模型，從而在整體上提高擺線錐齒輪的設計效率和質量。根據對擺線錐齒輪的切齒原理、幾何設計及切齒調整算法的分析，確定軟件的主要功能模塊如下：（1）幾何參數計算模塊完成幾何參數的計算；（2）強度校核計算模塊完成齒輪副強度校核；（3）切齒調整計算模塊完成機床切齒調整卡的計算；（4）參數化平面圖繪制模塊實現齒輪零件圖的繪制；（5）參數化實體仿真模塊實現齒輪實體建模仿真；（6）設計結果輸出模塊實現計算數據的保存、打印等功能。PAGE544擺線齒錐齒輪CAD仿真軟件系統開發圖4-2克制錐齒輪計算機輔助設計系統流程圖4.1擺線齒錐齒輪CAD系統的界面設計用戶界面又稱為人機交互界面，用來實現用戶和計算機之間的通信，是控制計算機或者用戶和計算機之間數據傳送的系統部件。設計良好的界面能夠引導用戶自己完成相應的操作，起到向導的作用。擺線齒錐齒輪CAD系統的開發綜合考慮了實際工程需要和齒輪專業技術人員用戶的的特點，這類用戶具有對計算機常用軟件特別CAD設計軟件的相當的使用經驗，參考主流Window應用程序界面的設計方案，結合VisualBasic6.0在界面設計方面的優越表現，軟件系統中所有的窗體界面均在VisualBasic6.0的環境下生成，為標準的Windows界面。在二維繪圖和三維仿真模塊采用AutoCAD主窗體內嵌為主程序子窗體的方式，不單獨在AutoCAD中定制菜單和窗口，以保持界面的統一。此外，界面設計還應遵守的一些原則：軟件系統的整體性軟件啟動封面設計（Splash）軟件框架設計軟件面板設計（2）視覺效果簡單、重點突出（3）規范性（1）一致性使界面保持了一致的視覺和操作風格。（2）減少操作步驟盡量做到操作簡便，減少敲擊鍵盤或點擊鼠標的次數。（3）減少人腦的記憶負擔需要用戶記憶的信息采用設置缺省值或查詢數據庫的方法組織。（4）引導功能為用戶完成設計工作的操作提供清晰、明確的引導信息。（5）糾錯功能自動判斷用戶輸入的數據是否合理，如果不合理給出相應的提示。克林根貝格螺旋錐齒輪建模軟件要成為一個可以在廣大工程設計人員中推廣的軟件，必須是一個可以獨立運行的應用程序，而在AutoCAD2000中雖然可以用內嵌在其內部的VBA進行開發。用戶界面是應用程序的一個最重要的組成部分，它是計算機向用戶提供人機交互環境的重要因素，良好的人機界面能為用戶提供舒適的PAGE54工作環境，使用戶可以花較少的時間完成所需的工作，達到事半功倍的效果。由于系統是面向廣大設計人員的，界面是否友好，直接關系到設計的效率和軟件的推廣使用。因此克林根貝格螺旋錐齒輪建模軟件采用的界面設計簡單、直觀、全面，力求層次少而清晰。最大限度地減少了用戶的參數輸入量，提高了計算機輔助水平和設計的自動化程度。該主界面上的控件代碼實現的最基本的功能就是初始化主界面上的各參數，即程序運行時可以在主界面上輸入或選擇所需的參數，程序代碼中不僅實現了參數的輸入功能，還實現了參數的檢驗功能。因為每一種AMK系列的機床對應于刀盤的頭數及刀盤的半徑是有限制的，而且每一種刀盤的半徑對應于一定模數范圍的刀具。如圖4.7所示機床型號、刀盤半徑以及模數的關系圖，比如講AMK852系列的加工機床可以有兩種刀盤頭數可供選擇，本建模軟件的初始值選擇的是5頭。而這種系列的加工機床對應的刀盤半徑有r=135、170、210、260四種，且r=135的刀盤所對應加工出來的齒輪模數范圍為mm。這些檢驗條件均加入了參數輸入主界面代碼中，以便用戶在輸入參數錯誤時能及時給予提示說明出錯的原因以及正確輸入值的范圍，圖4.8所示即為其中的一個出錯提示框。這樣可以檢查設計人員設計參數的正確性，從而提高運用克林根貝格螺旋錐齒輪建模軟件的效率。運行程序時單擊”開始繪圖”按鈕，系統首先把參數輸入主界面上的數據分別賦給不同的對象變量，以便系統可以把設計人員設計的數據傳遞給后續的繪圖程序，實現繪圖的參數化。再添加調用”主程序”模塊的代碼，即單擊”開始繪圖”按鈕時執行該模塊的程序。當單擊”取消”按鈕則退出建模軟件。圖一系統啟動畫面圖二系統主窗體系統主界面如圖所示，在主界面中設置了”文件”、”視圖”、”設計”、”繪圖”、”幫助”5個菜單項和”幾何設計”、”強度校核”、”銑齒調整”、”二維圖紙”、”三維仿真”、”結果保存”、”關于”和”退出”等八個快捷工具欄，要完成設計計算可以點擊相應的快捷按鈕，也可以直接在”設計”菜單欄中選擇相應的功能菜單，操作簡便。軟件界面的設計總體上分為三大部分：參數輸入部分、參數檢驗部分、結果輸出部分。界面的設計之中貫穿了整個軟件的設計思想，體現了整個軟件設計的流程。在整個設計過程中根據系統要求和軟件規范，設計良好的人機交互界面。有效地利用對話框，使設計人員可以交互地輸入或以下拉框的形式選擇各種必要的參數，同時提示、引導、幫助設計人員選定各個參數并分析輸出結果。并且應對輸入的錯誤或非法數值有一定的排錯糾正功能。圖5-3是軟件的啟動界面，圖片采用本校的校徽、主體樓做為背景圖片，點擊”進入”將進入軟件的主體界面。PAGE54進入主界面后自動彈出”幾何計算原始參數”輸入界面，如圖5-4所示。主界面上分別有”原始參數輸入”、”查看結果”、”檢驗結果”等菜單，每個菜單下還有多個子菜單，體現了整個軟件的基本功能。全部輸入框用程序限定只能輸入數字、小數點及退格鍵，當遺漏或者沒有完整輸入時會跳出提示框來提示您完整地填寫參數。”齒寬系數”、”參考點法向模數系數”下都有輸入合法數值的范圍，輸入不在范圍內的數據同樣會得到相應的提示。同時，當您選中同組單選中的一個時，另外一個單選所屬的輸入框會自動轉成不可用，減少了用戶的非法輸入。底端的五個按鈕中雖然有的是不可用，但等到執行相應的計算后會轉成可用。當點擊”計算模數”后(圖5-5)，右邊原本不可用的”齒側間隙系數”和”銑床型號”都轉成可用，同時顯示計算模數的結果，并根據所計算得到的模數動態加載相應的齒側間隙和銑床型號，”計算參數”按鈕也同時變亮。繼續點擊”計算參數”，當所有的驗證都通過后，”顯示結果”和”繼續輸入其他相關參數”同時變亮，繼續計算其他參數。4.2擺線齒錐齒輪設計計算部分4.2螺旋錐齒輪主動輪安裝形式可分為懸臂式和騎馬式兩種：（1）懸臂式安裝懸臂式安裝的/J、輪兩個軸承之間的距離最少應等子2倍的懸臂長度懸臂長度是指前軸承中心到小輪齒面寬中點之間的距離.小輪要有足夠的剛性，在重負荷下變形要小.懸臂式安裝一般用在扭矩較小的場合如小客車及鏈型載重汽車上.齒輪剛性好的載重汽車中也有應用。（2）騎馬式安裝當殼體中的空間允許時，應當設計成騎馬式安裝，的布置可以減小在負荷作用下小輪的變形.騎馬式安裝小輪必須有前軸頸，設計小輪前軸頸時應考慮到銑齒刀具和工件的干涉，騎馬式安裝設置得當，則可以提高齒輪承載能。要設計一對擺線錐齒輪，首先遇到的問題就是基本參數的選擇。在錐齒輪設計中，齒形參數可謂其最重要的參數。而且這些參數的選取和檢驗等都有其嚴格的參數設計規范。軟件中參數的輸入均采用對話框的形式。用戶可以任意輸入，但軟件可以判別所輸入的參數是否合法。以基本幾何參數計算對話框中軸交角參數輸入為例：軸交角的值程序中可接受的首先必須是數字，而且要求是在0～180之間的。可利用ASCII碼來控制其輸入。在軸交角參數輸入文本框控件的KeyPresss和LostFocus方法中編制。當輸入不合理的參數是，程序會給出相應的提示。如圖4-4所示。PAGE54在軟件中主要檢驗輸入的參數是否合理，而不加過于苛刻的限制，否則將影響軟件的適用范圍。參數經檢驗合理后通過變量傳遞到后續的模塊中。齒輪幾何參數計算模塊又可分為如下幾個小模塊：初始參數輸入模塊、確定模數和齒寬及基本幾何參數計算模塊、刀盤參數選擇模塊、迭代求解變位系數模塊、齒形系數計算模塊、幾何參數可行性檢驗計算模塊。由于這些模塊中的參數并不是按照先后順序設計的，而是經過交互反復試算后得到。在模塊設計過程中，充分考慮各種情況安排各個參數的計算順序，使用戶與計算機交互的完成參數的計算。幾何參數計算及檢驗模塊的流程如圖4-5所示。（1）刀盤參數選擇模塊在刀盤參數選擇模塊設計時，將各型號機床的刀盤參數整理在一個數據庫中，通過程序判斷選擇刀盤參數。刀盤參數的確定包括三個步驟，銑齒機型號的確定，刀盤半徑的確定和刀齒模數的確定。銑齒機型號可以通過點擊程序提供的銑齒機型號組合框來選擇。當選定銑齒機型號后，程序會自動加載其對應的刀盤半徑的值到刀盤半徑組合框中，使用者可以通過鼠標點擊選擇合適的刀盤半徑值，當銑齒機型號確定后，再進一步結合被加工齒輪的參考點法向模數確定刀齒的模數。數據庫采用比較常用的Access小型數據庫，通過結構化查詢語言SQL來瀏覽選擇數據。數據庫操作的部分程序如下：當銑齒機的型號，刀盤半徑和刀齒組數確定后，則確定了一個刀盤，也確定了刀盤所能加工的模數范圍。程序會自動檢驗被加工齒輪的模數是否在刀盤的可加工模數范圍內，若不在此范圍，會給出相應的提示，若在此范圍內，則根據刀齒模數與被加工齒輪參考點法向模數相近的原則，自動選定刀齒模數，這樣所有刀盤參數就確定了。刀盤參數確定后，需進一步檢驗所選定的參數是否合理，既是否能夠實現所設計齒輪的加工。當程序檢驗到參數選擇不合理時，會根據不同的情況給出相應的提示如圖4-6和圖4-7所示。出現如圖4-6所示提示的原因是在選擇刀盤半徑確定刀齒模數時，相應的刀盤半徑所對應的刀齒模數不能包涵被加工齒輪的模數，即無法實現加工，這時可按照提示增大刀盤半徑重試即可。出現如圖4-7所示提示的原因是在參數檢驗過程中，發生了刀盤干涉，可根據提示增大刀盤半徑重新計算。另外考慮到加工的經濟性和得到最佳的齒形，在選擇刀盤半徑時也由第3章公式（3-1）限定了一定的范圍，所以在選擇過程程序有可能會給出刀盤過大的提示。刀盤參數最終確定后，程序自動調用其它模塊完成幾何參數的計算。PAGE54（2）變位系數迭代計算模塊在第3章中已經討論了擺線錐齒輪切向變位系數和高變位系數的選擇計算方法，本節根據其算法編制相應的迭代計算程序。程序會根據所設計齒輪的參數判斷是否需要變位，高變位系數是根據齒輪相配兩齒輪齒頂和齒根滑動率絕對值之和相等的準則進行判斷計算的，當程序經過計算判斷需要變位時，給定一個高變位系數的初值，進一步利用牛頓迭代法計算高變位系數的終值，并計算不發生根切的最小高變位系數，結合最小高變位系數最終確定。切向變位系數是在高變位系數確定后進一步詳細計算的。依據齒形系數相等的原則經過多次迭代計算得到。變位系數計算程序的流程圖如圖4-8所示。（1）克林根貝格錐齒輪的基本參數克林根貝格錐齒輪幾何參數計算的原始參數見，程序界面。這些參數是錐齒輪進行尺寸計算的必要參數，都在程序的參數輸入界面上體現了出來。對于高變位系數X1和切向變位系數Xt1的計算將在下面詳細介紹。表5-1幾何參數計算的原始參數（2）高變位系數和切向變位系數的計算高變位系數的計算要通過迭代計算錐齒輪參考點法面當量齒輪的滑動率來得到，錐齒輪參考點法面當量齒輪的滑動率公式如下所示：表5-2錐齒輪參考點法面當量齒輪的滑動率計算公式其中：βm為參考點螺旋角；αn為法向壓力角；ha*為齒頂高系數克林根貝格錐齒輪高變位系數的準則是：相配兩齒輪齒頂和齒根滑動率絕對值之和相等，即ηa1+|ηf2|=ηa2+|ηf1|按照公式進行迭代計算。因為公式計算并不能做到絕對的相等，我們設定一個條件，設ζ1k=ηa1+|ηf2|，ζ2k=ηa2+|ηf1|，當|ζ1k-ζ2k|<0.001的時候跳出迭代，得到X1的值。當經過迭代得到X1后，還要進行小輪根切校核，由得到小輪小端法面當量齒輪齒數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為小端螺旋角于是小輪最小高變位系數為：其中：mni為小端法向模數；Δδ為分錐角修正量PAGE54當X1min≤X1時，X1保持不變，當X1min>X1時，取X1=X1min。克制錐齒輪以大小兩齒輪的齒形系數相等為條件，通過迭代計算初切向變位系數Xt1值，具體公式表(5-3)所示。表5-3擺線齒輪齒形系數計算正像上面所說的那樣，高變位系數和切向變位系數是通過一系列的公式進行迭代，滿足條件后跳出迭代，最終求得值。通常是由用戶輸入初值，程序根據這個值進行迭代。我們分別設定Δζk=|ζ1k-ζ2k|，ΔYFa=|YFa1-YFa2|。（3）克林根貝格錐齒輪部分檢驗根據刀盤無干涉條件和判斷是否干涉，如有刀盤干涉則跳出提示信息(圖5-13)，并顯示、、r0+ha0tanαn的具體值，重新選擇名義半徑r0的刀盤，進行重新計算。當小輪小端法面當量齒輪齒頂厚sai1<0.3mn，認為小輪齒頂變尖，需要在小輪頂錐面小端倒坡，切去齒頂變尖的部分，形成雙頂錐面。對于倒坡寬度bk的求解，首先要用迭代的方法求出倒坡后小輪小端頂圓直徑dvak，dvak的初值選用sai1=0.3mn時小輪小端法面當量齒輪的頂圓直徑dvak=dvani1-2mnK，其中，j為迭代次數，當j＝1時，Kj=0，dvak=dvani1當j>1時，由圖5-15得到(5-6)迭代求解dvak值時，要求Δsai1=sak-0.3mn>0或|Δsai1|>10-3。然后在根據表計算最后的倒坡寬度。在小端齒頂倒坡后程序會顯示倒坡條件中的參數值，確認倒坡的條件。4.2齒輪強度校核模塊的設計克林貝格擺線錐齒輪強度校核計算涉及到的公式、工況、系數等情況特別復雜，若憑人工計算，查圖表獲得各個系數相當的費時，本文編制了強度計算模塊來完成齒輪強度的檢驗計算。程序中整理了強度計算過程中用到的材料、應力、硬度及其它的系數信息，設計了不同的數據表存放于一個Access數據庫中，方便程序調用。尺輪材料的疲勞極限、硬度信息一般以圖表的形式給出，程序中采用試驗齒輪在失效概率為1%時的接觸疲勞極限和彎曲疲勞極限對齒輪的PAGE54強度進行校核。在這一試驗條件下得到的材料的硬度與應力的關系呈線性關系，如圖4-9所示，所以比較容易將其數據化，以此圖為例說明圖表數據化的過程。取如圖4-9所示取值線上的兩個點，標明其HBS-σFlim坐標，見表4-1。利用兩點建立一個直線方程，當材料確定，材料硬度確定時，就可以方便的確定極限應力的值。當然數據庫中的數據不能簡單的以這種方式存放，必須結合相應的材料信息和將常用齒輪的材料及熱處理方式進行分類，整理存放在數據庫中，結合其它的要求和計算公式完成強度檢驗計算。程序中采用以MicrosoftJet引擎為基礎的數據訪問對象DAO（DataAccessObject）方式訪問數據庫，數據的提取和選擇通過結構化查詢語言SQL完成。另外齒輪的工況設置盡量以選項的形式給出，需要輸入的數據給出一個默認值給用戶提供引導的功能，如圖4-11所示。同樣齒輪強度檢驗模塊也包括幾個小模塊：齒輪副的受力分析模塊，完成輪齒的受力分析并記錄數據；齒輪材料選擇模塊，確定齒輪的材料，便于進一步的強度檢驗計算；齒輪工作要求確定模塊，確定齒輪的工況，以便確定強度檢驗檢驗計算過程中的各個系數；精度等級確定模塊，確定齒面的精度等級；齒面接觸強度校核模塊，進行齒面強度檢驗計算；齒根彎曲強度校核模塊，齒根彎曲強度檢驗計算。我國頒布過GB1062－1988錐齒輪承載能力計算方法和GB1136－1989錐齒輪膠合承載能力計算方法。對于直齒錐齒輪、弧齒錐齒輪和準雙曲面齒輪的承載能力計算，以美國格利森法為基礎的AGMA標準仍被廣泛應用。“奧”制擺線錐齒輪和準雙曲面齒輪則利用CDS軟件計算，該軟件采用了NicmannG.的強度計算法。克林根貝格公司制定了擺線齒錐齒輪和準雙曲面齒輪強度計算標準KN3030。用這4種方法計算同一對錐齒輪的承載能力，得到的結果一般是不同的。為使各種齒輪的錐齒輪和準雙曲面齒輪有可比性，國際標準化組織于2000年提出ISO/FDIS10300錐齒輪承載能力計算標準修訂草案。本系統采用ISO/FDIS10300的B1法，對擺線齒錐齒輪進行接觸強度和抗彎強度校核。這種計算方法與GB10062-1988和KN3030接近，但比前者新穎，比后者完善。其程序流程圖如5-13所示。圖5-13克制齒輪強度校核流程圖強度校核原始參數的輸入界面如圖5-7所示，根據齒輪的設計要求在參數輸入的界面上對最小安全系數參考值，包括許用接觸強度最小安全系數和許用抗彎最小安全系數進行選擇(圖5-14)。圖5-14最小安全系數參考值界面PAGE54(5-7)其中：σHlim為試驗齒輪的接觸疲勞極限；ZNT為接觸疲勞壽命系數；ZX為尺寸系數；ZL為潤滑劑系數系數；ZV為速度系數；ZR為粗糙度系數；ZW為工作硬化系數；σHO為齒面計算接觸應力基本值；KA為使用系數；KV為動載系數；KHβ為接觸強度計算的齒向載荷分布系數；KHα為接觸強度計算的齒間載荷分布系數；求得接觸強度計算安全系數，由公式(5-8)其中：σFlim為試驗齒輪的彎曲疲勞極限；YST為試驗齒輪應力修正系數；YNT為彎曲疲勞壽命系數；YδrelT為相對齒根圓角敏感系數；YrelT為相對齒根表面狀況系數；YX為尺寸系數；σFO為齒根應力基本值；KFβ為彎曲強度計算的齒向載荷分布系數；KFα為彎曲強度計算的齒間載荷分布系數；求得彎曲強度計算安全系數，并分別和相應的最小安全系數進行比較，如果大于相應的最小安全系數，那么強度校核合格，否則重新調整幾何參數或者直到能符合齒輪的設計要求。PAGE544.2切齒調整計算參考文獻[2]的計算方法進行。該模塊直接調用參數計算模塊中計算得到的齒輪幾何參數，再在如圖4-13所示的切齒調整對話界面中輸入相關的刀盤尺寸和機床的基本參數，程序會自動完成刀位偏心角、刀盤安裝角、偏心距調整量、展成起始搖臺角、展成終止搖臺角、輪坯安裝角、分度及差動交換齒輪比等切齒調整參數的計算，并記錄輸出計算數據。克林根貝格錐齒輪加工特點克林根貝格公司推行的AMK系列機床和刀具系統，專門用來加工克林根貝格螺旋錐齒輪。就其加工設備和加工方法而言，克林根貝格制螺旋齒輪的主要加工特點如下：(1)連續分度法加工，精度高，效率高；(2)采用平面產形輪原理加工，避免了對角接觸，機床的調整及調整計算方便；(3)刀盤的規格及數量小，覆蓋范圍大；(4)鼓型齒接觸，接觸區修正方便及有較大的接觸區修正能力；(5)可以進行硬齒面強力刮削，提高齒輪精度及表面光潔度；(6)無接觸區擴散。克林根貝格公司現在又研究了九軸的CNC控制螺旋錐齒輪加工機床，由驅動電機直接帶動執行元件，消除了由于傳動鏈長而增加的中間環節誤差，大大提高了機床的加工精度和制造柔性，可以說是萬能機床，它可通過CNC技術得到想要切削的任意齒制的齒輪副。克林根貝格錐齒輪主要機床參數及計算流程克林根貝格AMK系列銑齒機，都用連續分度雙面銑齒展成加工擺線齒錐齒輪。刀軸不傾斜。其中某些型號銑齒機可用于硬齒面刮削。由于AMK銑齒機缺微機控制系統，需要由人工調整九個主要參數，確定齒坯與刀具的相對位置和相對運動。九個參數大致可以分成五組：(1)刀盤和輪坯的相對運動AMK型銑齒機，按刀位組數和被加齒輪數確定由刀盤到輪坯傳動鏈中分度交換齒輪比，保證刀盤轉過一組齒時，冠輪和輪坯各轉過一個齒，實現連續分度。(2)搖臺位置及展成進給PAGE54用展成法銑齒時，搖臺轉動，需要確定展成起始和終止的搖臺角；AMK型銑齒機，通過調整差動交換齒輪比，將搖臺轉動按一定的關系附加到冠輪和齒坯上，形成展成運動；搖臺的轉動為展成進給運動。粗銑無展成切入銑齒時，需要確定切入搖臺角。(3)切入進給調切入進給控制切入深度。對于模數較大的齒輪，一般先鎖住搖臺，用切入進給連續分度銑齒法開槽，然后再用展成法精銑。(4)刀位位置調偏心盤的角度確定刀位，即內刀盤軸線至搖臺軸線的距離；調外刀盤偏心距確定刀盤安裝角，從而確定外刀盤與內刀盤回轉中心的偏距。(5)輪坯位置調輪坯安裝角控制臺去確定輪坯安裝角；調刀位控制臺確定輪位；調垂直輪位確定垂直輪位。機床調整參數計算流程圖如下所示：圖5-15機床調整參數計算流程圖4.3擺線齒錐齒輪CAD二維圖紙設計（單列一章）4.4擺線齒錐齒輪實體仿真的實現（單列一章）4.5設計結果的顯示、打印和輸出采用MSHFlexGrid控件和RichTextBox控件實現數據的顯示，并可以將設計數據保存為Excel文件和純文本文件。4.6數據庫系統VB具有面向對象化關系型數據庫的創建和管理能力，可以有效地實現對數據庫的操作。軟件采用以MicrosoftJet引擎為基礎的數據訪問對象DAO（DataAccessObject）方式管理訪問數據庫。數據庫中存放了齒輪設計計算過程中用到各型號刀盤的參數、經驗數據、精度等級等數據以及數據化了的材料、應力、硬度等圖表信息，數據的查詢和獲取主要利用結構化查詢語言SQL來實現。4.7程序的封裝和發布問題PAGE545擺線齒錐齒輪CAD圖形系統設計過程5.1錐齒輪軟件設計模塊與AutoCAD繪圖平臺的通信5.1.1AutoCAD與ActiveXAutomationAutoCAD作為一種具有高度開放結構的CAD平臺軟件，它提供了強大的二次開發環境。從AutoCADR14版開始，AutoCAD引入了ActiveXAutomation技術。AutoCAD的ActiveX自動化是微軟制定的一種實現程序間通信、調用的軟件復用規范。由于ActiveX技術是一種完全面向對象的技術，所以許多面向對象化編程的語言和應用程序，可以通過ActiveX與AutoCAD進行通信，并操縱AutoCAD的許多功能。Automation技術允許一個應用程序操縱在另一個應用程序中實現的對象，從而可以被操縱。操縱程序被稱為客戶，而被操縱程序稱為服務器，被操縱的對象是Active對象。ActiveXAutomation由客戶程序和服務器程序組成，客戶程序是操縱者與控制者，服務器程序是被控制者，它包含了一系列的暴露對象。只要服務器程序提供一定的接口，可以使任何對象實現自動化。對象包含了一些外部接口，它們被稱為方法與屬性。方法是自動化對象的一些函數，它們是提供給客戶程序的外部公共成員函數。屬性是一個對象的一些命名特征，即對象的一些公有數據域。Automation服務器和客戶之間數據傳遞的安全機制比較復雜，它一般使用Variant類型傳遞數據，它支持許多標準數據類型。AutoCADActiveXAutomation提供了一種程序化的機制來操縱AutoCAD，這種操作既可以是在AutoCAD內部，也可以是來自AutoCAD外部的。圖形象地表示出AutoCAD將一些Objects(對象)裸露在AutoCADApplication程序的外部，以便于其他程序訪問。用戶可以使用AutoCAD自帶的VBA編輯器來訪問，也可以通過Java，C++，VisualBasic，Delphi等訪問，甚至還可以用WordVBA、ExcelVBA來訪問。5.1.2VisualBasicVisualBasic與AutoCAD的連接使用的是COM技術。AutoCAD作為服務程序，其暴露給客戶程序VB的對象、屬性和方法保存在類型庫中，庫文件名為acad.tlb，位于AutoCAD的目錄中。VisualBasic在使用AutoCAD應用程序對象之前，要先引用它的類型庫。引用的方法是在VB編程界面的引用對話框中選擇AutoCAD2006ObjectLibrary。如果該項沒有列出，單擊”瀏覽”PAGE54，在打開的文件對話框中選擇acad.tlb文件（位于AutoCAD2006安裝目錄下）即可。在完成對類型庫的引用后，需進一步完成VisualBasic與AutoCAD的連接。所以要同時用到GetObject函數或CreateObject函數來獲得ActiveX對象，然后使用Set語句將對象賦給對象變量，在程序代碼中使用定義的對象變量就可以引用該對象。實現VisualBasic與AutoCAD之間連接的程序代碼如下：PrivateSubLinkAutoCAD()OnErrorResumeNext'獲得正在運行的AutoCAD應用程序對象SetAcadApp=GetObject(,"AutoCAD.Application.16")IfErrThenErr.Clear'創建一個新的AutoCAD應用程序對象SetAcadApp=CreateObject("AutoCAD.Application.16")IfErrThenMsgBoxErr.DescriptionExitSub