基于SolidWorks的曲柄压力机传动机构部件参数化技术研究

为了满足产品快速变形设计的需求，结合现有的设计方法，提出基于SolidWorks部件参数化设计方法，并阐述了其设计过程及技术方法，并以曲柄压力机齿轮传动机构为实例，运用部件参数化设计方法，结合二次开发技术，对主要环节进行了研究。
　
曲柄压力机是一种主要应用在金属压力加工行业的设备，在机械制造工业以及其他工业的锻压生产中具有十分显著的作用。其中齿轮传动机构是曲柄压力机的重要组成部分，它将电动机的运动和能量按照一定的要求传给曲柄滑块机构。其设计的好坏将影响压力机的外形尺寸、结构安排，能量损耗以及离合器的工作性能等多个方面。它主要由传动箱、齿轮、传动轴、连接件以及附属结构等构成。目前该部分的设计工作主要依靠设计者经验及参考设计手册手工完成，设计计算量大。若能利用现有的造型系统和结构模型，建立起产品设计的专用功能，设计者只需输入结构的关键参数，系统自动完成结构的更新和重建，这将极大地减少设计计算量，提高设计效率。

对于许多企业而言，往往形成了系列化产品，同一系列的产品，结构形状具有相似性，即使不同系列的产品，某些零件也具有通用性。对于本文所研究的压力机齿轮传动机构，对于同一吨位、同一系列的压力机，当其他技术参数改变时，齿轮传动机构零部件也相应改变，但其结构相似，可以实现零部件的重用。

本文在SolidWorks的环境下，结合曲柄压力机齿轮传动机构的特点，提出部件参数化设计技术，以达到产品变形设计的目的。

1 参数化设计技术

参数化是当今三维CAD软件的突出特点，是设计者快速设计的**手段。参数化设计，也称尺寸驱动。它是在设计对象结构比较定型的基础上，用一组参数来表示尺寸值和约束关系，其核心是尺寸参数驱动。当产品变形设计时，赋予尺寸新的参数，系统自动完成对模型相关尺寸的修改，实现对模型的参数驱动，完成产品的更新。参数化设计方法将特征的尺寸与约束关系记录并保存在设计模型中，这样可使所建的模型充分体现设计人员的设计思路。设计人员不必专注于模型的具体尺寸，可以随时调整参数值来修改控制模型。

部件参数化是对零件参数化的延伸，即把部件作为零件来处理实现部件参数化。部件参数化问题除需解决各组成零件的参数化设计以外，还必须解决参数化时的同步更新问题。所谓的同步更新，是指当进行部件的参数化时，对其中某一个零件进行了更改，要求能够引起与之关联的一个或者多个零件的同步更新。

2 部件参数化的实现方法
SolidWorks系统提供了3种参数化设计方法:SolidWorks本身提供的参数化方法、程序驱动法和尺寸驱动法。SolidWorks本身提供的参数化方法采用人机交互的方式对模型赋予参数驱动零件模型。同时还可以在几何尺寸之间添加数学关系式，减少人工修改的尺寸。程序驱动法是以程序建模为主要手段，将建模的过程和方法都由程序来实现。这种方法需要繁杂的程序代码，时间长，效率低，不易生成复杂零件。尺寸驱动法需要先建立三维模型，以此三维模型为模板，采用**计算机语言编写程序，调用系统提供的编程接口操作该模板，给设计变量赋值实现参数化设计。

部件参数化的实现采用SolidWorks本身提供的参数化方法与尺寸驱动法相结合的方法。首先，在SolidWorks系统环境下，通过人机交互的方式完成零件模型，建立起部件装配模型。根据部件的结构和功能确定设计参数及数学关系，实现模型修改的可控性。以此模型作为部件模板，结合所编制的程序代码，利用SolidWorks为用户提供的二次开发接口API，调用相关函数，检索模型中所定义的参数供用户进行设计修改，尺寸驱动只需要修改这些变量值，就可完成模型的快速变形设计。采用这种方法结合了CAD系统自身的参数化及编程技术的优势，因此所需编写的程序代码非常简洁。部件参数化的实现方法如图1所示。

图1 部件参数化的实现方法

3 部件参数化的实现

3.1 参数的确定

部件也是装配体，由许多零件组合而成，在部件参数化过程中要处理的参数变量会很多，但组成部件的零件并不是相互独立存在，它们之间存在着类似于“耦合”的关系。在部件参数化中一个重要任务就是确定主动参数和从动参数。主动参数影响着部件的结构和性能及零件之间的装配关系，从动参数受主动参数控制，随主动参数的变化而变化。

在参数确定过程中，要合理地选择主动和从动参数。主动参数过多，部件的柔性增加，同时需要用户控制的变量增加，设计量会增加。反之，主动参数过少，会使得相关结构尺寸难以更新，不利于快速建模的实现。

部件结构处在整个产品的中间位置，它本身具有需要定义的参数，同时它的功能结构参数需要根据整个产品结构的尺寸和功能参数更改而变化。对于组成部件的零件，则是产品及部件结构功能的*终体现。部件的参数分析和确定需要考虑产品总体、部件及零件3个层次。

(1) 产品总体参数。产品总体参数反映产品结构、功能及一些技术指标。如影响压力机工艺能力、加工零件尺寸范围及生产效率的主要参数有公称压力、公称压力行程、滑块行程、滑块行程次数、**装模高度等，其他尺寸可根据具体要求更改。其中公称压力、滑块行程次数等参数影响齿轮传动部件的设计。

(2) 部件参数。部件参数是对产品总体参数的细分，把产品尺寸及功能分解到部件上。在齿轮传动部件中把总传动比设为主动参数，速比分配、及外形结构尺寸等定为从动参数。

(3)零件参数。部件内零件数量多，关系较为复杂，需要理清每个零件的主要及次要参数，确定主从动参数。
曲柄压力机的齿轮传动机构部件主要依靠齿轮把电动机运动和能量传给曲柄滑块机构，其传动原理如图2所示。

图2 压力机齿轮传动原理简图

齿轮是传动机构的主要零件，传统的压力机齿轮采用铸造结构，但齿轮制造周期长，并且容易产生缺陷。在本文研究的齿轮传动机构中所使用的中间齿轮及大齿轮需要承受重载冲击和传递大扭矩，为此齿轮采用分体制造，齿轮由齿圈、腹板和轮毂3部分分别制造而成，通过这种方法可以缩短齿轮制造周期，满足设计需求。同时在传动比分配时，为使各个相啮合齿对磨损均匀，相啮合齿对的齿数一般互为质数。

现以曲柄压力机中间齿轮为例来说明零件级主从动参数的确定。中间齿轮的结构及尺寸
如图3所示。

图3 中间齿轮结构及尺寸

中间齿轮的模数m、齿数Z、压力角α是由整个机构的传动性能决定的，其中齿数Z由传动比并根据传动轴齿轮齿数算出。模数m和压力角α必须和传动轴齿轮的模数、压力角相等，保证能够正确的啮合传动，作为从动参数。齿顶高系数ha*，顶隙系数c*在本机构中均取标准值，作为主动参数给出。轴孔直径D0关系到与之配合的轴，同时也与其他参数关联，D0作为主动参数。齿宽B受传动轴齿宽的影响，在选择时可根据传动轴齿宽做出更改。轮毂宽L受齿宽B的影响，作为从动参数。键槽尺寸b和h可根据轴孔直径D0根据国家标准选取。其他结构尺寸可根据齿轮结构设计公式，根据实际需要加以圆整，作为从动参数给出。
根据以上分析，中间齿轮参数划分如图4所示。

图4 中间齿轮参数分类
齿轮主从动参数的划分和确定使得齿轮结构的设计得到简化，提高了设计效率。只需修改确定的主动参数，从动参数亦随之确定，完成模型的更新。

对于传动机构的其他零件都按照这种方法，划分出主从动参数。对于整个装配模型所关注的设计变量将大大减少。

3.2 参数化部件模板实现

模板是从一组相似的事物中抽象出一种框架型的模式，任何一个类似的事物都可作为以模板为超类派生类型的实例。部件模板是以三维部件装配体为基础，包含几何模型信息和零部件参数信息，参数信息包括零件名称、材料、约束、配合关系及参数关系。以部件模板为父类，通过改变与之相关的参数，实现模型的重构更新，也就相当于得到了子类。构建部件模板模型一般有两个步骤:(1)建立三维模板模型;(2)参数化模板模型。图5为曲柄压力机齿轮传动机构的三维装配模型。

图5 齿轮传动机构三维模型
部件模板的建立过程也是部件参数化的过程。采用人机交互的方式，在SolidWorks中建立零件的三维模型的基础上，通过装配约束建立初始的部件装配模板模型。在此基础上，添加主从动参数，关系方程式，完成参数信息的构建。部件模板参数化构建的合理与否，将影响到后续开发工作及子类的派生。

在部件参数化过程中采用基于装配约束的部件参数化设计方法建立部件模板。运用这种方法，在参数化的零件的基础上，利用装配关系添加零件间的约束，根据装配约束建立零件间设计变量的函数关系，通过对设计变量的管理，实现了零件间尺寸的联动，*终实现整个部件的参数化设计。部件内零件之间的模型与参数关系如图6所示。

图6 部件内零件模型与参数关系

3.3 参数约束和关联的建立

根据装配约束的部件参数化设计方法的思想，需要完成零件参数化及建立部件内各零件间的参数关系两方面的任务。CAD系统中的约束一般分为两大类:工程约束和几何约束。工程约束关注于产品的功能属性，主要反映了产品在工程语义上的设计要求，如结构外形尺寸。工程约束需要转化为几何约束才能*终在产品模型中得到体现，从而实现设计意图。几何约束关注于几何图形的属性，它又可分为结构约束(拓扑约束)和尺寸约束。零件的建模及部件的装配通过结构约束得以实现。尺寸约束所定义的尺寸是参数化中所要驱动的对象。

在部件中通过添加方程式可实现尺寸约束参数间的关联，SolidWorks中的方程式可以实现零件内部尺寸，装配体零件间尺寸的关联。方程式从左至右求解，位于等号左侧的尺寸由右侧的值驱动，多个方程式的求解按其在方程式列表中出现的顺序逐一解出。如图7所示，建立零件内部尺寸及部件内各零件尺寸之间的关联。


图7 方程式实现参数关联
在齿轮传动装配体中，由于零件个数较多，所要控制和关联的尺寸也很多，尺寸名称的定义应语意明确，无歧义，且**。方程式中直接对尺寸名称赋值的为主动参数，也是全局变量。从动参数通过方程式与主动参数关联，由主动参数来确定。在装配体中其语法格式为“尺寸名称”@“草图名称”@“零件名称”=关联方程式或“尺寸名称”@“特征名称”@“零件名称”=关联方程式。

4 参数化程序设计

SolidWorks提供了大量的API函数用于二次开发，任何基于Windows系统，支持OLE(ObjectLinking and Embedding，对象链接与嵌入)技术的编程软件，如VB、Delphi、VBA、C、Visual C + +等都可以对SolidWorks进行二次开发。

二次开发中首先被创建的对象是SldWorks，它是所有其他对象的父类，通过它才能建立二次开发插件与SolidWorks应用程序之间的连接。调用Solid-Works所提供的API函数，检索三维装配模型中的设计参数，把对结构形状功能有重要影响的主动参数交给用户去设定。用户根据需要可以反复修改参数，直到得到满意的结构模型，完成整个结构的重建过程。

以中间齿轮结构设计为例，说明参数化的程序设计。如图8所示，模数m和压力角α由传动轴齿轮得出。用户需要输入主动参数，部分从动参数先通过经验公式计算得出估计值，根据实际需要对从动参数做修改圆整处理。若所有的模型设计参数均已给出，重建模型将得到新的派生结构。

图8 中间齿轮结构设计界面

5 结语
本文针对SolidWorks平台下曲柄压力机齿轮传动机构的部件参数化设计过程及设计方法进行了研究。通过建立参数化的部件模板模型，结合二次开发程序的调用，在原有模型的基础上派生出一些列新的模型，大幅提高了模型的设计效率，缩短了设计周期。
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