基于SolidWorks的曲柄壓力機傳動機構部件參數化技術研究

為了滿足產品快速變形設計的需求，結合現有的設計方法，提出基于SolidWorks部件參數化設計方法，并闡述了其設計過程及技術方法，并以曲柄壓力機齒輪傳動機構為實例，運用部件參數化設計方法，結合二次開發技術，對主要環節進行了研究。
　
曲柄壓力機是一種主要應用在金屬壓力加工行業的設備，在機械制造工業以及其他工業的鍛壓生產中具有十分顯著的作用。其中齒輪傳動機構是曲柄壓力機的重要組成部分，它將電動機的運動和能量按照一定的要求傳給曲柄滑塊機構。其設計的好壞將影響壓力機的外形尺寸、結構安排，能量損耗以及離合器的工作性能等多個方面。它主要由傳動箱、齒輪、傳動軸、連接件以及附屬結構等構成。目前該部分的設計工作主要依靠設計者經驗及參考設計手冊手工完成，設計計算量大。若能利用現有的造型系統和結構模型，建立起產品設計的專用功能，設計者只需輸入結構的關鍵參數，系統自動完成結構的更新和重建，這將極大地減少設計計算量，提高設計效率。

對于許多企業而言，往往形成了系列化產品，同一系列的產品，結構形狀具有相似性，即使不同系列的產品，某些零件也具有通用性。對于本文所研究的壓力機齒輪傳動機構，對于同一噸位、同一系列的壓力機，當其他技術參數改變時，齒輪傳動機構零部件也相應改變，但其結構相似，可以實現零部件的重用。

本文在SolidWorks的環境下，結合曲柄壓力機齒輪傳動機構的特點，提出部件參數化設計技術，以達到產品變形設計的目的。

1 參數化設計技術

參數化是當今三維CAD軟件的突出特點，是設計者快速設計的**手段。參數化設計，也稱尺寸驅動。它是在設計對象結構比較定型的基礎上，用一組參數來表示尺寸值和約束關系，其核心是尺寸參數驅動。當產品變形設計時，賦予尺寸新的參數，系統自動完成對模型相關尺寸的修改，實現對模型的參數驅動，完成產品的更新。參數化設計方法將特征的尺寸與約束關系記錄并保存在設計模型中，這樣可使所建的模型充分體現設計人員的設計思路。設計人員不必專注于模型的具體尺寸，可以隨時調整參數值來修改控制模型。

部件參數化是對零件參數化的延伸，即把部件作為零件來處理實現部件參數化。部件參數化問題除需解決各組成零件的參數化設計以外，還必須解決參數化時的同步更新問題。所謂的同步更新，是指當進行部件的參數化時，對其中某一個零件進行了更改，要求能夠引起與之關聯的一個或者多個零件的同步更新。

2 部件參數化的實現方法
SolidWorks系統提供了3種參數化設計方法:SolidWorks本身提供的參數化方法、程序驅動法和尺寸驅動法。SolidWorks本身提供的參數化方法采用人機交互的方式對模型賦予參數驅動零件模型。同時還可以在幾何尺寸之間添加數學關系式，減少人工修改的尺寸。程序驅動法是以程序建模為主要手段，將建模的過程和方法都由程序來實現。這種方法需要繁雜的程序代碼，時間長，效率低，不易生成復雜零件。尺寸驅動法需要先建立三維模型，以此三維模型為模板，采用**計算機語言編寫程序，調用系統提供的編程接口操作該模板，給設計變量賦值實現參數化設計。

部件參數化的實現采用SolidWorks本身提供的參數化方法與尺寸驅動法相結合的方法。首先，在SolidWorks系統環境下，通過人機交互的方式完成零件模型，建立起部件裝配模型。根據部件的結構和功能確定設計參數及數學關系，實現模型修改的可控性。以此模型作為部件模板，結合所編制的程序代碼，利用SolidWorks為用戶提供的二次開發接口API，調用相關函數，檢索模型中所定義的參數供用戶進行設計修改，尺寸驅動只需要修改這些變量值，就可完成模型的快速變形設計。采用這種方法結合了CAD系統自身的參數化及編程技術的優勢，因此所需編寫的程序代碼非常簡潔。部件參數化的實現方法如圖1所示。

圖1 部件參數化的實現方法

3 部件參數化的實現

3.1 參數的確定

部件也是裝配體，由許多零件組合而成，在部件參數化過程中要處理的參數變量會很多，但組成部件的零件并不是相互獨立存在，它們之間存在著類似于“耦合”的關系。在部件參數化中一個重要任務就是確定主動參數和從動參數。主動參數影響著部件的結構和性能及零件之間的裝配關系，從動參數受主動參數控制，隨主動參數的變化而變化。

在參數確定過程中，要合理地選擇主動和從動參數。主動參數過多，部件的柔性增加，同時需要用戶控制的變量增加，設計量會增加。反之，主動參數過少，會使得相關結構尺寸難以更新，不利于快速建模的實現。

部件結構處在整個產品的中間位置，它本身具有需要定義的參數，同時它的功能結構參數需要根據整個產品結構的尺寸和功能參數更改而變化。對于組成部件的零件，則是產品及部件結構功能的最終體現。部件的參數分析和確定需要考慮產品總體、部件及零件3個層次。

(1) 產品總體參數。產品總體參數反映產品結構、功能及一些技術指標。如影響壓力機工藝能力、加工零件尺寸范圍及生產效率的主要參數有公稱壓力、公稱壓力行程、滑塊行程、滑塊行程次數、**裝模高度等，其他尺寸可根據具體要求更改。其中公稱壓力、滑塊行程次數等參數影響齒輪傳動部件的設計。

(2) 部件參數。部件參數是對產品總體參數的細分，把產品尺寸及功能分解到部件上。在齒輪傳動部件中把總傳動比設為主動參數，速比分配、及外形結構尺寸等定為從動參數。

(3)零件參數。部件內零件數量多，關系較為復雜，需要理清每個零件的主要及次要參數，確定主從動參數。
曲柄壓力機的齒輪傳動機構部件主要依靠齒輪把電動機運動和能量傳給曲柄滑塊機構，其傳動原理如圖2所示。

圖2 壓力機齒輪傳動原理簡圖

齒輪是傳動機構的主要零件，傳統的壓力機齒輪采用鑄造結構，但齒輪制造周期長，并且容易產生缺陷。在本文研究的齒輪傳動機構中所使用的中間齒輪及大齒輪需要承受重載沖擊和傳遞大扭矩，為此齒輪采用分體制造，齒輪由齒圈、腹板和輪轂3部分分別制造而成，通過這種方法可以縮短齒輪制造周期，滿足設計需求。同時在傳動比分配時，為使各個相嚙合齒對磨損均勻，相嚙合齒對的齒數一般互為質數。

現以曲柄壓力機中間齒輪為例來說明零件級主從動參數的確定。中間齒輪的結構及尺寸
如圖3所示。

圖3 中間齒輪結構及尺寸

中間齒輪的模數m、齒數Z、壓力角α是由整個機構的傳動性能決定的，其中齒數Z由傳動比并根據傳動軸齒輪齒數算出。模數m和壓力角α必須和傳動軸齒輪的模數、壓力角相等，保證能夠正確的嚙合傳動，作為從動參數。齒頂高系數ha*，頂隙系數c*在本機構中均取標準值，作為主動參數給出。軸孔直徑D0關系到與之配合的軸，同時也與其他參數關聯，D0作為主動參數。齒寬B受傳動軸齒寬的影響，在選擇時可根據傳動軸齒寬做出更改。輪轂寬L受齒寬B的影響，作為從動參數。鍵槽尺寸b和h可根據軸孔直徑D0根據國家標準選取。其他結構尺寸可根據齒輪結構設計公式，根據實際需要加以圓整，作為從動參數給出。
根據以上分析，中間齒輪參數劃分如圖4所示。

圖4 中間齒輪參數分類
齒輪主從動參數的劃分和確定使得齒輪結構的設計得到簡化，提高了設計效率。只需修改確定的主動參數，從動參數亦隨之確定，完成模型的更新。

對于傳動機構的其他零件都按照這種方法，劃分出主從動參數。對于整個裝配模型所關注的設計變量將大大減少。

3.2 參數化部件模板實現

模板是從一組相似的事物中抽象出一種框架型的模式，任何一個類似的事物都可作為以模板為超類派生類型的實例。部件模板是以三維部件裝配體為基礎，包含幾何模型信息和零部件參數信息，參數信息包括零件名稱、材料、約束、配合關系及參數關系。以部件模板為父類，通過改變與之相關的參數，實現模型的重構更新，也就相當于得到了子類。構建部件模板模型一般有兩個步驟:(1)建立三維模板模型;(2)參數化模板模型。圖5為曲柄壓力機齒輪傳動機構的三維裝配模型。

圖5 齒輪傳動機構三維模型
部件模板的建立過程也是部件參數化的過程。采用人機交互的方式，在SolidWorks中建立零件的三維模型的基礎上，通過裝配約束建立初始的部件裝配模板模型。在此基礎上，添加主從動參數，關系方程式，完成參數信息的構建。部件模板參數化構建的合理與否，將影響到后續開發工作及子類的派生。

在部件參數化過程中采用基于裝配約束的部件參數化設計方法建立部件模板。運用這種方法，在參數化的零件的基礎上，利用裝配關系添加零件間的約束，根據裝配約束建立零件間設計變量的函數關系，通過對設計變量的管理，實現了零件間尺寸的聯動，最終實現整個部件的參數化設計。部件內零件之間的模型與參數關系如圖6所示。

圖6 部件內零件模型與參數關系

3.3 參數約束和關聯的建立

根據裝配約束的部件參數化設計方法的思想，需要完成零件參數化及建立部件內各零件間的參數關系兩方面的任務。CAD系統中的約束一般分為兩大類:工程約束和幾何約束。工程約束關注于產品的功能屬性，主要反映了產品在工程語義上的設計要求，如結構外形尺寸。工程約束需要轉化為幾何約束才能最終在產品模型中得到體現，從而實現設計意圖。幾何約束關注于幾何圖形的屬性，它又可分為結構約束(拓撲約束)和尺寸約束。零件的建模及部件的裝配通過結構約束得以實現。尺寸約束所定義的尺寸是參數化中所要驅動的對象。

在部件中通過添加方程式可實現尺寸約束參數間的關聯，SolidWorks中的方程式可以實現零件內部尺寸，裝配體零件間尺寸的關聯。方程式從左至右求解，位于等號左側的尺寸由右側的值驅動，多個方程式的求解按其在方程式列表中出現的順序逐一解出。如圖7所示，建立零件內部尺寸及部件內各零件尺寸之間的關聯。


圖7 方程式實現參數關聯
在齒輪傳動裝配體中，由于零件個數較多，所要控制和關聯的尺寸也很多，尺寸名稱的定義應語意明確，無歧義，且**。方程式中直接對尺寸名稱賦值的為主動參數，也是全局變量。從動參數通過方程式與主動參數關聯，由主動參數來確定。在裝配體中其語法格式為“尺寸名稱”@“草圖名稱”@“零件名稱”=關聯方程式或“尺寸名稱”@“特征名稱”@“零件名稱”=關聯方程式。

4 參數化程序設計

SolidWorks提供了大量的API函數用于二次開發，任何基于Windows系統，支持OLE(ObjectLinking and Embedding，對象鏈接與嵌入)技術的編程軟件，如VB、Delphi、VBA、C、Visual C + +等都可以對SolidWorks進行二次開發。

二次開發中首先被創建的對象是SldWorks，它是所有其他對象的父類，通過它才能建立二次開發插件與SolidWorks應用程序之間的連接。調用Solid-Works所提供的API函數，檢索三維裝配模型中的設計參數，把對結構形狀功能有重要影響的主動參數交給用戶去設定。用戶根據需要可以反復修改參數，直到得到滿意的結構模型，完成整個結構的重建過程。

以中間齒輪結構設計為例，說明參數化的程序設計。如圖8所示，模數m和壓力角α由傳動軸齒輪得出。用戶需要輸入主動參數，部分從動參數先通過經驗公式計算得出估計值，根據實際需要對從動參數做修改圓整處理。若所有的模型設計參數均已給出，重建模型將得到新的派生結構。

圖8 中間齒輪結構設計界面

5 結語
本文針對SolidWorks平臺下曲柄壓力機齒輪傳動機構的部件參數化設計過程及設計方法進行了研究。通過建立參數化的部件模板模型，結合二次開發程序的調用，在原有模型的基礎上派生出一些列新的模型，大幅提高了模型的設計效率，縮短了設計周期。
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