摘要 辽宁工学院硕士学位 论文
摘 要
弧齿锥齿轮广泛应用于航空、航天和工程机械传动系统中，具有传动平稳，承 载能力强等优点，有着非常广泛的应用前景。但其结构复杂，设计计算困难。为了 满足 ｃＡＤ／ｃＡＥ／ｃＡＭ 的需要，实现弧齿锥齿轮三维参数化建模为后续工作奠定基 础，具有非常 重要的现 实意义 。
本论文以功能强大的三维软件 ＵＧ为开发平台，深入掌握 ＵＧ二次开发方法，
选用ＵＧ ／ ｏ ｐ Ｅ ＮＧＲ Ｉ ｐ和ＵＧ ／Ｏｐ Ｅ ＮＭｅ ｎ ｕ ｓ ｃ ｒ ｉ ｐ ｔ 二次开发工具，作为本系统的技术支
持，实现弧齿锥 齿轮三维参数化 造型 。
首先，从建立平 面渐开线数 学模型入手 ，分别 建立直齿 圆柱 齿轮 ，斜齿 圆柱齿 轮及 直齿圆锥齿轮 的数学模型 ，并实现三维参数化造 型。
其 次，在研究锥 齿轮 啮合原 理的基 础上 ，建立 了球面 渐开线 的数学模型和弧齿 锥齿轮的数学模型，实现 了球面渐开线的参数化建模，完成了弧齿锥齿轮的三维参 数化 建模 。
该系统 的实现 ，大大 减少 了设计人 员的繁重工作 ，提 高了设计 效率 ，缩短 了设 计周期 ，为弧齿锥齿轮计 算机辅助分析 、辅 助制造提供可 能， 同时本 设计方法 的提
出对其他类 型齿轮造型有 一定的指导借 鉴意 义。
关键词 ；弧齿锥齿 轮； 球面 渐开线 ； 参数化造 型； ＵＧ二次 开发
ＡｂｓｔｒａＣｔ 辽宁 工学 院硕士学位论文
ＡｂｓｔｒａＣｔ
Ｇｌｅａｓｏｎｓｐｉｒａｌｂｅｖｅｌｇｅａｒ，ｈａｖｉｎｇａｖｅｒｙｗｉｄｅａＰＰｌｉｃａｔｉｏｎＰｏｔｅｎｔｉａｌ，ａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｌｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ａｖｉａｔｉｏｎ、 ｓＰａｃｅｆｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｉｔｈｍｕｃｈａｄｖａｎｔａｇｅ，ｓｕｃｈａｓｉｔｓｈｉｇｈｓｔａｂｉＩｉｔｙａｎｄｂｅａｒｉｎｇｌｏａｄｓ‘ Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｇｌｅａｓｏｎｓｐｌｒａｌ匕ｅｖｅｉｇｅａｒａｒｅｖｅｒｙ ｓｏＰｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ，ａｎｄｄｅｓｉｇｎ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ，ＴｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ，ｉｔｉｓａｖｅｒｙｉｍＰｏｒｔａｎｔ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｈａｔ ｒｅａｌｉｚｅｓｇＪｅａｓｏｎｂｅｖｅｌｇｅａｒ，５３一Ｄ ｐａｒａｍ ｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒｆｏｌｌｏｗ一ｕＰ
ｗｏｒｋｓ．
ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＵｎｉｇｒａｐｈｉｃｓＮＸ，ｔｈｉｓＰｒｏｊｅｃｔｍａｋｅｓｕｓｅｏｆＵＧ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｌａｎ即ａｇｅｓｏｆｆｅｒｅｄ ｂｙ ｍｏｄｕｌｅｓｏｆＵＧ／Ｏｐ州 ｏＲＩＰ ａｎｄ ｕｏ／ｏＰ阴 ＭｅｎｕｓｃｒｉＰｔ，ａｎｄｔｈｅｎｒｅａｌｉｚｅｓ３一Ｄｐａｒａｍ ｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｇｌｅａｓｏｎｓＰｉｒａｌｂｅｖｅｌｇｅａｒ－
Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｓｔａｒｔｉｎｇ ｗｉｔｈｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓ１１ｌ１１ｅｎｔｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＰｌａｎｅｉｎｖｏｌｕｔｅ， ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓＰｕｒ ｇｅａｒ、ｈｅｌｉｃａｌｇｅａｒａｎｄｓｔｒａｉｇｈｔｂｅｖｅｉｇｅａｒ，ａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， Ｉｔｒｅａｌｉｚｅｓｇｅａｒｓ３一ＤＰａｒａｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇ‘
Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｂｅｖｅｌｇｅａｒｓｍｅｓｈｉｎｇｔｈｏｅｒｙ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｂｏｔｈ ｏｆｓＰｈｅｒｉｃａｌｉｎｖｏｌｕｔｅａｎｄ ｓＰｉｒａｌｂｅｖｅｌｇｅａｒ．Ｉｔｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅ ３一Ｄ Ｐａｒａｍ ｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｓｐｈｅｒｉｃａｌｉｎｖｏｌｕｔｅ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅ３一Ｄ ＰａｒａｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｓＰｉｒａｌ ｂｅｖｅｌｇｅａｒａｒｅｃｏｌｌｌＰｌｅｔｅｄ
Ｔ
ｈ ｅｓｙｓｔｅｍ ｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｓａｖｅｔｈｅｔｉｍｅｏｆｄｅｓｉｇｎｅｒｓｆｒｏｍ ｔｈｅｈｅａｖｙｗｏｒｋｌｏａｄ，ｂｕｔ ａｌｓｏｉｍＰｒｏｖｅｄｅｓｉｇｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅＰｒｏｊ ｅｃｔｌａｙｓｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒ ＣＡＥａｎｄＣＡＭ，ａｎｄｔｈｅＰｒｏＰｏｓｅｄｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｒｅｕｓｅｆｕｌｔｏ ａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔｆｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｔｈｅｒｔｙＰｅｓｏｆｇｅａｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｌｅａｓｏｎｓＰｉｒａｌｂｅｖｅｉｇｅａｒ； ｓＰｈｅｒｉｃａｌｉｎｖｏｌｕｔｅ； Ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｉｚｅｄｍｏｄｅｌｉｎｇ；
ＵＧｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｖｅｌｏＰｍｅｎｔ
ＩＩ
１．绪论 辽宁 １‘学院硕十论文
１绪论
１．１课题背景
１ ． １ ． １课题的来源
本课题源于北京航天航空大学的一个项目一高速弧齿锥齿轮的动态特性与动应 力研究一将运用弹性啮合原理、啮合振动理论和现代试验理论等技术，建立弧齿锥 齿轮动态加载接触分析，解决高速、重载弧齿锥齿轮啮合振动与动态载荷计算等问 题。本课题弧齿锥齿轮的参数化造型是这个项目的前期工作，为后期的仿真、分析 等研究工作奠定基础．
弧齿锥齿轮在几何形状上非常复杂，其设计和制造技术从问世以来一直是制造 业的难点和热点。弧齿锥齿轮在航空传动中是在高速、重载的条件下工作，所以其 三维造型的质量要求很高，加之十分复杂的齿面几何外形，弧齿锥齿轮的三维参数 化造型成为一个既重要又困难的课题．
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 针对圆柱齿轮以及弧齿锥齿轮三维建模系统，利用三维软件ｕｎｉｇｒａｐｇｉｃｓＮＸ４．０实现 齿轮的参数化造型，以提高建模效率，并为其后继的设计分析和制造工作奠定基础。
１ ． １２课题的研究背景
现代工业生产系统中普遍使用齿轮装置。齿轮传动是机械传动的重要装置，具 有质量小、体积小、传动比大和效率高等优点，已广泛地应用于汽车、船舶、机床、
矿山冶金等领域，它几乎适用于一切功率和转速范围。目前齿轮传动技术已成为世 界各国机械传动发展的重点之一。．３］。
在传统的锥齿轮应用中，普遍使用直齿锥齿轮，特别是在相交轴的传动中，直 齿锥齿轮比螺旋锥齿轮易于加工，在传动中得到相当广泛的应用．但为了解决直齿 锥齿轮传动不平稳，承载能力低，噪音大这一问题，美国格里森公司的科学家Ｅ威
尔德哈泊、Ｍ． Ｌ。 巴斯特尔等人提出了圆弧齿锥齿轮ｌ ’ ］。圆弧齿锥齿轮可以看作是把
直齿锥齿轮切成无数薄片后旋转而成的，旋转后增加了轮齿啮合的重叠系数，螺旋 锥齿轮比直齿锥齿轮运转平稳，而且承载能力高，高速运转的噪音和振动显著减小，
因而汽车、船舶、航空、航海、拖拉机和各种精密机床等行业中所使用的直齿锥齿
１．绪论 辽味‘１学院硕士论文
轮己逐渐被螺旋锥齿轮副替代．弧齿锥齿轮的设计、切制、测试等工艺引起各国齿 轮专家的研究，导致了关于近代齿轮啮合理论的讨论．
齿轮设计在齿轮制造应用过程中占有重要地位。传统的齿轮设计过程繁冗，效
率低，同样的问题也出现在弧齿锥齿轮的设计面前。采用传统１ ５ １的设计方法设计一
组较为合理的齿轮副要反复修正参数、多次校核计算，花费很长时间才能实现．另 外，齿轮类零件的绘图工作（包括几何绘图、标注、参数表填写等内容）也是一项繁 杂而费时的工作。但齿轮类零件大部分具有相似的结构和形状，在新产品的设计和 图纸绘制过程中，不可避免地要多次反复修改，进行零件形状、尺寸的综合协调和 优化．这时寻求一种简便、合理的设计方法，提高设计工作效率，是齿轮设计工作 者的迫切愿望。因此，借助 ＣＡＤ技术实现其绘图过程的参数化和自动化，对于提 高设计效率和保证设计质量具有重要意义１６］。１ ． １ ． ３参数化与特征建模理论及其齿轮ＣＡＤ系统的发展概况
１参数化与特征建模理论的发展概况
建模技术是ＣＡＤ的核心技术，参数化造型技术和特征造型技术是新一代继承化 ｃＡＤ系统应用研究的热点理论１７１，也是弧齿锥齿轮参数化造型的基础理论依据，对 齿轮建模和系统设计起着指导性作用。另外，研究国内外齿轮ＣＡＤ参数化设计的发 展状况，可以借鉴前人的研究成果，对弧齿锥齿轮的参数化研究有一定的指导意义。
特征是８０年代中后期为了表达产品的完整信息而提出的一个概念１５１，它是对诸
如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述，是反映零件特点 的可按一定的规则分类的产品描述信息１９１．这表明：特征不是体素，不是某个或几 个加工表面；不是完整的零件；对于制造特征，其分类与其加工工艺规程１１０］密切相 关，用不同的加工方法加工实现的表面或零件，要定义成不同的特征。描述特征的 信息中，除表达形状的几何信息及约束关系信息外，还包括材料、精度等制造信息，
通过定义简单的特征还可以生成组合特征１１１１。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１１２：３１。
参数化设计是新一代智能化、集成化ＣＡＤ系统的核心内容，也是当前ＣＡＤ技
１．绪论 辽宁工学院硕 十论文
术的研究热点ｌ ｔ ４１ 。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１ １ ５ １
的有效手段．目前，直齿圆柱齿轮方面的基于特征的参数化设计理论己经非常成熟，设计资料也很丰富。但对弧齿锥齿轮的设计、造型基本上仍采用传统设计方法，与 国外先进水平仍有较大差距。
２．齿轮ＣＡＤ系统的国内外发展概况
近年来，优化设计和 ＣＡＤ应用在国外发展很快。在新产品设计方面普遍进行 参数优化。这样它们在追踪市场、缩短技术准备周期，保证产品性能方面占了很大 优势。在我国，一些企业和研究所在这方面刚刚起步，大多数工程技术人员仍然在 采用手工绘图，“甩图板”的工作仍很艰难。有的企业在购置普遍生产设备方面很慷 慨，但在购置计算机硬件以及软件方面却显得“小家子气”１１６］。
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，有的软件只具有几何参数设计功能１１７〕，后来即使实现了齿轮造型 的功能，模型却非常粗糙，甚至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；还有一些软件没有充分地注重设计 者的主观能动性。８］，表现在：一些经验参数的选取直接采用了系统默认值，当输入 的唯一初始值时，只能设计出唯一的一个结果；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，由于其复杂性，一般设计者很难精确造型。有些文献指出，随着 塑料齿轮模具的广泛应用和快速成型及虚拟制造技术的迅速发展１１９１，用小型 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１２０创１。
（１）齿轮类零件参数化ＣＡＤ二维设计研究现状
关于齿轮类零件参数化二维计算机辅助设计１２２１，国内外很多学者进行了研究。
运用 ＡｕｔｏＣＡＤ 进行二维设计存在着工作量大、不直观、容易出错、难于修改的缺 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
１．绪论 辽宁 ｒ学院硕十论文
于ＡｕｔｏＣＡＤ的二维设计技术是无法做到的。
（
２）齿轮类零件参数化ＣＡＤ三维设计研究现状
三维造型在可视化设计、装配设计、设计分析、加工仿真等方面有着二维设计 无法比拟的优越性，是提高设计质量的重要手段。目前，以三维实体造型为基础的 ＣＡＤ在我国方兴未艾，国际著名的ＣＡＤ软件商纷纷登陆中国市场，国内许多大学、
科研院所也着力于各种ＣＡＤ平台的二次开发以及自主知识产权的ＣＡＤ软件开发，各 种三维ＣＡＤ软件不断出现。在我国市场上推出的商品化软件中，比较优秀的国外软 件有ｕＧ、ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ、ＰｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒ、ＣＡＴＩＡ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５０１记Ｅｄｇｅ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Ｉ Ｚ ｊ〕 。王穗选用大型软件１ 一 ＤＥ Ａｓ 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１ ２ ４］ ． 朱凤芹在ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ 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１ ２ ５］ 。刘文生通过阐述基于Ｐ ｒ。 甩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尼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【 ２ ６ ， 。梁
琪针对工业生产领域中常用的齿轮零件，依据渐开线生成的基本原理和理论公式，提出了在Ｐｒｏ甩环境下生成渐开线齿轮轮廓曲线的方法：利用Ｐｒｏ用ＲＯＧＲＡＭ模块通 过提取、控制渐开线齿轮零件的参数实现了三维参数化设计，同时根据零件系列化 的特征，以三维零件模板进一 了零件族表，解决了齿轮齿廓的精确造型和齿 轮零件的系列化设计问 又同工业产品的参数化、系列化设计提供了参考方法
１ ２ ７
］。程相文介绍了Ｐ ｒ ｏ甩ｗｉ ｌ ｄｆ ｉ ｒｅ 的参数化功能，依据斜齿轮的形成原理，精确建立
了斜齿轮的三维模型碑８］。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１ ２ ９〕 ．从目前可以查找到的公开资料看，还没
有人在ＵＧ环境下实现弧齿锥齿轮的三维参数化精确造型。
锥齿轮在几何形状上非常复杂，其设计和制造方法密切相关，加工中的切齿调 整方案直接影响着齿轮副的啮合质量。我国在生产中广泛使用的用于锥齿轮设计与
１．绪论 辽宁丁学院硕十论文
加工的各种计算和计算机软件大多停留在２０世纪７０年代初期的水平，其切齿计算中 的控制参数多，不易操作使用，切齿计算结果在很大程度上取决于操作者的经验和 技术水平【３０］．由此可见，关于锥齿轮的设计讨论对于提高我国锥齿轮的设计水平、
降低研制成本、提高产品质量，具有重要的理论和实践意义。
１．２本课题的意义和研究内容及方法
１ ． ２ ． １课题研究的意义
弧齿锥齿轮在航空传动中有广泛的应用，在飞行器的动力装置中占有很重要的 地位。弧齿锥齿轮传动在设计和生产方面与普通机械中应用的齿轮既有相同之处，
又有很大差别。例如：在保证飞行安全可靠性的前提下，要求单位质量轻、传递功 率大、齿轮圆周速度高、精度高、工作平稳性高。传统的成形技术基本上都建立在 经验和实验数据基础上，制定一个新的零件成形工艺在生产时往往还要进行大量修 改调试。近年来，人们对普通齿轮的计算机辅助设计１３１］进行了较深入的研究，而对 弧齿锥齿轮的 ＣＡＤ研究进行得比较少。以往虽然人们对弧齿锥齿轮的计算机辅助 设计也进行过研究，编制过相应的软件，但由于受当时计算机技术发展水平的限制，
软件的质量比较低，使用也不太方便。随着计算机软硬件技术的发展，特别是非线 性问题的计算技术发展，使成形过程的模拟分析和优化成为可能。虽然我国在这方 面己经进行了大量研究，一些单位也研制了一些软件，但由于投入不足，形成商业 软件的匾乏１３２］。
目前国内外对二维图形参数化和简单三维实体的参数化造型较为成熟。对复杂 的三维实体的参数化造型尚不多见，特别是螺旋锥齿轮这类形状复杂、精确齿形的 三维实体参数化造型设计更少１３３１。其原因是：一方面螺旋锥齿轮二维图形参数化设 计能够满足传统的齿轮加工要求，另一方面运用低级 ＣＡＤ 软件对复杂的三维实体 很难实现参数化虚拟造型设计。随着塑料齿轮的广泛应用和快速成型与虚拟制造技 术的迅速发展，用大型的三维软件实现螺旋锥齿轮的参数化造型将成为设计者的迫 切需求（３４１．
弧齿锥齿轮实体参数化造型的意义：
（
ｌ）齿轮传动的参数化设计与建模系统是ｃ Ａ Ｄ１ ３ ５】 技术与齿轮设计相结合的产
物，也是两者发展的趋势所在。
１．绪论 辽宁 〔学院硕士论文
（ ２
） 实现设计过程自动化避免了设计人员手动查阅大量的数据，也避免了手工 取点造型的复杂过程，本系统的开发，可以将手算设计的工作人员从繁琐、低效的 工作中解放了出来．
（
３）实现弧齿锥齿轮的参数化设计以及球面渐开线齿廓的精确造型，可以将设
计计算、三维造型与绘制工程图的无缝结合，同时为齿轮的有限元分析、机构仿真 和数控加工等工作奠定基础。
（
４）采用建立原始齿轮结构模型并驱动其特征参数，为其它复杂曲面的造型提 供了有益的参考．
１ ． ２ ．２课题研究的内容
本课题利用大型软件 ＵＧＮＸ４刃来实现齿轮，尤其弧齿锥齿轮的三维参数化造 型．可通过改变齿轮的一些基本参数，生成其相应齿轮，达到设计要求。具体内容 如下：
（１）研究直齿、斜齿圆柱齿轮及直齿锥齿轮的基本啮合理论和并建立数学模型，
为弧齿锥齿轮的理论研究和数学模型的建立奠定基础：
（ ２
） 球面渐开线数学模型的建立是弧齿锥齿轮三维参数化造型的基础，通过对
锥齿轮的啮合原理的深入研究，建立球面渐开线数学模型，得到球面渐开线方程。
（
３）深入掌握ＵＧ二次开发的各种方法，并熟练运用ＵＧ／ＯＰＥＮ 开发工具，在建 立弧齿锥齿轮、圆柱齿轮和直齿锥齿轮的数学模型的基础上，对各齿轮实现三维参
数化造型；
（
４）在构建齿轮模块框架的基础上，深入研究菜单的制作技术以确定本课题应 采用的最佳菜单制作技术．
１ ． ２ ．３课题的可行性分析
ＵＧ软件是集ＣＡＤ＼ｃＡ孙ＣＡＥ一体化的三维参数化软件，是当今世界上最为先 进的计算机辅助设计、制造和分析软件，在国内使用相当广泛。另外它所提供的二 次开发语言模块ｕＧ１０ｐｅｎＡＰＩ、ＵＧ／ＯｐｅｎＧＲＩＰ和辅助开发模块ＵＧ／ｏｐｅｎＭｅｎｕｓｃｒｉＰｔ
与ｕＧ ／ｏ Ｐｅ ｎｕｌ ｓ ｔｙ ｌ ｅ ｒ及其良好的高级语言接口，使ｕＧ的图形功能和计算功能有机
的结合起来，便于用户去开发各种基于自身需要的专用 ＣＡＤ系统．因此，在 ｕＧ 环境下对弧齿锥齿轮进行参数化建模，完全可以实现。２，ＵＧ 二次开发方法的研究 辽宁工学院硕士学位论文
ＺＵＧ二次开发方法的研究
ＵＧ是一个优秀的机械ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化高端软件，它基于完全的三维实 体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出任意复杂的产品模型，再加上技 术上处于领先地位的ＣＡＭ模块、内嵌的ＣＡＥ 模块，使 ｃＡＤ、ｃＡＥ和 ｃＡＭ有机 集成，可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。此外，ＵＧ 软件还提供了 ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ业界最先进的编程工具集，以满足用户二次开发的需要。本章先讨 论ＵＧ软件的应用及其二次开发技术，然后对基于ＵＧ的三维参数化建模方法进行 分析比较。
２ ． ＩＵＧ软件概述
２ ． １ ． ＩＵＧ软件的技术特点
ｕｎｉｇｒａＰｈｉｃｓ 软件起源于美国麦道公司．目前己成为世界一流的集成化机械 ＣＡＤ／ＣＡ叨ＣＡＥ软件，广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械、模具和家用电器 等领域。他提供了参数化、特征化的概念设计；采用区别于多面体的曲面实体造型，
使线框造型、曲面造型和实体造型融为一体；提供可以独立运行的面向对象的集成 管理数据库系统，是ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ各部分的数据能够进行自由切换；具有良好的 二次开发接口和工具１３６］。
ＵＧ为制造行业产品开发的全过程提供解决方案，功能包括概念设计、工程设 计、性能分析和制造。具体说来，该软件具有以下主要技术特点：
（ ｌ
） 集成的产品的开发：ＵＧ是一个完全集成的Ｃ ＡＤ ／ＣＡ Ｅ／ ｃＡＭ软件集，它致
力于从概念设计到工程分析到数字制造的整个产品开发过程。
（
２）相关性：通过应用主模型方法，使得从设计到制造所有应用相关联。
（
３）并行协作：通过使用主模型，产品数据管理，产品可视化（Ｐｒｏｄｕｃｔ ｖｉｓｉｏｎ） 以及应用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术，支持扩展企业范围的并行协助。
（
４）基于知识的工程：知识通常包括“业界标准”知识和“公司独特”的知识。针对
“业界标准”知识，知识驱动自动化提供了过程向导和助理，它们有更强的功能，更
易于使用和更高的生产率， 比如ｕＧ ／模具向导（ Ｍｏ ｆｄｗｉ Ｚ ａｒ ｄ ） 、 ＵＧ ／齿轮工程向导（ Ｇｅ ａ ｒ
Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇｗｉ ｚ ａ ｒｄ ） 和ＵＧ ／冲模１程向导（ Ｄｉ ｅ Ｅ ｎｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉｎ ｇｗｉ ｚ ａ ｒｄ ）。针对“ 公司独特， ，
２．ＵＧ二次开发方法的研究 辽宁工学院硕＋学位论文
的知识，知识驱动自动化提供ＵＧ／ＫｎｏｗｌｅｄｇｅＦｕｓｉｏｎ（知识融合），这个新的产品使得 公司能够快速和方便地添加工程规则去驱动一个模型或者建立过程向导和助理，
ｕＧ压 白 ｌ ｏ ｗ ｌｅ ｄｇ ｅＦ ｕ ｓｉ ｏｎ使基于知识工程的环境直接能进入ＵＧ的核心。
（ ５
） 客户化：ｕＧ提供ＣＡＤ／ＣＡＥ／ｃＡＭ业界先进的编程工具集，对ｕＧ进行定
制，以满足企业的需要。
２ ． １ ． ＺＵＧ主要功能模块
ＩＵＧＣＡＤ功能
ＵＧ 具有强大的实体建模功能，它将基于约束的特征建模和显示几何建模集成 在一起，提供强有力的复合建模能力，以设计各种复杂形状的实体模型和面模型。
它包括ｕＧ／ＦｅａｔｕｒｅＭｏｄｅｌｉｎｇ（特征建模模块）和ＵＧ／Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ（自由形状建模 模块）两个部分。
ｕＧ中还提供了一种用户自定义特征（ＵｓｅｒＤｅｆｉｎｅｄＦｅ以ｕｒｅ）的方法，允许用户以
交互方式定义自己的特征零件。利用用户自定义特征的方法可捕捉参数化实体模型，
建立参数间的关系，定义特征夺量。用户可以在建立三维模型、工程制图的时候引 用这个特征，也可以通过ＵＧ／ＯＰＥＮ接口访问用户自定义特征。
ＵＧ／ＡｓｓｅｍｂｌｙＭｏ ｄｅｌｉｎｇ装配建模模块提供了自顶向下的产品开发方法，进行整 个结构的装配。零件可以灵活的定位，建立零件间的装配关系。当零件的尺寸和位 置改变时，系统能自动的更新装配体，重新生成零件间的配合关系，保证装配模型
的一致性。
２．ＵＧＣＡＭ 功能
ＵＧ主模型技术使ＣＡＤ和ＣＡＭ模块共享同一模型数据。它提供了强有力的加 工编程方法，可供用户根据自己的设备开发基于参数化系列零件以及基于特征的 ＮＣ应用程序。并且提供了切削仿真等功能。
３，ＵＧ的二次开发接口
ＵＧ不但提供了与外界各种数据转换接口，而且提供了广泛的、面向各种用户
的开发接口．除了 ＭＡＣＲＯ （宏命令） 之外，还提供了 ＧＲ ｌＰ （图形交互编程语言） ，
ＵＧ／ｏＰＥＮ ＡＰＩ开发工具包。用户可以将外部的程序（Ｃ，Ｃ料，ＦＯＲＴＲＡＮ等语言编 写的程序或者是第三方程序）调用，集成到ＵＧ中，可以管理文件系统，改变和扩充ＺＵＧ二次开发方法的研究 辽宁工学院硕十学位论文
ＵＧ的功能。ＵＧ的Ｕｓ ｅｒ Ｔ ｏ ｏ ｉ ｓ，Ｍｅ ｎｕ ｓ ｏ ｒ ｉ Ｐ ｔ模块，便于用户设置自己的菜单界面。
ＵＧ 拥有丰富的开发工具，友好的用户界面，广泛的与外界数据交换接口工具，是 工程技术人员开发专业应用软件的强大工具［３７］。
２ ． １ ． ３ＮＸ４新功能促进产品开发的创新１ ３ ５ ］
１数字化模拟ＮＸ４提供ＣＡＥ高级分析的功能来支持创新。包括为设计者提供 的设计模拟工具以及为工程分析专家提供的最高性能模拟。高级分析能力受益于开 放的生产性ＮＸ可用性范例。新的集成 ＣＦＤ和热力分析应用软件己经在诸多领域的 应用中得到证明。ＮＸ４还扩展对ＮＸＮａｓｔｒａｎ广泛分析功能以及第三方求解程序（如
ＡＢ ＡＱＵＳ和 ＡＮｓ ｙｓ ）的访问，以此作为 ｕＧＳ ’ ’开放设计” 战略的一部分。有了 Ｎｘ
Ｎａｓｔｒａｎ 客户就能够实施其最佳实践，增加模拟对设计的影响。２ ．知识捕捉。改进 Ｄｅ ｓｉ ｇ ｎＬ ｏｇ ｉ。，包括一个预装的共用工程功能库，有了
ＤｅｓｉｇｎＬｏｇｉｃ工程师可以把产品知识嵌入设计，增强创新能力。而新增加的制造向导编制器是以ＮＸ３的核心技术 “ＰｒｏｃｅｓｓＳｔｕｄｉｏ’，为基础，允许捕捉简单工作流程环境 中的共用制造工艺，然后系统自动完成 “向导”建立过程或者为每一位用户提供一 个自动程序．该方法可简化制造工艺，确保工艺能够被重复使用，这正是缩短产品 上市时间的关键。ＮＸ４还延续了 ＵＧＳ的承诺即在开发定制应用程序时让客户自由 选择语言。ＮＸ４ 支持Ｊａｖａ编程语言确保用户可以根据自身需要用最适当的工具来开 发应用程序，并提供了一个共用框架让用户能够访问ＮＸ的核心功能。这一 “开放 式应用程序”方法还允许用户把ＮＸ应用程序和外部系统集成在一起，比如与专有 系统相连接以便进行成本管理。
３ 可用性。用户可以选择自己的 ＮＸ，根据需要选择显示一套最具生产性的功 能。公司可以根据自身需要创建自己的屏幕布置和图标，以便改善使用ＮＸ的生产 力。
４ ．系统工程。２ 一 ＤＬ ａ ｙｏ ｕ ｔ是一种新的概念设计方法，这是Ｎｘ的竞争者所没有
的．有了２一ＤＬａｙｏｕｔ用户就可以快速创建设计方案并且随着产品变革不断对设计方 案进行充实丰富这一方法把早期概念规划引入到集成设计过程中从而增加了创新速 度。２．ＵＧ 二次开发方法的研究 辽宁工学院硕士学位论文
２ ２ＵＧ二次开发相关技术
ＵＧ软件提供了ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ业界最先进的编程工具集，以满足用户二次开 发的需要，这组工具集称之为 ＵＧ／Ｏｐｅｌｌ，是一系列 ｕＧ开发工具的总称，它们随
ＵＧ一起发布，以开放性架构面向不同的软件平台提供灵活的开发支持。ＵＧ ／ｏｐ ｅ ｎ 套件［ ３ ９动１ 主要由４个开发工具组成，如图２ 一 １所示。利用ｕＧ ／ｏ ｐ ｅｎ提供的应用程序
和开发工具，用户可以在其提供的平台上开发出适合 自己需要的ＣＡＤ产品。
图２一ＩＵＧ／ｏｐ叨二次开发工具集
ｕＧ ／Ｏｐ ｅｎ二次开发模块是ｕＧ软件的二次开发工具集，利用该模块可对ｕＧ系
统进行用户化开发，满足用户进行二次开发的需求，ＵＧ／ｏｐ即包括以下几个部分：ＵＧ／ｏｐｅｎＭｅｎｕｓｃｒｉＰｔ开发工具，对ｕＧ软件操作界面进行用户化开发，无须编程即 可对ＵＧ标准菜单进行添加、重组、剪裁或在ＵＧ软件中集成用户自己开发的软件 功能；ＵＧ／ｏｐｅｎｕｌｓｔｙｌｅ开发工具是一个可视化编辑器，用于创建类似ｕＧ的交互界 面，利用该工具，用户可为 ＵＧ／Ｏｐｅｎ 应用程序开发独立于硬件平台的交互界面；
ＵＧ／ｏｐｅｎＡＰＩ开发１具提供ＴＵＧ软件直接编程接口，支持Ｃ，Ｃ＋＋、Ｆｏｒｔｒａｎ和Ｊａｖａ
等主要高级语言；ＵＧ ／ＯＰ ｅｎＧＲ ＩＰ开发工具是一个ＵＧ内部开发语言，利用该工具
用户可生成Ｎｃ自动化或自动建模等用户的特殊应用１４１］。２．ＵＧ 二次开发方法的研究 辽宁工学院硕士学位论文
２．２．ＩＵＧ／ ＯＰＥＮ Ｇ咫 Ｐ
ｕＧ ／ｏ ＰＥ Ｎ ＧＲＩ ｐ （ Ｇｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ｓｌ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅＰ ｒ ｏｇ ｒａ ｍ而ｎ ｇ） 是一种专用的图形交互编程
语言．这种语言与ＵＧ系统集成，实现ＵＧ下的绝大多数的操作，如实体建模、工 程制图、制造加工、系统参数控制、文件管理、图形修改等；也是其他通用语言程序相互调用的接口【 ４ ２ １。ＧＲ ＩＰ语言与一般的通用语言一样，有其自身的语法结构，
程序结构，内部函数，以及与其他通用语言程序相互调用的接口。ＧＲＩＰ程序同样 要经过编译、链接后，生成可执行程序，才能运行。一个 ＧＲＩＰ语句是由一个或几 个 ＧＩＵＰ命令组成，ＧＲＩＰ命令是ＧＲＩＰ语言的基本组成部分。ＧＲＩＰ命令有三种表
示格式：
（
１）陈述格式。主要用于生成和编辑实体。
（２）ＧＰ＾符号格式。Ｇ拟 是全局参数存取（ｏｌｏｂａｌＰａｒａｍ ｅｔｅｒＡｃｃｅｓｓ）的缩写，用 于访问 ＵＧ系统中各种对象的状态和参数。
（ ３
） Ｅ ＤＡ符号格式。Ｅ ＤＡ是实体数据存取（ Ｅｎ ｔ ｉｔ ｙＤａ ｔａＡｃ ｃｅ ｓｓ ）的缩写，用于访问
ＵＧ数据库，能够访问各种对象的功能性数据。例如在属性、绘图和尺寸标注以及 几何体等领域ＵＧ进行交互操作时，其参数可用ＥＤＡ格式的命令取得。
ＧＲＩＰ程序一般是在ＵＧ平台下编制的，有独特的开发工具、编译链接过程、程 序语法和文件格式，具体开发过程如下：
（ １ ）在Ｕｏ菜单中选择ｕｎ ｉ ｇ ｒ 即ｈ ｉ ｃ ｓ ｔ ｏ ｏ ｌ ＊ｇ ６ｐ ，弹出ｕｏ ／ｏＰ 阴 ｏＲＩ Ｐ环境界面。
（ ２
） 在ｕＧ ／ＯＰ Ｅ Ｎ Ｇ ｒｉ Ｐ环境界面中，选择Ｅ ｄ ｉ ｔ，用记事本创建或打开一个＊ｇ ｒｓ 文件，也就是Ｇ Ｒ Ｉ Ｐ源文件；选择ｃ ｏｍ Ｐｉ ｌ ｅ对源文件进行编译，生成气ｇ ｒｉ目标文件；
选择Ｌｉｎｋ 对目标文件进行链接，生成中．ｇｒｘ 文件，这个文件就是ＵＧ可以识别的执
行文件。， ． ｇ ｒ ｘ 文件可以在ｕＧ菜单中点击Ｆ ｉｌ ｅ＊Ｅ ｘ ｅｃ ｕ ｔ ｅ ｕＧ ／ｏＰ Ｅ Ｎ＊Ｇ ｒ ｉｐ调用，也 可以通过用户自定义菜单调用。通过用户自定义菜单调用时，执行文件＊ ‘ ｇ ｒ ｘ 必须存
放在用户目录下的叩ｐｌｉｃａｔｉｏｎ 目录中。
ＧＲＩＰ可以执行操作系统的命令，如文件处理，宏功能等。ＧＲＩＰ程序还可以调 用ＵｓｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ 程序，包括外部和内部的ＵｓｅｒＦｕｎｃｔｌｏｎ 程序。在ＵＧｊＯＰＥＮＡＰ Ｉ中 提供了调用 ＧＲＩＰ程序的函数，使ＧＲＩＰ和ＵｓｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ 程序可以互相调用。这样 就可以利用ＵｓｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ来实现更多更强大的功能，进一步扩大 ＧＲＩＰ的应用范围。
在ＵＧ／ＯＰＥＮＡＰ Ｉ作为一个模块向用户开放之前，ＵＧ提供的开发工具是ＵＧ／ＧＲＩＰ。
２．ＵＧ 二次开发方法的研究 辽宁工学院硕士学位论文
ＧＲＩＰ是在ＵＧ环境下运行的，它的运行速度受到许多的限制，比操作系统下的程序 运行慢得多、尽管ＧＲＩＰ的功能远远没有ＵＧ／ＯＰＥＮＡＰＩ的功能强大，但是也有其独 特的特点，仍然被用户大量使用着．
需要注意的是，虽然 ＧＲＩＰ 通过了编译和链接，排除了语法上的错误，也完成 了链接，生成了可执行程序，但是，程序还可能包含着其他错误。这些错误可能是 算法错误、逻辑错误、不符合 ＵＧ的规定等等，因此，在开发 ＧＲ－ＩＰ程序时，还要 通过程序的调试运行．在调试中，内在的错误才会暴露出来。
２
．２．２ＵＧ／ＯＰＥＮ ＡＰＩ
ｕＧ／ ＯＰ Ｅ Ｎ ＡＰ Ｉ（ Ａ ＰＰ ｌ ｉｃ ａ ｔｉ ｎｎＰ ｒ ｏｇ ｒａ ｍ ｍ ｉ ｎｇ ｌｎ ｔｅ ｒ ｆ ａｃ ｅ） 应用编程接口，是一个允许用
户访问并影响ＵＧ对象模型（Ｏ句ｅｏｔＭｏｄｅｌ）的程序集，它提供了比ＧＲＩＰ更多的对ＵＧ 及其模块进行操作的功能，包括建模、装配、有限元分析、机构运动分析、制造等。它支持Ｃ／ｃ一语言，可以充分发挥Ｃ语言编译、运行效率高，功能强大的特点。并 且，这些ＡＰＩ函数可以无缝地集成到Ｃ＋＋程序中，并利用强大的ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａＩＣ十＋ 集成环境进行编译。这样，就可以充分地发挥出ＶｉｓｕａＩＣ十＋强大的功能和极其丰富 的资源，包括 ＭＦＣ类库，使用面向对象的软件工程方法，优质高效地进行软件的 开发。
１．ＵＧ／ＯＰＥＮ ＡＰＩ的主要应用有以下几个方面：
（１）用户化定制ＣＡＤ环境。用户化定制ＣＡＤ环境主要包括：提供用户化ＣＡＤ 规范：提供用户化标准件库；提供用户化ＣＡＤ界面等。
（
２）开发在ＵＧ软件平台上的用户专用软件。ＵＧ软件平台上的用户专用软件主 要指ＵＧ软件没有提供的及功能不能满足用户要求的一些用户专用软件，例如ＣＡＰＰ 软件、ＤＦＡ软件、ＤＦＭ软件、ＣＡＤ／ＣＡＥ接口软件等．
（
３）开发 ＵＧ软件与其它 ＣＡＤ软件的接口。目前，商品化的ＣＡＤ软件很多，
如ＵＧ、Ｃ＾ＴＩ＾、Ｐｒｏ／Ｅ、ｓｏｌｉｄＷＯｒｋ ｓ、ＡｕｔｏＣ＾Ｄ等。使用这些软件所建的３Ｄ模型 或 ＺＤ图纸都使用各自的数据结构，有时需要把它们的数据进行相互交换．这时，
有必要开发它们之间的接口程序。
２．ＵＧ／ＯＰＥＮＡＰＩ运行环境
ＵＧ／ＯＰＥＮＡＰＩ程序的运行可以在这几种环境下运行：
２．ＵＧ二次开发方法的研究 辽宁工学院硕士学位论文
（ｌ）ＶＣ环境。在这种环境下内部、外部程序均可以执行。
（
２）ＵＧ界面．这种环境只能执行内部程序。程序的执行是程序通过ｖｃ＋＋编译 连接后，产生一个 ＤＬＬ文件，然后进入ＵＧ，执行这个ＤＬＬ文件。
（
３）ＵＯ／ＯＰＥＮ ＧＲｌｐ程序。这是通过ＧｌｕＰ程序来调用ＵＧ／ＯＰＥＮ ＡＰＩ程序。由 于编程是在ＶＣ中进行，所以可以充分发挥ＶＣ的强大功能和丰富的编程资源，也 可以利用企业原有的Ｃ语言代码资源，将其集成到ＵＧ中。用ＵＧ／ＯＰＥＮ ＡＰＩ函数 进行二次开发的优点是该工具功能比较强大，能够实现 ＵＧ的绝大部分操作，易于 进行交互操作。
２．２．３ＵＧ／ＯＰＥＮＭｅｎｕｓｃｒｉＰｔ
ＵＧ／ ｏｐ ｅｎＭｅ ｎ ｕｓ ｃｒ ｉ Ｐ ｔ是ｕＧ／ Ｏｐ ｅ ｎ的一个重要组成部分， 支持ＵＧ主菜单和弹出
式下拉菜单的修改，通过它可以改变 ＵＧ菜单的布局、添加新的菜单项和工具条，
生成用户化的菜单进而集成用户二次开发的特殊应用。应用Ｍｅ ｎｕ ｓｃ ｒ ｉＰ ｔ进行用户菜
单定制主要有两种实现途径。
（１）添加菜单文件：开发人员添加菜单文件到相应的菜单目录下，这些菜单文 件是经过用户编辑的，符合自己要求的菜单文件，这是一种比较好的方法。
（
２）编辑标准菜单文件：开发人员编辑存在的标准菜单文件，使之符合自己的
要求，并且覆盖原来的菜单文件。这种方法就会改变ＵＧ原来的界面，不能恢复，须谨慎使用。开发人员可以通过文本编辑器，例如Ｗｉｎｄｏｗｓ的记事本编辑ＵＧ菜单
文件。 ｕＧ ／ｏｐ ｅ ｎＡＰ Ｉ提供ＵＧ ／ｏｐ ｅ ｎＡ ＰＩ 程序与ＵＧ ／ｏｐ ｅ ｎ Ｍｅ ｎｕ ｓｃ ｒｉ Ｐ ｔ程序的接口函数。
运用ＵＧ ／ｏｐ ｅ ｎＭｅ ｎ ｕｓ ｃ ｒｉ Ｐｔ 这一开发工具，可以很方便的编写用户菜单。通过此
菜单调用用户自行开发的对话框或ＵＧ本身的对话框，生成满足用户要求的交互式操作。但是ＵＧ ／ｏｐ ｅｎＭｅ ｎｕ ｓｃ ｒ ｉ Ｐ ｔ可以完全改变ＵＧ软件的主界面，须谨慎使用以防
出现界面混乱。
２ ． ２ ． ４ＵＧ ／ＯＰ ＥＮＵ ＩＳ ｔ ｙｌ ｅ ｒ
ＵＧ ／ＯＰ Ｅ Ｎ ＵＩ ｓｔ ｙｌ ｅｒ 是一个构建ｕＧ风格对话框的直观可视化的编辑器。通过选 择和放置对话框控件， 能实现所见即所得， 可以避免复杂的图形用户接口（ ＧＵ ｌ） 编程．
而且，ｕｌ ｓ ｔｙ ｌ ｅ ｒ创建的对话框可以在Ｍｅ ｎｕ ｓｅ ｒｉ Ｐ ｔ中调用，因此可以实现在ＵＧ菜单
项上调用ＵＩＳｔｙｌｅ：创建的对话框，从而将用户应用程序和ＵＧ完全融合。２．ＵＧ二次开发方法的研究 辽宁工学院硕十学位论文
１・ＵＧ／ＯＰＥＮＵＩＳｔｙｌｅｒ主要功能
ＵＧ／ＯＰＥＮ ＵＩｓｔｙｌｅｒ模块提供了强大的制作ｕＧ风格窗口的功能，其主要功能如
下 ：
（１）提供了让开发人员建造ｕｏ风格对话框的可视化环境，并能生成ＵＧ／ｏｐｅｎ
Ｕ
ｌｓ ｔ ｙｌ ｅｒ 文件和Ｃ代码，从而使用户在使用ＵＧ ／ｏＰ Ｅ Ｎ ＵＩ ｓｔ ｙｌ ｅ ｒ产生的对话框时，不
必考虑图形用户界面（ＧｒａｐｈｉｃａｌＵｓｅｒｌｎｉｅｒｆａｃｅ缩写为ＧＵ Ｉ）的实现。
（
２）利用可视化环境快速生成ＵＧ风格对话框，从而减少开发时间。
（
３）通过选取和放置控件，从而能实现所见即所得
（
４）可以在对话框中实现用户自定义位图。
（
５）提供了属性编辑器，从而允许开发人员设置和修改控件属性．
（ ６
） Ｕｌｓｔｙｌｅｒ 产生的对话框可以在ＭｅｎｕｓｃｒｉＰｔ中被调用，因此可以实现在ＵＧ菜 单项上调用Ｕｌｓｔｙｌｅｒ产生的对话框，从而将用户应用程序和ＵＧ软件完全融合。
２．２．ＳＵｓｅｒＴｏｏｌｓ工具
ＵＧ软件为用户提供了一个调用二次开发结果的交互式接口ＵｓｅｒＴｏｏｌｓ。它的功 能是生成弹出式对话框或工具条，其界面风格与ＵＧ界面风格一致．通过执行对话
框或工具条，操作相应的控件就可运行菜单文件、宏文件、ｕＧ／ ＯＰ Ｅ Ｎ Ｇ ｒｉ Ｐ程序、
ＵＧ了ＯＰＥＮ 妙 １程序和其他二次开发文件。例如，执行弧齿锥齿轮生成的程序集，可 以用 ＵｓｅｒＴｏ０１５工具生成弧齿锥齿轮对话框，然后在对话框上输入相应参数，进行 操作就生成相应的齿轮。
通过编写对话框定义文件（ ． ｕ ｔ ｄ ） 来实现ｕｓ ｅｒ Ｔｏ ｏｌ ｓ工具的功能。编写文件完成以
后，在ＵＧ中执行 Ｔｏｏｌｓ＊Ｃｕｓｔｏｍｉｚｅ＊ＵｓｅｒＴｏｏｌｓ＊Ｌｏａｄ，选择所编写的＊以ｄ文件即 可弹出需要的对话框或工具条。中．ｕｔｄ这个文件是文本文件，可用 Ｗｉｎｄｏｗｓ 中的写 字板进行编写和编辑。一种比较简单的实现方法：拷贝ＵＧ中的模板文件 ｕｓｅｒｔｏｏＬｕｔｄ 到ＵＧ启动目录下，然后编辑模板文件，实现所需要的功能。在以前较早版本中，
运用 ｕｓ ｅｒ Ｔｏ ｏｌ ｓ工具必须编写两个文件：菜单定义文件（ ． ｕ ｔ ｍ） 和对话框定义文件
（．ｕｔｄ），然后通过执行菜单项弹出相应的对话框或工具条。现在，较高的ＵＧ版本己 经省略产生菜单这一步，操作同上所述。在ＵＧ界面中应用Ｆｉｌｅ＊ＥｘｅｃｕｔｅＵＧ／ＯＰＥＮ 菜单执行ＵＧ／ＯＰＥＮ ＡＰＩ程序或ＵＧ／ＯＰＥＮ ＧｒｉＰ程序，操作一次只能执行一个程序，
２．ＵＧ二次开发方法的研究 辽宁工学院硕士学位论文
而且必须找到程序所在的路径。若利用ＵｓｅｒＴｏｕｌｓ这个工具，用户可以将多个ＧＲＩＰ 或 ＡＰＩ 函数所编写的程序集成到一个 ＵｓｅｒＴｏｏｌｓ对话框或者工具条中，一个程序对 应一个控件，通过操作控件来调用程序，使用起来就非常方便。
２
．３利用二次开发工具制作系统菜单
菜单的制作技术是构建模块框架进行其它开发工作的基础，针对不同的需要应 用不同的菜单制作技术，通过探索研究，采用菜单的用户化定制技术完成了本课题 的菜单框架的构建和齿轮系统功能的集成调用。而 ＵＧ软件为用户提供的二次开发 工具不但可以独立使用，而且可以相互调用其它工具开发的结果，这就大大扩展了 工具本身所具有的功能，方便用户进行二次开发．它们之间的关系如图 ２一２所示，
ＭｅｎｕｓｃｒｉＰｔ所开发的菜单可以与 ＵｓｅｒＴｏｏｌｓ开发的对话框相互调用：ＭｅｎｕｓｃｒｉＰｔ所 开发的菜单与ＵｓｅｒＴｏ０１５开发的对话框可以调用ＵＩＳｔｙｌｅｒ开发的对话框；Ｍｅｎｕ ｓｃＴｉｐｔ、
Ｕｓ ｅ ｒ Ｔ ｏ ｏ ｌ ｓ和ＵＩ Ｓ ｔ ｙ ｌ ｅ ｒ开发的对话框均可以调用ｏＲｌ ｐ程序和Ａｐ ｌ程序。ＧＲＩ Ｐ程序
和ＡＰＩ程序之间也可以相互调用。另外，使用ＵＧ二次开发工具必须要设置相应的 环境变量，这样系统才能找到这些开发文件，执行相应的程序。
图２一二次开发工具关系图
１．设置系统环境变量
在菜单的各种构建方法中，系统环境变量的设置是第一步工作，设置了环境变 量，ＵＧ才能找到具体开发内容所在的目录。这里主要介绍两种方法。
方法一：是打开ＵＧ安装目录ＵＧ Ｉ沙 ＡＳ 几ＤＩ Ｒ ＼ＵＧｎ 腼ｅ ｎ ｕｓ 目录下的 ｃ
ｕｓ ｔｏ ｍ － －ｄ ｉｒ ｓ， ｄａ ｔ （用记事本格式打开） ，在文件最后添加开发的文件夹的绝对路径。在
添加的文件夹里建立两个子目录：ｓ ｔ ａ ｒ ｔｕ ｐ 和ａ Ｐｐ ｌ ｉ ｃａ ｔ ｉｏ ｎ，分别用来放置开发的各种文
本文件（＊．ｍｅｎ文件）、对话框文件、动态库文件等等。３直齿轮、斜齿轮及直齿锥齿轮的数学模型的建立与参数化建模 辽宁工学院硕士学位论文
３直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮及直齿锥齿轮的数学模型的建
立与参数化建模
本章首先分析了渐开线齿形曲线的特性，建立了相应的渐开线数学模型，以此指 导渐开线齿廓的参数化建模。其次，在上述研究的基础上建立了直齿圆柱齿轮、斜齿 圆柱齿轮及直齿圆锥齿轮的数学模型，并运用ＵＧ／ＯＰＥＮＧＲＩＰ实现各种齿轮的三维 参数化造型．
３．１齿轮常用的齿形曲线一渐开线
目前齿轮齿形曲线通常采用渐开线、摆线及变态摆线，近年来还有圆弧和渐开线 齿形等。齿形齿廓除了要满足定传动比外，还必需从设计、制造、测量、安装及使用 等方面要求，和其它的齿形相比，渐开线拥有保持瞬时传动比恒等和可分离性等优点，
因此绝大部分的齿轮都是采用渐开线作为齿形齿廓的。齿轮的齿廓曲线包括齿顶圆部 分、齿形曲线部分、过渡曲线及齿根圆部分如图３一１所示．其中齿形曲线部分为齿轮 啮合传动接触的重要部分，也是构造齿廓的重要曲线。
齿顶圆
齿根圆
图 ３一１齿廓曲线组成
３１ ． １渐开线的形成及其特性
１渐开线的形成的原理
当有一条直线（常称发生线）在一个半径为ｒｂ的固定圆的圆周上作纯滚动时，如图 ３一２，直线上任意点Ａ的运动轨迹线ＡＡｏ就是形成的渐开线。图中半径为ｒｂ的固定圆
３直齿轮、斜齿轮及直齿锥齿轮的数学模型的建立与参数化建模 辽宁工学院硕士学位论文
称为渐开线的基圆．由图可知，当发生线在基圆上做纯滚动时，发生线上的一些任意 点如Ｂ、Ｃ都会展出渐开线。尽管这些渐开线的位置不同，但渐开线的形状相同加 图 ３一２所示。
渐开线齿轮的轮齿齿形就是由两条对称的渐开线所形成．
图３一渐开线的形成
２ ．渐开线特性１ ４ ３１
（
ｌ）渐开线自基圆开始，基圆外面才有渐开线，基圆以内无渐开线。
（
２）渐开线上任意点的法线必切于基圆，切于基圆的直线必为渐开线上一点的法
线。
（ ３
） 发生线与基圆的切点Ｇ Ｏ是渐开线在点Ａ的曲率中心， 线段ＡＧ Ｏ是渐开线在点Ａ
的曲率半径，渐开线上越接近基圆的点，其曲率半径越小。
（４） 同一基圆上任意两条渐开线之间各处的公法线长相等。
（
５）渐开线的形状取决于基圆的大小。在相同展开角处，基圆半径越大，其渐开 线的曲率半径越大，当基圆半径为无穷大时，其渐开线变成直线。故齿条的齿廓曲线 就是变为直线的渐开线．
３直齿轮、斜齿轮及直齿锥齿轮的数学模型的建立与参数化建模 辽宁工学院硕士学位论文
（
６）渐开线上任意点的法线长度（也是曲率半径）等于发生线在基圆上滚过的弧
长。
３．齿轮的齿形曲线
对于定传动比的齿轮机构，选择的齿形曲线除了要满足定传动比外，还必需从设 计、制造、测量、安装及使用等方面综合考虑。其中渐开线齿形能够较为全面地满足 上述方面的要求，渐开线齿形的优点如下：
（１）渐开线齿形能够保证瞬时传动比不变。
（
２）渐开线齿轮传动具有“ 可分离性” 。渐开线齿轮传动，如果把两轮的中心距离
稍微增大或减小些，此时，两轮的啮合时的传动比仍能保持不变。即：渐开线齿轮的 瞬时传动比不因中心距稍有变化而发生变化。这种性质称为渐开线齿轮传动的“可分 离性，’ｏ
（ ３
） 因为渐开线的形成原理较其它齿形曲线简单，并可用直线廓形的工具进行加 工，所以制造精度也容易提高。
（ ４
） 互换性好。渐开线齿轮只要模数和压力角相同都可以互换．加工刀具的通用 性也广，一种模数的刀具可加工任意齿数的齿轮。而其他齿形曲线的齿轮基本上没有 互换性，常成对调换，并且加工刀具都为专用刀具，设计制造的工作量大。
故目前绝大部分的齿轮都是采用渐开线作为齿形。渐开线齿轮的齿形有着严格的
数学方程轨迹，造型复杂，而一般的软件均不提供渐开线和其他高级曲线的功能【 ４ ４ １。
目前，绘制渐开线齿轮齿形的方法有三种，一种是用圆弧近似代替渐开线，这样虽然 能够近似画出齿轮轮廓，但存在如下缺点：绘制过程复杂，费时并且容易出错：修改 过程困难，不能形成系列化修改不能直接在图中得出渐开线的相应数据。第二种方法 是先调用绘制工程图形的专用软件，然后把图形文件导入ＣＡＤ系统．如果只是为了绘 制渐开线而花高价钱购买专用软件显然不合算。第三种方法是利用ＣＡＤ的二次开发工 具来实现渐开线齿轮齿廓的精确绘制，这也是本文所介绍的方法。
３ ． １ ． ２渐开线数学模型
以上讨论的渐开线的一些性质，但在渐开线齿轮三维参数化造型的过程中，还需 要进一步知道轮齿渐开线齿形的各点坐标值。
如图３召所示，当直线ＢＫ沿半径为几圆周作纯滚动，直线之上任意一点Ｋ的轨迹
３直齿轮、斜齿轮及直齿锥齿轮的数学模型的建立与参数化建模 辽宁工学院硕士学位论文
ＡＫ展开渐开线。直线ＢＫ称为渐开线的发生线。角仇称为渐开线上Ｋ点的展开角。
图３一３极坐标下渐开线齿廓曲线的计算
如图３一３，Ａ为渐开线在基圆上的起点，Ｋ为渐开线上任意点，其矢径为几，渐开 线ＡＫ段的展开角为ｏｋ．当渐开线作为齿轮的齿廓在点Ｋ啮合时，则此齿廓在点Ｋ所受 的正压力方向（即法线方向）与速度方向（沿ａＫ方向）所夹的锐角ａｋ为渐开线在点Ｋ的压 力角。由图可见，ａ广匕ＢＯＫ，且
ｃ
ｏｓａｋ＝ｒ夕蛛 （３一１）
一 ， 犬刀
入 囚 切ｎａ‘＝— ＝
口召
ｒ
ｂ（ａ＊＋凤）
几 艺ａ＊十ｏｋ 故得ｇｋ＝ｔａｎａｋ一ａｋ，由上式知，展开角ｏｋ 是压力角“ｋ的函数，称其为渐开线函数，工程上常用ｉｎｖｏｋ表示，即
ｉｎｖ夕‘＝比ｎａｋ一ａｋ
由式（３一１）及（３一２）可得渐开线的极坐标方程式为：
（３一２）
３直齿轮、斜齿轮及直齿锥齿轮的数学模型的建立与参数化建模 辽宁工学院硕士学位论文
几＝ 一丘 一
氏
如已知基圆半径ｒ６，在每取一个ａｋ值时，
当算出若干点后，就可得出整条渐开线
ｃ ｏ ｓａ全
＝认ｎａ‘一ａ止
就可算出渐开线上各相应点的极坐标（ｒｔ、
（３，３）
夕小
３ ． １３渐开线齿廓的绘制
渐开线齿廓的构成分两种情况，分别如下：
（１）当基圆半径小于等于齿根圆半径时，渐开线齿形曲线从齿根圆开始，到齿顶 圆结束。如图３・４所示
齿顶 圈
渐开线 曲线 分度回
齿根圈 齿根倒 圆
图３４当齿根圆半径大于基圆半径时渐开线齿廓曲线
（
２）当基圆半径大于齿根圆半径时，基圆把齿廓曲线分成两部分，在基圆的外部 的为渐开线，仍由渐开线参数方程决定。而基圆与齿根圆之间的曲线多数设计者都是 通过直线或圆弧来代替，但是这样绘制的齿廓不精确，影响齿轮强度。由于这部分曲 线是在加工过程中形成的，因此，直接取决于加工工艺方法和刀具齿顶形状。这里，
对这部分齿形将采用刀具刀尖轨迹的曲线来精确绘制过渡曲线。如图３一１所示．
１．齿廓的渐开线曲线的绘制
