基于SolidWorks的蜗杆传动参数化建模

0 引言
    常用的蜗杆传动有普通圆柱蜗杆传动、圆弧齿蜗杆传动及圆弧面蜗杆传动，用于传递空间交错轴的运动和动力，具有传动比大、传动平稳以及结构尺寸紧凑等优点，在各类机械设备的传动系统中广泛应用。蜗杆传动中的蜗杆蜗轮外形比较复杂，用手工方法进行三维建模，不仅过程繁琐、效率低，而且容易出错。本文以应用最为广泛的阿基米德螺旋线蜗杆传动为例，在SolidWorks环境下，用VB实现对蜗杆蜗轮的三维参数化建模，可以提高产品开发的效率和质量，为后续进行的有限元分析提供必要的条件。
    1 参数化建模的总体思路
    参数化设计是指参数化的尺寸不需用确定的数值表示，改变一个参数值将自动改变所有与它相关的尺寸，通过调整参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的三维造型。参数化设计模型的形成过程见图1。首先对实际要解决的问题进行分析，根据实际问题确定关键的约束参数，这些约束参数必须能够唯一地确定一个造型；然后输入约束参数，并对参数进行有效性判定，并据此判定决定是否修改参数；最后，观察绘制的模型是否符合要求，如果符合则保存设计好的产品造型，否则进行参数的修改，重新进行绘制和判定。
    2 蜗杆蜗轮的三维参数化造型
    2．1 提取约束参数
    以应用最为广泛的阿基米德螺旋线蜗杆传动为例，分析约束参数的提取过程。根据用户的设计要求，结合蜗杆传动的关键尺寸约束，这里得到蜗杆蜗轮的主要参数有蜗轮齿数名。、蜗杆头数z、蜗轮模数m，、蜗杆直径系数q、蜗轮变位系数x。、中心距以a，这些是绘制蜗轮蜗杆时的常用参数，约束了这些变量，就确定了蜗杆蜗轮且是唯一的。
    

    2．2 蜗杆传动参数化建模的关键算法分析
    蜗杆传动参数化建模的算法设计关键是蜗轮渐开线齿廓的算法设计，在这个过程中要掌握蜗轮的设计原理，灵活应用VB程序设计方法，充分利用SolidWorks的API函数及宏录制功能进行设计。本文以阿基米德螺旋线蜗杆传动为例，详细论述蜗轮渐开线齿廓的算法分析与设计的方法。
    2．2．1 绘制蜗轮坯体
    在调用SolidWorks的API函数以前，视基准面为绘图平面，建立草图，用CreateCircle画蜗轮的齿根圆，齿根圆直径d由约束参数计算：
    

    2．2．2 绘制蜗轮渐开线齿形草图
    齿廓的生成主要有两种方法，一种是用直线段逼近的方法，另一种是先确定齿廓上的部分点，用曲线拟合的方法。直线段逼近法计算量比较大，曲线拟合算法简单同时在精度上也不比直线段逼近法差，所以选择曲线拟合的方法生成渐开线齿廓。利用直角坐标系下的渐开线方程生成不同角度杯对应的点，循环确定60个点：
    

2．2．3 形成单个轮齿
    根据生成的齿廓草图，调用路径扫描函数InsertProtrusionSweep()进行扫描，即可得到完整的单个轮齿。
    2．2．4 阵列并生成蜗轮
    对单个轮齿以蜗轮基体特征的轴线进行圆周阵列生成全部轮齿，最后再调用API中的相关函数进行蜗轮的圆角处理即可得到蜗杆传动中的蜗轮三维造型，见图2。蜗杆传动中的蜗杆三维造型用类似的方法可以得到，见图3。
    

    2. 3 用VB实现蜗杆传动的三维参数化建模
    通过以上关键算法的分析，应用Visual Basic程序开发语言，并结合SolidWorks软件自身提供的API函数，设计用户交互界面并编制程序实现蜗杆传动的三维参数化建模。图4为基本参数对话框。
    SolidWorks提供了大量的OLE对象用于自身软件的二次开发，这些OLE对象涵盖了全部的SolidWorks的OLE对象属性的设置和对OLE对象方法的调用，这样用户就可以在自己开发的系统中实现与Solidworks相同的功能。Solidworks中的常用对象有Sldworks, ModelDo, PartDoc, AssemblyDoc,DrawingDoc, Sketch, Dimension等，在蜗轮蜗杆的程序设计过程中，充分利用了这些对象的强大功能对蜗轮蜗杆进行三维参数化建模。
    

    3 总结
    SolidWorks是目前最优秀的三维造型设计软件之一，它具有开放性的软件体系结构，便于根据实际需要进行二次开发和扩展。本文研究了基于SolidWorks蜗轮蜗杆的参数化建模方法，使用了Visual Basic高级程序设计语言编制的二次开发程序，实现了输入必要参数即可快速建模的目标，使三维建模过程大大简化，为后续的设计提供了必要的信息条件，提高了设计效率。