基于UG的渐开线斜齿轮参数化设计系统开发工程硕士学位论文.docx
《基于UG的渐开线斜齿轮参数化设计系统开发工程硕士学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于UG的渐开线斜齿轮参数化设计系统开发工程硕士学位论文.docx（97页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于UG的渐开线斜齿轮参数化设计系统开发工程硕士学位论文
学校代码：
10289
分类号：
TP311
密级：
公开
学号：
0730302008
江苏科技大学
硕士学位论文
（工程硕士）
基于UG的渐开线斜齿轮参数化设计
系统开发
AThesisSubmittedinFulfillmentoftheRequirements
fortheDegreeofMasterofEngineering
ParametricDesignSysemofInvoluteHelicalGearsBasedonUG
Submittedby
NameSongZhiguo
Supervisedby
ProfessorNameYanRenwu
JiangsuUniversityofScienceandTechnology
December,2009
论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
日期：
学位论文使用授权声明
江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布，有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。
本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。
除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。
研究生签名：
导师签名：
日期：
日期：
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
摘要
UG（Unigriphics）是全球领先的CAD/CAM集成化应用软件，除了提供数字化产品开发的全部功能模块外，系统所提供的开放编程语言OPENGRIP和OPENAPI具有强大的二次开发功能，能够按需实现专业化、智能化和高效化的客户应用程序定制，从而提高企业CAD/CAM应用水平。
该工具集还提供常用编程语言如VisualC++等的接口工具，也可以结合数据库技术实现更强大的功能。
本文在建立渐开线斜齿轮设计的数学模型和UG软件平台基础上，利用UG二次开发语言UG/Open开发齿轮参数化模型，并结合VisualC++MFC和Access数据库建立开放的参数化斜齿轮库，依此开发了一套渐开线斜齿轮参数化设计系统。
系统采用C/S结构，具有可视化的客户界面和稳定的数据库，客户层可以实现齿轮的信息查询、齿轮信息入库、齿轮信息修改、删除及参数化建模等功能；数据层可以存储齿轮数据信息，为客户层提供数据支持。
系统采用开放式数据库结构，具有一定的创新性和实用性。
本文围绕“渐开线斜齿轮参数化设计系统”的开发，深入探讨了UG二次开发工具、UG开发环境设置、菜单及工具条的编写、UG对话框的制作、零件参数化系统的开发，MFC及数据库技术在UG二次开发中的应用。
经过程序编制、调试和反复测试，证实该程序成功地实现了上述功能，验证了其方法的正确性与实用性。
关键词：
渐开线斜齿轮；参数化设计；二次开发；UG/OPEN
Abstract
UGistheworld'sleadingCAD/CAMintegratedsoftwareapplications,inadditiontodigitalproductdevelopment,thesystemprovidesanopenprogramminglanguageOPENGRIPandOPENAPIwhichhasastrongsecondarydevelopmentability.Customscanachieveclientapplicationinneedoftheprofessionalization,intelligentandefficient,soastoenhanceCAD/CAMapplicationlevelofcompany.ThetoolsetalsoprovidescommonlyusedprogramminglanguagessuchasVisualC++andotherinterfacetools,andcanachievemorepowerfulfunctionscombinedtodatabasetechnology.
Inthispaper,withtheestablishmentofinvolutehelicalgeardesignofmathematicalmodelsandUGsoftwareplatform,wedevelopgearparametricmodelusingtheUGsecondarydevelopmentlanguageUG/Open,andestablishedanopenlibraryofparameterizedgearcombinedwithVisualC++MFCandtheAccessdatabase.ThesystemusesC/Sstructurewithavisualinterfaceandastablecustomerdatabase.Theclientlayerachievedgearsqueryinformation,gearinformationstorage,gearinformationmodify,delete,andparametricmodelingcapabilities;datalayercanstoretheGeardatafortheclienttiertoprovidesupportdata.Thesystemusesanopendatabasestructure,andhasacertaininnovationandpracticality.
Inthispaper,aroundthe"involutehelicalgearparametricdesignsystem,"wedeeplystudiedtheUGsecondarydevelopmenttools,thesetofUGdevelopmentenvironment,thepreparationofmenusandtoolbars,UGdialogboxproduction,sparepartsparametricsystemdevelopment,MFCanddatabasetechnologyintheapplicationsofUGsecondarydevelopment.Afterprogramming,debuggingandrepeatedtests,weconfirmedthattheprogramsucceededinachievingtheabove-mentionedfunctions,andverifiedthecorrectnessandusefulnessofitsmethods.
Keywords:
involutehelicalgear,parametricdesign,secondarydevelopment,UG/OPEN
Contents
第1章绪论
1.1课题背景
齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础件，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。
中国齿轮工业在“十五”期间得到了快速发展，已成为中国机械基础件中规模最大的行业[1]。
就市场需求与生产规模而言，中国齿轮行业在全球排名已超过意大利，居世界第四位。
2008年1-10月，中国全部齿轮、传动和驱动部件制造企业实现累计工业总产值1445亿元，比上年同期增长32.92％。
中国齿轮制造业与发达国家相比还存在自主创新能力不足、新品开发慢、市场竞争无序、企业管理薄弱、信息化程度低、从业人员综合素质有待提高等问题。
现阶段齿轮行业应通过自主知识产权产品设计开发，大力发展有特色的制造工艺、有特色的产品，通过技改，实现现代化齿轮制造企业转型。
目前国内自主开发的齿轮设计系统较多是按国内标准，使用VB、VC等语言开发，对于外向型的齿轮制造企业来说，接受的境外订单多采取欧美标准或非标准齿轮，此外，目前齿轮正向重载、高速、高精度和高效率等方向发展，并力求尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠。
因此，积极借鉴国外的先进CAD技术及齿轮理论和制造工艺对于目前国内齿轮行业产能虽不断扩大，但急需转型为现代化齿轮制造企业所关注[2]。
改变齿轮的传统的设计方法，采用现代化的设计方法（计算机辅助设计）来提高工作效率，具有特别意义。
鉴于目前UG、PRO/E、CATIA等主流软件已在国内企业被广泛应用，UG利用其参数化混合建模技术和UG/OPENGRIP二次开发技术，实现渐开线齿轮的建模技术已经比较成熟。
对于已经引入UG的齿轮专业厂家，希望能在此基础上，实现人机交互、后台数据库的的访问，使齿轮的参数化设计的应用更加容易实现人性化、快捷化、差异化。
因此针对不同类型的齿轮的参数化设计开发一套设计系统，具有可视化的客户界面和稳定的数据库。
客户层可以实现齿轮的信息查询、齿轮信息入库、删除及参数化建模；数据层可以存储齿轮数据信息，为客户层提供数据支持。
对众多正积极进行技术升级，产品更新换代快的中、小规模齿轮制造企业有广大的市场需求。
1.1.1参数化与特征建模技术的发展概况
CAD系统的核心技术是建模技术，特征建模技术和参数化设计技术是当今主流CAD软件的关键技术，二者即有一定的区别，又有机集成[3]。
“特征（Feature）”是80年代后期为了表达产品的完整信息而提出的一个概念[4]，他描述零件的几何信息、工程信息及其依赖关系，是几何特征和工程特征的集成。
特征模型纪录了建模的历史过程，这种基于特征的模型非常便于修改。
一个完整的产品模型不仅仅是产品数据的集合，还反映出各类数据的表达方法以及相互之间的关系。
只有建立在一定表达方式基础上的产品模型，才能有效地为各应用系统所接受和处理，作为完整表达产品信息的产品信息模型[5]。
参数化设计是新一代智能化、集成化CAD/CAM系统的核心内容。
所谓参数化设计就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，根据参数来调整相关尺寸，实现尺寸对图形的驱动，以便在人机交互过程中随时对设计对象加以更改[6]。
参数化设计促进了设计手段的更新，提高了设计柔性，在现代产品设计中发挥着越来越重要的作用[7]。
参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能、成为初始设计、产品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。
1.1.2齿轮CAD系统的国内外发展概况
目前，市场上有很多关于齿轮传动的设计系统，但是都或多或少地存在着不完善的地方。
例如，有些早期软件只具有几何参数设计功能，不能完成齿轮的参数化三维模型[8]。
后来即使实现了齿轮造型的功能，但模型精度较低，有些是使用圆弧等简单曲线代替渐开线对齿廓曲线进行造型，不能很好的表达渐开线齿廓的几何特性[9]；少数单位也开发了较为完整的齿轮设计软件，虽然比较适于生产实际的需要，价格却很高。
因此在生产实际中，很多设计人员为了在特定的要求下进行齿轮的设计和造型，仍然使用手动设计这一古老的方法，这种方法工作量大、效率很低、容易出错。
渐开线齿轮，由于其主要建模元素渐开线的数学模型复杂，靠传统的几何建模方法，一般设计者很难精确造型，导致最终的产品质量不高，且效率低下。
随着材料技术的迅猛发展，一些非金属材料的齿轮（如塑料齿轮等）在工业产品中的广泛应用，由此导致齿轮模具、快速成型及虚拟制造技术的迅速发展，用常用CAD软件对齿轮三维基体和齿面进行参数化造型设计己成为设计者的迫切需求[10]。
（1）齿轮类零件参数化二维CAD研究现状
关于齿轮类零件参数化二维计算机辅助设计，国内外很多学者进行了研究。
这在一定程度上解决了齿轮零件的快速出图的问题。
但运用AutoCAD进行二维设计存在着工作量大、不直观、容易出错和难于修改是其客观存在的缺点。
实际上，基于AutoCAD的二维设计技术还不能算是一种严格意义上的设计技术，它只能说是一种辅助绘图技术。
它虽然能将工程设计人员从繁重的手工绘图工作中解放出来，但对复杂投影线的生成、设计模型修改以后的图纸更新等问题，基于AutoCAD的二维设计技术是无法做到的[11]。
（2）齿轮类零件参数化三维CAD设计研究现状
三维模型可以直观地展示产品的虚拟数字化模型，在产品的可视化设计、装配设计、仿真分析和加工等方面有着二维图形无法比拟的优越性，是提高设计质量的重要手段。
目前，3DCAD设计以成为市场的主流。
目前我国市场上推出的商品化软件中，比较优秀的国外软件有SiemensUG、CATIA、SolidWorks、Pro/Engineer等。
关于齿轮类零件参数化三维计算机辅助设计，国内外不少学者进行了研究，李新华分析了SolidEdge软件在齿轮设计中存在的不足，以VBA作为开发工具，根据特征参数化造型思想，开发出了基于特征的参数化齿轮系统生成模块，提高了绘图效率[12]。
王穆选用大型软件I-DEAS作为开发平台，通过选择齿轮系各零部件有关的基本结构形式参数和主要的结构尺寸参数建立起各零部件及子系统的简化模型库[13]。
朱风芹在Pro/Engineer环境下实现了直齿圆柱齿轮的参数化设计，只要改变相关参数就可以得到不同参数的齿轮，达到缩短齿轮设计周期、减少重复工作的目的[14]。
刘文生通过阐述基于Pro/Engineer模型的参数化设计方法，介绍了参数化设计的基本原理和功能，给出了在Pro/Engineer下实现二次开发的过程和技术，并通过圆柱齿轮的参数化设计实例详细阐述了设计的步骤及关键技术[15]。
宋瑞芳结合计算机辅助工业CAD/CAM的需要，介绍了在Solidworks中实现参数化齿轮三维造型的技巧和方法。
应用此方法可以在Solidworks环境下完成齿轮的参数化三维造型设计[16]。
本文在研究过程中，充分参考和吸收了国内外的最新技术成果。
采用UG二次开发技术，并使用VisuaC++编程技术和数据库技术，开发具有开放数据库的渐开线齿轮开发系统。
1.2课题的来源和主要研究内容及意义
1.2.1课题来源
本课题源于常州信息职业技术学院国家示范性建设重点专业建设项目——基于UG的机械零件与机构设计系统的一个子项目。
渐开线圆柱齿轮的参数化设计系统是这个系统的前期工作，为后期齿轮传动设计、运动仿真等研究工作奠定基础。
本文旨在通过消化吸收国内外CAD设计及零件参数化方面的研究成果，开发针对渐开线圆柱齿轮以及锥齿轮三维建模系统，利用三维软件UG6.0和Access数据库系统实现齿轮的参数化造型和齿轮库的开发，以提高建模效率，并为其后继的设计、仿真和分析工作奠定基础。
1.2.2课题的主要研究内容
本课题在斜齿轮设计的数学模型和UG软件平台基础上，利用UG二次开发语言UG/OpenGrip、UG/OpenAPI、UG/OpenMenuScript和UG/OpenUIStyler开发齿轮参数化模型，并结合ODBCMFC和Access数据库建立开放的参数化斜齿轮库，主要内容如下：
（1）系统菜单与对话框的制作。
这部分是系统的设计的重点。
利用UG/OpenMenuScript编写菜单脚本，制作系统菜单；利用UG/OpenUIStyler进行相应程序的编写，定制斜齿轮参数化设计界面的对话框。
实现UG/OpenAPI和UG/OpenGrip人机交互。
（2）渐开线斜齿轮零件参数化建模的二次开发。
参数化建模主要通过UG/OpenGrip程序实现，依据渐开线方程，计算关键点的数据，应用Grip中的样条指令绘制渐开线，然后根据斜齿轮的参数计算公式，得到相应的曲线，最后用实体建模命令集变换矩阵得到渐开线斜齿轮实体模型。
用户界面调用斜齿轮参数化建模用函数实现。
（3）系统数据库的建立。
数据库是应用程序存储数据的仓库，在应用程序开发过程中占有重要的位置，简单的数据设计过程分为数据库的逻辑设计与物理设计两个部分。
本系统采用ACCESS关系型数据库。
（4）后台数据库的访问功能设计。
利用UG/OpenAPI和MFC实现后台数据库的
1.2.3课题研究的意义
在UG中利用UG/OpenGrip程序，通过求解斜齿轮端面齿廓渐开线和过渡曲线的交点，形成端面齿廓，再沿螺旋线拖拉，直接生成了一对斜齿轮的参数化模型，模型端面上啮合点与节点重合，便于进一步分析齿轮的齿面接触应力和齿根应力以及斜齿轮的啮合过程。
通过改变相关参数及关系式，能够快速地实现齿轮的参数化造型设计和修改定型，同时也解决了渐开线斜齿圆柱齿轮精确造型的难题。
利用UG/OPENAPI对UG进行二次开发，实现渐开线斜齿轮尺寸反向驱动建模，当零件尺寸参数发生变化时，设计人员通过调用自定义菜单和对话框实现特征参数的重新输入，保存为数据文件，驱动UG重构三维模型并生成相应的工程图。
同时建立以产品结构、特征参数为中心的数据库系统，通过人机交互界面实现管理与维护，又可与齿轮参数化设计形成的数据文件实现数据交换。
第2章基于UG二次开发的关键技术研究
2.1UG软件概述
UG（Unigriphics）是全球主流MCAD（MechanicalComputerAidedDesign）系统，是集成计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程和产品数据管理（CAD/CAM/CAE/PDM）一体化的软件系统之一。
自从UG推出以来，在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其他高科技应用领域的机械设计和模具设计、加工等领域得到了广泛的应用。
UGCAID/CAD/CAM/CAE系统提供了一种基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。
UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品及其精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程[17]。
2.1.1UG软件的技术特性
UG软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，从而提高了设计的可靠性。
同时，可采用建立的三维模型直接生成数控代码用于产品的加工。
另外它所提供的应用开发语言UG/OpenGRIP和UG/OpenAPI功能强大、简单易学，便于用户开发专用CAD系统。
具体来说，该软件具有以下特点：
（l）具有统一的数据库，真正实现了CAID、CAD、CAE和CAM等模块之间无数据交换的自由切换，并且可实施并行工程。
（2）采用复合建模技术，将实体建模、曲面建模、线框建模、显式几何建模与参数化建模等建模技术融于一体。
（3）采用基于特征的建模和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，类似于工程师传统的设计方法，并能采用参数驱动。
（4）曲面设计采用非均匀有理B样条作为基础，可用多种方法生成复杂曲面，特别适合于汽车外形和汽轮机叶片等复杂曲面的造型。
（5）二维图功能强大，可方便地从三维实体模型直接生成二维工程图，可以按照ISO标准和国标生成各种剖视图、标注尺寸、形位公差和汉字说明等。
（6）以Parasolid为实体建模核心，目前许多著名CAD/CAE/CAM软件均以此作为实体造型的基础。
（7）提供了界面良好的应用开发工具，并能通过高级语言接口，使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合，便于用户开发专用CAD系统。
2.1.2UG主要功能模块介绍
UG是一套完整的数字化产品开发软件[18]，包含产品的最初概念设计到最终的产品制造的完成过程，包含众多的应用模块，下面简单介绍它的主要功能
（1）工业设计和造型（CAID）提供先进的自由曲面建模、分析和可视化功能，可以自由地研究和细化产品概念。
通过UGUG产品组合内全面集成工业设计和造型的解决方案，这些专用工具和传统的CAD、CAE和CAM工具相结合，提供可获得的最完整的工业设计和最高级的表面处理解决方案。
（2）几何建模（Modeling）UGUG的混合建模提供了多种高性能工具，包括基于特征的参数化设计、传统的显式建模以及独特的直接建模，能够处理任何复杂的几何模型。
该模块支持实体建模（SolidModeling）、特征建模（FeaturesModeling）、自由形状建模（Free-formModeling）等建模方式，该模块是其他应用模块的基础。
（3）用户自定义特征（User-DefinedFeatures）：
利用用户定义特征以交互方式捕捉、存储并重复使用各个特征的智能部分。
可以在任何参数化实体模型中，以特征变量和各个参数间关系的方式添加零件知识。
这些用户定义的智能特征可以存储在知识库里面，以便在创建零件的时候调用该特质，也可以在UG/
升级会员 