蜗轮 蜗杆的CAD设计.docx

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蜗轮蜗杆的CAD设计

第1章VB与CAD

1.1前言

近几十年来我国的蜗杆传动研究，不仅在啮合理论上有了很大进步，许多研究内容进入了交叉学科研究阶段，研究的深度也有了更大的发展，同时在理论研究和生产实际相结合方面也取得了可喜的成绩。

蜗杆传动的综合质量指标是承载能力和传动效率．由于蜗杆传动是交错轴间转矩和运动的空间机构，故齿面间的滑动速度大，主要失效形式是油的温升过高及由此而引起的各种蜗轮表面失效．如胶合、磨粒磨损，点蚀等．实践证明，影响油温升过高的主要因素是共轭齿面间的摩擦系数及接触应力大小，而以摩擦系数大小起主导作用．因此近一、二十年来的研究工作，主要在寻找新的蜗杆齿形（如直线、圆弧、双圆弧、渐开线等），新的传动类型（如一次包络面蜗杆传动，二次包络环面蜗杆传动、锥蜗杆传动等），选择几何参数，其目的就是要增加啮合齿的对数．实现良好的接触线形状，增大诱导曲率半径，改善共轭齿面间的润滑状态。

．

采用CAD技术，针对某一新产品，只需输入几个参数，所有设计工作只需几分钟，这无疑是设计人员梦寐以求的。

因此，开发直齿圆往齿轮机构CAD可以显著提高产品设计质量，降低劳动成本;缩短产品开发周期，加快产品更新换代;减轻设计人员的劳动强度。

将设计人员从烦琐的重复劳动中解脱出来，投人更重要的工作

1.2现代AutoCAD技术发展方向

随着现代工业文明的发展，越来越多的企业对工业产品的外形和内部结构的要求越来越高，产品更新的速度越来越快，传统的手工制图已经不能满足现代企业的要求．

计算机辅助设计技术的引进是近代工业史上的一次革命，它显著的提高了制图的速度和制图的质量，缩短了新产品设计开发的时间。

AutoCAD是计算机辅助设计工具的一种，它是美国Autodesk公司在1982年12月开发出来的，AutoCAD软件是计算机辅助设计与绘图相结合的综合软件,从第一版AutoCADR1.0起，经历了若干次升级，现已达到AutoCAD2007。

在AutoCAD14版中，Autodesk首次包括了Microsoft的VisualBasicfor

Applications（VBA）.将AutoCAD和Visual

Basic的功能结合在一起，可以创建非常好的定制应用程序，从而在使用AutoCAD执行当前任务时，可以在很短的时间内创建出正常情况下需要好几个小时才能完成的图形。

经过三十多年的发展，CAD技术得到了迅速普及，已成为电子信息技术的重要组成部分．CAD技术使产品的内容和方式发生了根本性变革，这一技术已成为工业发达国家保持竞争优势，开拓市场的主要技术手段．1989年，美国国家工程科学院将CAD技术评为人类25年间（1965---1989）当代十项最杰出工程技术成就之一．

CAD技术之所以在短短的三十年发展如此迅速，是因为它几乎推动了一切领域的设计革命，彻底的改变了传统的手工绘图的方式，极大的提高了产品开发的速度，提高了设计精度．这一新技术的应用将使人类的聪明才智和创造能力与计算机高速而精确的计算能力、大容量的储存和数据处理功能结合起来，是两者相得益彰．CAD技术的发展与应用水平成为衡量的科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一．

近几年来，随着计算机技术的飞速发展，CAD技术已由发达国家向发展中国家扩展，而且发展的势头非常迅猛．我国政府部门十分重视这一技术，已经和科技界、工业界一起把CAD技术的应用推广当作一件大事来抓，如果国家科委实施了CIMS工程和CAD应用工程，组建了全国性的CAD培训网络；机械工业部把1997年定位＂CAD推广年＂．将CAD推广工作作为重中之重项目，目前正在组织实施＂CAD应用1550工程＂．很多大中型甚至小型企业都在努力引进这一新技术，以提高企业自身的技术素质，增强产品在国内外市场上的竞争能力．另外，CAD教学也得到了个高校的普遍重视．要想全面推广普及CAD技术，提高我国的整体技术水平．

任何一种软件都是有缺陷的，不是完美无瑕的。

AutoCAD这一软件也是一样，只有在不断的发展中，找到自己的不足力求弥补，才能趋向臻化，达到一种完美。

当然这也都是相对的，是就当时的社会需求相联系的，社会需要什么样功能的软件，公司就提供什么样的软件。

这是发展的根本方向。

1.2.1执行数学计算

AutoCAD中创建的技术资料图形，经常需要进行数学计算。

要进行这些计算，用户经常需要调用外部的计算器或使用AutoCAD本身附带的功能强大，但非常讨厌的命令行计算器。

这两种方式都使人分心去关注其它与设计无关的东西。

在CAD中，新的“快速计算器”功能提供了内嵌式图形化的三维计算性能。

可以在命令行中输入QuickCalc命令调用，而在属性选项板中，当输入数字字段时，也可以随时调用它。

四个可伸缩屏使用户能完全控制整个操作。

在数字屏中，可以使用在标准和计算器一样的界面输入值和执行基本的数学运算。

在科学计算屏中，有一些高级的功能可进行科学或工程计算。

在单位转换屏中，可以在公制和英制间转换各种单位。

在变量屏中，可以定义全局常数和变量，使其在整个AutoCAD过程中有效。

1.2.2创建和编辑多线

在AutoCAD中的多线对象可让用户创建平行线对象。

尽管多线对象在平面布置图这样的图形中非常有用，但这个工具在创建和编辑这些对象时有些不标准和麻烦。

在2007版本中，增加的多线功能使多线对象更加灵活和容易使用。

多线样式和多线编辑工具对话框提供了最新的更直接的用户界面。

另外，多线对象现在也支持标准的修剪和延伸命令的编辑

1.2.3VBA

是一种完全面向对象体系结构的编程语言，由于其在开发方面的易用性和具有强大的功能，因此许多应用程序均嵌入该语言作为开发工具。

AutoDesk公司也在AutoCAD

R14.01版本开始内置了VBA开发工具，同时提供了适用于VBA开发的ActiveXAutomation对象模型。

VBA是基于VisualBasic发展而来的，它们具有相似的语言结构。

VisualBasic是Microsoft的主要图形界面开发工具，VBA5.0（亦即VBA97）则是VisualBasic5.0的子集。

VisualBasic是由Basic发展而来的第四代语言。

VisualBasic作为一套独立的Windows系统开发工具，可用于开发Windows环境下的各类应用程序，是一种可视化的、面向对象的、采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言。

它具有高效率、简单易学及功能强大的特点。

VB的程序语言简单、便捷，利用其事件驱动的编程机制，新颖易用的可视化设计工具，并使用Windows应用程序接口（API）函数，采用动态链接库（DLL）、动态数据交换（DDE）、对象的链接与嵌入（OLE）以及开放式数据库访问（ODBC）等技术，可以高效、快速地编制出Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。

VisualBasic程序很大一部分以可视（Visual）形式实现，这意味着在设计阶段就可以看到程序运行的屏幕画面，用户可以在设计时能够方便地改动画面图像、大小、颜色等，直到满意为止。

VB的用户可以是缺乏Windows及C语言开发经验的专业软件人员，也可以是具有一定Windows开发经验的专业人员，VB的可视化编程方法使得原来繁琐枯燥、令人生畏的Windows应用程序设计变得轻松自如、妙趣横生。

以往的Windows应用程序开发工具在设计图形用户界面时，都是采用编程的方法，并伴随大量的计算任务，一个大型应用程序约有90%的程序代码用来处理用户界面，而且在程序设计过程中不能看到界面显示的效果，只有在程序执行时才能观察到，如果界面效果不佳，还需要回到程序中去修改。

VisualBasic提供了新颖的可视化设计工具，巧妙地将Windows界面设计的复杂性封装起来，程序开发人员不必再为界面设计而编写大量程序代码，仅需采用现有工具按设计者要求的布局，在屏幕上画出所需界面，并为各图形对象设置属性即可，VB自动产生界面设计代码，这样便将事先编制好的控件可视地连接到一起，构成一个随时可调整的界面。

VBA不但继承了VB的开发机制，而且VBA还具有与VB相似的语言结构，它们的集成开发环境IDE（IntergratedDevelopmentEnvironment）也几乎相同。

但是，经过优化，VBA专门用于Office的各应用程序。

VB可运行直接来自Windows95或NT桌面上的应用程序，而VBA的项目（Project）仅由使用VBA的Excel、Word、PowerPoint等称为宿主（Host）的Office应用程序（Application）来调用。

1.3VB实现CAD的二次开发

无论编程技术水平如何，使用VBA编程都不会感到很多困难。

自从带有VBA开发接口的AutoCADR14发行以来，已经有超过百万的开发者使用了这一软件，开发的主要程序将有更多机会为不断增长的用户群体服务。

1.3．1功能介绍

1文档对象，实际上就是AutoCAD图形文档对象，实际上就是AutoCAD图形，它可在Documents（文档）集合中找到，它提供访问所有图形还有大部分非图形的AutoCAD对象。

通过提供的ModelSpace（模型空间）和PaperSpace（图纸空间）访问图形对象（线、圆、弧等），通过提供的如Layers（图层）、Linetypes（线型）和TextStyles（字型）这样名称的集合访问非图形对象（图层、线型、字型等）。

Document（文档）对象也提供访问Plot（打印出图）和Utility（实用工具）对象。

介绍AutoCADVBA工程及VBA交互开发环境（VBAIDE），尽管大部分VBA环境在行为上都是相似的，但AutoCADVBAIDE还是有些独有的特性。

在AutoCAD中还有些相关的命令可以用于装载工程、运行工程，或打开VBAIDE环境。

本章将概要介绍VBA工程、VBA命令和VBAIDE的使用。

AutoCADVBA工程是代码模块、类模块和窗体的集合，它们组合起来以执行给予的功能。

工程可保存在AutoCAD图形中，或作为独立的文件保存。

嵌入工程是保存在AutoCAD图形中。

当包含有这些工程的图形中AutoCAD打开时，他们可以自动地装载，这种方法可以很方便地分发工程给用户。

嵌入工程也有它的极限，它不能打开或关闭AutoCAD图形，那是由于他们的函数只存在于工程所在的文档中。

使用嵌入工程不需要在运行程序之前查找并装载工程文件。

举个含有嵌入工程的图形的例子，当图形打开时，一个时间日志被触发。

通过这样一个宏的应用可以登记并记录用户在该图形上所花费的时间。

这时用户不必去记住在打开图形之前装载工程，这就是自动操作的一个很好的例子。

全局工程保存在独立的文件中，它更加通用，因为他们能在AutoCAD图形中运行，也能打开、关闭AutoCAD图形，但它在图形打开时不能自动装载。

用户必须知道他们所需要的宏包含在哪个工程文件中。

然而，全局工程非常容易与其它使用者共享，它可以将通用的宏做为很好的库而存在。

举个例子，你保存在一个工程文件中的宏是有关多个图形的材料清单。

这个宏可以在工作周期的末期由管理员运行，这样就可以收集到所有图形的信息。

AutoCADVBA工程与VisualBasic工程在二进制结构上是不兼容的。

然而，其中的窗体、模块和类可以通过在VBAIDE环境中使用输入和输出VBA命令来在工程之间进行转换，用VBA管理器组织工程你可以使用VBA管理器查看装载在当前AutoCAD进程的所有VBA工程。

VBA管理器一个AutoCAD工具，它允许你装载、卸载、保存、创建、嵌入和分离VBA工程。

2.装载现存的工程

当你装载工程到AutoCAD中，所有的公用的子程序（也称为宏）都可以使用。

嵌入于图形中的工程在图形打开时就被装载。

保存在DVB文件中的工程必须单独装载

3.卸载工程

卸载工程以释放内存并保持装载的工程列表的长度以方便管理。

你不能卸载嵌入工程或由其它已装载工程所引用的工程。

4.嵌入工程到图形中

当你嵌入一个工程时，你是将工程的一个副本置于图形数据库中。

无论何时，当所包含工程的图形打开或关闭时，工程会同时被装载和被卸载。

一个图形只有在同一时间包含一个嵌入工程。

如果图形已经包含有一个嵌入工程，你必须在同样地入其它工程之前将该嵌入工程分离出。

5.从图形中分离工程

当你分离工程时，其实是将工程从图形数据库中删除，同时会提示你将工程保存为外部的工程文件。

如果你没有将其保存为外部工程文件，该工程的数据将

会删除。

6.创建新的工程

新的工程将作为未保存的全局工程被创建。

当工程创建时，你可以将工程嵌入图形中，或将其保存为工程文件。

7.保存嵌入工程

嵌入工程是在图形保存时同时保存的。

全局工程必须使用VBA管理器或VBAIDE进行保存。

8.处理宏

与设置VBA工程选项一样，宏对话框允许你运行、编辑、删除和创建宏。

宏是公用（可执行）的子程序。

每一工程通常至少一个宏。

9.运行宏

运行宏就是在当前AutoCAD进程中执行宏代码。

当前活动图形指的是当宏执行开始时处于打开并处理激活状态。

所有在全局工程的宏中所涉及的ThisDrawing对象将指向当前活动图形。

在嵌入工程中，ThisDrawing对象通常指向嵌入该宏的图形。

10.编辑宏

编辑宏将打开VBAIDE并打开所选定宏的代码窗口。

详细的介绍请参考“用VBAIDE编辑工程”。

从功能上来说，VBA与VB几乎完全一样，或者说VBA是VB的一个子集。

但它们之间更本质的区别在于VBA没有自己独立的工作环境，而必须依附于主应用程序；而VB则不依附于任何其它的应用程序，具有完全独立的工作环境和编译、连接系统。

由于VBA依附于主应用程序，因此它与主应用程序之间的通信简单而富有效率，其代码完全是在进程内执行的。

VBA的代码在AutoCAD中仍以解释的方式执行，但由于它与AutoCAD共享内存空间，因此执行速度比ADS程序还要快。

1.3．2VB开发AutoCAD应用程序的原理及方法性

1、ActiveXAutomation技术

Automation是微软公司的一个技术标准，其宗旨是在Windows系统的统一管理下协调不同的应用程序，允许这此应用程序之间相互沟通、相互控制，但两个应用程序间的沟通不是对等的，其中，一个程序称为客户程序（Client），另一个程序称为服务程序（Server），一般情况下，由客户程序提出需要进行什么操作，服务程序针对操作申请，完成相应的命令。

2、AutoCAD下实现ActiveXAutomation

R14对AutoCAD本身增加了ActiveX自动化服务功能，即AutoCAD可以作为ActiveX的服务程序，我们可以从其它客户程序中操作AutoCAD。

VB是最为常用的支持ActiveX

Automation技术的开发工具，它可以编制出ActiveX的客户程序，用来操作AutoCAD。

即利用VB编制能与AutoCAD相沟通的应用程序，以此来实现AutoCAD的二次开发。

3、利用VB进行AutoCAD二次开发的关键步骤

首先，要在VB中引用AutoCAD的类型库Acad.tlb，该库位于AutoCADR14的安装目录下。

其次，要建立用VB开发的应用程序与AutoCAD间的联系，这一过程，称为初始化。

相应的程序代码如下：

PrivateSubInitGraph（）

OnErrorResumeNext

SetAcadApp=GetObject（,"AutoCAD.Application"）

IfErrThen

MsgBoxErr.Description

UnloadMe

EndIf

AcadApp.Visible=True

SetAcadDoc=AcadApp.ActiveDocument

SetMoSpace=AcadDoc.ModelSpace

EndSub

之后，即可以用AutoCAD类型库提供的属性、方法对AutoCAD进行操作，如画线，可用AddLightWeightPolyline语句来完成，写文字，可用AddText语句来实现。

第2章蜗杆与蜗轮

目前，在计算机上进行二维工程制图已经非常普遍（这一点在大型机械制造门的设计室内，可以得到证实），AutoCAD也相应提供了强大的平面绘图功能。

但是如何进行三维造型设计，对于很多人来说，还是一个比较新的课题。

AutoCADVBA是AutoCAD和visualBasic的结合技术，利用它可以完成AutoCAD的二次开发工作，下面简单的介绍了创建VBA宏的办法、VBA的编程原理、如何使用宏绘制直线和实体、以及如何完成二维和三维绘图工作。

本章主要讲述如何将三维实体图形添加到图形中。

AutoCAD提供了许多创建各种基本三维实体图形的方法，这些方法通常在结构实体几何技术中使用。

我们还将通过宏看到怎样将其添加到图形中并从不同方面来观察它们。

本章还将介绍如何将基本的几何体组合成复杂三维实体图形，介绍如何通过挤压和旋转光滑平面来创建其他的三维实体图形。

另外本章还要讨论如何通过VBA编码进行倒角、倒圆和平面剪切。

2.1蜗轮与蜗杆

2.1.1ZK蜗杆（锥面包络圆柱蜗杆）

ZK蜗杆主要是在改进阿基米德蜗杆磨削加工中产生的。

磨削时，将梯形砂轮或片状锥形砂轮安置在蜗杆齿槽内，使刀具轴线与蜗杆轴线在空间交错成一个等于蜗杆分度圆柱上的导程角γ。

蜗杆传动的特点

（1）传动比大蜗杆传动单级可实现较大的传动比。

在传动比传动中，一般传动比

;在分度机构或手动机构中，传动比可达

，最大甚至可达上千；

（2）传动平稳由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，在与蜗轮啮合时是逐渐进入啮合和逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，所以传动平稳，冲击载荷小；

（3）具有自锁性当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动变具有自锁性；

（4）摩擦磨损大在蜗杆传动中，相对滑动速度较大，当工作条件不够好时，就会产生严重的摩擦磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。

蜗杆传动效率低，当传动具有自锁性时，效率仅为

左右。

2.1.2蜗杆传动的失效形式

蜗杆传动的失效形式与齿轮一样，也有点蚀。

齿根折断，齿面胶合和磨损等。

由于蜗杆传动的材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度总是高与蜗轮轮齿的强度，所以失效形式经常发生在蜗杆齿轮上，因此，一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算。

另外，由于蜗杆传动的齿面间有较大的相对滑动速度，且啮合效率低，产生热量较大，从而增加了产生胶合和磨损失效的可能性，因此，蜗杆传动的失效形式是胶合和磨损。

（1）齿面胶合胶合是比较严重的粘着磨损。

在高速重载传动时，因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形成沟痕，这种胶合称为热胶合。

在低速重载传动中，不易形成油膜，摩擦热虽不大，但也可能重载出现冷焊粘着，这种胶合成为冷胶合。

热胶合是高速，重载齿轮传动的主要失效形式。

减小模数，降低齿高以减小滑动系数，提高齿面系数，采用抗胶合能力强的润滑油等，均可减缓或防止齿面胶合发生。

（2）齿面磨损当外界的硬屑落入运动的齿面间，就可能产生磨料磨损。

另外当表面粗糙的硬齿与较软的轮齿相啮合时，由于相对滑动，软齿表面易被划伤也可能产生齿面磨料磨损。

磨损后，正确的齿形遭到破坏，齿厚减薄。

最后导致轮齿因强度不足而折断。

改善润滑。

密封条件，在润滑油中加入减磨添加剂，保持润的清洁，提高齿面精度等，均能提高齿面的抗磨料磨损的能力

由于蜗杆传动中的蜗杆表面硬度比蜗轮高，所以蜗杆的接触强度、弯曲强度都比蜗轮高；而蜗轮齿的根部是圆环面，弯曲强度也高、很少折断。

2.1.3蜗杆传动的设计准则

在开式传动中，蜗杆传动的失效形式多为齿面磨损和轮齿折断。

因此，应以保证齿根弯曲疲劳强度作为开式穿的只要设计准则。

在闭式传动中，蜗杆传动多因齿面胶合或点蚀而失效。

因此，通常是按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

此外，闭式蜗杆传动，由于散热比较困难，所以还应作热平衡校核。

蜗杆传动在齿面间有较大的滑动速度，发热量大，若散热不及时，油温升高、粘度下降，油膜破裂，更易发生胶合。

开式传动中，蜗轮轮齿磨损严重，所以蜗杆传动中，要考虑润滑与散热问题。

材料的选择

基于蜗杆传动的失效特点，选择蜗杆和蜗轮材料组合时，不但要求有足够的强度，而且要有良好的减摩、耐磨和抗胶合的能力。

实践表明，较理想的蜗杆副材料是：

青铜蜗轮齿圈匹配淬硬磨削的钢制蜗杆。

1.蜗杆材料

（1）对高速重载的蜗杆传动，蜗杆常用低碳合金钢（如20Cr，20CrMnTi，12CrNi3A等）经渗碳后，表面淬火使硬度达56～62HRC，淬火后需要再经磨削。

（2）对中速中载传动，蜗杆常用45钢、40Cr、35SiMn等，表面经高频淬火使硬度达45～55HRC，再磨削。

（3）对一般用途的蜗杆可采用45、40等碳钢调质处理（硬度为210～230HBS）。

（4）对低速不重要的蜗杆传动，蜗杆可不经热处理，或采用铸铁。

2.蜗轮材料

（1）常用的蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSnl0Pl，ZcuSn5Zn5Pb5等）、铸造铝铁青铜（ZCuAl10Fe3）及灰铸铁HTl50、HT200等。

铸锡青铜的抗胶合、减摩及耐磨性能最好，但价格较高，常用于

为15-25m/s的重要传动；

（2）铸铝铁青铜，如ZCuAL10Fe3Mn2,ZcuAL10Fe3等。

具有足够的强度，并耐冲击，价格便宜，但抗胶合及耐磨性能不如锡青铜，一般用于

的传动；

（3）对于

的不重要场合可以采用灰铸铁，如：

HT150,HT200等。

2.1.4普通圆柱蜗杆传动的精度等级选择

GB10089——1988对蜗杆，蜗轮和蜗杆传动规定了12精度等级，其中1级精度最高，12级精度最低。

与齿轮公差相似，蜗杆，蜗轮和蜗杆传动公差也分为三个公差组。

普通圆柱蜗杆传动的精度范围6—9级。

6级精度用于精度要求较高，速度较快的动力，运动传动；7级精度用于一般精度要求，中等速度的动力传动。

8,9级精度用于短时，次要，低速传动。

2.1.5蜗杆传动的优点

蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。

在绝大多数情况下，两轴在空间是互相垂直的轴交角为

。

它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中，最大传动功率可达750kW，通常用在50kW以下；最高滑动速度可达

，通常用在

以下。

（1）传动比大，结构紧凑。

圆柱齿轮和圆锥齿轮啮合时主要是滚动接触，而蜗杆与蜗轮啮合主要是滑动接触，且冲击速度小。

因此产生噪音和振动的因素很少。

从传动比公式可以看出，当i=1，即蜗杆为单头，蜗杆须转转蜗轮才转一转，因而可得到很大传动比，一般在动力传动中，取传动比i=10-80；在分度机构中，i可达1000。

这样大的传动比如用齿轮传动，则需要采取多级传动才行，所以蜗杆传动结构紧凑，体积小、重量轻。

（2）传动平稳，无噪音。

因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳，冲击、震动、噪音小。

（3）轴可以垂直布置而互不相交。

蜗杆轴和蜗轮轴的布置，有时可以做到既能节约原动机和从动机的安装面积又能方便合理。

（4）可以防止逆转，实现自锁。

（5）抗弯曲强度高。

蜗杆齿呈螺旋状，蜗轮齿为弧形曲梁，它们的抗弯曲强度较高，轮齿极少出现弯曲折断现象。

因此，蜗杆传动可以承受较大的瞬时冲击载荷。

第3章程序

3.1流程整体流程如图3-1

3-1流程图