基于VB环境的插齿刀CAD

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1 引言

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插齿刀是利用展成法在插齿机上加工齿轮的刀具，用同一插齿刀可加工模数、齿形角相同而齿数不同的齿轮。设计插齿刀时，需根据被切齿轮参数，按照齿轮啮合原理和传动理论对刀具齿形和结构参数进行大量计算。由于设计参数多，计算公式复杂，且需反复循环试算，因此采用传统方法手工设计插齿刀效率低、周期长、成本高，且容易出错。将CAD技术引入插齿刀设计，可大大提高设计精度和可靠性，缩短设计周期，有利于优化刀具参数、合理选用工装，促进齿轮加工水平的提高。为此，我们以Visual Basic 6.0为开发平台，开发了插齿刀CAD系统。 : h- |2 Y9 c1 c& Q7 D8 V& F6 E

2 系统构成与主要功能

插齿刀CAD系统以Windows 98操作系统为系统平台；利用Access软件建立刀具齿形、结构参数、工艺参数等数据库；利用AutoCAD工具绘制插齿刀零件图；利用代机的数据处理和显示优势，将插齿刀零件的有关数据及已确定的整套零件图存储于CAD系统内，设计者只需以人机交互方式将相关设计信息及计算参数输入CAD系统，即可实现插齿刀齿形和结构参数的设计计算以及图纸和工艺卡片的自动生成。

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1. 系统总体设计方案
   插齿刀CAD系统以有关国家标准和行业标准为设计准则，以齿轮啮合原理及传动理论为设计依据，对系统结构进行总体规划。插齿刀CAD技术是将理论分析、设计计算、数据库管理及计算机图形处理技术融为一体的综合性技术，因此系统的总体设计必须保证参与设计计算的数据在系统内部和系统与用户之间流动顺畅，设计模块之间的耦合性小，且界面应具有良好的可扩展性和易维护性。根据上述设计原则，建立了如图1所示的插齿刀CAD系统总体结构框架。
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   图1 插齿刀CAD系统总体结构框架

   进人系统的设计主界面后，以人机交互方式输人被加工齿轮和配合齿轮的各种原始参数，启动“设计计算”控件，系统即可自动进行参数计算。如输入参数不合理，系统对话框会显示出错状态并提示相应解决办法。完成计算后可将结果保存到数据库中。对于不能通过计算获得的加工和测量数据，可在图纸设置或工艺卡片设置界面下进行补充设置，完成后可打印输出，同时还可生成CAD文件保存起来。
2. 系统主要功能模块 , K6 x( |" j2 ~9 }4 Q2 J5 L& A; e, s/ u
   根据系统总体结构框架，采用模块化编程原理对系统功能进行了分解，尽可能细化各功能模块，最大限度地减小模块间的藕合性，增强软件的可移植性、可扩充性和可维护性。根据系统总体规划和模块划分原则，主要设置了以下功能模块：

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   1. 用户界面管理模块 4 {4 T$ o; V3 Y Y5 U5 c1 b+ j2 Y
      该模块包括系统菜单、视窗及各类对话框等，其主要功能是管理插齿刀设计中的人机交互式信息交流，可完成设计方案的基本功能和软件管理工作，并提供进入其它模块的入口。
   2. 设计模块
      该模块为系统的核心模块之一，其主要功能是根据加工齿形参数对插齿刀几何尺寸进行校验，设计计算插齿刀的齿形参数及加工工艺参数，并在保证加工工艺性(插齿刀在展切齿形时不与工件发生干涉)的前提下确定插齿刀的结构参数和基本尺寸。
   3. 图形处理模块
      该模块可根据设计计算出的插齿刀齿形参数和结构参数绘制出插齿刀加工图纸，并编制出工艺卡片，供插齿刀加工时使用和设计资料存档。
   4. 数据库管理模块 + T0 B% }. c5 @. b, L, n# M: c
      该模块的主要功能是对设计计算中产生的大量设计数据及需要调用的刀具设计手册数据进行高效、安全的管理和操作，从而提高系统的设计效率。本系统采用VB中的ActiveX控件中的ADO来实现数据库的连接。
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   5. 打印模块
      该模块可完成插齿刀参数设计结果、零件图纸和工艺卡片的打印输出。
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   6. 帮助模块 - w( c2 {' m' Z9 }
      用HTML help workshop 制作的帮助系统可为用户提供详细的软件使用说明。

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3 用户界面的设计与使用方法

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插齿刀CAD系统用户界面的设计是整个系统设计的重要组成部分。在插齿刀设计过程中，需要进行图形显示、打印、存储等工作，因此在界面设计中应将设计数据结果与图形处理有机结合起来，使界面能提供图文并茂的设计过程及设计结果，保证人机交互信息的顺畅流动，使设计者操作方便、直观易学。

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1. 插齿刀齿形与结构参数的设计计算
   1. 插齿刀最大、最小变位系数的确定
      由于插齿刀的顶刃和侧刃均有后角，因此插齿刀各端截面的直径和齿厚自前刀面向后逐渐缩小，其每一截面均可看作是变位系数不同的直齿齿轮廓形，前端面上的变位系数最大，越接近后端面变位系数越小(经常是负变位)。因此，合理确定插齿刀的最大和最小变位系数是插齿刀设计的关键工作。设计时，通常应尽量选用较大的变位系数，但其最大值要受插齿刀齿顶变尖及齿轮过渡曲线千涉的限制。不同类型插齿刀的最大变位系数计算方法有所不同。以外啮合盘形直齿插齿刀为例，不发生齿顶变尖所允许的最大变位系数(x₀)_max可由下式循环试算求出：

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   (1)

   
   式中：s_a0——插齿刀齿顶宽度

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   ) s* N! d* b3 ^- b
   r_a0——插齿刀顶圆半径 $ Q3 x. m6 E4 t3 p4 p( q# j* [3 M
   a，a_a0——插齿刀的分圆和顶圆压力角 1 W2 g0 X1 m! D" _+ w
   设计时需预先设定变位系数x₀值，然后求出s_a0，再将其与最小容许齿厚(s_a0)_容进行比较，若二者很接近，则所取x₀为(x₀)_max。同时，为避免插齿刀切出的小齿轮或大齿轮齿根处的过渡曲线发生干涉现象，还应按式(2)或式(3)对(x₀)_max进行验算：
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   	(2)
   	(3)

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   式中：a₀₁，a₀₁——插齿刀加工小齿轮时的啮合角和中心距

   a₀₂，a₀₂——插齿刀加工大齿轮时的啮合角和中心距 % j4 H$ [& [6 Z& V( B8 N
   a₁₂，a₁₂——两齿轮啮合时的啮合角和中心距
   r_b0——插齿刀根圆半径
   在插齿加工过程中，插齿刀的齿顶若切入被加工齿轮的渐开线齿廓，则发生根切现象。当用齿数较少的插齿刀加工齿轮时．齿轮的齿角和插齿刀的齿根会发生根切，齿轮的齿角将被插齿刀切去而发生顶切现象。不发生根切和顶切现象是插齿刀最小变位系数(x₀)_min的限制条件。因此在设计时，应预先设定保证最后刃磨的刀齿仍有必要强度而允许的(x₀)_min；然后再按式(4)、(5)校验插齿时是否会发生根切和顶切现象(此外还需注意齿轮径向间隙的变化，保证插齿时径向间隙e₀₁≥0)：
   6 |5 W: ]1 L" N6 `7 P2 ?: K' X( l3 `9 ]) E

   	(4)
   	(5)

   
   式中：z₀——插齿刀齿数

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   z₁——被加工齿轮齿数
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   图2 插齿刀齿形参数计算流程图
   插齿刀齿形参数计算程序
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   齿形参数计算程序是插齿刀CAD系统设计模块的核心部分，其计算流程图如图2所示。
   进人插齿刀设计主界面后，填入“产品信息”和需设计的插齿刀零件特征(如标准或非标、直齿或斜齿、外啮合或内啮合等)以及外形特征(如盘形、碗形、锥柄形等)，选择不同的插齿刀特征时会出现不同的提示对话框。点击“设计计算”控件进人齿形参数设计计算窗体，输人被加工齿轮和配合齿轮的基本参数后按“确定”键，系统即进人计算状态。在该状态下，系统循环算出最大变位系数(x₀)_max，同时检验是否发生过渡曲线干涉；然后通过根切和顶切验算确定最小变位系数(x₀)_min。若出现相关情况．均会出现提示框，甚至可向设计者建议如何避免该现象发生。计算结束后，按“保存结果”控件将计算结果保存到数据库中进行管理，按“图纸工艺”控件则可将计算结果用于图纸和工艺文件设置．作进一步处理。 8 G9 w! E: c0 E1 c. P6 z5 C
   在插齿刀设计系统的主界面下选择需要设计的刀具类型并输人基本设计信息后，即进入如图3 所示的设计参数输人及计算界面。参数输人有两种途径：①对已存储在系统数据库中的参数，用户可通过屏幕交互式提示选择需输入的参数；②通过交互式提示人工输人参数。用户每输入一个参数，系统都会提供一个帮助对话框，说明该参数的取值范围。参数输入完成后，系统即自动进行循环计算并检验计算结果：在整个设计过程中，对部分有默认值提示的参数，用户可根据企业设计能力和生产工艺状况进行调整。
2. VB与AutoCAD的图形接口及图纸生成
   本系统采用参数化编程的方式绘制图形。系统采用Autolisp语言作为参数化图形生成的编程语言，根据插齿刀图形库提供的刀具廓形及结构等相关数据，通过DXF文件在VB中直接调用AutoCAD有关命令，实现插齿刀零件图纸的自动绘制和标注。 1 \/ F3 T* W6 z. O
   利用VB6.0与AutoCAG图形交换文件DXF进行联接生成CAD文件是本系统的主要设计思路之一。DXF文件是一种具有专门格式的顺序文件，它可以数据形式描述图形文件的各种信息。在设计不同规格型式的插齿刀时，利用CAD图形标准数据交换格式DXF文件可以不需重复构建实体，很容易实现资源共享。 K/ L% ^7 g7 h* L; ~. Q) ?7 g4 Z9 }* j7 z1 M0 A! E2 ?4 H$ k# x8 q' v# v. G) r5 H5 Q

   图3 插齿刀参数输入及计算界面

   图4 插齿刀图纸设置界面

    

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   当然，仅仅通过DXF文件接口难以实现自动化绘图，必须辅以SCR文件(AutoCAD系统内部命令集)和LSP文件(用AutoCAD内嵌Autolisp表处理语言编写的可执行文本文件)。基于DXF文件的自动化绘图实现步骤如下：

   1. 用VB高级语言设计出插齿刀主要齿形和结构尺寸参数，自动生成DXF文件； # A# z2 L4 _* e2 e; y
   2. 激活并进入AutoCAD，执行预编制的SCR文件； ( ^% J4 u+ B ?
   3. 打开原型文件，调用LSP文件自动生成DWG图形文件并作进一步处理；
   4. 在插齿刀图纸设置界面(如图4所示)上选择修改技术条件和工件主要参数等标注数据，用户也可根据要求在设置表格上重新输入。 ) ]' e y1 s) r: I! \1 ~1 R
   5. 确认后即可打印输出图纸或生成CAD文件。
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3. 插齿刀工艺文件的生成与打印 : Z1 T& w# s F
   插齿刀的加工工艺卡片是落实具体生产任务的技术文件。本系统可按工艺类型分别建立公差和工装参数数据库，采用开放式数据库管理技术，可直接对公差、工装参数数据库进行增加、删除和修改等操作。 $ g6 Y/ }2 A" l( P- R1 j$ e
   在设计计算完成后，点击“图纸工艺”控件可进入插齿刀工艺文件生成和打印模块。由于插齿刀种类有限，标准工艺规程的类别也较少，因此企业可根据生产能力和插齿刀种类制定标准工艺文件，设计时直接调用。对于需要修改的项目，在插齿刀工艺生成界面上，用户可根据具体情况更改表中相应的工艺项以形成完整的工艺规程文件。确定无误后即可直接打印或生成CAD文件并保存在系统中。

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4 结论

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利用VB事件驱动的编程机制及新颖的可视化设计工具，编制出在Windows环境下功能强大、图形界面丰富并易于扩展的插齿刀CAD系统。通过友好的人机界面和交互式提示形式实现了插齿刀的参数优化设计，并采用开放式数据库系统对设计参数和图纸工艺进行管理。设计时，操作者只需输人相应的原始设计参数，系统即可在后台完成设计参数计算、图纸和工艺卡片自动生成的整个过程，从而可有效缩短设计周期，提高设计精度，实现插齿刀设计的自动化。